|
|
…енения результатов и идей современной генетики — «генетики на молекулярном уровне» — нельзя решить вопрос о происхождении жизни на Земле и на других планетах. Существенным недостатком старых гипотез о возникновении жизни на Земле, и, в частности, гипотезы академика А. И. Опарина, является то, что они не опираются на современную молекулярную биологию. Впрочем, это вполне естественно, так как механизм передачи наследственных признаков и, в частности роль ДНК, стал в известной степени ясным только сравнительно недавно.
Разумеется, мы не отрицаем большую роль старых гипотез в анализе тех предварительных химических процессов, на основе которых впоследствии возникло живое вещество. Например, для возникновения жизни большое значение может иметь концентрация сложных молекул в коацерватных каплях. Но на коренные вопросы, что такое жизнь и как она возникла, эти гипотезы ответа не дают. Вопрос об определении понятия «жизнь» стоит очень остро, когда мы обсуждаем возможность жизни на других планетных системах, что является главным предметом нашей книги. На это обстоятельство особенное внимание обращал академик А. Н. Колмогоров — выдающийся математик и крупнейший специалист по кибернетике. Он подчеркивал, что биологические науки до последнего времени занимались исследованием живых существ, населяющих Землю и имеющих общую историю возникновения и развития. Естественно, что понятие «жизнь» отождествлялось при этом с конкретным ее воплощением в конкретных условиях нашей планеты. Но в наш век астронавтики открывается принципиальная возможность обнаружить в Космосе такие формы движения материи, которые обладают практически всеми атрибутами живых, а может быть, даже мыслящих существ. Однако мы ничего не можем заранее сказать о конкретных проявлениях этих форм движения материи. Поэтому сейчас возникает настоятельная потребность дать такое определение понятия «жизнь», которое не было бы связано с гипотезами о конкретных физических процессах, лежащих в ее основе. Следовательно, возникает потребность в чисто функциональном определении понятия «жизнь». Эта задача далеко не простая, и вполне удовлетворительного функционального определения основного понятия «жизни» пока не существует. Однако первые, и притом, как нам представляется, достаточно успешные, шаги в этом направлении уже сделаны. Мы имеем в виду исследования А. А. Ляпунова, на основных идеях которого мы сейчас остановимся. (См. доклад А. А. Ляпунова «Об управляющих системах живой природы и общем понимании жизненных процессов» — М., 1962.) При изучении процессов, лежащих в основе жизнедеятельности всех организмов, от простейших до самых сложных, А. А. Ляпунов исходит из представлений кибернетики. Внимательный анализ показывает, что любое проявление жизни можно перевести на язык науки об управляющих процессах. Характерной особенностью управляющих процессов является то, что передача по определенным каналам небольших количеств энергии или вещества влечет за собой действия, заключающиеся в преобразовании значительно больших количеств энергии или вещества. Но кибернетика как раз и занимается изучением процессов управления и строением управляющих систем. Поэтому вполне естественно и даже необходимо при анализе процессов жизнедеятельности исходить из представления кибернетики. Заметим еще, что такие биологические понятия, как наследственность, раздражимость и т. д., представляют собой не что иное, как конкретизацию таких общих кибернетических понятий, как накопление и хранение информации, управляющая система, обратная связь, канал связи и др. А. А. Ляпунов считает, что управление, понимаемое в широком, кибернетическом смысле, является самым характерным свойством жизни безотносительно к ее конкретным формам. Тем самым он делает попытку дать функциональное определение понятия «жизнь». Согласно этой концепции, «живое вещество» определяется следующим образом. Состояние всякого вещества описывается набором целого ряда физико-химических характеристик: массой, химическим составом, энергией, электрическими и магнитными свойствами и др. Вообще говоря, эти характеристики будут с течением времени меняться. Вещества, у которых усредненные за подходящий интервал времени значения характеристик меняются мало по сравнению с другими веществами, обладающими примерно такими же значениями характеристик, Ляпунов называет «относительно устойчивыми». Причиной устойчивости могут быть либо особенно благоприятные внешние условия (например, постоянная температура внешней среды), либо внутренние реакции вещества на внешние воздействия, направленные на сохранение его состояния. Реакции такого типа Ляпунов называет «сохраняющими». Именно последний тип устойчивости и лежит в основе жизнедеятельности всех организмов. В самом деле, для жизни характерна огромная «приспособляемость», «адаптация» к внешним условиям и их изменениям. В ряде случаев живые организмы активно преобразуют окружающую их среду, создавая подходящие условия для своей жизнедеятельности. Так, например, отдельные виды микроорганизмов могут «локально» повышать температуру окружающей их среды. Вся эта «адаптация» жизни достигается живой материей путем огромного количества сохраняющих реакций. На языке кибернетики сохраняющие реакции можно описать так: вещество воспринимает информацию о внешних воздействиях в виде некоторых кодированных сигналов, перерабатывает ее и по определенным каналам связи посылает также в виде «сигналов» новую информацию. Последняя вызывает такую внутреннюю перестройку самого вещества, которая способствует сохранению его характеристик. Сигналы должны носить «дискретный» характер, т. е. каждый из них может иметь конечное число возможных значений, причем число сигналов конечно. «Материальным воплощением» такого сигнала может быть, например, некоторый физический процесс. При переработке информации происходит изменение «материального воплощения» сигналов. Устройство, в котором происходит переработка информации, может быть названо «управляющей системой». Эта система имеет дискретную природу и состоит из некоторого, вообще говоря, очень большого количества «входных» и «выходных» элементов, связанных «каналами связи», по которым могут передаваться сигналы. Материальная система, служащая для хранения информации, называется «запоминающим устройством» или «памятью». Такая система может, например, состоять из отдельных элементов, каждый из которых будет находиться в одном из нескольких устойчивых состояний, причем состояния элементов меняются под действием поступающих сигналов. Когда некоторое количество таких элементов находится в- каких-то определенных состояниях, можно говорить, что «информация записана в памяти». Дело обстоит так, как будто бы информация записана в виде текста конечной длины при помощи алфавита с конечным числом знаков. При выработке «ответов», обеспечивающих сохраняющие реакции тела на внешние воздействия, управляющая система воспринимает информацию об этих воздействиях, «расчленяет» ее на более мелкие части и «сопоставляет» с информацией, которая в ней уже «записана». В результате и в зависимости от такого сопоставления формируется «ответная информация». Отсюда следует, что управляющая система будет тем более «гибкой», чем больше информации в ней записано, т. е. чем больше объем ее «памяти». Важным свойством сохраняющих реакций является их быстрота. Последняя должна быть хорошо согласована со скоростью внешних воздействий на тело, которые, вообще говоря, могут меняться в довольно широких пределах. Это требует достаточно большого объема памяти в управляющей системе. Ряд соображений, на которых мы здесь останавливаться не будем, приводит к требованию, чтобы размеры материальных носителей информации были очень маленькими. С другой стороны, необходимо, чтобы хранение информации в памяти управляющей системы было надежным (иначе не будет обеспечена устойчивость тела). Это означает требование высокой стабильности состояний элементов, из которых складывается память. Отсюда Ляпунов делает, на наш взгляд, совершенно правильный вывод, что устойчивыми материальными носителями информации могут быть отдельные молекулы, состоящие из достаточно большого количества атомов. Такие молекулы представляют собой квантованные системы. Для изменения состояния подобной молекулы требуется, чтобы она поглотила достаточно большую порцию энергии (например, больше 0,1 эВ). Поэтому, например, беспорядочные тепловые движения, энергия которых значительно меньше, не могут изменить состояния такой молекулы. Ляпунов характеризует жизнь как «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул». Чтобы сохраняющие реакции были возможны, необходимо, очевидно, чтобы организм обладал некоторым запасом энергии, причем этот запас должен устойчиво сохраняться. С другой стороны, благодаря действию законов термодинамики во всякой замкнутой системе энергетические уровни (определяемые, например, температурой) должны выравниваться. Следовательно, организм должен противодействовать термодинамическим процессам, что требует непрерывной затраты энергии. Таким образом, для устойчивого поддержания своего состояния всякий организм должен получать энергию извне. Важной термодинамической характеристикой всякого тела является его энтропия. Если бы живое вещество представляло собой замкнутую (т. е. термодинамически изолированную) систему, в нем непрерывно увеличивалось бы содержание энтропии. Это повлекло бы за собой такое изменение его физических и химических характеристик, которое в конце концов прекратило бы всякую жизнедеятельность. Следовательно, живой организм должен систематически удалять накапливающуюся энтропию. Поэтому живое вещество должно непрерывно обмениваться с окружающей средой энергией и энтропией, что достигается при помощи обмена веществ. Сам обмен веществ регулируется управляющими системами специального назначения, использующими для этого запасы информации. При таком понимании обмена веществ как способа поддержания жизнедеятельности организма становится довольно ясной несостоятельность старых представлений, фактически отождествляющих жизнь с обменом веществ. Такое отождествление, на наш взгляд, решительно ничего не дает для понимания сущности жизни. Характернейшей особенностью живого вещества является то, что оно состоит из отдельных структурных единиц — организмов. Каждый такой организм как в информационном, так и в энергетическом смысле представляет собой в значительной степени обособленную единицу и вместе с тем имеет свою собственную структуру. Ляпунов связывает это с «дискретной структурированностью» управления. Под этим он понимает «иерархическую» систему подчинения управляющих систем. Функционирование систем более «высокого» уровня изменяет состояние или «настраивает» системы более «низкого» уровня. Расчленение живой материи на клетки, органы, организмы, популяции, виды и т. д. соответствует иерархии управляющих систем. Каждая из этих структурных единиц живой материи управляется своей «автономной» системой, «энергично воздействующей на все, что подчинено, и в свою очередь подчиняющейся медленно действующей управляющей системе высшей иерархической единицы». Следует различать системы управления в отдельных организмах и в совокупности организмов (популяции, виды). В первом случае сложная управляющая система состоит из частей, в свою очередь являющихся управляющими системами «низшего яруса». Во втором случае мы имеем очень большое количество более или менее независимых, статистически равноправных систем, взаимодействующих при случайных встречах и коллективных действиях. Такой способ управления, называемый Ляпуновым «статистическим», не является быстродействующим, в отличие от первого, «структурного» способа управления отдельными организмами. Как следствие развитых представлений получается, что «надорганизменные» образования (например, виды) значительно более устойчивы, чем отдельные организмы (которые более или менее быстро погибают). Но высокая устойчивость «надорганизменных» образований возможна лишь при условии появления новых организмов, приходящих на смену старым, т. е. при условии размножения. Чтобы каждый возникший таким образом организм был устойчив, он должен иметь запас информации, для обеспечения сохраняющих реакций. Совершенно невероятно, чтобы этот запас информации возник в организме самопроизвольно. Новый организм должен получать необходимый для его жизнедеятельности запас информации, а также первоначальную управляющую систему, так сказать, в «готовом виде». Откуда? Только от других подобных организмов, являющихся его «родителями». Отсюда следует важнейший вывод: размножение живых организмов сопровождается «самовоспроизведением» информации, передачей от «родителей» к «потомству». В этом пункте кибернетический подход к проблеме жизни, развиваемый Ляпуновым, непосредственно смыкается с достижениями молекулярной генетики, выявившими определяющую роль ДНК в передаче наследственных признаков. Огромное многообразие комбинаций четырех оснований молекулы ДНК и представляет собой тот запас информации, который передается от «родителей» к «потомкам». Из кибернетики (и не только кибернетики) хорошо известно, что всякая передача информации происходит на фоне помех, частично ее искажающих. Не составляет исключения и передача наследственной информации. В этом случае искажения в передаче информации носят название «мутаций». Под влиянием таких «искажений при передаче» действие управляющей системы может измениться. Это повлечет за собой изменение сохраняющих реакций, что в свою очередь приведет к изменению характера взаимодействия организма с окружающей средой. Такие изменения могут радикально изменить как в ту, так и в другую сторону вероятность сохранения данного индивидуума в борьбе за существование. Последнее обстоятельство является движущей силой естественного отбора. Таким образом, с точки зрения кибернетики можно самым общим образом и с единой точки зрения понять основные биологические категории наследственности, наследственной изменчивости и естественного отбора. В перспективе вырисовываются контуры стройной математической теории дарвиновской эволюции. Идеи Ляпунова, по нашему мнению, следует рассматривать как первый, многообещающий набросок этой теории. Имеются все основания полагать, что в будущем синтез развитых кибернетических и био-физико-химических представлений приведет к полному пониманию сущности жизни. Пока же мы от этого еще далеки, как это хорошо понимал и сам Ляпунов. Тем не менее для анализа проблемы происхождения жизни на Земле и вероятного многообразия проявлений жизни (в том числе и разумной) во Вселенной уже сейчас идеи Ляпунова, а также примыкающие к ним идеи Колмогорова (к обсуждению которых мы вернемся в конце этой книги) имеют большое значение. 13. О возникновении и развитии жизни на Земле На основании того, что было сказано в предыдущей главе, мы можем с достаточной для наших целей строгостью и точностью определить «живое вещество» как такой сложный молекулярный агрегат, в котором имеется «управляющая система», включающая в себя механизм передачи наследственной информации, обеспечивающей сохраняющие реакции следующим поколениям. Тем самым благодаря неизбежным «помехам» при передаче такой информации наш молекулярный комплекс («организм») способен к мутациям, а следовательно, к эволюции. Возникновению живого вещества на Земле (и, как можно судить по аналогии, на других планетах) предшествовала довольно длительная и сложная эволюция химического состава атмосферы; в конечном итоге приведшая к образованию органических молекул. Эти молекулы впоследствии послужили как бы «кирпичами» для образования живого вещества. Коль скоро, согласно всем существующим космогоническим гипотезам, планеты образуются из первичной газопылевой субстанции, химический состав которой аналогичен химическому составу Солнца и звезд, первоначальная их атмосфера состояла в основном из простейших соединений водорода — наиболее обильного элемента в космосе. Больше всего было молекул Н2, Н2О, СО2, NH3 и СН4. Кроме того, первичная атмосфера должна была быть богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. Тот простой факт, что в настоящее время обилие благородных газов на Земле по сравнению с Солнцем ничтожно мало, означает, что они в свое время диссипировали в межпланетное пространство. (В земной атмосфере имеется довольно значительное количество (около 1%) аргона. Однако атмосферный аргон образовался позже в результате радиоактивного распада калия и никакого отношения к первоначальной атмосфере не имеет.) Для понимания эволюции планетных атмосфер особенное значение имеет анализ содержания благородных газов и их изотопов в атмосферах планет земной группы. Это следует из химической инертности этих газов в сочетании с тем, что тяготение планеты должно их удержать в атмосфере в течение всего времени эволюции атмосферы (за исключением легкого гелия). Выполненный советскими учеными во время полета «Венеры-11» и «Венеры-12» изотопный анализ атмосферы нашей космической соседки дает для этого богатый материал. В табл.4 приведено относительное содержание разных изотопов благородных газов в атмосферах планет земной группы. Таблица 4 Планета 36A (см3/г) 40A —– 36A 40A (см3/г) 36A —– 38A 20Ne (см3/г) 84Kr (см3/г) 132Xe (см3/г) 36A —– 84Kr Венера 2,2 · 10-6 1,2 2,6 · 10-6 5,0 · 10-7 2,6 · 10-8 — · 10-8 296 6,2 · 10-6 5.0 · 10-8 4,3 · 10-10 1,6 · 10-4 49 1,0 · 10-10 3000 · 10-7 — · 10-11 5,0 · 10-12 7,5 · 10-13 32 · 109 лет назад) 1,2 Ультрафиолетовое излучение Солнца (λ < 1500 Ǻ) 0,08 |
|