Глобальные катастрофы и эволюция жизни

В определении понятия «жизнь»  к 80-м гг. ХХ в. сложилось две позиции. Функциональный подход объединял сторонников представлений об организме как о своеобразном «черном ящике» (с неизвестной внутренней структурой или с не особенно важной), своеобразие которого заключается в наличии «управляющих процессов» передачи информации. Лидеры этого подхода — математики А. А. Ляпунов и А. Н. Колмогоров — использовали средства высшей математики в определении специфики жизни, они рассматривали гомеостатические процессы. Их больше интересовали процессы преобразования информации, и они допускали возможность и небелковых форм жизни. Сторонники другого, субстанционального, подхода признавали ключевым наличие определенных субстанций и определенных ее структур. К лидерам этого подхода относился и Опарин, для которого важнейшим было признание наличия обмена веществ, и выдающийся советский биолог В. А. Энгельгардт. Они считали, что изучение проблемы жизни должно основываться на данных химии, а не математики. В организации живого все указанные свойства проявляются на всех уровнях. Но каждый из них имеет и свои особенности.

         Процессы самоорганизации в  живой природе

Под самоорганизацией мы понимаем необратимый  процесс, приводящий в результате кооперативного действия подсистем к образованию  более сложных структур всей системы. Самоорганизация -- элементарный процесс эволюции, состоящий из не ограниченной последовательности процессов самоорганизации. Термин "самоорганизация" используется для обозначения диссипативной самоорганизации, т. е. образования диссипативных структур. Наряду с диссипативной самоорганизацией существуют и другие формы самоорганизации, такие как консервативная самоорганизация (образование структур кристаллов, биополимеров и т. д.) и дисперсионная самоорганизация (образование солитонных структур).

Для объяснения процессов самоорганизации  рассматриваются открытые системы, которые способны обмениваться с  окружающей средой веществом, энергией или информацией. Открытая система  не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между  элементами системы, т. е. ее прежняя  структура, разрушается. Между элементами системы возникают новые согласованные  связи. Благодаря этому оказалось  возможным развить новую нелинейную и неравновесную термодинамику  необратимых процессов, которая  стала основой современной концепции  самоорганизации. Для более общего и глубокого представления о  конкретных механизмах самоорганизации  рассмотрим основные понятия и принципы синергетики.

Попытка выработки общей концепции объясняющей  явления самоорганизации систем получила название "синергетика". Термин "синергетика" происходит от греческого "синергеа" - содействие, сотрудничество. Предложенный Г. Хакеном, этот термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. Под этим названием объединяются различные направления исследований в различных науках - в физике, биологии, химии, математике. В математике развивается теория динамического хаоса, школа И. Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации с точки зрения диссипативных структур, а Г. Хакен понимает под структурой состояние, возникающее в результате когерентного (согласованного) поведения большого числа частиц.

Предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики  Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: “Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки”.

Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования  самых сложных систем, которые  присущи природе, систем, способных  к самоорганизации, саморазвитию. Основные свойства самоорганизующихся систем - открытость, нелинейность, диссипативность.

Открытые  системы - это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. Открытые системы - это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени.

Нелинейные  системы, являясь неравновесными и  открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т. е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какою-то другою процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.

Открытые  неравновесные системы, активно  взаимодействующие с внешней  средой, могут приобретать особое динамическое состояние -- диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую) на макроуровне, которая качественно отличается оттого, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи. Главная идея синергетики -- это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных  и необходимых факторов системы  и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты - точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации  принципиально неизвестно, в каком  направлении будет происходить  дальнейшее развитие: станет ли состояние  системы хаотическим или она  перейдет на новый, более высокий  уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные  структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы “колеблется” перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях. Как выясняется, переход от хаоса к порядку вполне поддается математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности (в природе и обществе - его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы - это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации - от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура)

Рассмотрим  процесс саморегуляции в живых сообществах на достаточно простом примере. Предположим, что в некой экологической нише совместно обитают кролики и лисы. Если в некое пространство с травой, произрастающей в достатке поместить кроликов, то, поедая траву, они начнут усиленно размножаться, т.е. произойдет реакция: Кролик + Трава = Больше кроликов, или К + Т => 2К (как эту реакцию записали бы химики). Данный процесс вполне аналогичен непрерывному подводу тепла (трава) в задаче с ячейками Бенара.

Но вот  в данную экологическую нишу поместили  хищных лисиц, которые питаются кроликами  и размножаются: Лисица + Кролик => Больше лисиц, или химически: Л + К => 2Л.

Однако  в свою очередь лисицы, как и  кролики, являются жертвами. Лисицы —  жертвы человека, который отстреливает их на мех: Лисицы => Мех, или химически: Л => М. Конечный продукт этой сложной реакции — мех — выводится вовне из реакционной зоны. Его можно рассматривать как носитель энергии, выводимый из системы, к которой энергия была вначале подведена, например, в виде травы. Таким образом, в экологической системе также существует поток энергии, аналогичный потоку, имеющему место в химическом реакторе.

Анализируя  этот сложный процесс, можно заметить, что в нем существуют две автокаталические стадии (положительная обратная связь), играющие определенную роль в его самоорганизации. Одна из них — «производство» (рождение) кроликов от кроликов, поедающих траву, вторая — рождение лисиц от лисиц, поедающих кроликов. Чем больше кроликов имеется, тем больше их рождается при наличии запасов травы. И если бы не было хищных лисиц, неконтролируемое размножение кроликов привело бы к неконтролируемому увеличению их численности. Так произошло в Австралии в середине XIX в.

Однако  возможно такое же автокаталитическое размножение лисиц при большом  количестве кроликов. Но если оно произойдет, то приведет к резкому снижению численности  популяции кроликов. А это, в свою очередь, приведет к уменьшению численности  популяции лисиц, так как им для  размножения надо поедать кроликов. Когда численность лисиц упадет, популяция кроликов получит время  для восстановления своей численности. После восстановления численности  кроликов начнет восстанавливаться  численность популяции лисиц  и т.д. Данный анализ показывает, что  система самоорганизуется во времени. В действительности будут происходить периодические колебания численности кроликов и лисиц, сдвинутые во времени, т.е. возникнет экологически устойчивая структура. То же самое можно изобразить и на так называемой фазовой диаграмме, если исключить время в явном виде. Каждая кривая, называемая фазовой траекторией, показывает соотношение между численностью популяции кроликов и лисиц в зависимости от начальных и граничных условий (например, степени плодовитости, скорости размножения, скорости поедания и т.д.) Каждая точка на траектории соответствует стационарному состоянию, когда скорость истребления кроликов и лисиц в точности равна их воспроизводству, т.е. когда их количество остается постоянным, или, иными словами, система находится в динамическом равновесии. Численность популяции кроликов и лисиц имеет вид гармонических колебаний во времени.

Фазовая диаграмма колебаний численности  лисиц и кроликов представляет собой  систему концентрических замкнутых  кривых с некоторым центром, который  можно интерпретировать как странный аттрактор численности популяций.

Анализ  показывает, что в биосфере существует огромное количество сильно неравновесных систем, поэтому можно утверждать, что возникновение условий для их самоорганизации — явление довольно частое. А так как условия для самоорганизации выполнены, то жизнь становится столь же предсказуемой, как неустойчивость Бенара или любое другое вероятное событие. Тот факт, что жизнь возникла на молодой Земле через ~4- 10⁹ лет после ее образования (т.е. 4,0∙10⁹ лет тому назад) является аргументом спонтанной самоорганизации, произошедшей при благоприятных обстоятельствах.

Исследованием поведения неравновесных систем в точках потери устойчивости или  переходов из одной формы самоорганизации  в другую занимается теория бифуркаций или, как ее еще называют, теория катастроф.

Слово «бифуркация» означает раздвоение и употребляется в  широком смысле для обозначения  всевозможных качественных перестроек или метаморфоз различных объектов при плавном изменении параметров, от которых они зависят. Катастрофами называют скачкообразные изменения, возникающие  в виде внезапного ответа системы  на плавное изменение внешних  условий. В результате катастрофы-взрыва система может не только скачкообразно изменить свое состояние, но и разрушиться. Теория бифуркаций описывает поведение не только простых, но и очень сложных систем, в частности таких, как социальные, экономические и др.

Ген, геном, генотип

     Структура ДНК. Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры — нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности — дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Г), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С5Н10О4 и остаток фосфорной кислоты.

     В РНК вместо тимина содержится урацил (У), а вместо дезоксирибозы - рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

      Молекулы ДНК находятся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль (рис. 7.1). Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.