Принципы эволюции

1

Реферат по биологии

На тему: Принципы эволюции

Содержание

1. Особенности химии живого

2. Функция эволюционно-способных систем. Упорядочение

3. Диспропорционирование энтропии в сопряженных процессах

4. Производство низкоэнтропийного продукта в стационарных состояниях

5. Итеративность. Переход микроскопического упорядочения в макроскопическое

6. Роль и факторы естественного отбора. Устойчивость

7. Трансферабельность и эволюционный консерватизм

8. Комбинаторная модель

9. Принципы эволюции

1. Особенности химии живого

Химические процессы, происходящие в живом организме, подчиняются общим физико-химическим законам. Но имеется несколько важных особенностей в организации химических процессов

Первая особенность состоит в том, что молекулярные системы в живом веществе находятся в состоянии непрерывного и необратимого взаимодействия. Эти взаимодействия приводят к последовательной цепи синтеза и распада Прямая и обратная реакция, как правило, неуравновешенны Но поток вещества во времени и соответственно концентрации промежуточных веществ сохраняются более или менее неизменными, поскольку синтез осуществляется из ресурсов одного резервуара, а распад с той же скоростью осуществляется в другой резервуар Системы, обладающие такими свойствами, называются стационарными Биологические системы являются неравновесными системами, находящимися в стационарном состоянии или стремящимися к стационарному состоянию

Вторая особенность, тесно связанная с первой, состоит в том, что прокачивание потока вещества требует непрерывного расхода энергии К живым системам должна непрерывно доставляться энергия Будучи изолированными от источника энергии, биологические системы немедленно деградируют

Следующая особенность химии живых систем состоит в том, что все химические реакции в живых организмах протекают под управлением ферментов В обычной химической среде хаотично движущиеся молекулы сталкиваются между собой Если энергия столкновения превосходит прочность связей атомов в молекуле, то связь разрывается. Становится возможной перегруппировка атомов, создание новых комбинаций. Если новая комбинация атомов устойчива, она закрепляется в виде новой молекулы. С увеличением температуры энергия движения превосходит предел прочности все большего числа разных видов молекул.

В организме каждый акт взаимодействия молекул происходит не путем их хаотичного столкновения, а под управлением фермента. Фермент -- это большая молекула белка, прихотливо свернутая в объемное трехмерное образование. В ферменте есть участок, называемый активным центром. На этом участке разыгрывается акт взаимодействия молекул той химической реакции, которой управляет данный фермент. На активном участке могут разместиться только вполне определенные молекулы, имеющие определенную геометрию и определенным образом ориентированные. В результате только один вполне определенный тип реакции с определенным результатом может иметь место. Каждый фермент подобно рабочему на конвейере выполняет только одну вполне определенную химическую реакцию.

Это свойство ферментных реакций называют селективностью. Более точно говорить о соответствии. Селекция (отбор) предполагает неиспользование (устранение из системы) неизбранных элементов. В ферментативной системе другому элементу, участвующему в другой реакции, соответствует другой фермент. Каждой реакции соответствует свой фермент. В общем виде этот тип взаимодействия, идущий с поглощением энергии, можно записать следующим образом:

В результате реакции управляющий компонент (в данном случае фермент Е) сохраняется и происходит преобразование управляемого компонента из одной формы: аi -- (какое-либо химическое соединение или группа их) в другую bi.

Участие ферментов в биохимических реакциях называют часто ферментативным катализом. Проведение химической реакции, т. е. реорганизация связей между атомами на активном участке фермента, не требует теплового возбуждения молекулы. Нет необходимости в энергичном столкновении молекул для преодоления прочности межатомных связей. Когда подлежащие преобразованию молекулы (или части молекул, если речь идет, например, о биосинтезе крупных структур) располагаются на активном участке, деформирующего движения массивной молекулы белка достаточно для разрыва связей во взаимодействующих молекулах. Поэтому при участии ферментов при низких температурах протекают такие реакции, которые возможны лишь при высоких температурах. Иначе говоря, существенно возрастает скорость реакции. Это свойство рассматривается, как свойство ферментов катализировать химические реакции. Катализатор воспроизводится в результате реакции или остается неизменным. Именно это происходит с ферментом.

Еще одна особенность химии живых систем -- это выполнение химических реакций в соответствии с заданным кодом. Определенному сочетанию нуклеиновых оснований соответствует определенная аминокислота. Кодировать -- значит ставить в соответствие определенному символу определенный процесс. В общем виде такую реакцию можно записать следующим образом:

Здесь управляющий компонент Д (например, РНК) организует соединения а, b, g и т. д. (например, аминокислоты) в последовательности, определяемой в соответствии с кодом, в другой тип управляющего компонента Е (например, фермент).

Особенностью химии живого являются также химические реакции репликации, когда формируется копия в соответствии с оригиналом:

В этом случае под управлением соответствующего фермента Е на матрице Д, например ДНК, выстраиваются соответствующие ее строению структуры А, Т, G, С, например нуклеиновые основания, воспроизводя копируемую матрицу или комплиментарную ей форму (Л').

Все три упомянутых типа реакций характеризуются двумя общими чертами. Во-первых, каждая из них содержит управляющий компонент, который воспроизводится по завершении реакции, т.е. эти реакции являются каталитическими. Во-вторых, каждому управляющему компоненту соответствует свой набор управляемых компонентов, которые преобразуются единственным образом, т. е. в этих реакциях обеспечивается высокий уровень соответствия.

Сочетание реакций (2.1)--(2.3) дает суммарную реакцию биосинтеза:

Из этой записи следует, что для того, чтобы воспроизвести управляющие компоненты, их нужно иметь изначально. Действительно, при формировании организма, ему в зиготе при зачатии передаются от родителей кодирующая система и транскрибирующий ферментный механизм. Однако в эволюционном плане, при обращении к истоку жизни, необходимость иметь в качестве условия возникновения живого механизм, присущий живому, составляет центральную проблему происхождения жизни.

2. Функция эволюционно-способных систем. Упорядочение

Система соответствий, характеризующая химию живого, это -- то, что позволяет нам говорить о его упорядоченности. Упорядочение состоит в предписанности поведения, ограничении свободы взаимодействий и перемещений, иными словами, в установлении функционального соответствия между элементами системы, координации движений.

Соответствие -- есть основа информации. Три лампочки светофора ничего не означают, если им не поставлены в соответствие правила: зеленый свет -- движение разрешено, красный -- запрещено, желтый -- готовность к изменению. Сочетание букв становится осмысленным словом, если ему соответствует вполне определенный образ или действие. Поток информации -- это поток соответствий. Соответствие означает ограничение свободы.

В организме функциональное соответствие существует на уровне отдельных молекул. Отсюда еще одна важная особенность строения живого вещества -- огромная плотность его упорядочения. Степень упорядоченности, свойственная мощному персональному компьютеру, в живом веществе реализуется в части пространства размером в сотые доли миллиметра.

Антидарвинист М.Дж. Бехе (J. Bene, 1998) задается вопросом: «как можно отличить систему, выполненную с участием дизайнера?», и отвечает: «должна быть идентифицируемая функция системы» (с. 196).

Функцией, по мнению Дж. Бехе, следует называть то, что потребует «максимального использования внутренней сложности системы»... «функция системы определяется внутренней логикой системы... человек, который впервые видит мышеловку может не знать, что она спроектирована для ловли мышей. Он может подумать, что она защищает от воров или это система, предупреждающая о землетрясении (так как от вибрации мышеловка может сработать), но он понимает, наблюдая, как работают части устройства, что это устройство спроектировано. Подобно этому кто-то может использовать газонокосилку в качестве вентилятора или двигателя для работ на огороде. Но функция устройства -- вращать леску -- наилучшим образом отвечает ее внутренней логике» (с. 196).

С общим определением функции, данным Дж. Бехе, нельзя согласиться. Использование газонокосилки в качестве вентилятора или мышеловки в качестве индикатора землетрясения надо признать функцией. Функция зависит не от «внутренней логики», а от того, какое свойство структуры или системы приходит в состояние взаимодействия, какое свойство используется. Возможно, в жаркий день в пустыне использование газонокосилки в качестве вентилятора более целесообразно, чем ее бесполезная в этот момент функция подстригания травы.

Кстати, в биологических системах мы, похоже, имеем как раз очень часто ситуацию использования газонокосилки в качестве вентилятора. Биологические механизмы поразительно сложны. Дж. Бехе описывает ряд биосистем организма, состоящих из десятков взаимозависимых звеньев, например, биосистему, обеспечивающую свертывание крови в месте ранения. По мнению Дж. Бехе, «не уменьшаемая сложность» этих систем доказывает, что они могли быть построены только Дизайнером (Богом).

Однако можно задать вопрос: почему биологические механизмы так сложны? Ведь во многих случаях достичь цели можно и более простым путем. Например, с той же целью остановки крови в медицине используются препараты, просто прилагаемые к ранке. Ответ, по всей видимости, заключается в том, что подчас для выполнения новой функции эволюция использовала уже имеющиеся системы, сочетание которых отвечало новой возможности, хотя сложность оказывалась избыточной.

В большинстве своем элементы, соединения и структуры многофункциональны, т. е. способны к взаимодействию с разными партнерами с разным результатом. Это обеспечивает разнообразие мира. Но подобные взаимодействия не могут удовлетворить условию «дизайна».

Попытка Дж. Бехе связать функцию с замыслом в действительности оправдана. Он пишет, что система, выполненная с участием Дизайнера, отличается идентифицируемой функцией. Идентифицируемость в понимании Дж. Бехе означает отчетливое проявление замысла, выявление назначения, определенного творцом. Природа, чтобы выполнить работу дизайнера, действительно должна оперировать с системами, обладающими «идентифицируемой» функцией. В применении к естественным процессам это -- системы, устанавливающие соответствие, т. е. системы, которым присуща функция упорядочения.

Химическое соответствие -- это когда какая-либо структура или система реагирует, координируется, совмещается или иным способом взаимодействует только с определенным партнером (или, по крайней мере, с весьма ограниченным набором партнеров).

Чем меньше степеней свободы, тем выше уровень соответствия.

На языке термодинамики высокая степень соответствия отвечает низкой энтропии.

Энтропия в терминах статистической механики пропорциональна вероятности W состояния системы:

где к -- постоянная Больцмана.

Чем большим числом способов может быть получена система, тем выше ее энтропия и, наоборот, чем меньше степеней свободы, тем энтропия ниже.

Традиционно энтропия определяется как мера беспорядка. Но лучше сказать: энтропия -- это мера свободы. Уменьшение энтропии это -- ограничение свободы: ограничение свободы движения и ограничение свободы выбора. Возникновение полимерной молекулы означает для каждой мономерной группы ограничение поступательных и вращательных степеней свободы. Поэтому возникновение полимерных структур (также как кристаллических) связано с уменьшением энтропии. Ограничение выбора означает установление соответствия, предписанность. Катализ, в частности, связан с ограничением выбора, так как он устанавливает определенный (не любой) путь прохождения реакции.

Белковые ферменты ограничивают и свободу движения молекул, и свободу выбора. Каталитические функции белка складываются из сочетания нескольких свойств. Одним из важных считается эффект сближения (proximity). Под этим подразумевается ускорение реакции вследствие соответственной ориентации молекул на активном центре фермента. Соответственная ориентация в то же время означает уменьшение энтропии так как, будучи ориентированы, свободные молекулы теряют трансляционные и ротационные степени свободы. Ограничения всегда будут оставаться, пока в природе существуют взаимодействия. Нет такого состояния, в котором материальная субстанция была бы вполне свободна. При выравнивании химических потенциалов остаются межатомные, внутриядерные взаимодействия, влияние электромагнитных, гравитационных полей и т. д. В пределе энтропия стремится к бесконечности. Этот предел недостижим.

Но энтропия стремится к максимуму и достигает его в частных равновесных состояниях.

Работа фермента представляет собой жестко ограниченное предписание: только молекулы определенного химического состава и строения, определенной хиральности, могут взаимодействовать. Энтропия уменьшается по мере увеличения степени предписанности поведения вещества.

Упорядочение -- это нарастающая степень несвободности поведения. Идентифицируемость функции, следовательно, состоит в способности определенным образом ограничивать свободу взаимодействий. Существуют ли в природе такие процессы, функцией которых в определенных обстоятельствах является производство упорядочения?

3. Диспропорционирование энтропии в сопряженных процессах

Энтропия параметр экстенсивный, т. е. ее изменение AS может быть представлено суммой изменений в отдельных частях системы: S ДSi. Это как раз лежит в основе упомянутого выше правила, разрешающего снижение энтропии в системе живого организма при компенсирующем увеличении ее в окружающей среде.

Нужно, однако, иметь в виду одно уточняющее правило, подчеркнутое И. Пригожиным (Prigogin, 1962): если в разных участках системы имеют место необратимые процессы, то энтропия возрастает в каждом участке в отдельности:

Такого положения, при котором увеличение энтропии в одном участке

компенсировало бы понижение энтропии в другом участке, т. е.

Иначе говоря, в любом макроскопическом участке системы, испытывающей необратимое превращение, производимая энтропия всегда положительна. Макроскопический участок означает среду, в которой присутствует достаточно большое число молекул, чтобы пренебречь микроскопическими флуктуациями.

Взаимно компенсирующий эффект необратимых реакций возможен только, когда он имеет место в одном и том же участке, «локально», когда необратимое преобразование одной группы реагирующих молекул микроскопически совмещено с преобразованием другой группы реагирующих молекул.

Поэтому, вопреки распространенному мнению, открытость биологических систем еще не является достаточным условием того, что необратимые процессы в них могут протекать с понижением энтропии. И. Пригожин (Prigogine, 1947) предложил рассматривать изменение энтропии как сумму двух слагаемых:

Изменение энтропии системы обусловлено изменением ее, связанным с

взаимодействием с внешней средой, например, путем обмена теплом:

и производством энтропии, обусловленным

где А -- величина, называемая сродством (affinity), Ј -- координата процесса (степень завершенности реакции).

Если реакции являются сопряженными. Представления о сопряжении разнонаправленного производства энтропии были высказаны еще в 30-е годы Де Дондером (De Donder, 1936). Эти представления были использованы И. Приго-жиным при построении теории неравновесной термодинамики.

Термодинамическое сопряжение позволяет одной из реакций протекать в направлении, обратном ее сродству. Казалось бы в системе, в которой имеет место химическое равновесие, проходят две необратимые реакции: прямая реакция в сторону образования продуктов, и обратная -- в сторону образования реагентов. Поскольку каждая из них является необратимой, они обе должны были бы сопровождаться увеличением энтропии. На самом деле энтропия в равновесной системе не изменяется. Это объясняется тем, что прямая и обратная реакция являются примером микроскопического химического сопряжения.

Явления диспропорционирования энтропии, когда сопряженными оказываются процессы, идущие с увеличением и понижением энтропии, многочисленны. Они проявляются на разных уровнях состояния материи. В химии часто встречаются самосопряженные процессы, когда продуктами химического превращения являются одновременно с одной стороны более простые, а с другой -- более сложные соединения. В горных породах органическое вещество присутствует в виде сложного нерегулярного полимера -- керогена. Он образуется в результате трансформации остатков отмерших организмов. Химическое превращение бывших биомолекул идет с одной стороны по пути образования простых соединений типа С0₂, Н₂0, NH₃, H₂S и т. п., а с другой -- формирования все более сложного ряда геополимеров: фульвовых кислот, гуминовых кислот и керогена. При термодиффузии вещество диффундирует против градиента концентрации, что означает производство отрицательной энтропии. Этот эффект, однако, сопровождается положительным производством энтропии, обусловленным потоком тепла. В нефтяной залежи при высокой температуре недр происходит деградация углеводородов нефти. При этом с одной стороны нарастает масса газообразных продуктов, состоящая, главным образом, из СН₄ и других простейших углеводородов, а с другой -- формируется битумо-асфальтеновые сложно-полимерные образования. В недрах звезд, где господствуют температуры, препятствующие образованию химических связей, диспропорционирование энтропии осуществляются на ядерном уровне. Например, при взрыве сверхновых, когда чудовищные давления в коллапсирующей звезде раздавливает оболочки атомов, спрессовывая их в сгусток простейших частиц -- нейтронов, одновременно идет синтез всех тяжелых ядер периодической таблицы. Именно этот экстремальный процесс эволюции материи является источником элементов, из которых с течением времени в новых звездных поколениях образуется вещество планет и наши тела. В обществе, предоставленном самому себе, не только нарастает общий беспорядок, но и увеличивается расслоение на богатых и бедных.

Это -- эпизоды диспропорционирования энтропии, которое становится возможным, как выше подчеркивалось, в случае, если выполняется правило локального сопряжения необратимых процессов, идущих с повышением и понижением энтропии. Существует термин «синергетика», применяемый иногда в том же самом смысле. Он был предложен Хакеном (1980) для описания кооперативных явлений в многокомпонентных системах. Но затем приобрел расширенное толкование, включающее разные аспекты коэволюции (см. например, сборник «Синергетика» под редакцией В. А. Садовничего и др., 2000). Я не использую термин синергетика, чтобы не размывать тот конкретный смысл, который я вкладываю в понятие диспропорционирования энтропии при микроскопическом сопряжении химических реакций.

4. Производство низкоэнтропийного продукта в стационарных состояниях

Диспропорционирование энтропии в сопряженных процессах указывает на возможность образования низкоэнтропийного продукта в неравновесных реакциях. Но это еще не означает возможность эволюции. Напомним, что низкоэнтропийным продуктом мы называем ограничение поведения системы в структурном, пространственном, временном или ином отношении.

В химической символике это отвечает ситуации, характеризующейся условием (2.17), т.е. случаю, когда сродство и скорость реакции имеют разные знаки.

Для того, чтобы эволюцию жизни можно было охарактеризовать как самопроизвольный процесс, необходимо указать эволюционно-способный механизм, который бы не сводился к спонтанному или однократному возникновению низкоэнтропийного продукта, а обеспечивал эволюционное развитие в сторону последовательного уменьшения энтропии.

Такой механизм, очевидно, следует искать в области неравновесных процессов (А. Б. Рубин, 1998, 1999; Зотин и Зотина, 1993). Термодинамика неравновесных процессов была создана трудами И. Пригожина и брюссельской школы. При этом И. Пригожий и его коллеги считали биологические процессы наиболее подходящей областью приложения неравновесной термодинамики. В последующих разделах этой главы использованы понятия неравновесной термодинамики, хотя предлагаемый мною подход отличен от того, который И. Пригожин и его соавторы рассматривали как более всего отвечающий сущности биологических явлений. Об этом еще будет сказано ниже.

Согласно Николису и Пригожину (1979) уравнение баланса масс неравновесной реакции имеет следующий вид:

здесь dpi -- содержание в единицах объема системы г-го компонента реакции; vi, -- стехиометрический коэффициент при i-ом компоненте реакции; ш -- скорость реакции; Ji -- диффузионный поток i-го компонента.

Это уравнение передает простую мысль о том, что изменение содержания любого компонента в единице объема определяется выносом этого компонента из объема (знак минус при дивергенции) и производством его в этом объеме.

введенные обозначения имеют следующий смысл

Применительно к какой-нибудь простой реакции, например где к₁ и к₂ - константы скорости прямой и обратной реакции.

В равновесии скорость реакции равна нулю (ш = 0). Константа равновесия K_eq равна отношению к₁/к₂. Отсюда:

Символ eq означает соотношение содержаний компонентов при достижении равновесия.

Сродство реакции в соответствии с (2.12):

где и;-химический.лотенциал г-го компонента

где /i_CT -- стандартный химический потенциал, к -- постоянная Больцмана. Отсюда

где символ г относится к текущему соотношению компонентов реакции. В состоянии равновесия числитель и знаменатель дроби под знаком In равны и А = 0. Таким образом, сродство А определяет меру отклонения содержания концентраций реагентов и продуктов от их равновесных значений.

Изменение содержания каждого компонента приводит к изменению энтропии единицы объема s_v:



Известно, что

и, следовательно,

Подставляя (2.18) в (2.26) получаем после преобразований (Николис, Пригожин, 1979):

Здесь появился индекс р при А_р и ш_р, нумерующий несколько одновременно происходящих реакций.Из (2.27) видно, что изменение энтропии складывается из потока энтропии через поверхность единицы объема системы и производства энтропии внутри системы:

Производство энтропии а в обобщенном виде может быть представлено как сумма произведений обобщенных сил Xj на обобщенные потоки Ji



в химической реакции

В обобщенном виде для системы в целом вызванные этими силами:

Таким образом, изменение энтропии представлено двумя слагаемыми (аналогично 2.9). Первое зависит от взаимодействия системы с внешней средой. Поэтому его знак заранее не определен. Второе слагаемое представляет собой производство энтропии началом термодинамики всегда больше или

В состоянии термодинамического равновесия силы и соответственно вызываемые ими потоки равны нулю.

Доказывается, что вблизи от равновесия потоки зависят от сил линейно (Николис, Пригожий, 1979):

где L_kl -- коэффициент пропорциональности (феноменологический коэффициент), связывающий величину потока с величиной любой из обобщенных сил X_t, действующих в системе.

Соотношение (2.34) характеризует область линейной термодинамики необратимых процессов. В линейной термодинамике необратимых процессов справедливы соотношения взаимности Онсагера (Onsager, 1931), утверждающие, что

т.е. если на поток J_k, соответствующий необратимому процессу к, действует сила X; необратимого процесса I, то сила Х_к действует на поток J_k с тем же коэффициентом L_kl.

Существуют стационарные состояния, в которых скорости разнонаправленных необратимых процессов выравниваются так, что параметры протекающих процессов (концентрация и скорость) остаются неизменными.

Пусть, например, имеется бесконечный резервуар, в котором некоторые компоненты могут вступать в необратимую реакцию, образуя продукт А. Пусть, в свою очередь, продукт А обращается в продукт В, тот в С, и так далее, пока эта цепь превращений не замыкается на исходном резервуаре.

Это -- условие стационарности процесса

Через некоторое время, концентрации промежуточных продуктов придут в соответствие с константами скоростей превращений:

Стационарное состояние необратимых процессов обладает рядом характерных свойств. В термодинамике необратимых процессов доказывается (Glansdorff, Prigogine, 1971), что:

где Р -- производство энтропии как функция состояния системы



С другой стороны в теории термодинамической устойчивости Гиббса выражение типа

определяет условие устойчивости. Отсюда следует два важных вывода.

Во-первых, система устойчива в стационарном состоянии и при отклонении от него стремится вернуться в это состояние, так как

соответствует условию (2.38). Знак неравенства обращен, так как в (2.37) присутствует знак минус.

Во-вторых, поскольку в стационарном состоянии

производство энтропии Р является величиной постоянной, а в силу (2.33) -- принимает свое минимальное значение.

Хотя производство энтропии в стационарном состоянии минимально, оно отлично от нуля и поэтому энтропия системы должна расти. Но так как по условию стационарности концентрации компонентов не изменяются, т. е. 6pi/6t = О, то 6S/6t = О и в силу (2.32)

Следовательно, «для поддержания стационарного неравновесного состояния необходимо направлять в систему отрицательный поток энтропии, равный по величине внутреннему производству энтропии» (Николис, Пригожин, 1979, с. 52).

Стационарное состояние принципиально отличается от состояния равновесия, в котором производство энтропии равно нулю. В состоянии равновесия система обладает минимумом свободной энергии, в то время как в стационарном состоянии свободная энергия системы поддерживается на уровне, отличном от минимума. Удержание стационарного состояния нуждается в непрерывном притоке энергии извне. Стационарные состояния принципиально неосуществимы в изолированных системах.

На рис. 2.2 изображена элементарная стационарная ячейка. Реагенты А необратимо превращаются в В, в свою очередь В превращается в А'. При этом Ак_а = Вк_ь. Реакция А --> В поддерживается сопряженно протекающей с ней реакцией а-->b + (е).

Что произойдет в том случае, если в систему будет направлен отрицательный поток d_eS/dt, по абсолютной величине превосходящий производство энтропии внутри системы? Очевидно, производство энтропии в системе должно возрасти

Однако стремление к устойчивому состоянию минимального производства энтропии должно обусловить процесс, который

можно описать следующим образом:

Знак минус перед скобкой в самой последней части равенства означает, что возникающий процесс (--X' J') выводится за пределы системы, а знак минус внутри скобки означает, что возникает низкоэнтропийный продукт, признаком которого является противоположность знаков X и J. При этом предполагается, что X_eJ_e - XlJl ^ 0, т. е. выполняется условие микроскопического сопряжения процессов.

Таким образом:

-- производство низкоэнтропииного продукта.

Понятие низкоэнтропийного продукта я отождествляю с понятием упорядочения. Упорядочение состоит в предписанности поведения, которое проявляется в ограничении свободы взаимодействий или перемещений, или, что то же самое, установлении функционального соответствия между структурами, координации движений и т.п.

В частном случае продукт реакции (химическое соединение), возникающий в процессе упорядочения, обладает более низкой энтропией, чем сумма реагентов, Например, полимерная молекула обладает более низкой энтропией, чем энтропия суммы слагающих ее свободных мономеров, так как в процессе полимеризации происходит ограничение ротационных и поступательных степеней свободы молекул. Однако мера упорядоченности вещества не определяется величиной его термодинамической энтропии. Некоторая сложная структура может быть результатом случайно сложившегося соотношения и размещения ее элементов. Та же самая структура может быть результатом целенаправленного синтеза, когда данное размещение ее элементов имеет определенное назначение. Понятно, что термодинамическая энтропия соответствующих молекулярных структур одинакова. Но в одном случае мы назовем структуру упорядоченной, а в другом -- нет. Следовательно, понятие упорядочения описывает не только

состояние вещества, но и историю возникновения этого состояния. Термодинамические функции таким свойством не обладают. Поэтому мне представляется непродуктивной чисто термодинамическая интерпретация энтропии развития, например, попытка оценить меру упорядочения в онтогенезе через изменение удельной теплопродукции (см. Тринчер, 1973).

Производство низкоэнтропийного продукта имеет в качестве обязательной предпосылки принцип минимума производства энтропии в стационарной системе.

В соответствии с теоремой о минимуме производства энтропии:

Это означает, что из возможных путей развития предпочтителен тот, который при равном расходе энергии ведет к наибольшему снижению энтропии. Иными словами, принцип минимума производства энтропии в указанных выше условиях эквивалентен принципу максимума производства низкоэнтропийного продукта.

Приведенные соображения, как мне представляется, указывают на термодинамическую возможность производства низкоэнтропийного продукта в стационарных системах. Принципиально важным является то, что низкоэнтропийный продукт образуется в эволюционно-способной системе. При химическом сопряжении вне стационарной системы низкоэнтропийный продукт, если он возникает, никак не влияет на дальнейшую историю процесса. В стационарной системе производство низкоэнтропийного продукта согласуется со стремлением системы к устойчивому состоянию. Система стремится организоваться таким образом, чтобы в ней возникли необратимые процессы, которые бы препятствовали нарастанию энтропии и свели бы это нарастание к минимуму.

Если продукт будет вовлечен в какой-либо последующий процесс (рис. 2.3), то система компенсирует его убыль дополнительным производством этого продукта. В свою очередь, если этот новый процесс обусловлен подключением реакции, обеспечивающей поступление избыточного отрицательного потока энтропии, то это приведет к формированию нового более низкоэнтропийного

продукта n. Таким образом, в расширяющейся сети стационарных систем необратимых взаимодействий формируется продукт, последовательно эволюционирующий в сторону понижения энтропии.

Рис. 2.3. Производство низкоэнтропийного продукта

Следует пояснить, что теорема о минимуме производства энтропии, на которую я опираюсь, справедлива лишь в области линейной неравновесной термодинамики, т. е. в условиях, когда величина потока (скорости) линейно зависит от силы, вызывающей соответствующее движение.

И. Пригожин поведение систем, отвечающее этим условиям, называет «термодинамической ветвью». Следует подчеркнуть, что И. Пригожин и другие представители брюссельской школы (Prigogine, 1962; Glandsdorff and Prigogine, 1971; Nicolis and Prigogine, 1977; Prigogine, 1980; Babloyantz, 1986) не связывают каких-либо эволюционных возможностей с неравновесными процессами в линейной области, если не считать одной ранней работы (Prigogine, Wiame, 1946). И. Пригожиным и его коллегами разработана теория возникновения структур упорядочения вдали от равновесия. Эти структуры названы «диссипативны-ми». Именно они рассматриваются создателями неравновесной

термодинамики как могущие иметь значения в создании фундаментального упорядочения и эволюции жизни. Но, как мы уже отмечали, ссылаясь на М. Эйгена (1971), макроскопическое упорядочение в геометрическом пространстве, связанное с формированием диссипативных структур, имеет мало аналогий с функциональной упорядоченностью в биологических системах. Один из разделов своей книги Г. Николис и И. Пригожин (1979) назвали: «Невозможность упорядоченного поведения в области линейности необратимых процессов» (с. 55). Там они указывают, что «близкие к равновесию стационарные состояния являются существенно пространственно однородными. Из устойчивости этих состояний вытекает, что спонтанное возникновение упорядоченности в виде пространственных или временных распределений, качественно "отличных от равновесных, следует исключить"». Но мы не имеем в виду возникновение макроскопической пространственной упорядоченности. Речь идет о микроскопическом упорядочении, поскольку химическое сопряжение реализуется микроскопически. Производство же макроскопического низкоэнтропийного продукта в стационарных системах качественно действительно не отличается от упорядочения равновесного, например, процесса кристаллизации жидкости при снижении температуры -- процесса, идущего с понижением энтропии в замкнутой (неизолированной системе). Об этом будет сказано ниже. Нелинейные процессы, безусловно, присущи живым организмам, так же как нелинейные неравновесные образования (дис-сипативные структуры). Однако их место -- пространственная организация, межсистемные информационные потоки, каналы управления, волновые процессы (Давыдов, 1986; Гапонов-Гре-хов, Рабинович, 1987; Маломед, 1987; Каданцев, Лупичев, 1995; Барабаш, 1998). Впрочем, методы линейной неравновесной термодинамики применимы, по-видимому, к более широкому кругу химических процессов, чем принято считать, включая реакцию Белоусова--Жаботинского, являющуюся типичным примером диссипативной структуры (Шахпоронов, Павленко, 1988). Химические реакции в организме и химическое содержание процессов эволюции с нашей точки зрения, являются в существенной мере процессами, отвечающими линейной области неравновесной термодинамики. Как отмечает А. И. Зотин (1988), «не исключено, что, хотя живые организмы являются сильно нелинейными системами, их основные реакции в результате наличия в системе регуляции и управления являются линейными и могут быть описаны в рамках термодинамики линейных необратимых процессов» (с. 19). Следует также упомянуть, что мы исходим из того, что эволюция не имеет цели. Представление об упорядочении как процессе установления соответствий или нарастающего ограничения свободы взаимодействий отличается от эйгеновского представления о ценности информации. Как отмечают Е.Н.Князева и С. П. Курдюмов (1994), «ценность связана со значением информации для достижения определенной цели. Без цели нет ценности: вопрос о ценности информации возникает лишь тогда, когда сформулировано представление о цели» (с. 11). Упомянутые авторы сами допускают наличие цели эволюции как достижение объективных структур-аттракторов, к которым направлены процессы в нелинейных средах. Эта точка зрения широко распространена: «класс систем, способных к самоорганизации -- это открытые и нелинейные системы» (с. 20). На мой взгляд, эволюция жизни базируется преимущественно на принципах стационарности, итеративности и линейности. При этом речь идет, разумеется, о неравновесных процессах в открытых системах. Нелинейность ведет к ветвлению путей развития, бифуркациям, появлению дополнительных аттракторов (Пригожин, Стенгерс, 1986; Князева, Курдюмов, 1994), а в итеративных процессах -к гибели системы. К обсуждению этого вопроса мы вернемся в главах V и VI. Выше неоднократно упоминалась реакция, подключение которой к стационарной системе обуславливает производство низкоэнтропийного продукта. Такая «магическая» реакция должна характеризоваться несколькими важными свойствами:

она должна обеспечить поток низкой энтропии в систему;

она должна быть высокоэнергетической, чтобы поддерживать стационарное состояние необратимых потоков;

она должна хорошо сопрягаться химически с реакциями, протекающими в системе. Способ ее химического сопряжения должен быть достаточно универсален;

поскольку мы связываем с ней зарождение и эволюцию жизни, она с самого начала, должна быть присуща еще неорганическому миру.

5. Итеративность. Переход микроскопического упорядочения в макроскопическое

Из изложенного в предшествующем разделе, очевидно, что эволюционно-способные системы должны быть итеративны. Итерация -- повторение одной и той же операции, воспроизведение одной и той же структуры и т. п. Итерация может происходить с определенной модификацией предшественника. Характер изменения описывается итератором: x_i+1 = /(x_i). Итератор может быть линейным: x_i+i = ax_t, или нелинейным, например, квадратичным: x_i+1 = ax_i(1 -- xi).

Эволюционный принцип, изложенный в предшествующем разделе, можно изобразить в виде рис. 2.4. Он выполнен в той же условности, что и

рис. 1.1, иллюстрирующий дарвиновский принцип. Понятно их различие.

Итерация в биологических системах и в биологической эволюции играет всеохватывающую роль. Смена поколений в ходе эволюции вида, размножение организмов, -- представляют собой итеративные явления. Репликация и автокатализ являются частным случаем итерации. Репликация предполагает итерацию, происходящую без изменения предшественника: x_i+1 = x_i.

В биологических процессах доминируют итерации линейные и репликативные. О роли нелинейности будет сказано в главе 6.

Наконец фундаментальное значение имеет итеративность в процессе перехода микроскопического упорядочения в макроскопическую форму.

Процесс упорядочения может локализоваться на одной единственной молекуле. Возникновение высокоупорядоченной структуры -- событие маловероятное, даже когда оно термодинамически разрешено. Поэтому не может быть массового возникновения таких молекул в реакционном объеме, как это имеет место в обычных химических реакциях, которые термодинамически возможны и имеют благоприятную кинетику. Для того, чтобы эффект упорядочения, т. е. производство низкоэнтропийного продукта, было выражено макроскопически, необходимо умножение копий до макроскопически заметного количества.

Присутствие молекулы способствует синтезу в ее силовом поле аналогичной молекулярной структуры. Это -- предпосылка к самокопированию. Более сложные структуры в принципе обладают большей способностью к воспроизведению. Небольшие молекулы слишком подвижны. Они не создают в данном участке пространства стабильного упорядоченного поля, в силовом

рельефе которого может происходить формирование молекулярной реплики. Только при достаточном снижении температуры происходит упорядочение, ведущее к кристаллизации.

В кристаллах происходит самокопирование слоя за слоем. Некоторые кристаллы могут не только воспроизводить собственную структуру, но и управлять синтезом на своей поверхности иных структур, способных формироваться в их кристаллическом поле. Например, известна способность глинистых минералов служить подложкой для образования некоторых органических полимеров.

Каждый новый слой в кристалле обычно прочно связан с предшествующими ионными или ковалентными химическими связями. Он не может свободно отделиться. В отличие от кристаллов в крупных органических молекулах самокопирование может не сопровождаться образованием прочных химических связей между подложкой и репликой. Фундаментальную роль играют водородные связи. Это тот тип связи, который позволяет удерживать конформно связанные органические соединения, например, пары нуклеотидов, как в ДНК, но которые легко разрываются. При этом разделяющиеся части, поскольку они остаются валент-нонасыщенными, не меняют после разрыва водородной связи ни своего состава, ни структуры. Поэтому в принципе реплика может отделиться от материнской поверхности, обеспечивая тем самым размножение однотипных структур.

Однако реально стопроцентная саморепликация неосуществима, так как при копировании действуют связывающие силы, а для отделения копии необходимы развязывающие силы. Другими словами, репликация нуждается во внешнем факторе -- некоторой форме катализа. Это могут быть молекулы того же сорта, как это наблюдается при видимой саморепликации РНК. Но наиболее эффективными катализаторами являются пептиды, которые в разной аминокислотной последовательности легко подстраиваются под разные конфигурации силового поля «обслуживаемых» молекулярных структур.

Об этом, более предметно, речь пойдет в следующей главе. Здесь же важно подчеркнуть, что выведение микроскопического упорядочения на макроскопический уровень требует включения механизма автокатализа и репликации.

Совершенно справедливо сказано: «все реплицирующие системы, по определению, являются автокаталитическими, а все автокаталитические системы, в известном смысле, приводят к репликации» (Orgel, 1992, с. 203).

Термодинамически разрешенное производство низкоэнтропийного продукта реализуется в сочетании двух явлений: возникновение микроскопического упорядочения, в предельном случае в виде единственной молекулы, и автокаталитического производства ее копий. Особенностью биологической химии является то, что обе предельные ситуации реально выражены. Это объясняет с одной стороны уникальную плотность биологического упорядочения, с другой -- вовлеченность в упорядочение массы живого вещества.

Способность к репликации рассматривается как наиболее характерная особенность жизни. Понимание механизма возникновения репликации в ходе эволюции многими исследователями отождествляется с собственно решением проблемы происхождения жизни. Внимание к явлениям автокатализа и репликации в контексте проблемы происхождения жизни оправдано. Они действительно играют ключевую роль. Но не потому, что в репликации состоит феномен жизни, а потому, что автокатализ и репликация -- необходимый элемент трансформации акта упорядочения на микроскопическом (мономолекулярном) уровне в макроскопическое событие. Автокатализ и репликация реализуют итеративный характер биологического упорядочения.

6. Роль и факторы естественного отбора. Устойчивость

Как уже отмечалось, отбор сам по себе нейтрален по отношению к производству низкоэнтропийных или высокоэнтропийных структур. Естественный отбор может сопровождать как процессы упорядочения, так и процессы дезинтеграции и распада.

Устойчивость обеспечивает селективное преимущество, хотя она не является фактором упорядочения. В горных районах иногда встречаются скальные останцы причудливой формы, напоминающие рукотворные изваяния. Это -- продукт отбора. Они представляют собой более устойчивые (крепче сцементированные или имеющие особый минеральный состав) фрагменты в массе пород. Вековые процессы выветривания размыли менее устойчивые вмещавшие их породы, обнажив останцы на дневной поверхности. Это явление, формирующее специфичность ландшафта и обусловленное «естественным отбором», тем не менее, не имеет ничего общего с производством низкоэнтропийных структур. Оно является частью процесса деградации материи.

Селективные преимущества могут принимать самые разнообразные конкретные формы: устойчивость, реакционную способность, размножаемость и т.д. и т. п. Классический дарвинизм рассматривает селективные преимущества в контексте выживаемости индивидов в конкурентной борьбе за источники существования, приспособлении к условиям внешней среды. Молекулярный дарвинизм относит к факторам отбора кинетические и другие свойства молекулярных структур. Например, рассматривая преимущества РНК, как родоначальной биологической структуры, Дж. Джойс (Joyce, 1989) отмечает, что РНК сочетает свойства генотипа и фенотипа в одной молекуле, что делает возможной дарвиновскую эволюцию на молекулярном уровне: из-за различия в химическом поведении некоторые РНК будут реплицироваться более эффективно, чем другие, проявляя тем самым селективное преимущество. Однако можно привести многочисленные примеры недарвиновского молекулярного отбора. Например, при каталитическом синтезе последовательности нуклеотидов, с использованием фрагмента ДНК в качестве подложки, между основаниями синтезируемой последовательности формируется 2'--5' связь, а не характерная для биологической ДНК 3'--5' связь (Orgel, 1992). Связь 2'--5' имеет селективное преимущество в этой реакции. Но она не обеспечивает формирование спиральной структуры двух комплиментарных нитей ДНК. Селективное преимущество в эволюции стационарных систем

имеют структуры, обеспечивающие минимум производства энтропии не только по отношению к данной реакции, но и в совокупной сети стационарных ячеек. Поэтому последовательность нуклеотидов именно с 3'--5' типом связи оказалась в русле эволюции стационарных систем.

Известен искусственный олигонуклеотид homo-DNA, отличающийся от ДНК тем, что пятичленное фуранозное кольцо расширено до шести членного пиранозного кольца добавлением метиленовой группы между углеродом Г и 2' фуранозного кольца (Eschemoser, 1999). Это соединение имеет более значительную силу спаривания, чем ДНК. Следуя дарвиновскому принципу конкурентного отбора, следовало бы ожидать, что структура, обладающая селективным преимуществом в силе спаривания, должна была бы вытеснить и заместить предшественника. Но в природной эволюции закрепилась другая структура.

Замечательной особенностью устойчивого состояния является то, что, если система из него выведена, она самопроизвольно к нему возвращается.

Возмущение, выводящее систему из стационарного состояния, приводит к избыточному производству энтропии. Избыточное производство энтропии это -- отклонение от ее производства в стационарном состоянии. По мере возвращения к устойчивому стационарному состоянию эта величина уменьшается и в стационарном состоянии равна нулю. В математическом анализе такие функции называют функциями Ляпунова.

Производство энтропии принадлежит к числу функций Ляпунова. Если на систему подействовать возмущением, то производство энтропии увеличится, но система ответит на это возвращением в состояние с наименьшим производством энтропии. Критерий устойчивости определяется выражением (2.37).

С этим рассмотренным выше процессом мы связываем основной путь химической эволюции биологических систем. Но устойчивыми являются и равновесные состояния, являющиеся формой предельного для данных условий разупорядочения, в которых энтропия максимальна. Критерий устойчивости химического равновесия (2.38) очень близок по форме к (2.37).

Будучи выведена из равновесия, химическая система стремится вновь обрести его. Добавление в химическую систему, находящуюся в равновесии, одного из компонентов выводит систему из равновесия. В результате возобновляется химическая реакция, возвращающая систему к состоянию равновесия -- к прежнему соотношению компонентов. Подобное явление наблюдается и в биологических системах.

Например, при температуре около 80°С происходит денатурирование ДНК, т.е. процесс разделения двух комплиментарных последовательностей нуклеотидов. При снижении температуры спаренное состояние восстанавливается, хотя и не в полной мере (Zubay, 1998). Температура денатурации (температура «плавления» Т_т) зависит от нуклеотидного состава. Чем выше отношение GC/AT пар в составе ДНК, тем выше Т_т. Зависимость эта понятна, так как нуклеотиды G и С связывают три водородные связи, а нуклеотиды А и Т -- две. Присутствие соли и рН влияет на Т_т. Иными словами, спаренное состояние ДНК, несмотря на то, что речь идет о весьма сложной структуре, является по этому типу взаимодействия равновесными и, будучи выведенной из него, система устойчиво к нему возвращается. Следует отметить, что система может быть равновесной по данному виду взаимодействия и неравновесной по другим. Поэтому состояние равновесия не означает необходимости распада на простейшие составляющие. «

Устойчивость в этом смысле присуща не только сложным молекулам, но и ассоциатам более высокого порядка. Если выжать морскую губку через фильтр, так чтобы ее ткани дезинтегрировали на отдельные клетки, то через некоторое время клетки соберутся, вновь образуя губку. Этот опыт проделал Генри Уильямс (см. Behe, 1998), еще в начале ушедшего века. Диссоциированные клетки почки собираются в подобие почки, более того, выделяют почечные ферменты. Разобщенные клетки сердечной мышцы вновь собираются в ритмично сокращающуюся ткань.

Оба упомянутых вида истинной устойчивости (устойчивость равновесного и стационарного состояния) нужно отличать от «устойчивости», обусловленной кинетическим барьером. Это не настоящая, а видимая устойчивость. Такое состояние называется метастабильным. В этом состоянии вещество может находиться длительное время, создавая впечатление устойчивого состояния, поскольку возможные реакции имеют высокие энергии активации. Принципиальное различие устойчивого и ме-тастабильного состояния состоит в том, что, будучи выведено из метастабильного состояния, система не может к нему произвольно возвратиться.

ДНК дает пример такой высокой метастабильности. Она сохраняет свою структуру длительное время, даже после смерти организма, когда большинство других биополимеров подвергается скорому распаду. Это свойство ДНК используется в современных методах генетической идентификации личности по ее останкам.