Половое размножение – форма конкуренции равновесия и максимума производства энтропии-информации

Процессы производства энергии влияют на долговечность клетки и иными способами. Энтропия характеризует распределение (в частности, распределение) энергии. Рост энтропии в динамических процессах ограничен поступлением энергии извне живой системы или её запасом (при распаде живых организмов и их сообществ).

Обычно в живых системах выполняется закон - при заданной структуре живой системы чем интенсивней метаболизм, тем меньше продолжительность жизни. Большее поступление энергии требует большей скорости её диссипации, то есть большей скорости роста энтропии. Однако живая система конкретна. Общие физические законы действуют при ограничениях конкретных условий. Они могут быть простыми или сложными. Например, раковые клетки делятся практически без ограничений числа делений. Клетки человеческого организма погибают после 50 делений. Это связано с иерархической сложностью системы. Раковые клетки отвечают меньшему количеству необходимых для их работы ступеней иерархии, чем клетки организма. На высоких иерархических ступенях информационные отличия внутри ступеней иерархии малы. Этим снижены барьеры, которые отделяют информацию, совместимую с выживанием, от несовместимой с ней. При малой информации быстро накапливаются ошибки. Клетки, а с ними и организм, гибнут. Это общий закон, но его детали могут быть разными. Поэтому возможно воздействие на клетки с целью остановить или ускорить старение (которое есть этап перехода к росту энтропии тривиальным путём распада). Проблема старения - это проблема невозможности вечного равновесия, даже если оно динамическое. Причина возникновения и прогрессивной эволюции жизни - стремление к максимуму энтропии с участием принципа максимума способности к превращениям (максимума производства энтропии) - разрушение тупиков равновесия. Предельный вариант этого - смерть и деструктивный распад, возвращение продуктов и энергии в неживую природу.

Главное отличие животных клеток от растительных - их энергетика. Фотосинтезирующая энергетика жизни не связана с необходимостью непрерывно вносить в организм и его клетки разнообразные сложные вещества. Солнце поставляет растительным клеткам поток тепла и энергию (подробности в этом см. параграф 10 главы VI). Составляющие его кванты перед поглощением трансформируются по частоте, что реализует передачу потока тепла от Солнца. Поэтому небольшие спектральные отличия в исходном потоке света не влияют на детали функционирования энергетики клетки. Классическая дарвиновская эволюция как стремление к равновесию при максимуме энтропии и минимуме производства энтропии имеет стабильные исходные условия для последующего усовершенствования фотосинтезирующей клетки путём увеличения запаса устойчивости и ширины области устойчивости как результата синтеза информации. Это наблюдается в виде итога - фотосинтезирующей энергетики на основе хлорофилла. При вегетативном размножении возникает “бессмертие” клетки сложного организма.

“Пищевая” энергетика животной клетки имеет химический источник - поток веществ. Они унифицируются путём распада до, например, глюкозы. В конечном счёте это есть унификация до конкретных квантов взаимодействий как основы химических реакций. В отличие от фотосинтезирующей энергетики, отходы этой унификации есть вещества.

Принцип структурной комплементарности гарантирует снижение отходов последовательных реакций, но не их полное отсутствие. Условия синтеза информации теряют однозначность и долговременную стабильность, характерную для фотосинтезирующей энергетики.

Вносимые этими условиями возмущения-продукты, уменьшают остроту экстремумов. Естественный отбор (как запоминание при синтезе информации) даёт результаты, которые по отношению к делениям клетки уменьшают запас устойчивости и ширину области устойчивости.

Поэтому животная клетка должна быть быстрее стареющей, чем растительная. Это известно давно. Влияние на долголетие животных и человека состава и количества пищи, качества вдыхаемого воздуха и потребляемой воды есть материальное выражение этих особенностей животной клетки.

В старении участвуют взаимодействия внутри организма как динамической системы. В них ошибки накапливаются. Растения-организмы столь же смертны, как и животные, хотя столетия как интервалы жизни для растений часты, а для животных - исключения.

Конкретное отображение устойчивости, запаса устойчивости, ширины области устойчивости есть детали кинетики процессов в ДНК, например, теломераза и её изменения.

Но, если учитывать перечисленное выше, то это отображает закономерное.

Столь же закономерно, что при клонировании разных видов животных должны быть различны детали сроков старения клонированных особей.

Альтернатива тупиков равновесия и максимума производства энтропии-информации является самым главным в существовании жизни и её продолжении путём размножения особей.

Связи ступеней иерархии при синтезе информации

Как подчёркивается в этой работе, несостоятелен подход к случайностям в эволюции жизни по типу - известно, что средняя частота мутаций такая-то, подсчитаем на этой основе вероятность, с которой может возникнуть то новое, что хотят обосновать случайностями. Поэтому, как правило, такие расчёты не дают похожего на реальность. Случайные изменения в ДНК нельзя оторвать от ограничивающих их условий. Мутации в ДНК не есть равновероятные случайности. Их контролируют и направляют условия, которые задаёт внутриклеточная среда (в первую очередь, в непосредственной окрестности ДНК). Главное среди них - стремление к статическому или динамическому равновесию. Участвующие в этом индуцированные переходы увеличивают частоту мутаций так, как этого требуют условия прихода к равновесию. В данных внешних условиях оно существует далеко не всегда. Но этим задано направление его “поисков” для запоминания.

Молекула ДНК в составе иерархического роста энтропии-информации (ряд (1.29) в главе I) есть представитель младших (по отношению к жизни) членов этого ряда (рис.5.3). Её окружающая среда в силу обязательных обратных связей зависит от запомненной информации на уровнях последующих членов ряда (1.29). Это показано на рис. 5.3 стрелками, отображающими поставку на младшие уровни иерархии веществ, произведенных на старших уровнях.

Каждый следующий член ряда иерархии эволюции жизни возникает как скачок на основе принципа максимума производства энтропии-информации, конкретным выражением которого являются запомненные мутации. Идёт ли речь о клетке или о сложном организме, мутация есть изменение в ДНК как молекуле. Для того, чтобы оно было запомнено, необходима согласованность способностей к гетерокатализу, которые внесла мутация, с продуктами и транспортным процессами в окружении данной ДНК. В этом мутация зависит от ступеней иерархии, более старших по отношению к ДНК. Ясно, что вероятность случайной мутации ДНК, которая согласованно одномоментно изменит все иерархические “скачки”, запоминание которых создало вид жизни, ничтожна. Ведь старшие ступени иерархии образовались в своих условиях, по своим законам.

Мутация в ДНК не есть одномоментный процесс. Она содержит две составляющие, роль в которых случайностей различна:

Первая составляющая мутации в виде возбуждения молекулы ДНК. Оно проходит последовательно через все участки ДНК.

Вторая составляющая мутации есть возврат молекулы ДНК из возбужденного состояния в основное.

Разные комбинации кодонов в ДНК энергетически равноправны. Поэтому основное состояние как статический результат завершённой мутации неоднозначно. Оно контролируется закономерностями, зависящими от веществ, производимых с участием данного и соседних уровней иерархии энтропии-информации, а также условиями, зависящими от этих уровней. Этим возможные виды мутаций ограничены. Эксперименты это подтверждают тем, что искусственные мутагены вызывают только такие мутации, которые существуют как спонтанные (см. п. g параграф 6 главы IV). Если условия не могут обеспечить в окрестности ДНК микросреду, нужную для гетерокатализа и размножения на его основе новой по форме ДНК, то нет мутации (как запомненного состояния ДНК совместно с её окружением). Вместо неё есть необратимо изменённая молекула ДНК, не совместимая с метаболизмом клетки - гибель клетки.

В процессах возврата к равновесию участвуют индуцированные переходы. Они могут повышать частоты мутаций на порядки. Но это всегда есть переходы, направленные к старому или новому равновесию. С учётом предыдущих и последующих ступеней иерархии такие равновесия возможны далеко не всегда, но выбор происходит из тех случайностей, которые потенциально равновесиями быть могут.

Подчеркну - общее свойство молекул ДНК (как отмечалось в главе II) состоит в энергетическом равноправии разных последовательностей кодонов в них. Состав окружающих ДНК веществ контролирует вид молекулы ДНК, восстановленной после её возбуждения. Соседние члены ряда (1.29) могут влиять на структуру ДНК как молекулы с помощью продуктов, производимых на их уровнях иерархии.

На уровне ступеней иерархии вида “ДНК - клетка” старшая ступень - клетка и её органеллы - есть непосредственная пространственная микроокрестность ДНК. В таких условиях относительно короткие цепи взаимодействия ДНК с внутренней средой клетки (в силу особенностей, которые были подробно рассмотрены в главах II - IV) могут привести к согласованию со старшими иерархическими ступенями некоторого числа мутаций в ДНК (схема рис. 5.3 упрощенная и в ней не показаны иерархические плоскости возникновения в клетке симбиоза конкретных органелл).

На уровне конкретных ферментов-белков и реакций (в терминах репарации повреждение и переносов участков ДНК, и подобного) процессы в клетке, связанные с мутациями, сегодня исследованы, отнюдь, не мало, но детали здесь упоминать не буду.

Уровни иерархии, отвечающие объединению клеток в многоклеточный организм оказываются слишком далеки от ДНК как физико-химически, так и пространственно. Возникает вид мутаций, для которых уровни иерархии “ДНК - клетка” изменяются согласованно с размножением мутировавшей ДНК, но невозможно согласование со старшими уровнями иерархии (организма в целом). Это есть раковые клетки.

У растительных клеток есть какие-то сугубо конкретные особенности внутриклеточных и межклеточных взаимодействий, которые изменяют взаимодействия клетки и организма, поэтому у растений рак встречается как исключение. Весьма вероятно, что это имеет общие причины с “вечным” размножением растительных клеток, происходящим при вегетативном воспроизводстве растений (о чём упоминалось в параграфе 5 этой главы). Это же должно быть и причиной, разрешающей для растений прививки. В другой терминологии можно сказать, что растения имеют систему иммунитета “свой - чужой”, которая принципиально отличается от такой системы у животных.

В начале этой главы было определено, что детерминизм эволюции жизни и её представителей задан порогами, внутри которых находятся случайные нейтралистские изменения. Детерминизм растений и детерминизм животных отличается конкретной величиной этих порогов. Несомненно, что это же относится и к грибам, и к конкретным видам внутри этих крупных таксономических градаций.

Это можно пояснить уже использовавшейся аналогией. Образование рек, прудов, озёр, морей закономерно в том смысле, что вода всегда будет течь вниз. Но оно одновременно случайно, так как случаен рельеф поверхности земли. И оно ограничено условиями, среди которых есть глобальное - должен существовать источник воды. Дальше сами потоки, пруды, озёра, моря опять вводят закономерную составляющую, формируя свой конкретный вид.

Это же относится и к эволюции жизни. Направление роста энтропии вводит в возникновение и эволюцию жизни столь же жёсткую закономерность, как движение воды вниз. Однако река при этом возникнет только в том случае, если есть источники воды и случайности, определяющие возможность её движения вниз. Доминирующего условия роста энтропии-информации недостаточно для возникновения и эволюции жизни. Нужна “вода” и случайности “рельефа местности”. Эта аналогия поясняет сочетание случайностей и детерминизма в возникновении и эволюции жизни. Эволюция жизни случайна, но имеет заданное ростом энтропии-информации направление и средства для движения в нём.

Половое размножение (как класс процессов) возникает в результате случайностей, контролируемых движущей силой эволюции (см. главу IV). Синтез информации о нём есть результат работы этой силы в виде реальных процессов, осуществляющих синтез информации на основе критериев рис. 1.2, 1.4. Его следствием являются новые возможности оптимизации в виде репарации повреждений в ДНК, согласующей гетерокатализ с участием молекулы ДНК и процессы на соседних ступенях иерархии энтропии-информации.

Половое размножение вводит особый вид “мутаций”. Гаметы есть результат максимального случая возбуждения ДНК и одновременно парадоксально имеют статически равновесную форму. Их контролирует отбор путём запоминания их неравновесной энергетической избыточности в связанной форме.

Оплодотворение есть возврат в основное состояние, начинающийся от метастабильного состояния полностью возбуждённой молекулы ДНК. Он приводит к “мутациям”, направление которых задают индуцированные переходы и которые заведомо обеспечены продуктами за счёт процессов на соседних ступенях иерархии энтропии-информации. Производство и баланс этих продуктов зависят от специфических управляющих веществ - гормонов и нейромедиаторов, являющихся переносчиками термодинамической силы, зависящей от информации. Поэтому оплодотворённая ДНК (то есть завершившаяся сугубо специфическим образом мутация) будет выживанием выживающих с относительно высокой вероятностью даже тогда, когда гаметы получают реальные случайные повреждения. Это есть та максимальная репарация повреждений ДНК, которую вводит в клетку половой процесс. Мейоз необходим для “бессмертия” клетки потому, что формирует парадоксальное равновесие возбуждённой ДНК. При взаимном оплодотворении гамет новая клетка начинает деления от “нуля”. Его создаёт возбуждение ДНК, превышающее локальные возбуждения рис. 4.7. Оно возникает, когда объединяются ДНК равновесных гамет.

Половой процесс (в том числе с участием реальных мутаций) создаёт сугубо ограниченные возможности изменчивости организмов. В первую очередь движущая сила эволюции формирует те варианты изменчивости, которые содержат в себе результаты, уже проверенные выживанием выживающих. Это создаёт важные и интересные особенности отбора с участием полового процесса.

Для любого вида жизни “хвосты и уши” (внешние вульгарные признаки) формируются на его самом старшем уровне иерархии энтропии-информации. Фигурно отрезая уши или безжалостно отрубая хвосты невозможно ввести в ДНК результаты как генетически наследуемый признак. Но старшие ступени иерархии энтропии-информации используют как свои элементы объекты предыдущих ступеней этой иерархии. Существует сила, действующая так, чтобы работали все (ранее закреплённые запоминанием) уровни энтропии-информации.

Для высших форм жизни цепочка иерархии синтеза информации (ряд (1.29)) длинная и сложная. Разрешённых вариантов в ней немного. В результате возникают случаи, когда результат полового отбора кажется парадоксальным, так как в нём решающим становятся не случайные мутации как повреждения ДНК, а перебор “мутаций”, заданных раннее реализованными синтезами информации, включающими в себя влияние старших ступеней иерархии энтропии-информации.

В связи с этим неизбежно начинаются рассуждения о недостаточности мутаций как источника наблюдаемых изменений, о дивергенции и конвергенции в эволюции. Всё гораздо проще и одновременно сложнее.

Например, как многократно подчеркивается в моих работах (см. [2] - [10]), баланс мужских и женских гормонов есть важнейший фактор, определяющий взаимную доброжелательность или агрессивность особей (во всяком случае у млекопитающих). Поэтому отбор по доброжелательности [87] только кажущимся образом есть отбор именно по этому признаку. Реально отбор идёт по мутациям в генах системы размножения, управляющих формированием гормональной системы размножения и деталями её работы. Но это мутации в смысле изменений в ДНК при возврате гаплоидных (метастабильных) половых клеток в основное состояние в виде делящихся соматических клеток.

“Мутации”, по которым, как правило, происходит половой отбор при видообразовании на уровне старших ступеней иерархии энтропии-информации - это есть выбор из случайностей, каждая из которых уже проверена на совместимость со всеми (в том числе и самыми старшими) ступенями иерархии энтропии-информации в ряде (1.29), ответственном за данный вид живых организмов. По этой причине межвидовых гибридов на уровне половой гибридизации ДНК почти не обнаружено. Виды отличают старшие члены ряда (1.29). Виды по определению и есть виды потому, что эти члены ряда у них различны при общих младших членах ряда. “Гибридная ДНК” может возникнуть, энергетические соображения это не запрещают, но она противоречива в другом - должна размножаться в условиях других старших ступеней иерархии. Их отличает состав синтезируемых продуктов и условий, которые влияют на ДНК.

Отсюда результат, который обычно принимается как основа определения понятия вид - невозможность полового скрещивания между разными видами, дающего плодовитое потомство. Отсюда же недоумение, когда в таксономии встречаются как исключение виды, между которыми возможно скрещивание, дающее плодовитое потомство.

Такие исключения не удивительны, если учесть, что случайности продолжают оставаться основой и для “мутаций” как элемента полового процесса. Случайности есть случайности, а потому возможен, пусть и редко, такой их вариант, когда существенно отличные (с точки зрения человека) внешние признаки могут отвечать тождественным продуктам и условиям в той части, которая осуществляет обратное влияние на ДНК на уровне младших ступеней иерархии. Для таких исключений общность признаков у разных видов больше, чем для рядовых нескрещивающихся видов. Естественно, что общность определяется не по “хвостам”.

Поскольку в половом процессе случайность есть важнейшая составляющая, то должно существовать и обратное исключение - жизнеспособные, размножающиеся межвидовые гибриды. Да ещё на уровне отличий, более крупных таксономических градаций, чем виды. И они действительно есть - многие виды насекомых. Это исключение, представленное сотнями тысяч видов, только подчёркивает правило.

Случаи превращения в яйцо целого организма

Переход на высшие иерархические ступени жизни как роста энтропии-информации (роста беспорядка) связан с уменьшением семантического коэффициента - увеличением роли случайностей. Семантическая информация, возникшая на предыдущих уровнях иерархии, при этом сохраняется почти неизменной. Как феноменологический результат этого наблюдается, что чем выше на иерархической лестнице находится вид жизни, тем более изощрённый диапазон физико-химических условий необходим для его роста из оплодотворенной яйцеклетки. При этом в первоочередное условие входит состав продуктов, которые необходимы для онтогенеза - роста индивидуума. Он может быть обеспечен продуктами на основе двух предельных вариантов случайностей и отбора из них.

Первый вариант состоит в том, чтобы обеспечить растущий организм единовременным запасом исходных веществ. Он возможен потому, что энергетика жизни избыточна. Она разрешает гипертрофированный рост любого органа или элемента организма, если это совместимо с прочими условиями. Запомненные случайности в виде гипертрофии яйцеклеток есть особенность многих биологических видов жизни. По мере эволюции жизни и роста размеров особей растут размеры их яиц. Это позволяет отбору как выживанию выживающих дойти до яйцекладущих рекордсменов веса типа гигантов-динозавров.

Альтернатива стартовому запасу веществ - гарантировать объём и “изысканность” питания путём роста зародыша полностью за счёт ресурсов организма-родителя. В наиболее полной форме это реализовано у млекопитающих как ступени иерархии роста энтропии-информации.

Случайности, ограниченные условиями, есть причина и способ эволюции жизни. Виды жизни не “созданы с целью”. Они реализованы как запоминание случайностей в данных условиях.

Гибель индивидуума есть особенность жизни. Использование продуктов распада погибшего организма другим видом жизни - закон природы. Его реализация имеет все мыслимые и изощрённо немыслимые случайные варианты, опять подчеркну, совместимые с условиями. Среди таких вариантов оказались способы размножения многих насекомых, например, в виде использования живого, но парализованного организма другого вида, как экологической ниши для роста зародышей. Случайным вариантом для насекомых оказался и такой, когда источником продуктов для роста зародышей является погибший организм его “родителя”. Этот вариант выражает цепочка: яйцо - личинка - куколка - насекомое - опять яйцо. Такой способ онтогенеза занимает промежуточную экологическую нишу между единовременными запасами яйцекладущих и непрерывным питанием зародышей у млекопитающих.

Насекомые относятся к членистоногим (Arthropoda). Они возникли на относительно позднем палеонтологическом этапе, хотя их собратья в водной среде, например, трилобиты имеют очень древнюю историю. Кольчатые черви (Annelides) относят к их предшественникам и даже находят между ними промежуточные звенья в стиле дарвиновской эволюции. Членистоногих около 1 миллиона видов, из которых 800 тысяч составляют насекомые. Нет форм жизни, сопоставимых с насекомыми по числу видов, степени внешних различий между ними, разнообразию экологических ниш и продуктов питания. Многие из насекомых имеют двойную сигнальную систему, которая составляет главную особенность нервных систем высших форм жизни. На рис. 5.4 показаны представители важнейших отрядов насекомых [57].

Однако случайность снабдила насекомых поверхностным дыханием с использованием трахей. Как было пояснено в главе III, это неустранимо ограничивает размеры их тела. Поэтому совершенство генетических задатков насекомых не может реализоваться напрямую. В частности, размножение многих видов насекомых, казалось бы, невозможно, так как размеры тела некоторых из них не позволяют им накопить запасы, необходимые для создания крупного яйца, а на его основе - эффективного онтогенеза потомства. Особо сильно это ограничение действует для летающих видов насекомых. Ведь сила мышц пропорциональна их площади (то есть площади тела), а вес - его объёму. Малые размеры насекомых создают им преимущества для полёта, для прыжков, что отражает разнообразие их летающих и прыгающих видов. Крупное тяжёлое яйцо уничтожает такие преимущества.

В синтезе генетической информации составляющая есть случайности. Человеку это кажется противоречием его интуитивным представлениям о совершенстве природы. И действительно, о каком совершенстве с человеческой точки зрения можно говорить, если, например, 99% ДНК человека (как молекулы) не участвует в его воспроизведении из яйцеклетки и существовании - “молчит”? Понятие оптимальности в природе и в представлениях человека может быть противоположным.

Первичный, главнейший закон природы, как я всё время подчеркиваю в своих работах, есть реализация максимума способности к превращениям, максимума производства энтропии-информации. Поэтому для природы оптимальность в первую очередь есть возможность образования новых плоскостей синтеза информации .

Для человека, находящегося внутри уровня иерархии , оптимальность есть наиболее экономный путь прихода к равновесию.

Вернусь к предыдущим главам. В природе оказались реализованными, как упоминалось, два предельных варианта пространственной организации ДНК - замкнутые кольца и “одномерная” двойная спираль. Этот “отбор” продиктован критериями запоминания 4, 5 на рис. 1.2. В замкнутых кольцах, ответственных за существование бактерий, “молчащие” участки не реализуются - работает вся ДНК. Это ограничивает их эволюционное усложнение и их разнообразие.

Двухнитевая спираль становится основой всей последующей эволюции жизни, в частности потому, что в ней возможны в большом количестве и больших размеров “молчащие” участки. Они не читаются (в биохимическом смысле), хотя в них формально есть все элементы генетического алфавита и словаря. Они не есть информация - запомненный случайный выбор. Они напрямую не контролируются естественным отбором. В результате они могут изменяться произвольно. “Молчащие” участки ДНК становятся источником дополнительных случайностей, которые потенциально могут быть запомнены - могут стать читаемой информацией. Это отображают две принципиальные особенности таких избыточных ДНК.

Первая из них в том, что в ДНК без вреда для организмов могут накапливаться изменения, вызванные некоторой частью мутаций. Это демонстрируют виды-долгожители (в масштабах времён эволюции). Например, как отмечалось выше, у тритона 99,98% информации в ДНК не работает. Это позволяет случайностям безвредно для организма изменять ДНК до тех пор, пока не появится в результате то, что может читаться - может быть запомнено. Виды, которые в прошлом таким образом “отпочковались” от долгожителей, получают изменённую ДНК и эволюционируют по своим путям, а особи, у которых изменения были не читаемыми, сохраняются и продолжают неизменный вид с увеличенным объёмом “молчащей” информации. Это есть выражение стабилизирующего отбора И.И. Шмальгаузена.

Вторая особенность ДНК, связанная с “молчащими” участками, состоит в существования в их ДНК случайных областей, не участвующих в синтезе информации, которые попали в неё как целое из других видов жизни. Они могут быть прочтены, но в условиях, которые не совместимы с условиями чтения другой части информации в этой же ДНК.

Эти две особенности реально сохранились в весьма немногочисленных современных прямых представителях Кембрийского взрыва. Как уже отмечалось выше, виды, определившие этот взрыв, почти поголовно вымерли в конце Кембрийского периода. Судя по палеонтологическим остаткам водных членистоногих и по их современным представителям, у них были представлены многие характерные особенности, возникших позже насекомых: внешняя оболочка как несущая конструкция организма, сложные и многочисленные конечности, органы чувств, включая фасеточные глаза, слух, ощущения (в том числе с помощью специализированных усиков), машущие плавники с их арматурными элементами (для которых можно понять трансформацию в крылья) и многое другое. Сила Архимеда в водной среде разрешила в том числе и виды, имеющие при такой структуре, достаточно большие размеры. Пример прототипов насекомых (в таком смысле) есть ракообразные.

Цели у эволюции нет. Нагромождение кембрийских случайностей было невероятно большим. У микроскопического морского животного (явно реликта древности) - радиолярии - около 1600 (!) хромосом. Некоторые ракообразные (то есть виды, содержащие внешние признаки, сопоставимые с признаками насекомых) имеют по 200 хромосом. У высших растений и животных число хромосом всего около 20 - 50. С этими большими числами сосуществуют круглые черви, у которых всего 2 хромосомы. Опять подчеркну - это то, что выжило и дошло до нас. Чего и сколько погибло в конце Кембрийского взрыва? - нет ответа о числе и роли хромосом у них. Аналогичную избыточность отражает число нуклеотидов в гаплоидном геноме. Например, у амфибий его максимум раз в двести - триста больше, чем то реальное количество нуклеотидов, которое, обеспечивает их существование как видов. Примерно во столько же раз этот максимум больше, чем, например, среднее число нуклеотидов для насекомых. И для них число нуклеотидов в геноме может отличаться в сотни раз. Каков был максимум этих чисел и их диапазоны во времена Кембрийского взрыва? Неизвестно.

Учитывая это, посмотрим на способ размножения насекомых на основе цепочки: яйцо - личинка - куколка - насекомое - опять яйцо. Его схема изображена на рис. 5.5. Из яйца вырастает личинка типа червя. Она питается и растёт. Хитиновый покров ограничивает рост. Личинка-червь вынуждена многократно линять, то есть сбрасывать старую оболочку и растить новую, больших размеров. Как показано на рис. 5.5, например, при пятой линьке возникает ошибка - хитиновая оболочка герметизирует личинку. Её организм превращается в гомогенную массу - образуется куколка, из которой, как из яйца, выходит несопоставимая с личинкой форма жизни - бабочка.

Я утверждаю здесь что это чудо, будоражущее ум человека многие тысячелетия, определявшее в некоторых случаях элементы религий и философии имеет основу, общую для способов размножения всех форм жизни - конкуренцию принципа максимума производства энтропии и стремления к равновесию, происходящую в специфической системе с избыточным числом нуклеотидов в ДНК. Поясню это.

Молекула ДНК исходно есть одно из многих органических соединений. Её структурой и длиной управляют преимущественно законы синтеза информации 4, 5 на рис. 1.2. Поэтому физико-химически разрешена гибридизация ДНК (или их участков) от разных совместно существующих видов жизни. Но запоминание её результатов ограничивают старшие ступени иерархии синтеза информации. Поэтому надо понять как особенности гибридизации в ДНК, так и совместимость её результатов со старшими ступенями иерархии.

ДНК в форме двойной спирали всегда содержит не работающие, участки. Эти “молчащие” участки индивидуальны у каждой особи. Даже у близкородственных они содержат хотя бы малые отличия. В частности, такие, которые потенциально содержат информацию, но в данных условиях метаболизм её прочесть не может. В результате при половом размножении особей одного биологического вида реализуются астрономические количества вариантов взаимных комбинаций и перестановок при спаривании одиночных нитей ДНК. Не комбинации видов, а комбинации особей определяют результат. Как бы не была мала вероятность возникновения межвидовой гибридизированной ДНК, отвечающей конкретным условиям, при таких огромных числах проб и ошибок вероятность хотя бы одного положительного результата близка к единице.

В чём заключается главное условие, создавшее насекомых с циклом размножения: яйцо - личинка - куколка - насекомое - опять яйцо? Ответ на этот вопрос прост и ясен.

Кислородная атмосфера гарантирует эффективность энергетики организмов малых размеров, даже если у них поверхностное дыхание. Эти организмы могут быть сложными, так как у их водных предшественников существовали для этого готовые генетические задатки. Однако при их реализации есть препятствие - должен вырасти из яйца организм, требующий изощрённого состава и большого количества веществ. При этом условия могут так ограничивать размеры этого организма, что он не может произвести яйцо, содержащее необходимые запасы.

Тупик? Многие из видов насекомых возникнуть не могут? Ничего подобного. Они ведь существуют!

Создаёт и “тасует” ДНК случайность, ограниченная конкретными условиями. Эти условия позволяют иметь 1600 хромосом (естественно, что здесь и дальше числа приводятся только как условная иллюстрация известных сегодня пределов). В каких-то из них сидят гены креветок (или подобного), да ещё таких, которые уже сотню миллионов лет как вымерли без следа. В этих более чем полутора тысячах хромосом где-то “молчит” всего одна их пара, ответственная за круглого червя. О тех вариантах и результатах полового процесса с участием ДНК, которые не приводят к размножению, человек знать не может - особи гибнут.

Вероятность такого случайного оплодотворения, которое даст начало работе всего двух хромосом червя (если они есть в тех огромных геномах, которые демонстрирует нам природа) не мала.

Пусть случайность объединила в одной молекуле хотя бы две ДНК - одну с элементами, ответственными за существование “червя”, а другую, отвечающую “креветке”. Физико-химических запретов на это нет. Сила, поощряющая это, есть. Специфические условия, помогающие такой гибридизации, частично зависят от самих молекул ДНК, а потому за большое время могут возникнуть случайно. Хронологически начальные формы обоих видов существовали одновременно. Всего две хромосомы червя спрятать среди 1600 хромосом для природы не проблема. И для креветки там место найдётся. Ещё раз подчеркну, что слова - “креветка” и “червь”, как и цифры - условны и употребляются здесь и дальше для иллюстративной краткости.

Прочтение генетической информации содержит в себе повторение филогенеза. “Червь” на эволюционной лестнице видов древнее насекомых. Начало чтения с того участка гипертрофированной ДНК, который содержит информацию о “черве”, есть самопроизвольный естественный процесс с высокой вероятностью осуществления. В результате чтения этой генетической информации образуется “червь” с системой передвижения и поглощения пищи. Линька “червя” задаётся ранее запомненными в ДНК многими генетическими вариантами

Однако вероятность того, что в результате отбора вырастет размножающийся вид “червя” невелика. Ведь к его “2” хромосомам присоединено ещё “1598”, а в них множество генов продуктов старших ступеней иерархии. В запомненном в результате отбора организме “червя” вероятность их иерархически согласованной работы ничтожна. Напротив, вероятность их разрушительной работы - велика.

Как только в гибридизированном конгломерате начали работать “проверенные” отбором хромосомы, способные синтезировать “червя”, стали выделяться промежуточные продукты. В силу принципа структурной комплементарности они заведомо могут быть ферментами или субстратами, необходимыми для начала работы какого-то из “молчащих” генов. Работа даже одного гена создаёт продукты, которые в силу всё того же принципа структурной комплементарности могут инициировать новые реакции. Наиболее вероятный результат этого есть гибель-самоубийство “червя” (даже если сами его гены представлены в совершенном и полном варианте). Как правило, следов этого не остаётся - человек может наблюдать синтезированную информацию, то есть запомненную с помощью размножения. Но запоминания нет!

Однако, если “червь” начал своё развитие, то этим он накопил запасы продуктов, пригодных для начала работы реально существующих или потенциально возможных генов в избыточной части своего гипертрофированного генома. Велика вероятность такой их работы, которая убивает “червя” с помощью комплекса избыточных для него продуктов. Сама их избыточность для метаболизма “червя” может быть причиной летальности их действия - убивает “червя” не нужный ему огромный геном. Включиться в развитие “червя” элементы этого генома не могут - запрет от старших ступеней иерархии на межвидовую гибридизацию на уровне жизнеспособных видов есть преимущественная реальность.

Но “молчащие” в геноме червя комплексы содержат и “осмысленные” комбинации, ответственные за “раков”. Например, могут изолированно включиться в работу гены, ответственные за построение хитиновой оболочки, или за выделение нитей, гипертрофированное производство которых (с участием движений агонизирующего червя) запутывает в них его тело. Погибающему “червю” это безразлично. Он потомства дать не может из-за включения этих генов “самоубийства” - тупик эволюции.

Если генетическая случайность создала герметизирующую оболочку, то с заметной вероятностью возникает промежуточная стадия в гибели “червя”, когда абиогенное окисление заблокировано оболочкой, а беспорядочная работа ферментов с высокой вероятностью даёт превращение клеток “червя” в гомогенизированную массу продуктов. В силу всё того же принципа структурной комплементарности эти продукты заведомо могут быть использованы той частью генома, которая содержит гены “креветки”. Препятствие - сформировавшийся объектами на всех ступенях иерархии червь как организм. Однако высока вероятность запоминания разрушительной случайности - расщепления ферментами “червя” до состояния гомогенной массы. Червь погиб и этим препятствие снял.

Гомогенизация и герметизация организма “червя” создаёт условия “яйца” по отношению к “молчащей” части его генома - “молчащей креветке”. В этой ситуации нет ограничений старших ступеней иерархии для роста из “яйца” нового вида организма. Ведь онтогенез, зависящий от генетической информации, начинается от нуля. Прервать его может только неполнота состава продуктов. Она маловероятна и за ней следит естественный отбор. Если в “молчащем” геноме “креветки” была система размножения, то с высокой вероятностью она может быть воспроизведена при онтогенезе из “яйца-куколки”.

Надо напомнить, что функциональная экспрессия или репрессия генов в онтогенезе как результат влияния на ДНК продуктов (синтезируемых с её участием или внешних) относится к достоверно установленным фактам. Они, несомненно, участвуют в механизмах активации “молчащих” участков ДНК.

Этот комплекс высоковероятных особенностей разрешает случайностям ждать таких условий, при которых крупный “молчащий” участок ДНК может быть прочитан. Он восстанавливает существовавший в нём смысл носителя информации (создаёт возможность запоминания при работе естественного отбора). Конкретные детали ДНК видоизменяются, но она остаётся запомненным случайным выбором - информацией.

Цепочка: яйцо - личинка - куколка - насекомое - опять яйцо становится важной иерархической ступенью синтеза информации потому, что создаёт комплекс условий, необходимых для межвидовой гибридизации. Запрещённая взаимодействием со старшими иерархическими ступенями межвидовая гибридизация с помощью этой цепочки получает не только разрешение на существование, но становится доминирующей.

Описанное выше было бы только гипотетической схемой, если бы не факт существования насекомых с системой размножения, в которой яйцо образуется в результате самоубийства морфологически “другого вида” жизни, а ДНК в этом яйце остаётся той же, но работает за счёт другой своей части. Вернитесь к рис. 4.4, из которого видно, что диапазон числа нуклеотидов в ДНК насекомых огромен - от 0,1 до 10 миллиардов - отличия в 100 раз. И учтите, что нет исследований геномов насекомых с позиций, сформулированных в этом параграфе книги.

Цепочка полового размножения для живой природы такова, что равновесные половые клетки (гаметы) как результат развития организма возникают раньше, чем переходит к равновесию весь организм. Они выбрасываются им и продолжают теми или иными способами его род.

Вечное равновесие в силу второго начала термодинамики невозможно не только для них, но и для создавшего их организма. Достигая равновесия он начинает гибнуть и в результате этим вносит свой вклад в “цель” природы - рост энтропии. Особенности его гибели “не интересны” природе - важно, что его разложение увеличило энтропию Вселенной, а он продолжил себя в потомках и этим открыл путь дополнительного роста энтропии - организм выполнил максимум того, что требует от всей природы второе начало термодинамики.

Для неразмножающихся червей, превращающихся в насекомое, их гибель создаёт резервы более полно го удовлетворения требований второго начала термодинамики. Тот факт, что они всё-таки умудряются оставить потомство, используя стадию насекомого, даёт большее увеличение энтропии, чем только их непосредственный распад - гибель. В основе первого шага удлинения цепочки роста энтропии - образования “яйца” - лежат не работающие участки ДНК. Их могут активизировать случайности, приводящие к синтезу единственного вещества или их малой группы. Это разрушительные случайности самоуничтожения, а потому высока вероятность их возникновения.

И следующий этап размножения насекомого - герметизация погибшего “червя”- также разрушительный. Потому он опять высоковероятный. В результате биохимических процессов с участием ДНК выделяются ферменты, растворяющие клетки “червя”. Это разрушительный, а не созидающий сбой. Он высоковероятен, так как в филогенезе гипертрофированого генома были анаэробные формы жизни и гены, работающие в отсутствии кислорода.

Следующий шаг в общем виде опять есть сбой, затрагивающий единичные гены - какие-то из продуктов, накопленных “червём”, стимулируют чтение информации из избыточных участков ДНК, не относящихся к метаболизму “червя”. Эта информация для него лишняя, чужеродная, а потому не имеет в его организме сдерживающих рост обратных связей - это разрушительная информация. Такой сбой есть один из вариантов высоковероятных у любых организмов генетических болезней, в частности, онкогенных. Они могут выражаться экспоненциальной продукцией хитина, нитей и подобного, блочная основа чего уже есть в “молчащей” части ДНК. Они не имеют “цели”. Например вращение, в результате которого нить наматывается на самого червя, образуя герметизирующий его кокон - это есть реакция необратимо испорченного организма (типа неконтролируемой реакции на боль). Она бы продолжалась до исчерпания накопленных “червём” ресурсов, но он до того в силу случайности процесса успевает себя обмотать настолько плотно, что доступ кислорода к нему перекрыт - ресурсы законсервированы.

“Червь” окончил свою жизнь изощрённым самоубийством, спровоцированным генетической болезнью.

При этом среди многих случайных вариантов болезни возник тот результат, когда весь организм червя путём самоубийства превращается в тупиковую “клетку”. Потенциально это есть яйцо. В нём есть ДНК, содержащая участки, которые можно прочитать как новую информацию. Для этой ДНК уже пройдены предварительные этапы, которые необходимы для того, чтобы онтогенез повторил филогенез (это выражено составом веществ внутри кокона или куколки). Глобально путь к равновесию усложняется и этим увеличиваются возможности производства энтропии-информации, в частности, в её смысле возможности превращений. Для природы такое является запоминаемым преимуществом. Эти случайности могут превратиться в информацию. Однако в этом случае речь идёт о маловероятных процессах, так как генетическая информация в яйце, дающем начало живому размножающемуся организму, должна быть сложным иерархическим комплексом.

Некоторая из гипертрофированных ДНК, в которой есть не прочитанная информация о “ракообразных”, оказывается в уникальных условиях. В процессе роста и жизни червя ею пройдены этапы филогенеза, которые накопили в растворённой ферментами массе продукты предыдущих уровней иерархии эволюции жизни (и в достаточных количествах) - в коконе или куколке есть всё, что нужно для чтения уже записанного продолжения генетической информации. Эти продукты инициируют чтение информации в ДНК, которое с малой вероятностью может привести, например, к отличной от личинки-червя форме жизни - бабочке. Точно “бабочки” в ДНК “ракообразных” не было и быть не может. Старая, возможно “водная”, информация должна работать в воздушной среде. Но всегда есть сила, направленная в сторону равновесия. Она помогает в создании и выборе случайностей, совместимых с новой средой.

Именно в этих маловероятных процессах для эволюции жизни как иерархического роста энтропии-информации на первый план выходят преимущества полового способа размножения. Половой способ размножения означает, что сколь угодно маловероятное изменение ДНК проверяется на запоминание (синтез информации) в каждом акте размножения индивидуальных пар особей. Число таких актов N при большом числе особей и высокой плотности их расселения может быть огромно.

Вероятность того, что вся цепочка: яйцо - личинка - куколка - насекомое - опять яйцо будет запомнена, равна произведению вероятностей составляющих её процессов. Они меньше единицы. Поэтому чем больше их число, тем меньше суммарная вероятность результата. Но в состав произведения вместе с вероятностями входят очень большие количества проб и ошибок на основе индивидуальных особей. Поэтому итоговая вероятность не мала.

Однако, во-первых, “не мала” всё-таки требует сотен тысяч и миллионов лет для перебора случайностей. Во-вторых, в прошлом при возникновении насекомых и способа их размножения такие отрезки времени можно найти хоть гипотетически, а фактом является современная изменчивость насекомых за времена, меньшие времени жизни человека. Одних вероятностей мало для того, чтобы объяснить реальность.

Ответ на это противоречие даёт существовании движущей силы эволюции (5.1) - объекты и процессы, приводящие к росту энтропии как способности превращений, содержат закономерную силу, направленную в сторону их преимущественной реализации.

Эти соображения изложены иллюстративно, но результат они показывают - случайности с участием движущей силы эволюции не только могут создавать, казалось бы, невероятные цепочки размножения типа рис. 5.5, но они ещё могут быть источниками самой большой и быстро происходящей изменчивости насекомых (среди известной для объектов живой природы). Половой способ размножения и огромная численность особей создают условия для эффективного и быстрого перебора случайностей, а движущая сила эволюции создаёт “ловушку”, направляющую случайности к синтезу информации (запоминанию случайного выбора).

В цепочке рис. 5.5 для насекомого, например, бабочки (стоящей на более высокой ступени филогенеза, чем червь-самоубийца) генетически определено запасание в мужских и женских организмах тупиковых равновесных клеток в виде гамет. Чтение генетической информации о бабочке происходит в благоприятных условиях - червь дополнительно питался, он превратил всего себя в яйцо, создав уникальный по количеству и качеству набор продуктов. Потому тупиковые клетки (как один из элементов их дифференцировки) в бабочках закладываются и растут (в смысле онтогенеза).

Бабочка случайна. Она неизбежно воспроизводится с множеством генетических ошибок (с точки зрения человека и его представлений о цели жизни). Например, она может даже не иметь собственной системы питания, что обрекает её на быструю смерть. Посмотрите на совершенство и изящество “однодневного” организма, нежизнеспособного автономно, являющегося только “органом” размножения.

Тупиковые клетки-гаметы у бабочки сформировались за счёт запасов червя, а потому, если она питаться не будет, это на них не повлияет. Но среди случайных вариантов прочтения “молчащей” информации есть запрещённый - когда бабочка гамет не производит. Тогда нет размножения как механизма запоминания случайностей, то есть синтез генетической информации о такой форме жизни невозможен.

Если достигнут единственный результат жизни бабочки - оплодотворение и кладка яиц (после которой бабочка часто сразу погибает, как в большинстве случаев погибает и самец после оплодотворения бабочки), то этого достаточно - гаметы сыграли свою роль в качестве источника повторения цикла размножения вида. Этим генетическая информация синтезирована и гарантированно может быть прочтена.

Эволюционное превращение любого, самого простейшего элемента червя в элемент бабочки невозможно (и не наблюдается в природе). Новый организм может строиться только теми же методами, которые природа реализует при обычном половом размножении - новый синтез информации, новое чтение информации. “Куколка” создаёт условия для работы этих методов и разрешает в них межвидовую гибридизацию со всем, сопутствующим ей, разнообразием результатов.

Опять как в примере Любищева (параграф 4 главы III), речь идёт не о пренебрежимо редких случайностях, а об одной из форм реализаций рутинного, высоко вероятного. Ведь, например, внутриутробные фазы развития млекопитающих с жабрами и подобное - это есть остановка онтогенеза “для подкормки” в процессе повторения филогенеза. Последующее исчезновение жабр у плода не менее удивительно, чем остановка “для подкормки” в виде червя-личинки и его превращения. Но внутриутробное развитие “невидимо”.

Производство на протяжении тысячелетий шёлка из коконов гусеницы шелкопряда привело к детальной изученности этого вида живых организмов. Было бы интересно, если бы кто-то из читателей сопоставил предложенные выше и в [3] основы способов размножения насекомых с существующими детальными исследованиями генетики, например, шёлкопряда.

Может ли волк или человек размножаться по схеме, подобной размножению насекомых и тем реализовать “переселение душ”? Ответ отрицателен - оптимизация есть антагонист изменчивости, а для млекопитающих она зашла далеко. Старшие члены иерахического ряда роста энтропии-информации (1.29) блокируют запоминание случайностей, которые позволили бы млекопитающим вернуться к схеме размножения насекомых. Обеспечение развития плода у млекопитающих высоко совершенно и специализированно. Соответственно нет основы для возврата к способу запоминания у насекомых.

Кто с точки зрения природы более совершенен - человек или насекомые? Критерий совершенства у природы - возможности роста энтропии-информации. Как разрушитель, вовлекающий в свою деятельность и неживую природу, человек в этом натворил больше насекомых. Но с точки зрения резервов изменчивости как источника роста энтропии-информации в процессе эволюции жизни - насекомые несопоставимо впереди. И когда человек уничтожит себя в драках за собачий способ застолбить территории путём выразительного подъёма ноги, они станут главными владельцами и царями всех территорий на Земле.

Уже сегодня человек проигрывает в конфликтах с насекомыми. На восточном побережье Америки уникальные лиственные леса. Забота об экологии привела к запредельному росту в них численности оленей. Они невероятно красивы, абсолютно не боятся человека, его автомобилей, дорог, домов. Небрежно выедают на террасах герань и стадами стоят, любопытствуя перед окнами домов.

Но олени разносят клещей, а они передают человеку тяжёлые неизлечимые пока инфекции. В результате американцы боятся леса и не заходят в него, даже если он составляет часть территории, принадлежащей их дому. В Москве, понять такое невозможно, хотя и там ходят слухи о переселении в подмосковные леса алтайских энцефалитных клещей. Расплодятся лоси и ситуация станет подобной.