31126-1 (Курс Концепции современного естествознания), страница 7

Антропный принцип поднимает проблемы иных цивилизаций и будущего Интеллекта в космологических прогнозах. Будет ли Вселенная вечно расширятся или расширение сменится сжатием и коллапсом? Если Вселенная рождается, то должна ли Вселенная умереть? Ограничены ли частицы вещества сроком существования'? Оказалась ли наша планета единственной приоритетной точкой или Земля - одна из множества планет, на которых синхронно начиналась биотическая фаза эволюции? Подавляющему большинству специалистов по космологии человеческое существование видится бессмысленным. Какая бы космологическая модель ни оказалась правильной, ни в одной из них мы не находим утешения. Вселенная развилась из незнакомых начальных условий и ей предстоит угасание в бескрайнем холоде. Чем более постижимой представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной (Вайнберг 1981: 139-144). Но в пессимистических космологических прогнозах не учитьвается обратное влияние Интеллекта, о чём писали русские космисты (Н. Фёдоров, К. Э. Циолковский).

5. Эволюционная химия и биология 5.1. Неорганическая химическая стадия эволюции

Д. И. Менделеев (1834-1907), определяя химию как науку о химических элементах и их соединениях, к характеристике химии как системы применил принцип неизменности химических элементов в химических реакциях, например, атомная масса водорода всегда равна единице. Основанием химии по Менделееву выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества. Основной вопрос химии: от чего зависят свойства веществ? В зависимости от того, как отвечали на этот вопрос, в истории химии можно выделить четыре периода: учение о составе ("УП в.), структурная химия (с начала "1" в.), учение о химических процессах ("" в.) и эволюционная химия (с 70-х годов, Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 168-177).

Идеи эволюции атомов от водорода и гелия к более тяжёлым атомам, порядка и системности в природе были уже в периодической системе химических элементов Менделеева, но только в 1960-х годах обнаружили случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции и явления самоорганизации химических систем. Эволюционные идеи проникают и в химию. Под эволюционными проблемами химии следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых, более сложных и более высокоорганизованных химических соединений по сравнению с исходными продуктами (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 232). "имическая стадия эволюции начинается с образования химических систем: немолекулярных соединений и кристаллов, молекул, химических смесей (Эткинс 1991: 14-22) и химических реакций (А.П.Руденко, И.Р.Пригожин). Достижение устойчивости химических систем обусловило их структурное и поведенческое разнообразие, атомов или химических элементов более 100, неорганических низкомолекулярных соединений - сотни тысяч, а высокомолекулярных - миллионы. "имические системы образуются за счёт ионных и ковалентных связей (Эрдеи-Груз 1976: 267-275, 333-348). Инертные газы вообще не образуют молекул, большинство элементов образуют двухатомные молекулы, кислород - трехатомные, а углерод - длинные цепи различной конфигурации (Назаретян 1991: 71).

"имические системы на нашей планете прошли три стадии эволюции: неорганическая, органическая и биохимическая (Жданов 1983: 76). В 70-х годах профессор МГУ А.П. руденко предложил теорию эволюции открытых автокаталитических химических реакций. "имическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических реакций. В результате конкуренции за энергию и пространство происходит отбор тех реакций, которые более активны, более автономны (эффективность управления катализаторами ходом реакции), более разнообразны (дробление реакций) и лучше реагируют на факторы среды (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 245-247). Каталитические неорганические химические реакции способны реагировать на воздействия факторов внешней среды как единое целое, изменяться, приспосабливаться к внешней среде и, отражая ее воздействие на физико-химическом уровне, саморазвиваться (Руденко 1983: 260). Открытые каталитические системы являются единственно возможными химическими объектами, способными к прогрессивной химической эволюции вплоть до перехода ее в биологическую эволюцию (Руденко 1983: 263). Эмпирическими основаниями эволюции неорганических молекул являются данные палеобиохимии, обнаружение многих неорганических молекул в космическом пространстве методами радиоастрономии (Жданов 1983: 59) и исследования явлений самоорганизации И. Р. Пригожиным.

Экспериментальные доказательства самоорганизации химических реакций были получены школой И. Р. Пригожина. Вдали от равновесия химические системы с каталитическими механизмами могут порождать диссипативные структуры (открытые, неравновесные системы, стремящиеся перейти от хаоса к порядку). Самый простой пример такой структуры является реакция химические часы или модель брюсселятора: упорядоченность в поведении миллиардов молекул, макроскопически проявляющаяся в периодичном изменении вдета реакционной смеси. Неорганические каталитические химические реакции можно рассматривать как прототипы сложных ферментативных биохимических реакций (И.Р.Пригожин, 1985, с. 116, 1986, с. 202-203).

5.2. Высший химизм и преджизнь Отбор химических элементов для построения субстрата жизни это научный факт. Основу живых систем составляют только шесть элементов, называемых органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая весовая доля органогенов составляет 97,4%, за ними следуют 12 элементов ( а, К, Са, Мд, Ре, Й, А1, С1, Сн, "п, Со, Мп) которые принимают участие в построении многих компонентов биосистем, их весовая доля 1,6%. Ещё 20 элементов участвуют в построении узкоспециализированных биосистем (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 241,Грин,Стаут, Тейлор 1990: 151). Основу жизни на молекулярном уровне составляют макромолекулы, гигантские молекулы-биополимеры, построенные из многих повторяющихся единиц-мономеров. Существует три типа макромолекул: из моносахаридов построены полисахариды, из аминокислот - белки, из нуклеотидов - нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК). В состав живого входят еще липиды, сложные эфиры жирных кислот и спирта. Белки и нуклеиновые кислоты являются информационными молекулами, поэтому последовательность мономерных звеньев в них варьирует (Грин,Стаут, Тейлор 1990: 155-188).

Из узкого круга отобранных природой органических молекул составлено 5-млрд. видовое разнообразие живого за всю историю биосферы. Органогеном ю1 стал углерод, так как этот элемент способен образовывать почти все типы химических связей, соединения, обладающие каталитическими, энергетическими, информационными свойствами и длинные цепи, кольца разнообразных подвижных скрученных структур. Углерод отвечает всем требованиям лабильности (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 242).Высокомолекулярные соединения отличаются способностью сохранять неизменным основной субстрат в ходе взаимодействий. Речь идет о становлении устойчивой индивидуальности. "имический индивидуум способен изменять свою природу, сохраняя себя (Жданов 1983: 73).

Но как происходила биохимическая эволюция? В 1824 году Ф. Веллер синтезировал органическое вещество, щавелевую кислоту, а в 1926 году Дж. "олдейн, А. И. Опарин и Дж. Бернал выдвинули гипотезу биохимической, доклеточной эволюции (Фолта, Новы 1987: 256). В условиях первичной атмосферы, в океане из неорганических соединений спонтанно образовывались более сложные макромолекулы и протоклетка. Для синтеза органических соединений использовалось ультрафиолетовое излучение. В первичном бульоне из макромолекул происходил отбор наиболее устойчивых систем макромолекул (коацерватов по Опарину), на границе система-среда выстраивались белки и липиды, образуя мембрану (Яблоков, Юсуфов 1998: 43-45). А. И. Опарин был сторонником первичности обмена веществ в коацерватной капле, а появление нуклеиновых кислот считал завершением эволюции в итоге конкуренции протобионтов. Согласно же "олдейну первичной была система, способная к саморепродукции, "голый ген" (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 299-303).

Первые эксперименты по неорганическому синтезу биополимеров в восстановительной среде провёл американский биолог С. Миллер в 1953 году. Колба, в которой создавались электрические разряды, заполнялась водой, водородом, метаном и аммиаком. Кипящая вода создавала циркуляцию пара и воды через прибор, пробы раствора исследовали методом

хроматографии на бумаге. Через 125 часов было обнаружено 15 аминокислот и рибоза (входит в состав РНК). Эксперименты вызвали большой интерес и к сходным опьггам приступили учёные во всём мире. Уже в 1960 году А. Уилсон, добавив в исходный раствор серу, смог получить крупные молекулы полимеров, содержащие более 20 атомов углерода. В колбе были обнаружены тонкие плёнки (предмембраны). С. Поннамперума с сотр. проводили эксперименты, подобные экспериментам Миллера, но использовали энергию ультрафиолетового света и синтезировали аминокислоты, пурины (строительные блоки белков и нуклеиновых кислот), полимеры из этих блоков. Дж. Оро с сотр. синтезировали крупные органические молекулы без ультрафиолета, просто нагревая среду. С. Фокс с сотр. использовали высокие температуры и синтезировали биополимеры в безводных средах. М. Кальвин конденсировал низкомолекулярные единищя в более крупные в водных растворах, содержащих НС . Следовательно, есть много способов спонтанного образования биомолекул неорганическим путём в условиях, моделирующих первичную атмосферу, но в этих экспериментах не моделировалось геологическое время (Рутген 1973: 104-124).

До 80-х годов существовало три гипотезы начала биохимической эволюции: гипотезы голобиоза, генобиоза и симбиоза. Гипотеза голобиоза: эволюционно старше белковый протобионт (метаболизм), первичен обмен веществ в коацервате, а появление в коацервате нуклеиновых кислот есть завершение эволюции в ходе конкуренции протобионтов (А. И. Опарин). Гипотеза генобиоза: первичной была не структура, способная к обмену веществ, а макромолекулярная система подобная гену и способная к саморепродукции (голый ген, Дж. "олдейн). Синтетическая гипотеза симбиоза: изначально формировался симбиоз белки-нуклеиновые кислоты (гиперциклы М. Эжена). Проблемы начала биохимической эволюции были решены тогда, когда открылся "мир РНК": молекула РНК была первичной, так как она уникальна по своим свойствам. Молекула РНК наделена такой же генетической памятью как и ДНК. Нет организмов без РНК, но есть вирусы, геном которых составляет РНК, а не ДНК. Вопреки генетической догме возможен перенос информации от РНК к ДНК, катализируемый РНК-зависимым ферментом. В начале 80-х установили способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, процессингу (вырезание нуклеотидных последовательностей) и сплайсингу (сшивание активных последовательностей). Но главным было открытие у РЦК автокаталигических функций. Всё это означало, что древняя РНК совмещала черты генотипа и фенотипа. Современная РНК - реликт доклеточного предка, передавшего ферментативные и информационные функции ДНК и белкам (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 302-311).

Тогда можно смоделировать ранние этапы доклеточной эволюции: спонтанное возникновение макромолекул (в том числе и РНК), отбор геномов РНК по эффективности каталитических и информационных функций (метаболизм и редупликация), передача РНК функций фермента белкам и памяти ДНК, образование и эволюция сетей химических реакций (гиперциклов).

5. 3. "аракгеристика и эволюция гиперцикла В 70-х годах немецкий биохимик М. Эйген (р. 1927 г., Нобелевская премия за 1967 г.) предложил математическую модель самоорганизации макромолекул в единицу, способную к эволюции. Гиперциклом называется принцип самоорганизации макромолекул в единицу, способную к эволюции, для которого характерны гомеостаз, метаболизм и редупликация. Гиперциклы это сети химических реакций, в которых на каждом этапе продукты подвергаются цикличным превращениям: все биохимические реакции носят циклический характер (репликация ДНК и биосинтез белка на рибосоме, ферментативные реакции, цикл трикарбоновых кислот). М. Эйген опирался на экспериментальное исследование биохимической эволюции, опьпы С. Спигельмана. С. Спигельман моделировал доклеточную эволюцию "в пробирке": вирусный РНК фаг ку-бета в бесклеточной среде смеси органических и неорганических молекул самореплицировался, новые фаги мутировали и происходил их отбор по скорости репликации (Эйген 1973: 172-184, Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 310-311).