Живое и неживое; дарвинизм и его особенности; неодарвинизм; автоэволюция формы и функции; телеология эволюции; генетика; этногенез.

"Homo homini lupus est."

"Сейте разумное, доброе, вечное..."

Говоря об эволюции, обычно подразумевают биологическую эволюцию, то есть постепенное изменение живых существ. Но что такое живое? Это еще одно основополагающее понятие, над которым задумываются немногим чаще, чем над тем, что такое пространство и время. Участие в обмене веществом и энергией с окружающей средой и способность к самовоспроизведению не являются исчерпывающими признаками. Нетрудно вообразить робота, периодически меняющего батарейки, задача которого состоит в сборке себе подобных. Другой подход к определению живого апеллирует к химии: жизнь – это способ существования белковых тел. С этим невозможно спорить, как и с любым логико-позитивистским определением. Однако общественное сознание усилиями фантастов давно готово к встрече с небелковой жизнью (и скорее удивится, не обнаружив ее). Это означает, что понятие «жизнь» шире, чем его конкретное проявление.

Оставляя в стороне такие интригующие понятия, как «сознание», «разум», «душа», применяемые к человеку, постараемся понять для начала, чем отличается живой жук от заводного, не выходя за рамки нашего предмета. Достаточно сложный биологический объект, каковым является, например, жук, состоит из клеток. Они имеют собственное устройство и выполняют определенные функции. Это же можно сказать и про отдельные детали сложной машины. Однако сборка клеток и машин осуществляется на различных принципах. Клетка растет постепенно, и в нее включаются только атомы и молекулы, соответствующие физико-химическим свойствам уже накопленных элементов, представляющих собой зачаток самой клетки. В машине же все решает конечная – внешняя – функция, для выполнения которой и строится машина. В зависимости от этой функции и выбирается материал и устройство вновь присоединяемых элементов. Но это не все. Рибосома, например, состоит из РНК трех типов и 55-и белков. Можно создать условия, при которых произойдет их разделение, и их можно будет выделить (и распознать) в растворе. Однако если теперь создать другие – благоприятные – условия, то эти элементы снова соберутся в рибосому. С развалившимися (например, от продолжительной вибрации) часами так не произойдет ни при каких новых условиях. Наконец, машина работает, используя разность уровней энергии. Клетка же способна накапливать энергию, а затем канализировать ее, то есть использовать строго определенным образом.

Пример с часами чрезвычайно показателен, поскольку иллюстрирует самую общую из известных физических закономерностей, справедливых для неживой природы: упорядоченность физических систем не возрастает. Это в том числе означает, что не существует чисто механических систем, в которых сохраняется полная механическая энергия, всегда имеются ее потери (например, в тепло), которые постепенно гасят и в конце концов прекращают тот или иной упорядоченный процесс.

Тогда можно сказать, что материю можно считать живой, если она продолжает “делать что-либо” (двигаться, участвовать в обмене с окружающей средой и т.д.) в течение более длительного отрезка времени, чем по нашим понятиям могла бы делать неживая материя в подобных условиях. Пародоксальным образом можно сказать, что живая материя строго подчиняется законам механики, вопреки термодинамике. Кроме того, живым образованиям присуще их самоусложнение с течением времени. Сведем вышесказанное в таблицу.

Таким образом, различия между живым и неживым просматриваются. Однако, как мы полагаем в настоящее время, основой живой (белковой) материи являются молекулы ДНК. Но живы ли они – эти химические соединения, набор атомов, каждый из которых “подчиняется” установленным для него законам неживой природы? Остается неясным, в каком месте наступает переход от неживой природы к живой, как определить тот уровень сложности системы, начиная с которого она может обрести черты «живого».

Обычно говорят об эволюции только в применении к живым (? – как мы теперь понимаем) существам.

Одним из первых исследователей, сформулировавших свои взгляды на эволюцию, был Ж.Б.Ламарк, который утверждал: эволюция живых организмов определяется исключительно воздействием окружающей среды. При этом все благоприятные признаки и свойства наследуются. Например, жирафу было трудно дотянуться до ветвей с листьями, вот шея у него и выросла. Не смотря на очевидную (сейчас) наивность, такая концепция содержала в себе определенное указание на «движущую силу» эволюции, причину изменений, происходящих с живыми существами с течением времени и отличающихся от изменений, происходящих с неживыми объектами.

Посмотрим на эволюцию с более традиционно-биологической точки зрения. Теория Дарвина является одной из наиболее известных концепций биологической эволюции на нашей планете. Не смотря на то, что она, как это обычно бывает в естественных науках, подкреплена обширным эмпирическом материалом, собранном и осмысленном Ч.Дарвиным и его предшественниками и последователями, происхождение этой теории не является, строго говоря, естественнонаучным. Книга Дарвина называется «Происхождение видов...», и основная ее идея состоит в использовании концепции естественного отбора для объяснения многообразия видов живых существ, обитающих на Земле. Однако уже сам Дарвин указывал, что эта концепция была взята им из социологии, т.е. общественной науки, где она присутствовала в так называемой доктрине Мальтуса. Борьба за существование и выживание сильнейшего в сообществах людей послужила Дарвину моделью для описания биологических трансформаций в природе. По-видимому, внутривидовые изменения действительно могут происходить подобным образом. Однако уже «спуск» на следующий уровень, то есть род, вызывает вопросы. Создается впечатление, что Дарвиновская теория естественного отбора, обсуждающая взаимодействие организма и среды, предполагает как бы воздействие вида на род, класс, тип и так далее, в то время как более последовательным выглядел бы эволюционный процесс, позволяющий проследить развитие от типа к виду. Это затруднение было преодолено лишь позднее.

Укажем основные постулаты теории Дарвина:

• Изменчивость является неотъемлемым свойством живого
• Из огромного количества потомства, наделенного чертами, обусловленными изменчивостью, выживает лишь малая часть (это – лишь констатация, наблюдение, хотя и существенное)
• Отбор этой малой части есть естественный процесс (естественный отбор) – выживание сильных за счет гибели слабых (это – наблюдение в природе действительно существующего в ней процесса, аналогичного процессу в человеческом обществе), выживание наиболее приспособленных к окружающим условиям. Дарвин и его последователи использовали при этом понятие движущей силы эволюции, но применяли его не к объяснению причин и характера изменчивости, но к объяснению того, какие именно из результатов изменчивости сохранятся в результате естественного отбора. Между тем, движущая сила скорее «двигает», чем ограничивает.

У теории, основанной на перечисленных постулатах, имеется очевидный недостаток: если эволюция связана со случайным появлением благоприятных изменений, то как они могут сохраняться и усиливаться в дальнейшем, в следующих поколениях? Отличительные (благоприятные) признаки родителей «растворятся» в разнообразном (в силу отмеченного случайного характера изменчивости) потомстве. То есть каждое следующее поколение по-прежнему может содержать лишь незначительную часть особей, обладающих этим благоприятным свойством. Не имея возможности ответить на этот вопрос (поскольку в первом постулате не были рассмотрены причины и характер изменчивости), Дарвин в конце жизни перешел на позиции, близкие к взглядам Ламарка: направление эволюции определяется внешней средой. Но тогда трудно объяснить внутривидовой отбор, собственно борьбу. Однако, он наблюдается. Таким образом, в теории имелись логические затруднения.

Основной концепцией (и заслугой) Дарвина было утверждение об эволюционном, изменяющемся характере живой природы, проявляющемся в том числе и во взаимодействии с неживой природой. Эта идея решительно противоречила предшествующей парадигме о неизменности сущего и, таким образом, давала возможность поставить целый ряд вопросов, которые раньше были просто невозможны. В частности, как возник человек, какова его взаимосвязь с миром других живых существ, в чем его отличие, есть ли у него (как у вида) предназначение и в чем оно состоит... Указание Дарвина на то, что некоторые явления, наблюдаемые в человеческих сообществах, свойственны также и остальному живому миру, поколебало антропоцентристские позиции в том же смысле, что и перемещение центра мира с Земли на Солнце в астрономии. Однако, естественный отбор как фактор оказывался не всегда пригоден для объяснения причин и движущей силы эволюции. Есть и более существенное затруднение, которое мы обсудим ниже, говоря о неодарвинизме.

Здесь следовало бы также указать некоторые конкретные факты эволюции, которые в рамках теории Дарвина не находили объяснения. Например,
• существуют организмы, которые практически не эволюционируют (акула, опоссум, таракан).
• изменение зубов и копыт у лошадей в процессе эволюции, обнаруженное при палеонтологических исследованиях, не удается связать с какого-либо рода борьбой за существование или приспособление к условиям среды обитания.
• многократное возникновение в процессе эволюции одного и того же явления (например, биолюминисценция у различных классов организмов, одни и те же последовательности ДНК обнаруживаются в одном и том же месте белковых молекул у разных видов) указывает на то, что они обусловлены скорее внутренними, чем внешними причинами;
• формирование определенных структур может происходить до того, как они стали необходимы (так называемая преадаптация). Так, перо возникло до того, как сформировались птицы, а возникновение глаз нельзя объяснить отбором (хотя, если уж они появились, то отбор приведет к их совершенствованию) .

Нельзя не упомянуть часто задаваемый и в наше время наивный вопрос, направленный против Дарвиновской теории: почему в настоящее время не происходит превращения обезьяны в человека? Как правило, спрашивающий не отдает себе отчета в масштабах времени, которое предположительно потребуется для такого «превращения», а это – не одна тысяча поколений. Так что почему, собственно, не происходит? :-) Однако, более привычный (и в общем правильный) ответ на него, состоит в том, что обезьяны, человекообразные обезьяны и люди есть оконечные ветви одного ствола, живущие одновременно и эволюционировавшие параллельно. Тут находится место для дальнейших вопросов о том, что явилось причиной такого расхождения.
Иногда происходит и довольно «поверхностное» применение теории Дарвина к некоторым естественно-историческим процессам, при котором не все возможности рассматриваются достаточно внимательно. Например, – описание завоевания суши позвоночными. Обычно его представляют как весьма продолжительный процесс, явившийся результатом борьбы за выживание: произошло вытеснение менее приспособленных к водной среде видов, и они постепенно (за тысячелетия) приспособились к жизни на суше. С одной стороны, в случаях таких описаний остро стоит проблема «пропущенного звена», хорошо знакомая на примере эволюции человека. Палеонтологическая «летопись» останков имеет многжество пропущенных участков, причем обширных, то есть мы не имеем материальных свидетельств существования всех переходных форм животных. С другой стороны, имеются некоторые обстоятельства жизнедеятельности определенных видов животных, которые позволяют, по крайней мере, усомниться в столь большой длительности этого процесса. Превращение головастика в лягушку происходит без всякого отбора, а индуцируется синтезируемым в его организме химическим соединением тироксином, концентрация которого на определенном этапе повышается примерно в десять раз. Если у головастика удалить щитовидную железу, то он благополучно живет и развивается в водной форме. Если же искусственно впрыснуть ему в кровь тиреоидный гормон, то он превратится в лягушку. Известны и другие примеры: земноводное животное аксолотль в своих фазах настолько различается, что долгое время считалось, что это различные даже не виды, а рода. Отсутствие воды стимулирует выделение тироксина в организме аксолотля, и наступает разительная метаморфоза. Могло показаться (и казалось), что для таких изменений необходимы тысячи мутаций и отбор, а оказалось, что достаточно просто химического сигнала. Никаких изменений в генетической конструкции при этом не происходит. И это означает, что глубокие структурные и функциональные превращения могут происходить и без таких изменений. Любопытно, что и процесс рождения человека сходен с трансформацией у амфибий.

Неодарвинизм

Во времена Дарвина говорить о молекулярной биологии было еще рано. Когда же она возникла, то возник и закономерный вопрос: в чем же состоит естественный отбор и борьба за выживание среди молекул? И ответ на него с учетом современных представлений о молекулярной основе живых существ находит свое отражение в различных неодарвинистских теориях, в рамках которых предпринимаются попытки преодолеть затруднения классического дарвинизма. Проводятся следующие рассуждения. В первичном “бульоне”, образовавшемся на поверхности планеты, под воздействием внешних факторов: тепла, излучения, электрических разрядов могут возникать и возникают различные молекулы (в том числе и органические). Эти молекулы могут существовать какое-то время, распадаться, взаимодействовать с другими молекулами, образуя с ними соединения. В результате всех этих процессов

1. возникает своеобразный тип молекул – так называемые репликаторы, – которые способны
2. создавать и отщеплять собственные копии, составляемые из “обломков” химических соединений, содержащихся в окружающей среде (“бульоне”).

Событие возникновения молекул-репликаторов является для неодарвинистской теории ключевым. Именно оно позволяет придать дарвинизму полностью естественно-научный смысл и сообщает свойство «размножения» неживому (пока еще) веществу. Понятно, что с течением времени число таких молекул в бульоне будет все более возрастать за счет происходящего копирования. Предположим, что свойством репликации обладает несколько различных видов молекул. Которые из них уцелеют? Во-первых, долгоживущие. Чем дольше молекула сохраняет стабильность, тем больше своих копий она сумеет воспроизвести. Во-вторых, размножающиеся быстро. В-третьих, размножающиеся точно, с наименьшими отклонениями от исходных. И вот весь бульон съеден. В нем не осталось обломков, пригодных для использования при репликации, они поступают в него только с разрушением уже существующих молекул. Если по каким-то причинам у одного из видов репликаторов возникает механизм расщепления других молекул, то его собственная численность возрастает. С другой стороны, вид репликаторов, обладающий по каким-то причинам механизмом защиты от такого воздействия – протооболочкой, также уцелеет в процессе такой эволюции. По мере усложнения “атакующих” усложняются и “защитные” механизмы. При этом необязательно говорить о целенаправленном усложнении, просто по прошествии достаточно большого промежутка времени останутся лишь те молекулы, в которых эти механизмы так или иначе возникли. Путь от протооболочки ведет к протоклетке. Ее внутренняя часть содержит “исходную” реплицирующуюся молекулу. Это модель гена. И все дальнейшее есть лишь создание все более совершенных “машин” для выживания гена. Те сложные, часто многоклеточные, многофункциональные существа, которые мы теперь называем живыми (в том числе и человек), есть наиболее приспособившиеся потомки молекул-репликаторов.

Недостатком такого подхода является невозможность (по крайней мере на современном уровне понимания) построить достаточно адекватную количественную модель такого процесса, позволяющую выполнить прогноз для существующих биологических систем. Имеющиеся аналоговые игры (типа «Жизнь») слишком просты. Тем не менее, основные черты эволюции такие модели демонстрируют. После того, как репликаторы уже возникли, при наличии изменчивости в потомстве механизм естественного отбора работает вполне эффективно. Теоретическими рассуждениями можно объяснить даже постепенное формирование такого сложного органа, как глаз (традиционно обсуждающийся пример). Но удовлетворительного доказательства возможности начала процесса, ход которого описывается, пока не существует. Получить молекулы-репликаторы чисто химическим, но не биохимическим путем пока не удается. Оценки, сделанные на основе теории вероятности, требуют тщательного анализа.

Обсудим одну из теорий, касающихся возможности появления молекул-репликаторов, лежащей в основе неодарвинизма, принадлежащую биологу Кэйернс-Смиту. Сама по себе вероятность появления молекулы, по сложности сопоставимой с ДНК или РНК, исчезающе мала. Даже с учетом возраста Земли, а также с допуском возникновения жизни на каких-либо других планетах, где могли бы существовать физико-химические условия, сходные с Земными, уникальность такого события представляется очевидной, и вероятностные оценки это подтверждают. Однако Кэйернс-Смит выдвинул гипотезу о том, что биологическая репликация, т.е. явление, проявляющееся в создании себе подобных объектов, способных в дальнейшем участвовать в «борьбе за существование» за счет изменений наследуемых свойств, является вторичным этапом в эволюции. Поначалу же можно говорить о неорганических репликаторах, например, о глиноземах или грунтах, состоящих из кристаллических песчинок различного состава, основным компонентом которых является кремний – элемент, близкий по свойствам к углероду, т.е. способный образовывать большое разнообразие веществ. Кристаллы и сами по себе представляют собой репликаторы: достаточно взглянуть на элементарную ячейку кристалла и убедиться в том, что весь рост кристалла представляет собой повторение точных копий этой ячейки, присоединямых к его поверхности. В кристалле, однако, возможны дефекты – случайные локальные нарушения упорядоченности или симметрии, которые служат источником «наследуемых» изменений. Соединяясь в глинозем, различные кристаллики с теми или иными дефектами образуют вещества различных структур, зависящих в том числе и от типов и количеств различных кристаллов, входящих в их состав, способные взаимодейстовать с окружающей средой. Так, например, при наличии суши и водных потоков растворенные в жидкости вещества образуют нерастворимые соединениия, выпадающие в осадок, поток мельчает, образующийся на дне грунт поднимается, оказывается на поверхности, и меняет рельеф местности. Различные по химическому составу грунты будут делать это быстрее или медленнее в зависимости от состава и структуры, входящих в них этих достаточно простых кристаллических соединений.
Но возникновение и рост любого кристалла начинается с зародыша, и от того, какой именно зародыш окажется в растворе, зависит, какие осаждающиеся кристаллы будут преобладать, а это, в свою очередь, в дальнейшем влияет на скорость изменения рельефа. Попав на поверхность, грунт сохнет, подвергается выветриванию, и его мельчайшие частички разносятся ветром. Попав в соседние рукава потока, они становятся зародышами новых кристаллов. Причем это будут как раз такие частички, которые оказались на поверхности, а содержавший их грунт высох и растрескался быстрее всех. Таким образом, возникает экспансия именно этих кристаллов, сопровождающаяся вытеснением других, медленнее растущих, медленнее сохнущих, хуже трескающихся грунтов. Понятно, что во всех этих процессах главная роль принадлежит свойствам поверхности. И те грунты, поверхность которых – случайным образом – модифицируется так, что они «захватывают» все большую территорию, в конце концов и будут преобладать на поверхности планеты. «Биологические» молекулы на основе углерода, как известно, обладают как раз такими свойствами, которые благоприятны для описанной «неорганической эволюции». Понемногу формируясь на поверхностях кристаллов в процессе возникновения дефектов, они способствовали «успеху» именно тех кристаллических веществ, на которых сами и наращивались. Продолжительное время эти РНК-подобные молекулы сосуществовали со своей неорганической основой. Однако и сами они, будучи кристаллами, обладали способностью «создавать себе подобных». И, если в какой-то момент они смогли отделиться от формировавшей их поверхности, то вот тогда-то и начался тот «процесс в бульоне», о котором говорилось выше. Оказалось, что такое «размножение» шло гораздо быстрее и эффективнее, чем у их неорганических «прародителей». Возникло резкое ускорение эволюционного (уже в Дарвиновском смысле) процесса, и протобиологические молекулы-репликаторы, возникшие с помощью и на основе простых неорганических веществ, положили начало биологической неодарвинистской эволюции. Таким образом, в теории Кэйрнс-Смита возникновение биологических репликаторов не является чисто случайным процессом, что повышает вероятность этого события. Правда, не объясняется, как произошло отделение протобиологических молекул от неорганической поверхности, но интуитивно кажется, что это все же более вероятное событие, чем непосредственная химическая сборка их в растворе.

Любопытен вывод, который можно немедленно сделать. В конце концов, в эволюции все решает способность копировать и распространять во времени и пространстве информацию. Структурную – на предбиологическом этапе, генную – на биологическом. А вот теперь, когда биологическая эволюция привела к возникновению разума, научившегося копировать и распространять информацию куда эффективнее, чем на основе биохимических процессов – например, с помощью компьютеров, соединенных в сети, нынешний – биологический – способ обработки информации может проиграть так же, как проиграл в свое время неорганический в теории Кэйернс-Смита. И отдаленные (или не столь уж и отдаленные?) потомки современных компьютеров будут так же скептически рассматривать возможность и вероятность случайного появления первой микросхемы, положившей начало электронной (вновь кремниевой!) эволюции, как мы сейчас рассматриваем возможность и вероятность случайного появления первой белковой молекулы.

Таким образом, дарвинизм и его современная модификация неодарвинизм являются концепциями, оказавшими мощное мировоззренческое (для всех людей) и методологическое (для специалистов) влияние на естествознание.

Автоэволюция формы и функции

Обсудим еще одну концепцию, известную как автоэволюция формы и функции. Ее возникновение связано со стремлением найти именно движущие силы эволюции, при этом оказывается, что они одинаковы как для живой, так и для неживой природы. В теории выделяются четыре уровня рассмотрения, связанные между собой общими закономерностями.

Эволюция элементарных частиц

Элементарные частицы делятся на две категории: кварки и лептоны. Из кварков образуются барионы (такие трехкварковые частицы, как протон и нейтрон) и мезоны (состоящие из пары кварк-антикварк). Примером лептона является электрон. Различия между кварками и лептонами в некотором смысле соответствуют изменению типа симметрии. Первоначально полагали, что элементарные частицы неизменны и неродственны. Теперь же есть основания думать (и имеются экспериментальные подтверждения, полученные в лабораториях, где наблюдались взаимные превращения элементарных частиц), что они образованы ранее существовавшими частицами и происходят от них. В самом начале существования Вселенной (до момента 10^-9 секунды, если все же пытаться говорить о времени в этот период) возникли кварки, антикварки, позитроны, тау-лептоны, нейтрино, фотоны и другие, которые непрерывно и очень быстро превращались друг в друга. На эту эволюцию были наложены ограничения, определяемые симметрией возникающих объектов, которые позволяли процессу идти только определенным образом. Изменчивость свойств различных получающихся частиц была обусловлена тем, что возможны различные комбинации исходных частиц. Изменение свойств от частицы к частице происходит не непрерывно, а скачком, что как раз и связано с переходом от одного типа симметрии к другому. В последующий период большую роль играло существование неизменного реликтового излучения, воздействовавшего на дальнейшие процессы как постоянный фактор.

Эволюция химических элементов

До того как возникло представление об элементарных частицах, основой имеющихся в природе веществ признавались химические элементы. Они также поначалу считались неизменными и не взаимосвязанными (хотя алхимия одной из своих важнейших задач видела трансмутацию элементов. В золото, конечно.).

Заслуживает отдельного упоминания ряд проблем, встававших перед химией на протяжении ее развития. И первая из них – что есть «простое вещество» или элемент? Представляя себе суть любого химического эксперимента, от простейшего растворения соли или сахара в воде до эффектной реакции с изменением цвета или со взрывом, легко почувствовать ту мировоззренческую проблему, которую необходимо преодолеть, чтобы представить себе те часто сложные структуры, которые отображают единицы вещества.
Поэтому когда английский химик У.Праут в 1815 году высказал предположение об эволюции химических элементов – с его точки зрения все они были продуктами полимеризации водорода, – это вызвало насмешки. Теперь же считается общепринятым, что все химические элементы образованы на основе водорода, сначала они возникают внутри звезд, а затем попадают в межзвездное пространство в результате распада звезд или выброса ими части своей массы. Число устойчивых элементов невелико, чуть более сотни. При этом важно отметить, что при радиоактивном распаде ядра атомов превращаются не в произвольные ядра, а во вполне определенные, а число видов превращений ограничено. Все разнообразие известных веществ получается в результате комбинирования составляющих их существующих химических элементов, причем это комбинирование происходит по строгим правилам.

Эволюция минералов

Минералами называются химические соединения (здесь мы будем говорить о твердых телах, хотя нефть – тоже минерал), образовавшиеся в результате природных процессов. Их известно порядка 3000, и все они также прошли свой путь эволюции. Все известные минералы принадлежат к одной из семи кристаллографических симметрийных систем. Можно обнаружить, что различные по химическому составу минералы часто образуют одинаковые кристаллические структуры (изоморфизм). С другой стороны, вещества, обладающие одним и тем же химическим составом, могут образовывать различные кристаллические структуры (наиболее известным примером являются алмаз и графит: оба они представляют собой чистый углерод, но атомы его в этих двух случаях образуют различные решетки, и свойства получающихся веществ различаются очень сильно). Процесс роста кристаллов весьма сложен. Ясно, тем не менее, что получающаяся структура обусловлена факторами, связанными с взаимодействием на атомном уровне. В процессе комбинирования атомов между собой может возникнуть множество конфигураций, форм на основе одной системы, но возникают и остаются лишь достаточно строго определенные, и именно они участвуют в дальнейших процессах взаимодействия, выполняя в них определенные функции.
Интересен в этом смысле известный опыт Пастера. Он исследовал процесс ферментации вин. В нем образуются два рода кристаллов одной и той же соли, которые представляют собой зеркальное отображение друг друга. При пропускании поляризованного света через водный раствор соли, состоящей из кристаллов одной формы, оптическая плоскость поляризации поворачивается вправо, если кристаллы другой формы – плоскость поляризации поворачивается влево. При пропускании поляризованного света через водный раствор смеси солей с кристаллами различных форм плоскость поляризации не поворачивается совсем. Фермент при образовании вина взаимодействует только с одной из этих форм. Таким образом, функция фермента неотделима от формы вещества, участвующего в процессе. Таким образом, асимметрия порождает функцию.
Можно сказать, что в основе описанных явлений лежит взаимосвязь между симметрией, веществом и формой, которые характеризуют устойчивость, с одной стороны и асимметрией, энергией и функцией, характеризующих изменчивость, с другой стороны.

 

Эволюция (изменение со временем)
Устойчивость	Изменчивость
Симметрия	Асимметрия
Вещество	Энергия
Форма	Функция

Именно эта взаимосвязь и обусловливает все эволюционное развитие на нашей планете: форма порождает функцию, функция порождает форму. Не исключение и биологическая эволюция.

Эволюция в живой природе

Прежде, чем перейти к вопросам биоэволюции, обратим внимание на определенную схожесть, родство объектов живой и неживой природы и соответствующих процессов, которые упоминались в начале этой главы. Основные характеристики паттернов – устойчивых, хорошо различаемых форм, – свойственных минералам, имеются и у растений и в животном мире. Можно предположить, что дендритные (внешне напоминающие растения) и спиралеобразные формы неслучайно встречаются и в живой, и в неживой природе (дендритные кристаллы, рога у животных и спиралевидные молекулы). Фудаментальный в живой природе процесс сегментации протекает и в царстве минералов. Без эволюции минералов эволюция клеток могла не состояться. И в процессе роста кристаллов, и в процессе роста организмов велика роль поверхности. Действительно, в обоих случаях рост обусловлен уже образовавшимися к настоящему моменту структурами. Кристаллизация минералов обладает многими чертами репликации органических молекул. Типы симметрии, характерные для живого, произошли от соответствующих свойств молекул и минералов. И там, и там имеются и существенное различие правого и левого, и существуют спиралевидные формы. Долгое время считалось, что у кристаллов имеются оси симметрии лишь 1, 2, 3, 4, и 6-го порядка, в то время, как для живого (существа) характерна ось симметрии 5-го порядка. И в связи с этим указывалось на то, что, скажем, треугольниками, квадратами и шестиугольниками можно замостить плоскость (океанского дна) без промежутков, что и приведет к неподвижности образовавшейся поверхности. В то же время пятиугольниками замостить плоскость без просветов нельзя, и пятиугольные формы могли проявить подвижность и, таким образом, сделать первый шаг в сторону живого. Однако теперь известны квазикристаллы, обладающие осью симметрии 5-го порядка, и таким образом «симметрийный разрыв» между мирами живого и неживого заполнился.
Живая клетка – единица органического мира – образуется, как мы упоминали вначале, в процессе самосборки. Но можно наблюдать это явление на всех уровнях организации материи: от первозданных элементов до человеческих сообществ. Самосборка детерминирована определенными правилами, и разнообразие получающихся форм есть результат комбинаций исходных элементов. Даже мутационный процесс не полностью случаен, но ограничен составом и формой нуклеиновых кислот и белков.

Таким образом, основная мысль теории автоэволюции состоит в том, что как в основе эволюции частиц, химических элементов и минералов, предшествующей биологической эволюции, так и в ней самой лежат физические и химические факторы. Физические – это электромагнетизм (взаимодействие атомов и молекул, фотосинтез, прохождение нервного импульса), теплота (возможность протекания и интенсификация процессов), гравитация (слоистость расположения атомарных и молекулярных комплексов). Химические состоят в частности в том, что в состав живых организмов входит только порядка тридцати основных органических молекул, а все существенно необходимые для жизнедеятельности растений элементы находятся в начале периодической системы.

Телеология эволюции

Одним из глубоких и важных для мировоззрения является вопрос о существовании цели эволюции – ее телеологичности – и содержании этой цели. Самомнению человека трудно допустить как то, что он просто не слишком удачная обезьяна, выжившая в результате естественного отбора, так и то, что он есть проявление взаимодействия формы и функции со всем набором физических и химических факторов. Акт Божественного творения представляется более предпочтительным, однако, естественнонаучный подход требует исследовать этот вопрос с той же тщательностью, с какой ищутся все корни математического уравнения, и если есть возможность найти ответ без привлечения принципиально непознаваемого, сделать это.

Рассмотрим один из возможных вариантов, при котором возникновение человека является обусловленным, и биологическая эволюция имеет цель. Будем называть потенциально живыми те вечные (при определенных постоянных условиях) химические соединения, которые присутствуют в ядрах клеток всех живых существ, и актуально живыми – те связанные с ними биологические единицы, которые претерпевают смерть, то есть разрушение и распад. Отметим затем, что только 2% молекулы ДНК, определяющей наследование свойств, связаны с признаками, то есть определяют фенотип живого существа, а остальные 98% ни с чем испытывающим воздействие среды, окружающей актуально живое существо, не связаны. При этом они передаются из поколения в поколение. Тогда вопрос состоит в том, почему потенциально живое превращается в актуально живое и зачем удерживается во времени наибольшая из двух часть наследуемой информации.

Для ответа на первый из этих вопросов прибегнем к аналогии из техники. Как поступает конструктор, когда ему требуется обеспечить безусловное выполнение какой-либо функции устройства? Конечно, он требует, чтобы все детали были выполнены из высококачественных материалов. Однако стопроцентной гарантии это не дает, поскольку имеется риск случайного дефекта (трещинки в отливке) или изменения окружающих условий. Поэтому применяется принудительная периодическая замена деталей конструкции. Это позволяет и вносить изменения в материалы или части конструкции при изменении внешних условий. Таким образом, возможный смысл превращения потенциально живого в актуально живое состоит в том, чтобы использовать постоянно возобновляемое и заменяемое устройство для того, чтобы обеспечить выполнение некоторой важной функции. Приспособление к окружающей среде происходит буквально и именно за счет фенотипических признаков.

Что же происходит помимо этого? Сохраняется информация, записанная в ДНК-кодах, не связанных с признаками. Она довольно велика. Длина одной молекулы ДНК достигает нескольких сот тысяч звеньев. Этих звеньев насчитывается двадцать типов, и возможно рассмотреть их последовательность в качестве текста и счесть ее посланием. Но кому и от кого? Тому, кто прочтет. Пославший же, вероятно, подписался в конце. Но где взять того, кто прочтет? Адресат, обладающий мозгом-дешифратором, может быть сформирован самим посланием в процессе биологической эволюции – живое усложняется по мере своего развития. Это напоминает известную гипотезу панспермии, когда зачатки живого, какие-нибудь вирусы или бактерии, способные существовать в условиях космического пространства, путешествуют по нему, как споры или пыльца в атмосфере Земли, пока не попадут в условия, благоприятные для эволюции. В данном случае панспермия оказывается целенаправленной, то есть содержит в себе не просто возможность для развития жизни, но и предпосылки для создания мозга, способного к прочтению послания. Прочитавший его – фактически создавший, приписавший и обнаруживший смысл, станет одновременно и автором, и адресатом. Текст может содержать, например, приглашение к галактическому сотрудничеству и указывать средства к его реализации.

Действия, которые можно предпринять для развития этой идеи, сводятся к выделению общей части в последовательностях ДНК, присутствующих в различных белковых молекулах, и рассмотрению ее как текста. Подходящими являются, например, 28s- и 18s- последовательности рРНК (различные белки необходимы, поскольку эволюция могла пойти разными путями, но текст, если он есть, скорее всего, один). Это и будет тем критическим экспериментом, который может подтвердить или опровергнуть данную теорию. Опыт подобной дешифровки у человечества имеется: прочтены египетские иероглифы, найдена Троя, математические абстракции реализовывались в физических экспериментах, а успехи генной инженерии позволяют уже сейчас записывать произвольные тексты в молекулы ДНК, пользуясь указанными звеньями как буквами. Конечно, сказанное есть лишь смещение цели эволюции с Земли в сферу деятельности загадочных космических операторов и никак не отвечает на вопрос о происхождении их самих. Но так происходило и в других разделах естественных наук, о которых мы говорили в предыдущих главах.

Заключая разделы, посвященные эволюции, отметим важное обстоятельство. С какой стороны ни рассматривать биологическую эволюцию как явление «видовых» изменений, всегда выполняется следующее: биоэволюция шла таким образом, что в ее процессе возникали все более сложные системы, наиболее сложной из которых является мозг человека. Именно мозг генерирует (самостоятельно или под воздействием окружающей среды) все те рациональные схемы, к которым человек приспосабливает себя и свою деятельность, все те концепции, которые в том числе касаются и естествознания.

Основная концепция генетики

Наконец, обсудим концепции, возникшие в результате появления генетики. Дарвин полагал, что естественный отбор обусловлен небольшими случайными изменениями в облике живого существа. Возьмем большое количество растений, например, ячменя и построим диаграмму (рис.5), на вертикальной оси которой отложено число особей, а на горизонтальной – длина ости колоса. Существует такая (характерная) длина ости, которой обладает наибольшее число растений. Если взять на семена растения, соответствующие той части диаграммы, где длина ости несколько больше характерной, с целью получить ячмень с длинной остью, то ничего не получится. У новых растений распределение остей будет прежним, а их характерная длина той же. Такие отклонения не унаследуются. Однако если выбрать на семена те растения, длина остей которых существенно превосходит характерную (таких обычно бывает 2-3 на 10000), то примерно у 50% новых растений длина остей будет столь же велика, то есть наследование признака произойдет. Такое событие Де Фриз назвал мутацией – скачкообразным изменением. Как мы теперь знаем, мутации обусловлены изменением в определенной области одной из хромосом ядра половой клетки. Такая область называется геном, а раздел биологии, изучающий законы наследственности, – генетикой.

Именно возможность и факт мутаций в хромосомах и сопутствующие физические и химические процессы являются движущей силой эволюции в живой природе. Естественный отбор выполняет лишь роль фильтра. Впервые (на эмпирическом уровне) законы генетики были установлены Менделем. Один из них утверждает, что признаки родителей при скрещивании не сливаются, а передаются тому или иному потомку в непосредственном виде. Это означает, что проблема теории Дарвина о «растворении» признака в потомстве, снимается при учете генной природы изменчивости.

Установление взаимнооднозначного соответствия между конкретными генами и признаками и развитие экспериментальных химических и биохимических методов исследования дает принципиальную возможность целенаправленно формировать организмы с нужными свойствами. Предметом новой науки – молекулярной биологии – является расшифровка геномов и разработка методов манипуляций с ними. В настоящее время (2004 г.) близок к завершению проект «Геном человека».

Представление о генах как о хранилище наследуемой информации и развитие генной инженерии позволили осуществить клонирование (неполовое размножение) млекопитающего – ставшей знаменитой овцы Долли. Ядро соматической (неполовой) клетки, содержащей парный (полный) набор хромосом одного животного, было помещено в яйцеклетку с предварительно удаленным ядром, взятую у другого животного. Эта яйцеклетка была помещена в матку третьего животного, наступила беременность и родилось живое существо, генетически тождественное своему родителю – той овце, чье ядро соматической клетки было использовано. Появляются сообщения и об успешных опытах по клонированию человека. Проблема клонирования, помимо разнообразных проблем, выходящих за рамки нашего предмета, не является простой. В частности, оказывается, что соматические клетки, использованные при клонировании, имеют скорость развития, соответствующие возрасту особи, у которой они были взяты. Иными словами, получившийся клон пока что не обеспечивается продолжительностью жизни, средней для данного вида. Так, Долли умерла от старости, не прожив и половины положенного срока.

С концептуальной точки зрения наиболее важной идеей генетики является переход от «непрерывности» в описании наследуемых свойств к «дискретности». Можно сказать, что существуют некоторые состояния, между которыми возможны переходы, нет непрерывных изменений, а есть скачкообразные. Возможность пересчета таких состояний приводит к возможности использования специальных статистических закономерностей, – хорошо разработанной области математики – дающих возможность делать прогноз. В этом смысле генетику можно сравнить с квантовой механикой, о которой пойдет речь в следующей главе.
Одной из основных проблем теоретической биологии в настоящее время является вопрос о том, каким образом информация с микроуровня – молекулы ДНК – передается на макроуровень – орган или фенотипический признак.

Теория этногенеза Л.Гумилева

Дополнением к теории биологической эволюции служит так называемая теория этногенеза, в которой история уже человеческих сообществ рассматривается с естественнонаучной точки зрения, в частности, с учетом географии и биологии. В основе ее лежит понятие этноса. Этнос – это не нация («единство языка, территории, экономической жизни, и психического склада, проявляющееся в общности культуры»), не раса («отличаются по физическим признакам, не имеющим значения для жизнедеятельности»), и не популяция («совокупность свободно скрещивающихся особей на сравнительно изолированной территории»). Этнос – это система, представляющая собой, во-первых, большую группу людей, разнообразных как генетически, так и функционально, а во-вторых, продукты жизнедеятельности этой группы: технику, антропогенный ландшафт и культурные традиции. Характер этноизоляции не обязательно связан с территорией, и при образовании этноса не происходит изменения видовых характеристик. Этнос характеризуется тем, что его члены противопоставляют себя другим таким же этносам, разделяют «мы» и «они». Этносы зарождаются, развиваются, взаимодействуют и отмирают, т.е. проявляют свойства живых систем. Возникновение этноса требует стечения обстоятельств, известного как «пассионарный толчок» - воздействия биофизической (по мнению Л.Гумилева) природы, приводящее к внезапному изменению генофонда. Более точно указать, в чем именно оно состоит, какие факторы влияют на появление так называемой «пассионарной личности», ставящей ценность своей цели выше ценности жизни – своей и других, – не удается. Пассионарность проявляется в непреоборимом стремлении действовать, изменять окружающее. Уровень пассионарности в этносе не остается неизменным, и этнос проходит ряд фаз развития, которые можно сопоставить возрастам человека. Этногенез – это природный процесс биосферы, иногда возникающий в истории человечества.

Следующая страница  |  Оглавление