14.3.3. Третья аксиома

Эта аксиома отвечает на вопрос, какие динамические законо­мерности приводят к изменениям в наследственных матрицах, поскольку именно изменения ведут к развитию, эволюции орга­низма. Но как это происходит? Причина как раз и состоит в том, что воздействие внешней среды влияет на передачу необхо­димой генетической информации для построения живого орга­низма. Само формирование блока полезной информации есть выделение ее из бесполезного шума (вспомним представления о ценности информации).

Шум — это стохастическое изменение случайных сигналов, подверженных влиянию внешних факторов. Простейшим из них является температура, приводящая к изменению скорости дви­жения молекул, в том числе и в живом организме. Этот тепловой шум искажает целенаправленный генетический сигнал, вносит в него изменения, т.е. генетическая программа передается не иде­ально, а искаженно, с ошибками (подобно опечаткам при пере­печатке текста, даже и матричным способом). На языке генети­ки это и есть мутации.

Третья аксиома биологии имеет из всех других аксиом наибо­лее глубокий физический смысл. Дело в том, что здесь «напря­мую» работает статистическая и квантовая физика. Поведение «наследственных молекул» может быть описано на языке статис­тической физики как хаотическое движение микрочастиц со случайным распределением их параметров. Средняя энергия теплового движения молекул при тех температурах, когда воз­можна жизнь, составляет около 0,025 эВ. Это означает, что при физиологических температурах молекула ДНК остается относи­тельно стабильной. Однако это среднее значение энергии; в це­лом же в статистическом ансамбле микрочастиц даже при хаоти­ческом их движении в состоянии равновесия имеет место так называемое физическое распределение Максвелла, показываю­щее, что всегда возможны такие скорости молекул, что эти мо­лекулы разрушают структуру гена и вызывают мутации.

В соответствии со статистической физикой и ее вероятност­ным пониманием законов такие мутации будут случайными (по­этому можно говорить лишь о некоторой вероятности мутации), непредсказуемыми (в противном случае мы должны знать коор­динаты и импульсы всех молекул в данной клетке) и ненаправ­ленными, т.е. без учета содержания сохраняющейся информа­ции, и тем самым они только случайно становятся приспо­собительными.

Из этих представлений следует третья аксиома биологии:

• В процессе передачи из поколения в поколение генетических программ в результате многих причин они изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются при­способительными.

В биологическом понимании этот постулат углубляет неопре­деленное дарвиновское понятие изменчивости — исходного ма­териала для эволюции.

Биофизики подсчитали, что для единичной мутации, приво­дящей к изменению генетической программы, необходимо сооб­щить молекуле ДНК энергию порядка 2,5—3 эВ, что всего лишь в 100 раз больше средней тепловой энергии при обычной для организма температуре. Поэтому для мутагенеза определяющим является не нагрев тела, а другие физические факторы, имею­щие уже квантовую природу. Это, в первую очередь, кванты жесткого внешнего облучения живого организма (у-кванты, нейтроны, высокоэнергетичные частицы, рентгеновское и ульт­рафиолетовое излучение, быстрые элементарные частицы), а также молекулы и ионы веществ, реагирующие с ДНК, так на­зываемые химические мутагены.

В случае, когда мутацию вызывают кванты излучений, проис­ходит перераспределение энергии во всей совокупности молекул и их взаимодействие должно определяться квантово-механическими процессами и химической кинетикой. Здесь проявляется еще один физический смысл третьей аксиомы биологии — вступают в силу законы квантовой механики, в частности, вероятностное представление положения квантовой частицы через ее волновую функцию и хорошо уже известный принцип неопределенности Гейзенберга (мутации-то происходят в микромире!)

Для того чтобы вызвать мутацию, надо «довести» необходи­мую для этого энергию (E_min ~ 2,5—3 эВ) до области, где проис­ходит мутация, размер которой определяется размером гена. Тимофеев-Ресовский и Циммерман ввели для этой области по­нятие радиуса эффективного обмена и определили, что со­ставляет порядка Ю^-7 см. Это уже типично квантовые размеры, и «начинает свою работу» принцип неопределенности. Посколь­ку размер области мутагенеза известен, то импульс излучения, а следовательно, и необходимая для мутации энергия, могут быть точно известны лишь до постоянной Планка h в соотношении неопределенности АрДх > h.

Другими словами, мы можем лишь с какой-то долей вероят­ности предполагать, достаточной ли энергией обладает квант ионизирующего излучения для мутации и попадет ли он в об­ласть эффективного взаимодействия с геном. Это положение квантовой механики подтверждает, что процесс мутагенеза явля­ется вероятностным. Более того, по тем же законам квантовой механики время и место каждой единичной спонтанной мутации принципиально непредсказуемо.

Таким образом, третья аксиома биологии является следствием из квантовомеханических физических постулатов: из-за невоз­можности реально точно и одновременно определить координа­ты и импульсы всех молекул в клетке (если бы мы это точно зна­ли, то могли предсказать, как пойдет эволюция живого!) мы так­же принципиально не можем найти одновременно необходимые параметры тех квантов, которые вызывают мутацию. Можно сказать, что третья аксиома — это просто физическая аксиома, и ее выполнение обусловлено определенными значениями харак­терных констант мутации 2?_т|_П и Я_тт.

Заметим, что отбор случайных изменений, подмеченных еще Дарвином в его триаде — наследственность, изменчивость, есте­ственный отбор, — выступает с рассмотренных позиций не толь­ко как двигатель эволюции жизни, но и как причина ее станов­ления. Без мутаций естественный отбор не работает. Такой вы­вод позволяет расширить применение этой аксиомы к пониманию зарождения жизни в масштабах Вселенной: для эво­люции необходимы мутации, которые могут играть роль инстру­мента только в лабильном субстрате, и это с антропной точки зрения приводит, в частности, к невозможности существования во Вселенной кремниевых или металлических форм жизни. Как удачно отметил Б.М. Медников, «жизнь всегда идет по лезвию бритвы» [14].

Рассмотренные три аксиомы, однако, не дают обоснования тому, как происходит становление фенотипа, тех признаков, ко­торые присущи живому. С этой проблемой связана четвертая ак­сиома.