Жизнь - иерархический синтез информации

Углерод - основа возникновения жизни. Отсутствие абстрактной оптимальности генетического кодирования - особенность РНК и ДНК. Принцип максимума производства энтропии. Симбиоз как форма иерархического синтеза информации от органелл до биогеоценозов.

Рубрика Биология и естествознание
Вид монография
Язык русский
Дата добавления 26.08.2010
Размер файла 446,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Эти факты принципиально изменяют взгляды на возможность существования жизни на Марсе. Становится высоко вероятной такая модель его развития, в которой жизнь на нём развивалась по земному типу с саморегулированием геологии его коры и состава атмосферы. Но планетарная катастрофа "сорвала" с него атмосферу, привела к испарению запасов воды и тем, возможно полностью, уничтожила на нём жизнь во всех её формах.

Во всяком случае сегодня искать остатки жизни на Марсе следует не на его поверхности, а в геологических пустотах, сохранившихся в глубинах не повреждённых участков суши. Судить о сегодняшнем существовании жизни на Марсе, исследуя его поверхность, то же самое, что искать жизнь на Земле, наблюдая льды вершины Эвереста.

Необходимо подчеркнуть. Нам достоверно известен факт существования жизни на Земле и факт её продвинутой саморегулирующейся совместной биологической и геологической эволюции, благодаря которому существуем мы сами. Жизнь и её формы определены максимумами иерархической энтропии-информации. Эти максимумы исключительно острые. В результате их остроты случайности при возникновении и эволюции жизни в любой точке Вселенной создают сопоставимые экстремумы иерархической энтропии-информации и её производства. Материализация этих экстремумов и есть организмы как формы жизни.

Результат формирования экстремумов (то есть конкретные отличия форм жизни) зависит от внешних и внутренних условий. Они саморегулирующиеся. Для того, чтобы такой "коридор условий" мог существовать, необходимо выполнение специфически заданного интервала начальных условий. Это не многомерная математическая точка условий, случайного повторения которой вряд ли можно было бы ожидать при любом числе планетных систем во Вселенной - это интервал условий. Он неизбежно возникает и повторяется в геофизической эволюции самых разных планетных систем. Геофизически возникновение жизни не нуждается во флуктуациях, направленных против роста энтропии.

Вероятность воспроизведения интервала условий намного выше. Тем более, что образование планет есть закономерный механический и геофизический процесс, а потому закономерно и повторение где-то во Вселенной планет земного типа (с земными начальными стадиями как формирования самой планеты, так и её геологической эволюции).

Наиболее вероятно, что открытые во Вселенной планетные системы (таблица 2.1) относятся к тем, в которых законы механики запретили образование планет с земными условиями. Новые наблюдательные методы наиболее эффективны в наблюдениях именно планет типа таблицы 1.

Ясно, что в Солнечной системе другой разумной жизни типа человеческой сегодня нет. Нет пока даже намёков на существование разумной жизни на планетах звёзд, ближайших к Солнцу. Но искать жизнь вне Солнечной системы необходимо.

Обнаружить сигналы других цивилизаций трудно из-за специфичности орбиты Солнца относительно центра Галактики, а потому огромными расстояниями до соседних звёзд. Однако отсутствие сигналов внеземной жизни может иметь ещё одну причину. Как отмечалось мною ранее в [2] - [11], разум есть конкретный этап иерархического роста энтропии-информации. В биологической основе его возникновения и эволюции заложена корреляция с агрессивностью поведения его обладателей. Может быть, это предопределяет самоуничтожение цивилизаций как закон природы? Ответа нет, но во Вселенной число планет, на которых существует жизнь, бесспорно, должно быть огромным, а сигналов об этом нет. Этот факт заслуживает самого пристального внимания и анализа. К нездоровому трёпу о "летающих тарелках", наукообразных НЛО, бабах, забеременевших якобы от инопланетян, он отношения не имеет. Он является первостепенным сугубо научным вопросом. Он содержит в себе и вопросы о нашем понимании закономерностей эволюции общества, науки и техники.

Информационные процессы на первичных этапах эволюции жизни

Эволюцию жизни можно изобразить как продолжение физико-химической эволюции в координатах информация iS, семантическая информация I и адиабатические инварианты системы J (см. рис. 1.7).

Поскольку синтез информации основан на случайностях, то существует неявная связь между интервалами времени и количествами информации. Чем больше количество информации в объектах или процессах, тем большая неопределённость устранена при синтезе информации. Это тавтологично утверждению, что необходим выбор из большего числа случайных реализаций. Соответственно необходимо больше времени для перебора случайностей при её синтезе.

Эволюция жизни изображена на рис.4 в таких координатах. На нём время есть параметрическая переменная - не имеет своей оси координат. Синтез информации на основе принципа максимума производства энтропии создает плоскости при заданных Jk. Связи случайностей и времени, необходимого для синтеза информации, позволяет сопоставить координату Jk и время возникновения плоскостей , в пределах которых эволюция идёт преимущественно в направлении к равновесию. В одной плоскости могут быть отображены объекты, отстоящие по времени эволюции или неизменного существования на миллионы или миллиарды лет от времени возникновения этой плоскости. Датировка плоскости указывает время возникновения первичного предка форм жизни, характерных для этой плоскости. Плоскости на рис.4 показаны укрупнённо. Детальный анализ этапов отбора, несомненно, введёт их дробление, но его рассматривать не буду.

Рис.4

Если принять возникновение Солнечной системы за исходную точку (на рис.4 вверху справа), то от этого момента до наших дней прошло около 4,8 миллиарда лет. Это меньше половины возраста Вселенной, имеющего порядок 10 миллиардов лет. Начало этого периода совпало с выходом Солнца при его движении вокруг центра Галактики из её спирального рукава. Формирование Земли происходило в условиях, когда радиация взрывов сверхновых звёзд в рукавах Галактики была ослаблена большими расстояниями до них.

Первичное возникновениe на Земле простейшей жизни сегодня относят к 3,8 миллиардам лет назад. Ещё раз обратите внимание. Казалось бы, самое невероятное - переход от неживой природы к первичным основам всех форм жизни занял в масштабах времени эволюции жизни на Земле относительно малый период - порядка миллиарда лет. Не забывайте, что в этот интервал времени вошло завершение формирования Земли как планеты и большое по величине изменение условий - геологических, физико-химических, атмосферных, радиационных. Возможная продолжительность предбиологической эволюции не может быть равна всему этому времени. В масштабах времени геологической эволюции Земли предбиологическая эволюция была почти "мгновенной". Высокую вероятность положительного итога предбиологической эволюции задаёт ведущая для неё роль семантической информации - однозначных физико-химических законов (результата предыдущих "неживых" ступеней иерархии энтропии-информации). При этом важно подчеркнуть: итог предбиологической эволюции, необходимый для возникновения жизни, есть классы соединений (рис.1) в виде РНК и ДНК, для которых минимум свободной энергии создал высокий уровень случайностей структуры и формы при примерно одинаковой свободной энергии.

Следующий фундаментальный этап в истории эволюции жизни - синтез информации о прокариотической клетке. Возникновение плоскости прокариот относят к временам порядка 2 миллиардов лет назад. Это сопровождал предыдущий (примерно на уровне 3,5 миллиардов лет назад) биохимический переход от первичной высокотемпературной жизни к её современной основе. Геологические данные показывают, что 1,5 - 2 миллиарда лет назад биомасса прокариот была сопоставима с биомассой современных форм жизни. Жизнь в геологической эволюции Земли возникла не только очень рано, но быстро стала планетарным явлением.

Далее в эволюции жизни снизилась роль семантической информации. Решающим стал перебор случайностей для энергетически приближенно равноправных молекул РНК и ДНК. Количество информации, ответственной за прокариотические клетки, огромно. На следующих за ними ступенях иерархии роста энтропии-информации в эволюции жизни действует закон экспоненциального уменьшения количеств информации. Первый такой иерархический скачок при эволюции жизни - эукариотическая клетка. В пределах своей иерархической ступени она содержит меньше информации, чем прокариотическая. Это отражает всего около 1 миллиарда лет, ушедших на перебор случайностей, необходимых для её возникновения в современном виде. Суммарно энтропия-информация в эукариотической клетке больше, чем в прокариотической. В пределах своей ступени иерархии информация, отличающая эукариотическую клетку от прокариотической - меньше

Ещё раз подчеркну. Первый интервал из времён эволюции жизни на рис.4 мал потому, что для первичных форм жизни велика роль семантической информации (близок к единице семантический коэффициент ?). Меньше 0,7 - 0,8 миллиарда лет понадобилось для, казалось бы, самого невероятного - возникновения из неживой природы (химических элементов) самой простейшей первичной формы жизни. Итог этих ступеней эволюции - класс энергетически равноправных молекул РНК и ДНК (ещё менее зависящих от конкретных величин свободной энергии). "Подсказка" минимума свободной энергии после этого этапа теряет решающую роль в контроле новых шагов эволюции жизни. Растёт роль собственно информации - запомненного выбора из случайностей.

Для ступени иерархии эволюции жизни, выраженной прокариотами, несмотря на доминирующую роль случайностей, участие "подсказки" физико-химических законов существует преимущественно в виде законов диффузии, поверхностного натяжения, термодинамических циклов преобразования энергии. В частности, более сложная эукариотическая клетка возникла относительно быстро (примерно за миллиард лет) в силу "подсказки" законов поверхностного натяжения и диффузии, участвующих в способе питания прокариот. "Уникальность подсказок" на этом этапе эволюции жизни связана также с производством энергии для метаболизма.

На уровне возникновения и эволюции многоклеточных организмов роль физико-химических законов становится меньше. Работают случайности и экспоненциальность уменьшения высоты иерархических ступеней. Семантический коэффициент (1.30) уменьшается. Интервал времени, потребовавшегося для перехода к многоклеточным организмам, меньше за счёт меньшего количества информации, ответственной за них. Датировка в литературе этапов, положенная в основу рис.4, имеет диапазон отклонений, что для изложенного значения не имеет.

Переход от простейших многоклеточных организмов к их сложным формам, имеющим дифференцированную внутреннюю структуру (включающую основные системы и органы современных живых существ), ещё больше связан с информацией, основанной на случайностях. Количества информации внутри ступеней иерархии уменьшились - вероятности синтеза информации увеличились.

Уменьшению высоты ступеней иерархии энтропии-информации соответствует увеличение числа видов жизни - возрастающая экспонента. При показателях больших единицы экспонента стала быстро расти с пределом в бесконечности, как ей и полагается. Эволюция пошла со скоростью, определяемой понятием - взрыв (синонимом растущей экспоненты). Это подчёркивает терминология палеонтологических шкал, в которой существует название - Кембрийский взрыв, датируемый полумиллиардом лет назад. Количество информации внутри следующих иерархических ступеней синтеза информации (ответственных за усложнения многоклеточных организмов) быстро падает по ступеням эволюции жизни - для синтеза информации о современном многообразии высших форм жизни на Земле потребовалось всего полмиллиарда лет.

Подчеркну, что в процессе эволюции суммарная энтропия-информация только растёт. Например, на уровне Кембрийского взрыва она включает в себя информацию о предбиологической эволюции. К ней добавляется количество информации о прокариотах. Далее суммируется информация об эукариотах. Потом добавляется информация о простейших многоклеточных организмах. К этим огромным количествам информации добавляются уже малые количества информации о высших формах жизни после Кембрийского взрыва. Эту иерархию отражает ряд (1.25) или (1.29) - суммарная информация растёт, количество информации, определяющее высоту иерархической ступени, падает.

Запоминание в процессе синтеза генетической информации

Генетическая информация в РНК и ДНК должна возникнуть самопроизвольно. Для этого в природе должна реализоваться цепочка синтеза информации. Составляющие этой цепочки в виде условий и случайностей были пояснены выше. Однако для синтеза информации необходимо ещё запоминание.

Я рассказал о самоорганизации хаоса и конкретном виде тех критериев устойчивости, которые при этом гарантируют запоминание: максимум энтропии для статических задач, принцип минимума производства энтропии Пригожина для динамических задач вблизи равновесия и другие критерии устойчивости Поскольку роль семантической информации на старших ступенях иерархии энтропии-информации остаётся, то при возникновении трудностей и парадоксов требуется переход к более общему критерию

Однако для описания синтеза генетической информации (как составляющей возникновения и эволюции форм жизни) только процессы недостаточны. Они приводят к тупикам равновесия, а жизнь эволюционирует, самопроизвольно создает последовательно новые возможности роста энтропии-информации. Критерий устойчивости, гарантирует запоминание таким образом, чтобы оно разрушало тупик равновесия, Это синтез информации на основе принципа максимума производства энтропии. Рассмотрю первичные этапы возникновения жизни на Земле теперь в той их части, которую определяет принцип максимума производства энтропии.

В "первичном бульоне" абиогенно синтезирован хаос разных молекул РНК. Этот "бульон" высокотемпературный, при высоком давлении, насыщенный серой и её соединениями. Содержание в нём кислорода ничтожно. В нём РНК существуют равновесно в данных условиях. Эти молекулы могли использовать поверхность грунта как "среду обитания". Предполагается, например, что соединения кремния в составе глин могли выполнять функции "матриц", участвующих в образовании РНК [48]. Кремний - сосед углерода по периодической системе элементов, а потому подобное возможно (хотя и не кажется необходимым).

Последовательности кодонов в РНК случайны. Вероятность того, что в данной РНК следующее звено в её цепочке будет нуждаться для катализируемых им реакций именно в продукте данного предыдущего звена, весьма мала - самовоспроизведения нет. Есть некий сложный очередной тупик равновесия со своим весьма значительным беспорядком - большой величиной энтропии, вычисленной на основе числа возможных комбинаций кодонов в разных РНК.

Однако в "первичном бульоне" есть продукты, необходимые хоть для каких-то единичных реакций, гетерокатализируемых с участием РНК. Кроме того, условия, налагаемые принципом структурной комплементарности (предыдущими "неживыми" ступенями иерархии энтропии-информации) гарантируют, что для продуктов любой единичной реакции с участием РНК всегда может найтись другая РНК или другой участок данной РНК, для которых они необходимы - позволяют завершиться ешё каким-то реакциям.

Законы химии требуют, чтобы эти реакции шли в последовательности расположения кодонов в РНК. Новые реакции опять производят продукты, гарантированно пригодные для последущих реакций (хотя и не обязательно возможных для данной РНК). Если они возможны, то процесс гетерокатализа идет как на конвейере, цепочкой, соответствующей последовательности в РНК троек нуклеотидов - кодонов.

Поэтому случайно, но с вероятностью, которая всё время растет, в "бульоне" может возникнуть такая РНК, которая способна гетерокатализировать именно ту единственную последовательность реакций и их продуктов, которая необходима для её самовоспроизведения - размножения.

Важно подчеркнуть. Продукты, катализируемые с участием разных РНК, потенциально пригодны для реакций, перекрестных по типам РНК. Хотя я и дальше для сокращения использую слова - единственная РНК - это не обязательно именно так. Реально в большинстве случаев саморазмножение "единственной РНК" включает в себя комплекс многих взаимодействующих РНК и продуктов их реакций. Процессы происходят в макроскопическом водоёме. Симбиоз разных взаимодействующих РНК случаен и эфемерен. Но запоминание путём размножения происходит для "взаимополезных" РНК.

С учётом сформулированной выше оговорки, выбранный этим комплекс РНК - единственный. Самовоспроизведение есть синоним запоминания. Возник новый элемент системы с новыми законами взаимодействия как с окружением, так и со своими копиями. Это есть переход на новую ступень иерархии энтропии-информации, сопровождающийся разрушением очередного тупика равновесия. Поясню.

Особенность РНК - участие в её существовании слабых химических связей. Поэтому невозможно на длительное время запомнить её статически, как сохраняются миллиарды лет, например, граниты. Запоминания должно быть динамическим - размножением. В запомненной (способной к размножению) РНК "спрятан" предыдущий беспорядок.

Количество информации, которое содержится в новой РНК, равно логарифму числа всех возможных комбинаций последовательностей групп нуклеотидов в тех РНК, из которых размножение выбрало единственную. Но энтропия, вычисленная на основе этой единственной РНК как целого - есть нуль. Ведь эта РНК пока единственная. Число возможных комбинаций на её основе - единица. Логарифм единицы нуль.

Понятие информации как физической переменной с точностью до знака можно описывать как в терминах максимума беспорядка, так и классически, как неопределённость, устранённую при выборе конкретного элемента среди этого беспорядка.

Выбранный объект объединил в себе часть элементов системы, существовавших до его возникновения. Энтропия системы (вычисленная для новых объектов) уменьшилась - возник минимум энтропии. Такое состояние статически неустойчиво. Поэтому энтропия системы в целом, если позволяют условия, может расти. Простейший путь для этого - увеличение в ней числа новых элементов. Но ведь запоминаться должна именно та РНК, которая способна к размножению, к тождественному самокопированию. Она и размножается.

Система забыла о своем прошлом, забыла об энтропии, которая описывала её в прошлом. В ней появились новые элементы. Энтропию теперь надо вычислять на основе числа возможных комбинаций новых элементов - для размножающихся РНК. С ростом числа этих элементов для системы в целом новая энтропия растет.

Так как молекулы - носители генетического кода - существуют за счет относительно слабых химических связей, то размножение единственной РНК сопровождается ошибками - растет не только энтропия системы в целом, но и энтропия "единицы объёма" системы. Возникает новый хаос. Теперь это хаос РНК, каждая из которых способна к самовоспроизведению. Запоминание на основе принципа максимума производства энтропии становится источником новых элементов системы, новых случайностей для них и повторения цикла синтеза информации (как на рис. 1.4).

Для запомненной РНК (на более поздних стадиях эволюции - ДНК) пространственная последовательность кодонов, как инициаторов гетерокаталитических реакций, превращается (с помощью веделяемых в этих реакциях продуктов, законов их диффузии и других форм транспорта) в последовательность реакций во времени и в пространстве. Связь химических и физических процессов, запомненная на основе принципа максимума производства энтропии, действующего при размножении молекул, превращает специфические молекулы на основе углерода в носителей генетического кода. Это и есть возникновение жизни.

Рис..5

Граница между живой и неживой природой "маркирована" не перечнем наблюдаемых свойств объектов, а конкретным иерархическим этапом синтеза информации. В нём участвует принцип максимума производства энтропии. Жизнь не есть явление, "первые принципы" которого отличны от неживой природы! Объединяет живую и неживую природу синтез информации как самопроизвольный процесс. "Первые принципы" живой и неживой природы одинаковы. Детали - различны. В этом всё дело! Общие принципы - разные реализации! Жизнь не есть маловероятная флуктуация. Её возникновение и эволюция есть воспроизводимое отображение глобальных законов природы.

Новые формы жизни возникают вне всякой оптимальности как "уродства", которые выжили (1 на рис.5). Само выживание в этом случае есть критерий возникновения принципиально нового. В частности, оно свидетельствует о существовании для нового экологической ниши (6 на рис.5). Новое в таком смысле есть синтез информации на основе принципа максимума производства энтропии.

Дальнейшая эволюция идёт по пути оптимизации в данной экологической нише. Это и есть дарвиновский естественный отбор. Возникают виды, которые более приспособлены (2 и 3). В этом процессе вымирают какие-то виды 4. Другие - накапливают приспособительные признаки (в пределах исходных ограничений для первично возникшего вида 1) и переходят в другую 7 экологическую нишу. Такие новые виды могут быть отличными по признакам, которые бросаются в глаза человеку, но имеют второстепенное значение для метаболизма и взаимодействий с окружением. Они есть результат дарвиновского естественного отбора. С его помощью эволюция приближается к оптимуму динамического равновесия с окружающей средой - к тупику равновесия в форме большого или малого числа видов с общими особенностями метаболизма и физиологии.

При таком отборе накапливаются отклонения от оптимальности. Среди них встречаются как совместимые с выживанием, так и приводящие к гибели. Если рядом имеется свободная экологическая ниша, недоступная для использования оптимизированными видами (или она возникла вновь в силу изменения внешних условий), то на базе "уродств" (изменений неоптимальных или даже летальных в старых экологических нишах) возникает скачкообразный переход, который создаёт новую плоскость синтеза информации и опять выживание выживающих. Создание новых плоскостей управляется принципом максимума производства энтропии (максимума способностей к превращениям).

Возникновение и эволюция жизни есть один из закономерных этапов общей эволюции Вселенной. И в неживой природе все решающие этапы регулирует принцип максимума производства энтропии (это подробно рассмотрено в [2] - [12]). Но в неживой природе возникновение принципиально нового происходило на очень далёких от нас уровнях иерархии энтропии-информации типа образования "элементарных частиц", атомов и подобного. Поэтому использование принципа максимума производства энтропии как "маркера границы" между живой и неживой природой практически допустимо, хотя этот принцип важнейший и в неживой природе.

Нет полумистического кода, который "с целью" возникает откуда-то "свыше". Есть внешние и внутренние условия, которые налагаются на возможные химические реакции и физические процессы транспорта продуктов для конкретного класса случайных энергетически равноправных молекулярных структур на основе нуклеиновых кислот (РНК, ДНК и продуктов, гетерокатализируемых с их участием). В результате случайно, однако с немалой вероятностью (ведь во всём этом участвуют однозначные законы и принцип структурной комплементарности) выбирается та единственная структура, которая способна сама себя обеспечить продуктами и их транспортом. О том, что она возможна и возникла, сообщает запоминание в виде её размножения. Размножение создает экологические проблемы и с их помощью уничтожает промежуточных "свидетелей" или ограничивает их размножение.

Этот комплекс процессов есть синтезированный генетический код. Его существование задано невозможностью синтеза аминокислот с помощью единственного нуклеотида. Запоминание данного кода обеспечивает устойчивое самовоспроизведение подобных друг другу организмов (или предшествующих им переходных для жизни систем). Решающее в этом - саморегулирующиеся жизнью внешние условия. Однако если нет в окружающей среде необходимых начальных условий, то молекулы РНК или ДНК существуют, кодоны в них можно пересчитать и пометить, но они тогда не есть код.

Иерархия синтеза информации на основе специфических соединений углерода - это и есть возникновение и эволюция жизни. Без случайностей информации нет и быть не может. Без запоминания новая информация возникнуть не может - синтеза информации нет. Нет информации - нет и её иерархии. Без конкретных условий для каждого шага иерархии не только невозможен синтез информации, но и невозможно её "прочтение".

Отличие той формы биомолекулы РНК или ДНК, которая стала носителем генетического кода, не в специфике её энергетического состояния (которая была бы важна, если бы её "создавали" с целью быть "магнитофонной лентой" или "лазерным диском" некие "Космический Разум", "Силы духовной природы", "Боги" и подобное), а в том, что её ненадёжная, изменчивая химическая и пространственная структура в данных температурных, барометрических, химических, радиационных условиях случайно отвечает возможности замкнутого цикла реакций, необходимых для самовоспроизведения - запоминания. Задумайтесь над тем, насколько шизофренными должны были бы быть "Космический Разум" или "Силы духовной природы", если бы, располагая материалами типа алмаза, они поставили бы себе "цель" создать извне, вопреки второму началу термодинамики генетический код на основе носителя типа жвачки или пластелина, на которых обязательно и самопроизвольно "заплывает" любая надпись.

Переход к использованию иерархических плоскостей синтеза информации делает палеонтологическую шкалу более содержательной. На ней тогда время есть параметрическая переменная и выделено соотношение семантической и собственно информации (вклада однозначных физико-химических законов и запомненного выбора из случайностей). Важно подчеркнуть, что энтропия-информация и семантическая информация (связанная со свободной энергией) на осях координат плоскостей этой шкалы не есть энтропия и свободная энергия для ДНК (РНК), известные из физико-химических измерений. Энтропия-информация в этом случае есть логарифм числа возможных ДНК (РНК), из которых запоминание выбрало единственную, ответственную за данную таксономическую градацию. Участие семантической информации в коэффициенте ? (cм., (1.30)) в этих координатах отражает долю однозначных физико-химических законов во внутренних и внешних взаимодействиях таксономического вида.

Определение таких плоскостей непривычно и непросто. Детально разместить конкретных представителей таксономических градаций на этих плоскостях - это работа на многие годы для сотен узких специалистов. Поэтому изображенная в этой книге палеонтологическая шкала в виде плоскостей синтеза информации исключительно важна, но конкретно имеет иллюстративный характер.

6. Палеонтология внутри клетки

Иерархия энтропии-информации, основанная на принципе максимума производства энтропии, даёт достоверный способ установить особенности первых этапов эволюции жизни на Земле. Дело в том, что прокариотическая клетка - объект уровня иерархии Spro,g - должна содержать в себе как целое элементы и процессы предыдущих уровней иерархии. Они были в "первичном бульоне", но окаменевших палеонтологических следов не оставили.

Рис. 6

Появление прокариотической клетки с выраженной оболочкой вместо макроскопического водоёма с "бульоном" и геологическими границами есть результат случайностей (как и все другие основные этапы эволюции жизни). Однако такая случайность могла быть запомнена (превращена в информацию) из-за контролирующих её условий. В данном случае это есть условия устойчивости в комплексной. В частности "бульон в оболочке" энергетически выгоден. Сам способ запоминания определил соотношение между энергетической выгодой и выбором из случайностей.

Схема прокариотической клетки дана на рис.6. Клетка имеет наружную мембрану, заполненную цитоплазмой, в которой свободно плавают рибосомы - безоболочечные частицы, состоящие преимущественно из РНК. Молекулы ДНК прокариотической клетки сгруппированы также в безоболочечную частицу - центральное тело. Его обычно называют ядром прокариотической клетки, хотя оно принципиально отличается от ядер эукариот, отделённых от цитоплазмы выраженной оболочкой - биомембраной. Белки содержатся в небольших количествах и в рибосомах, и в центральном теле. Их количество недостаточно для формирования субструктур. Жгутик позволяет клетке передвигаться.

По своей структуре прокариотическая клетка представляет первичный "бульон", заключенный в оболочку. В нём плавают агрегаты, не имеющие своих оболочек. Их метаболизм с точки зрения абстрактной "ценности информации" несовершенен - они не могут автономно существовать и самовоспроизводиться.

Этим существующие сегодня прокариотические клетки утверждают палеонтологический факт - безоболочечные агрегаты с разными вариантами взаимодействий, типа реализованных внутри прокариотической клетки, это есть "первичный бульон" в макроскопическом водоёме (как геологической формации). Этот "первичный бульон" является "живой" системой в том смысле, что в нём разные РНК взаимодействуют случайным образом между собой и с более низкомолекулярными продуктами, в частности так, что некоторые из них (или их комплексов) могут воспроизводить сами себя. В "первичном бульоне" (как уровне иерархии жизни) разнообразие взаимодействий безоболочечных агрегатов намного выше, чем в прокариотической клетке - весь водоём есть одна общая "живая клетка".

Среди этих взаимодействий много таких, которые не приводят к самовоспроизведению РНК. Их взаимные реакции и продукты существуют в "бульоне" некоторое время, случайно взаимодействуя с другими продуктами и реакциями. В разных водоёмах и в разных областях одних и тех же водоёмов эти продукты и реакции различны. "Бульон" насыщенный. Абиогенные процессы непрерывно подпитывают его органическими соединениями. Поэтому, хотя циклы, приводящие к самовоспроизведению РНК, эфемерны во времени, они существуют в тех областях и столько времени, сколько в них сохраняются неизменными условия - "тупик" динамического равновесия.

Если геологическую изоляцию водоёма заменить автоизоляцией с помощью липидной мембраны (как результатом взаимодействий первичных веществ и продуктов гетерокатализа с помощью ДНК, РНК), то возникнет объект (клетка), которая гарантирует консерватизм условий, необходимых для своего самовоспроизведения. Запоминание станет эффективным. Это и означает свершившийся факт синтеза информации о прокариотической клетке. Её малые размеры заданы, в частности, силами типа поверхностного натяжения.

Однако напомню. Тот реальный "бульон", в котором жизнь возникла как первичный переход от неживой природы, был высокотемпературный и при высоком давлении. Его конкретный состав отличался от того, который представлен в большинстве современных прокариотических клеток. Поэтому палентологические следы первичного самозарождения жизни из неживой природы следует искать в экзотических клетках, обитающих в восстановительной высокотемпературной среде с большой концентрацией серы. Прокариотические клетки современных бактерий дают в этом лишь аналогию.

Решающий скачок, который создал прокариотическую клетку как элемент следующего иерархического уровня синтеза информации о жизни, есть её внешняя оболочка - биологическая мембрана. Эта мембрана в прокариотической клетке единственная. Её основу составляет результат синтеза и агрегирования липидов

Рис.7

Сами по себе липиды не есть соединения, которые неразрывно связаны с синтезом и самовоспроизведением РНК. Они низкомолекулярные вещества. Их синтез прост. Вероятность случайного возникновения липидов как побочного продукта гетерокатализа с участием агрегатов РНК, а потом ДНК велика. Кроме того, несомненно, что они присутствовали в "первичном бульоне" как результат абиогенного синтеза. По современным представлениям [56] мембрана из липидов содержит случайные включения молекул белков (слева, рис.7). В последние годы их строение детализировано. Они обеспечивают транспорт веществ через мембрану, а их спиральные структуры (рис.7, справа) создают интересные особенности кинетики переноса веществ.

Возникновение биомембран связано с экологическими обстоятельствами. Обязательное воздействие на окружающую среду, известное как экологические проблемы, есть одна из важнейших особенностей жизни. В частности, безоболочечные самовоспроизводящиеся агрегаты должны изменять экологию "первичного бульона". Гидрофильность и гидрофобность разных сторон липидных слоёв вызывает энергетический выигрыш при агрегировании липидов в биомембрану. Его величина зависит от состава среды. Безоболочечные агрегаты в "первичном бульоне" производят промежуточные продукты. Они диффундируют в окружающую среду. Возникают градиенты концентрации промежуточных продуктов. Поэтому в "первичном бульоне" в окрестности безоболочечных агрегатов обязательно существовали такие замкнутые поверхности, на которых постоянна концентрация этих продуктов и её градиент. Их форма по элементарным соображениям близка к шаровой или эллипсоидальной. С высокой вероятностью на таких поверхностях возникали условия, способствующие агрегированию на них липидов как на "опалубке". Его поощряют энергетические причины. При случайном синтезе замкнутой оболочки возникает запоминание даже единственной такой случайной комбинации, если она способна к самовоспроизведению.

Возникновение мембраны-оболочки, замыкающей внутри себя поддерживающие её составляющие "первичного бульона", есть скачок перехода на новую иерархическую ступень синтеза информации. В "первичном бульоне" синтез информации преимущественно подчиняется критериям запоминания. Возникновение биомембраны, а с ней и прокариотической клетки является синтезом информации на основе принципа максимума производства энтропии.

Вирусы не есть переходные промежуточные этапы эволюции между неживой природой и живой клеткой. Их возникновение и эволюция определены интервалом времени сосуществования прокариотической клетки и "первичного бульона". Их создал в этих условиях обычный дарвиновский естественный отбор. Нашлись в "первичном бульоне" компоненты, которым возникновение прокариотической клетки создало условия для отбора по критерию симбиоза с ней. Этот симбиоз преимущественно антагонистический, то есть приводит к размножению вируса и в результате к гибели клетки-хозяина. Это именно симбиоз как совместное существование, но его называют - паразитизм, так как обычно термин симбиоз подразумевает только идиллическую взаимную пользу.

Рис.8

Как подчёркивал С.М. Гершензон и другие исследователи, вирусы играют в эволюции жизни большую роль, так как могут переносить вместе с собой между клетками относительно крупные участки ДНК. Такой перенос есть источник новых случайностей, ограничительным условием для которых является функциональная завершённость переносимых участков ДНК.

Мутации выражают результат локальных случайных изменений ДНК. Ограничительное условие для них есть минимум свободной энергии нового состояния ДНК. Изменения ДНК под действием вирусов переносят большие участки ДНК, в частности такие, которые уже "проверены" эволюцией на способность участвовать в синтезах, используемых метаболизмом простых или сложных организмов. Это, отнюдь, не означает, что перенесенный вирусом участок обязательно сохранится, а, тем более, будет функционировать в другой ДНК. Вирусы только создают новый уровень случайностей с новыми ограничительными условиями, которые повышают вероятность самовоспроизводящихся результатов. При этом попрежнему принцип структурной комплементарности гарантирует эффективные, взаимно адресные физико-химические взаимодействия веществ, участвующих в метаболизме живых систем.

Любое вещество, любой вторичный продукт химических реакций обладает своими физическими свойствами. Поэтому важнейшим неизбежным результатом перехода от "первичного бульона" к клетке, имеющей оболочку, был физико-химический процесс - "естественный отбор" продуктов, которые поступают в клетку и выделяются ею.

Современная клетка в роли "палеонтологического свидетеля" иллюстрирует принципы осуществления этого отбора. Конкретно такой иллюстрацией является процесс поглощения клеткой из окружающей среды необходимых ей специфических продуктов (в том числе не только простейших, например, глюкозы или аминокислот), но и таких сложных, как белки). Он называется пиноцитоз

В основе пиноцитоза неизбежное по энергетическим соображениям включение в мембрану случайных молекул (в частности, таких, как белки) из окружающей среды. Они становятся основой высокой избирательности при переносе продуктов через биомембрану. В старых представлениях это было похоже на шлюз-клещи, захватывающие молекулы, например, глюкозы как показано на рис.9 [56], [57]. Пиноцитоз - несамопроизвольный активный процесс с большой производительностью. Он требует затрат энергии. Сам факт взаимодействия продукта и мембраны при пиноцитозе осуществляет предварительный физико-химический анализ-отбор веществ, транспортируемых через мембрану.

Эффективность пиноцитоза исключительно велика. Например, за один цикл пиноцитоза одноклеточная амёба поглощает объём жидкости, составляющий 1 - 10% её собственного объёма. Перестройка мембраны клетки при этом захватывает до 6% её поверхности. В процессе пиноцитоза амёба поглощает белки селективно по их видам. Всего за 5 минут клетка может поглотить белка раз в 50 больше, чем содержится в объёме внешней среды, равном объёму самой амёбы.

Реальная структура белковых включений (рис.8, справа), как впервые показано в [58] - [61], [14], приводит при транспорте ионов через мембрану (например, натрия, калия в нервных клетках) к обратным связям, необходимым для излучения и резонансного поглощения электромагнитных волн с дискретным спектром

Вторичные продукты реакций отличаются по своим физико-химическим свойствам от первичных. Свойства белковых включений в биомембрану различны. Поэтому может возникнуть и возникает аналогичный селективный процесс, который выводит наружу не нужные клетке вторичные продукты. Он называется эмейоцитоз. Пиноцетоз и эмейоцитоз - это процессы на уровне выраженных биомембран. Они иллюстрируют роль физико-химических законов при возникновении и метаболизме живой клетки.

Первый из них - избирательное соединение между собой сложных продуктов в физико-химически обособленные агрегаты, которые определяют существование последующих форм жизни.

Второй - селективная проницаемость границ этих агрегатов, заданная теми же свойствами молекул, которые привели к агрегированию.

Липидная оболочка законсервировала "первичный бульон" в прокариотической клетке - первичном виде собственно живой системы. Изоляция "первичного бульона" создала условия для работы оптимизирующего дарвиновского отбора. О прокариотах известно намного больше, чем аннотационно рассказано здесь, но далеко не всё.

При исследованиях прокариотических клеток установлено, что сложные многоступенчатые процессы синтеза белков и самовоспроизведения клетки и её элементов, которые были объединены понятием - "гетерокатализ с участием ДНК", протекают с помощью взаимодействий с ДНК и между собой трёх предельных видов РНК.

Рибосомная РНК, составляющая значительную часть материала рибосом, с участием которых синтезируются белки.

Информационная РНК, которая передаёт рибосомам клетки генетическую информацию от ДНК в ядре клетки.

Транспортная РНК, ответственная за перенос и последовательность аминокислот при синтезе полипептидной цепи.

Запоминание этих форм РНК закрепил выбор из множества разных РНК и процессов с их участием в "первичном бульоне". Изощрённая "целесообразность" этих основных трёх типов РНК возникла как результат запоминания случайного выбора.

В прокариотической клетке РНК синтезируются с участием ДНК как матрицы. Однако по геохронологической шкале ДНК образовалась позже РНК. Поэтому в палеонтологическом прошлом запомненный случайный выбор, при котором ДНК может управлять синтезом РНК, наиболее вероятно возник после этапа, когда РНК подобных типов присутствовали в "первичном бульоне" как самостоятельные объекты.

Насколько конкретная реальность далека от простейших схем видно на примере рибосом и рибосомной РНК как составляющих клетки, содержащих в себе палеонтологические свидетельства.

Рибосомы есть дискретные свободные частицы в цитоплазме клетки, количество которых, например, у E. cоli от 1500 до 15000 на клетку. Они занимают основную часть внутреннего пространства клетки. Диаметр рибосом порядка 20 нм. Они содержат в себе РНК и белки. Количество в них РНК по массе вдвое больше, чем белков. Существование рибосом как частиц зависит от концентрации в окружающей среде двухзарядных ионов магния. При снижении этой концентрации рибосома распадается на две неравные части, а далее может быть разрушена до составляющих в виде отдельных РНК и белков. Достоверно, что РНК в рибосомах однонитевая, не спаренная в двухзаходную спираль, как ДНК. Но отдельные участки однонитевой структуры перевиты между собой. Также достоверно, что одна и та же рибосома может участвовать в синтезе разных белков.

С точки зрения палеонтологии рибосомы, например, E. cоli есть одна из запомненных более миллиарда лет назад случайных выборок из подобных им разных по виду неживых агрегатов в "первичном бульоне". Пример влияния ионов магния показывает, что на случайности в этом случае сложно влияют окружающие условия.

Существование рибосом и их свойства утверждают, что агрегирование РНК в форму безоболочечных эквивалентов частиц было широко представлено в "первичном бульоне". Конкретный ионный и органический состав "бульона", а также физические условия, определяли форму и состав разных случайных агрегатов. Опять подчеркну, что РНК в действительно первичном "бульоне" были более высокотемпературными, чем в большинстве современных прокариотических клеток.

Возникновение жизни первоначально есть иерархический рост "агрегирования" - симбиоза - на "неживом" уровне. Для его реализации необходимы случайные взаимодействия между неживыми агрегатами, которые однородны или неоднородны по типам. Простейшей аналогией таких процессов являются столкновения молекул в газах. Но в газах столкновения неспецифичны - просто упругий или неупругий удар. В молекулярных масштабах велики и сами РНК и, тем более агрегаты на основе РНК. Скорости их движения имеют порядок диффузионных скоростей, то есть несопоставимо малы по сравнению со скоростями теплового движения простейших молекул в газах и жидкостях. Соответственно на многие порядки величины меньше частоты соударений. А само "неупругое соударение" есть сложная каталитическая реакция.

Неспецифические случайные столкновения не достаточны для объяснения процессов возникновения и эволюции жизни. Для предбиологической и биологической эволюции жизни решающим становится способ "столкновений", учитывающий физико-химические особенности молекул жизни. Процессы в существующих прокариотических клетках дают возможность восстановить палеонтологическую историю возникновения и функционирования этих столкновений.

Пример реализации специфического способа "столкновений" дают информационные РНК в клетке E. cоli. Они синтезируются с использованием её ДНК. Информационные РНК представляют физико-химические свойства таких видов РНК, которые могли в "первичном бульоне" диффундировать избирательно, адресно. В частности, внутри клетки E. cоli информационные РНК адресно диффундируют в сторону рибосом и вступают в контакт с ними. При этом информационные РНК демонстрируют способность одних РНК к объединению с агрегатами на основе других РНК, а также возможность синтеза белков с участием двух разных групп РНК. Взаимодействию агрегата - рибосомы на основе РНК одного вида с разными информационными РНК - будет соответствовать синтез разных белков. Живая клетка указывает на ещё один класс процессов селективной диффузии РНК как физико-химических объектов. Это перенос аминокислот с помощью транспортных РНК.

Запомненные из хаоса случайностей "первичного бульона" три вида РНК содержат в себе условия селективной диффузии и взаимодействий с их участием. Они могут управлять последовательностью включения аминокислот в белки. Рибосомы неспецифичны к синтезу белков. Но это сочетается с программой синтеза, которую может переносить информационная РНК, а также с неспецифичностью транспортных РНК к конкретным видам аминокислот. Эти условия создают новый иерархический уровень случайностей.

В первичном бульоне нет однозначности и совершенства взаимодействий разных видов РНК с белками и прочими элементами предыдущих плоскостей иерархии роста энтропии-информации, но существуют классы взаимодействий, которые превратились в однозначные запомненные выборки из случайностей - процессы и объекты внутри клетки.

Современная живая клетка даёт примеры процессов, которые вносят в условия случайные комбинации многостадийных взаимодействий и их продуктов как целого. Это ускоряет переборку случайностей, необходимую для запоминания при синтезе информации. Пример таких "блочных" запомненных случайностей даёт синтез РНК с помощью ДНК или перечисленные выше процессы с участием трёх видов РНК. Важно, что физико-химические процессы при этом приводят к вариантам РНК и ДНК как энергетически мало отличных молекул. Эти же физико-химические процессы гарантируют механизм эффективного запоминания случайных результатов - экспоненциальное размножение.

Биологам, биохимикам, биофизикам во всём этом известно огромное количество конкретных подробностей. Не меньше, несомненно, их осталось и для дальнейших исследований. Например, в самое последнее время получена полная расшифровка генома бактерии-прокариота - кишечной палочки E. cоli. Поэтому приводить здесь подробности смысла нет. Об этом написаны десятки толстых учебников. Для того, чтобы каждый мог использовать для иллюстраций себе, изложенного здесь, тот объём материала, который ему известен, повторю основную логическую цепочку синтеза информации (в том числе в комплексной плоскости).

Исследования живой клетки выявляют условия, которые ограничивали случайности на первых этапах возникновения жизни. В итоге комплекса условий оказалось возможным самовоспроизведение конкретных РНК - запоминание - синтез информации.

Принцип структурной комплементарности гарантирует - промежуточные продукты химических реакций метаболизма взаимосогласованы, то есть пригодны для новых реакций. Физические законы гарантируют - с участием РНК и ДНК возможна пространственная группировка и транспорт продуктов реакций в разных конкретных формах, для которых агрегирование, то есть формирование "объекта", неизбежно.

Эти объекты эфемерны, неповторимы, но среди них устойчив, то есть может быть запомнен, тот единственный, который обеспечивает замкнутый цикл самовоспроизведения - создаёт для себя условия максимума производства энтропии, то есть отвечает важнейшему фундаментальному закону природы.

Зависимость от окружающей среды такого запомненного объекта уменьшается. Он может существовать в более широком диапазоне внешних условий и влиять на окружающую среду как самоубийственно (тогда сигнал о его существовании до нас дойти не может), так и "доброжелательно" по отношению к себе самому. В последнем случае экологические проблемы для него есть то, что поддерживает его существование.

Естественно, что "созидающие" процессы менее вероятны, чем разрушительные. Но принцип максимума производства энтропии есть принцип максимума способности к превращениям. То, что запомнено на его основе, открывает такой путь роста беспорядка (энтропии-информации), который с участием новых условий приведёт к новым объектам и к новым процессам синтеза информации на их основе.

Возникновение жизни на планетах Солнечной системы или других звёзд во Вселенной есть закономерный, воспроизводимый процесс тогда, когда на данной планете возникли строго определённые геофизические условия и они слабо изменяются (как можно судить по истории Земли) на протяжении длительного времени порядка миллиарда лет. Возникшие объекты дальше сами создают и поддерживают для себя условия, которые случайно были когда-то в некоем объёме "первичного бульона". Поэтому макроскопические составляющие в прокариотической клетке представляют "законсервированное" палеонтологическое свидетельство возможностей "первичного бульона". В таком виде они отражают его "экстрагированный" состав, в котором представлена узкая, специфическая часть возможных реакций из "первичного бульона". Например, рибосомы есть запомненный случайный выбор из огромного количества близких, но конкретно отличных, возможностей и состава "первичного бульона". Рибосомная РНК отражает, основанные на принципе структурной комплементарности, возможности в таком "бульоне" синтеза белков с участием РНК. Информационная и транспортная РНК являются палеонтологическим свидетельством возможности в "первичном бульоне" селективного транспорта макромолекул и адресных "столкновений". Такой подход к клетке как источнике палеонтологических сведений показывает, что на самых первых этапах возникновения жизни немаловажны физико-химические законы, которые в терминах рис. 1.2 объединены понятием - семантическая информация.

Нуклеотиды, аминокислоты, РНК, белки - это прежде всего некоторые молекулы. Законы формирования пространственных структур и транспорта сложных молекул также физико-химические. Все вещества, характерные как первичные продукты "бульона", так и как продукты реакций в нём, обладают своими законами взаимодействий между собой и с молекулами воды [62]. Поэтому химические реакции приводят к физическим процессам расслоения веществ. "Коацерватные капли", в которые "вселяется жизнь" - невозможны. Обязателен физико-химический "отбор" продуктов, реакций с их участием и вторичных веществ, которые сами создают для себя "реактор" как пространственно-диффузионную "конструкцию" - прокариотическую клетку.


Подобные документы

  • Экспрессия генов - способность контролировать синтез белка. Структура и свойства генетического кода, его универсальность и просхождение. Передача генетической информации, транскрипция и трансляция. Митохондриальный и хлоропластный генетические коды.

    реферат [41,5 K], добавлен 27.01.2010

  • Понятие термина "трансляция" как передачи наследственной информации от иРНК к белку. "Перевод" последовательности трехчленных кодонов иРНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка. Генетический код и механизм регулирования белкового синтеза.

    реферат [189,1 K], добавлен 11.12.2009

  • Ген - участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка. Последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов (триплет). Важные свойства генетического кода. Схема синтеза белка в рибосоме (трансляция).

    презентация [354,6 K], добавлен 06.03.2014

  • Система зашифровки наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде генетического кода. Сущность процессов деления клеток: митоза и мейоза, их фазы. Передача генетической информации. Строение хромосом ДНК, РНК. Хромосомные заболевания.

    контрольная работа [28,4 K], добавлен 23.04.2013

  • Изучение кодирования аминокислотной последовательности белков и описание процесса синтеза белка в рибосомах. Генетический код и синтез рибонуклеиновой кислоты. Построение цепи матричной РНК и синтез протеина. Трансляция, сворачивание и транспорт белков.

    реферат [3,5 M], добавлен 11.07.2015

  • Классификация методов научного познания. Картина мира мыслителей древности, гелиоцентрическая, механистическая, электромагнитная. Понятие о симметрии, взаимодействии и энтропии. Основные теории возникновения жизни и ее эволюции. Происхождение Вселенной.

    шпаргалка [83,2 K], добавлен 19.01.2011

  • Объекты биологического познания и структура биологических наук. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода. Концепции начала и эволюции жизни. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ. Экология и взаимоотношения живых существ.

    реферат [52,9 K], добавлен 07.01.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.