12.2.4. Теория молекулярной самоорганизации м. Эйгена

Другой моделью добиологической фазы образования макро­молекул и их эволюции является теория молекулярной самоор­ганизации М. Эйгена (р. 1927), которая позволяет применить физические представления теории информации, кибернетики и термодинамики к эволюции живых организмов. В этой модели организм рассматривают как открытую термодинамическую сис­тему, которая обменивается веществом, энергией и информаци­ей с окружающей средой. Эти условия наряду с обеспечением за счет такого обмена стационарного неравновесного состояния системы являются причиной процесса ее самоорганизации. Жи­вая открытая система пытается получить от окружающей среды именно свободную энергию и отдать ей «омертвленную» для не­го связанную энергию — энтропию, которую нельзя превратить в работу для процессов, происходящих в живом организме.

Обмен веществом (в биологии это называется метаболизмом) и информация связаны между собой. Метаболизм можно также рассматривать как совокупность всех химических реакций в жи­вой клетке, приводящих к необходимому для нее обмену ве­ществ. Молекулы-мономеры, переходя из внешней/среды в орга­низм, несут информацию, которая внутри организма перераба­тывается и закрепляется при процессах полимеризации и деструкции, т.е. первоначальная информация об окружающем мире для живого организма закодирована химическим путем. Например, «память» макромолекул — это фиксированная после­довательность химических связей. Полимеризация идет путем самоинструктируемой репродукции (воспроизведения) образо­ванных макромолекул. Если скорость репродукции больше ско­рости распада биополимеров, то макромолекулы растут, в про­тивном случае — распадаются.

При этом необходимо учитывать потоки поступающих моно­меров от внешней среды в организм и самовоспроизведение в нем макромолекул. Такие процессы описывают нелинейными кинетическими уравнениями переноса и взаимодействия моле­кул. Внешние ограничения и потоки создают в системе отбор, что позволяет рассматривать селекционную ценность информа­ции для физики эволюции живого. По Волькенштейну, «выми­рают» те макромолекулы, которые не обладают максимальной селекционной ценностью.

Физическое понимание количественного представления принципа естественного отбора Дарвина и будет определяться ценностью информации, которую И.И. Шмальгаузен [195] срав­нивал со степенью ее незаменимости для живого организма. Заметим, что естественный отбор имеет место и в неживой при­роде. Более сложные органические молекулы являются более стойкими к излучению, чем простые, поэтому в природе проис­ходило накопление молекул более сложных конфигураций.

Такой подход вносит физический смысл в дарвиновское оп­ределение «наиболее приспособленный». Информация в теории Эйгена оценивается по способности макромолекул к саморепро­дукции. В теории молекулярной самоорганизации Эйгена сделана попытка установить взаимосвязь этой «ценной для выживания» информации с физическими свойствами системы — параметра­ми действующих статистических сил и динамическим воздейст­вием молекул. Таким образом, предшественниками живых сис­тем могут быть не любые макромолекулы, а лишь те, которые обладают необходимыми информационными свойствами, и тем самым дарвиновская эволюция в форме селекции и отбора ре­ализуется уже на добиологической стадии развития.Для самоорганизации перехода от макромолекулы неживой природы к биомакромолекулам живой необходимы еще два ус­ловия: самовоспроизведение нужных организму молекул и спо­собность генов — элементов, отвечающих за наследственность, — к рекомбинации или образованию при случайных изменениях новых признаков, т.е. к созданию новой информации. Под са­моорганизацией в этой теории понимается не только накопление информации при оттоке энтропии при упорядочении организ­ма, но и построение в условиях теплового хаотического движе­ния молекул некоторой структурной копии этой информации, как бы передачи ей плана строения и функционирования ис­ходной структуры в создаваемых макромолекулярных комбина­циях.

Однако тепловые флуктуации не дают возможности точного воспроизведения информации, что приводит к возникновению ошибок или, как их обозначают в биологии, мутаций. Согласно Г. Кастлеру, запоминание случайного выбора — это возникнове­ние новой информации для развития организма. Матричное копирование¹⁰ биополимера с позиции химии означает автоката­литический процесс, приводящий к убыстряющемуся самовосп­роизведению. Поэтому химическая система, способная к эволю­ции, должна быть автокаталитической, т.е. способной к само­воспроизведению.

Накопленная генетическая информация в молекулах нукле­иновых кислот передается через синтез. Взаимодействие нукле­иновых кислот и белков в живой клетке приводит к образова­нию макроскопических функциональных структур, способных к самовоспроизведению, отбору и эволюции. Важную роль играет цикличность процессов образования белков.