3. Вторая аксиома

Эта аксиома была сформулирована русским биологом Н.К. Кольцовым в 1927 г.:

• "Наследственные молекулы" синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. А объединение их в хромосомы обеспечивает их информационную самоорганизацию.

Н.К. Кольцов в своей аксиоме как бы логично продолжил цепь рассуждений биологов предыдущих поколений. Вспомним принцип Ф. Реди: "Отпе vivum ex vivo" (все живое из живого), или Вирхова: "Omnis cellula ex cellula (каждая клетка из клетки). Кольцов справедливо добавляет: "Omnis molecula ex molecula" (каждая "наследственная молекула" из "наследственной молекулы").

Как уже отмечалось, Криком и Уотсоном была расшифрована структура этой "наследственной молекулы". "Веществом наследственности" оказались молекулы ДНК. Заметим, что мы здесь рассматриваем аксиомы, т.е. они должны распространяться на более широкий круг явлений. Согласно первой аксиоме по наследству передается не сама структура, а описание и инструкция по ее изготовлению; главное же во второй аксиоме - это не материальный субстрат, а матричный принцип. В земных условиях белки оказались плохими матрицами, а нуклеиновые кислоты - хорошими. Но отсюда не должно следовать, что в других частях Вселенной это не обязательно будет выполняться: гены там могут состоять из других комбинаций. Однако мы предполагаем, что согласно второй аксиоме Кольцова они будут размножаться также матричным способом.

Вторая аксиома биологии постулирует широкое распространение матричного копирования в клетке таких жизненных процессов как передача наследственности. Ведь новая ДНК копируется на матрице старой, через мРНК - на матрице ДНК, полипептидная цепь, образующая белок на рибосоме, - по матрице мРНК. По существу, вся жизнь - это матричное копирование с последующей самосборкой копий.

Матричный принцип необходимо признать всеобщим, универсальным в материальном мире. Он широко используется в математике и физике, а в практике матричное копирование известно уже тысячи лет, например использование оттисков с печатей в Древнем Египте и Месопотамии.

Матрицы до сих пор используются в практической деятельности человека для массового копирования сложных структур с закодированной в них информацией: классическое книгопечатание (есть даже такой термин – газетные матрицы), чеканка монет, изготовление фотоснимков и мн. др.

Таким образом, первая и вторая аксиомы биологии описывают закономерности передачи и хранения генетической информации, но не описывают динамику жизни, например механизм изменения наследственных матриц. На это отвечают следующие аксиомы.

4. Третья аксиома

Эта аксиома отвечает на вопрос, какие физические и химические закономерности приводят к изменениям в наследственных матрицах, поскольку именно эти изменения в половых клетках 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. То есть, создается 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 в клетке "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 (определенный частотный диапазон), 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, при которых 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, конечную ценность которого определяет естественный отбор.

Биофизики подсчитали, что для единичной мутации, приводящей к изменению генетической программы, необходимо сообщить молекуле ДНК энергию порядка 2,5—3эВ, 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, т.е. 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 происходят на молекулярном уровне - 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 R_min составляет порядка 10^-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 ∆p ∆х ≥ 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 квантово-механических физических постулатов: из-за невозможности реально точно и одновременно определить координаты и импульсы всех молекул в клетке. При этом невозможно найти одновременно необходимые параметры тех квантов, которые вызывают мутацию. Таким образом, третью аксиому можно представлять просто физической аксиомой, так как её выполнение обусловлено определенными значениями характерных констант мутации Е _min и R_min.

Уместно отметить, 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 изменчивости в т.ч. и мутационной 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 (1982), "жизнь всегда идет по лезвию бритвы". К тому же жизнь на основе углерода выступает как логичное следствие его роли во Вселенной как стабилизатора всех реакций распада, контролируемого по величине постоянной температуры, т.е. обеспечивающего протекание сложных химических реакций при относительно низких температурах (Петров,2011).

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