Основы естествознания

Во времена  Дарвина говорить о молекулярной биологии было еще рано. Однако, идеи борьбы и выживания с учетом современных представлений о молекулярной основе живых существ находят свое отражение в различных неодарвинистских теориях. Проводятся следующие рассуждения. В первичном "бульоне", образовавшемся на поверхности планеты, под воздействием внешних факторов: тепла, излучения, электрических разрядов возникают различные молекулы (в том числе и органические). Эти молекулы могут существовать какое-то время, распадаться, взаимодействовать с другими молекулами, образуя с ними соединения. В результате всех этих процессов возникает своеобразный тип молекул - так называемых репликаторов, - которые способны создавать и отщеплять собственные копии, составляемые из "обломков" химических соединений, содержащихся в окружающей среде ("бульоне"). Понятно, что с течением времени число таких молекул будет все более возрастать за счет этого копирования. Предположим, что свойством реплицироваться обладает несколько различных молекул. Кто же уцелеет? Во-первых, долгоживущие. Чем дольше молекула сохраняет стабильность, тем больше копий она сумеет воспроизвести. Во-вторых, размножающиеся быстро. В-третьих, размножающиеся точно, с наименьшими отклонениями от исходных. И вот весь бульон съеден. В нем не осталось обломков, пригодных для использования в репликации, они поступают в него только с разрушением уже существующих молекул. Если по каким-то причинам у одного из видов репликаторов возникает механизм расщепления других молекул, то его численность возрастает. С другой стороны, вид репликаторов, обладающий по каким-то причинам механизмом защиты от такого воздействия - протооболочкой, также уцелевает в процессе такой эволюции. По мере усложнения "атакующих" усложняются и "защитные" механизмы. При этом необязательно говорить о целенаправленном усложнении, просто по прошествии достаточно большого промежутка времени останутся лишь те молекулы, в которых эти механизмы так или иначе возникли. Путь от протооболчки ведет к протоклетке. Ее внутренняя часть содержит "исходную" реплицирующуюся молекулу. Это модель гена. И все дальнейшее есть лишь создание все более совершенных "машин" для выживания гена. Те сложные, часто многоклеточные, многофункциональные существа, которые мы теперь называем живыми (в том числе и человек), есть наиболее приспособившиеся потомки молекул-репликаторов. 

Обсудим еще одну концепцию, известную как автоэволюция формы и функции. Ее возникновение связано со стремлением найти закономерности эволюции как живой, так и неживой природы, найти ее движущие силы. В ней выделяются четыре уровня рассмотрения, связанные между собой общими закономерностями. 

Эволюция элементарных частиц 

Элементарные  частицы делятся на две категории: кварки и лептоны. Из кварков образуются барионы (такие трехкварковые частицы, как протон и нейтрон) и мезоны (состоящие из пары кварк-антикварк). Примером лептона является электрон. Различия между кварками и лептонами соответствуют изменению типа симметрии. Первоначально полагали, что элементарные частицы неизменны и неродственны. Теперь же есть основания думать (и имеются экспериментальные подтверждения, полученные в лабораториях, где наблюдались взаимные превращения элементарных частиц), что они образованы ранее существовавшими частицами и происходят от них. В самом начале существования Вселенной (до момента 10-9 секунды, если все же пытаться говорить о времени в этот период) возникли кварки, антикварки, позитроны, тау-лептоны, нейтрино, фотоны и другие, которые непрерывно и очень быстро превращались друг в друга. На эту эволюцию были наложены ограничения, определяемые симметрией возникающих объектов, которые позволяли процессу идти только определенным образом. Изменчивость свойств различных получающихся частиц была обусловлена тем, что были возможны различные комбинации исходных. Изменение свойств от частицы к частице происходит не непрерывно, а скачком, что как раз и связано с переходом от одного типа симметрии к другому. В последующий период большую роль играло существование неизменного реликтового излучения, воздействовавшего на дальнейшие процессы как постоянный фактор. 

Эволюция химических элементов 

До того как  возникло представление об элементарных частицах, основой имеющихся в  природе веществ признавались химические элементы. Они также поначалу считались  неизменными и не взаимосвязанными (хотя алхимия одной из своих важнейших  задач видела трансмутацию элементов. В золото, конечно.). Когда английский химик У.Праут в 1815 году высказал предположение об эволюции химических элементов, - с его точки зрения все они были продуктами полимеризации водорода, - это вызвало насмешки. Теперь же считается общепринятым, что все химические элементы образованы на основе водорода, сначала они возникают внутри звезд, а затем попадают в межзвездное пространство в результате взрывов. Число устойчивых элементов невелико, чуть более сотни. При этом важно отметить, что при радиоактивном распаде ядра атомов превращаются не в произвольные ядра, а во вполне определенные, а число видов превращений ограничено. Все разнообразие известных веществ получается в результате комбинирования составляющих их существующих химических элементов, причем это комбинирование происходит по строгим правилам. 

Эволюция минералов 

Минералами называются химические соединения (как правило, говорят о твердых телах), образовавшиеся в результате природных процессов. Их известно порядка 3000, и все они также прошли свой путь эволюции. Все известные минералы принадлежат к одной из семи кристаллографических симметрийных систем. Можно обнаружить, что различные по химическому составу минералы часто образуют одинаковые кристаллические структуры (изоморфизм). С другой стороны, вещества, обладающие одним и тем же химическим составом, могут образовывать различные кристаллические структуры (наиболее известным примером являются алмаз и графит: оба они представляют собой чистый углерод, но атомы его в этих двух случаях образуют различные решетки, и свойства получающихся веществ различаются очень сильно). Процесс роста кристаллов весьма сложен. Ясно, тем не менее, что получающаяся структура обусловлена факторами, связанными с взаимодействием на атомном уровне. В процессе комбинирования атомов между собой может возникнуть множество конфигураций, форм на основе одной системы, но возникают и остаются лишь достаточно строго определенные, и именно они участвуют в дальнейших процессах взаимодействия, выполняя в них определенные функции. 

Интересен в  этом смысле известный опыт Пастера. Он исследовал процесс ферментации  вин. В нем образуются два рода кристаллов одной и той же соли, которые представляют собой зеркальное отображение друг друга. При пропускании  поляризованного света через водный раствор соли, состоящей из кристаллов одной формы, плоскость поляризации поворачивается вправо, если кристаллы другой формы - плоскость поляризации поворачивается влево. При пропускании поляризованного света через водный раствор смеси солей с кристаллами различных форм плоскость поляризации не поворачивается совсем. Фермент при образовании вина взаимодействует только с одной из этих форм. Таким образом, функция фермента неотделима от формы вещества, участвующего в процессе. Таким образом, асимметрия порождает функцию. 

Можно сказать, что в основе описанных явлений  лежит взаимосвязь между симметрией, веществом и формой, которые характеризуют  устойчивость, с одной стороны, и  асимметрией, энергией и функцией, характеризующих  изменчивость, с другой стороны. Именно эта взаимосвязь и обусловливает все эволюционное развитие на нашей планете: форма порождает функцию, функция порождает форму. Не исключение и биологическая эволюция. 

Эволюция в  живой природе 

Основные характеристики паттернов - устойчивых, хорошо различаемых форм, - свойственных минералам, имеются и у растений и в животном мире. Можно предположить, что дендритные (внешне напоминающие растения) и спиралеобразные формы неслучайно встречаются и в живой, и в неживой природе (дендритные кристаллы, рога у животных и спиралевидные молекулы). Фундаментальный в живой природе процесс сегментации протекает и в царстве минералов. Без эволюции минералов эволюция клеток могла не состояться. И в процессе роста кристаллов, и в процессе роста организмов велика роль поверхности. Кристаллизация минералов обладает практически всеми чертами репликации органических молекул. Типы симметрии, характерные для живого, произошли от соответствующих свойств молекул и минералов. И там, и там имеются и существенное различие правого и левого, и существуют спиралевидные формы. Долгое время считалось, что у кристаллов имеются оси симметрии лишь 1, 2, 3, 4, и 6-го порядка, в то время, как для живого (существа) характерна ось симметрии 5-го порядка. И в связи с этим указывалось на то, что, скажем, треугольниками, квадратами и шестиугольниками можно замостить плоскость (океанского дна) без промежутков, что и приведет к неподвижности образовавшейся поверхности. В то же время пятиугольниками замостить плоскость без просветов нельзя, и пятиугольные формы могли проявить подвижность и, таким образом, сделать первый шаг в сторону живого. Однако теперь известны квазикристаллы, обладающие осью симметрии 5-го порядка, и таким образом "симметрийный разрыв" между мирами живого и неживого заполнился. 

Живая клетка - единица  органического мира - образуется в  процессе самосборки. Но можно наблюдать  это явление на всех уровнях организации  материи: от первозданных элементов  до человеческих сообществ. Самосборка детерминирована определенными  правилами, и разнообразие получающихся форм есть результат комбинаций исходных элементов. Даже мутационный процесс не полностью случаен, но ограничен составом и формой нуклеиновых кислот и белков. 

Основная мысль  теории автоэволюции состоит в том, что как в основе эволюции частиц, химических элементов и минералов, предшествующей биологической эволюции, так и в ней самой лежат физические и химические факторы. Физические - это электромагнетизм (взаимодействие атомов и молекул, фотосинтез, прохождение нервного импульса), теплота (возможность протекания и интенсификация процессов), гравитация (слоистость расположения атомарных и молекулярных комплексов). Химические состоят в частности в том, что в состав живых организмов входит только порядка тридцати основных органических молекул, а все существенно необходимые для жизнедеятельности растений элементы находятся в начале периодической системы. 

Одним из глубоких и важных для мировоззрения является вопрос о существовании цели эволюции - ее телеологичности и содержании этой цели. Самомнению человека трудно допустить как то, что он просто не слишком удачная обезьяна, выжившая в результате естественного отбора, так и то, что он есть проявление взаимодействия формы и функции со всем набором физических и химических факторов. Акт Божественного творения представляется более предпочтительным, однако, естественнонаучный подход требует исследовать этот вопрос с той же тщательностью, с какой ищутся все корни математического уравнения, и если есть возможность найти ответ без привлечения принципиально непознаваемого, сделать это. 

Рассмотрим один из возможных вариантов, при котором  возникновение человека является обусловленным, и биологическая эволюция имеет  цель. Будем называть потенциально живыми те вечные (при определенных постоянных условиях) химические соединения, которые присутствуют в ядрах клеток всех живых существ, и актуально живыми те связанные с ними биологические единицы, которые претерпевают смерть, то есть разрушение и распад. Отметим затем, что только 2% молекулы ДНК, определяющей наследование свойств, связаны с признаками, то есть определяют фенотип живого существа, а остальные 98% ни с чем испытывающим воздействие среды, окружающей актуально живое существо, не связаны. При этом они передаются из поколения в поколение. Тогда вопрос состоит в том, почему потенциально живое превращается в актуально живое и зачем удерживается во времени наибольшая из двух часть наследуемой информации. 

Для ответа на первый из этих вопросов прибегнем к аналогии из техники. Как поступает конструктор, когда ему требуется обеспечить безусловное выполнение какой-либо функции устройства? Конечно, он требует, чтобы все детали были выполнены из высококачественных материалов. Однако стопроцентной гарантии это не дает, поскольку имеется риск случайного дефекта (трещинки в отливке) или изменения окружающих условий. Поэтому применяется принудительная периодическая замена деталей конструкции. Это позволяет и вносить изменения в материалы или части конструкции при изменении внешних условий. Таким образом, возможный смысл превращения потенциально живого в актуально живое состоит в том, чтобы использовать постоянно возобновляемое и заменяемое устройство для того, чтобы обеспечить выполнение некоторой важной функции. Приспособление к окружающей среде происходит буквально и именно за счет фенотипических признаков. 

Что же происходит помимо этого? Сохраняется информация, записанная в ДНК-кодах, не связанных  с признаками. Она довольно велика. Длина одной молекулы ДНК достигает  нескольких сот тысяч звеньев. Этих звеньев насчитывается двадцать типов, и возможно рассмотреть их последовательность в качестве текста и счесть ее посланием. Но кому и от кого? Тому, кто прочтет. Пославший же, вероятно, подписался в конце. Но где взять того, кто прочтет? Адресат, обладающий мозгом-дешифратором, может быть сформирован самим посланием в процессе биологической эволюции, живое усложняется по мере своего развития. Это напоминает известную гипотезу панспермии, когда зачатки живого, какие-нибудь вирусы или бактерии, способные существовать в условиях космического пространства, путешествуют по нему, как споры или пыльца в атмосфере Земли, пока не попадут в условия, благоприятные для эволюции. В данном случае панспермия оказывается целенаправленной, то есть содержит в себе не просто возможность для развития жизни, но и предпосылки для создания мозга, способного к прочтению послания. Прочитавший его - фактически создавший, приписавший и обнаруживший смысл, станет одновременно и автором, и адресатом. Текст может содержать, например, приглашение к галактическому сотрудничеству и указывать средства к его реализации.