Клетка – основа эволюции биосферы планеты и новая обобщающая аксиома биологии
Несмотря на всю глубину и сложность представлений о генетической природе современных родов, видов и сортов растений и животных на уровне общей, частной и молекулярной генетики, наших знаний все ещё недостаточно по вопросам интеграции генотипа и организации его индивидуумов в онтогенезе для повышения эффективности медицины, растениеводства, селекции и семеноводства, а также для разработки путей сохранения и управления биосферой планеты.
Обобщённый же взгляд на рост, развитие и существование клетки на основе митоза и мейоза, а также процессы изменчивости и наследственности через матричный принцип и иерархию уровней организации клеточных структур, фенотипов и генотипов различных видов во времени и пространстве показывает, что эволюция клетки (элементарной единицы всей системы живого) является основой эволюции биосферы на планете (рисунок 20). Новая аксиома биологии отражает суть всех эволюционных преобразований как в целом материи, так и её живой формы, которая, обзаведясь своей собственной генетической информационной системой, смогла эволюционировать до самосознания материи. Данный вывод базируется на системном подходе и на относительной независимости клетки как биологической саморазвивающейся системе и ее, эволюционно возникших эмерджентных свойствах, таких как: самовоспроизводство, самоорганизация и самосознание (Ларионов, 2003-2010), что и обеспечивает общую направленность эволюции по пути прогресса. Для того чтобы людям можно было охватить взглядом всю сущность и сложность появления жизни и биосферы на планете Земля и была нами разработана "Общая схема развития жизни, принципы управления ею. Пространственно-временная передача информации или эволюция клетки, формы её существования" (рисунок 20). Она базируется на эволюции материи (движении её) от космофизико-химической и геохимической к биохимической форме. Причем эта эволюция осуществляется по Космическому кругообороту. А её биохимический этап показывает, что вся эволюция живого на Земле базируется на макромолекулах ДНК и РНК, обладающих уникальным свойством – репликации и редупликации, т.е. матричного размножения и сохранения изменений и метаболизма (самовоспроизводства). Исторически – это новое химическое эмерджентное свойство, основанное на объединении двух форм движения материи – физической и химической и обеспечило появление живой клетки (биологической материи) на планете Земля, которая стала обладать ещё одним уникальным эмерджентным свойством – самоорганизацией на основе сложного атрибутивного информационного взаимодействия (организации) внутренних симбиотических структур и широкого метаболизма, обусловленного эпигенетическими механизмами, базирующимися на взаимодействии внутриклеточных структур (рибосомы, митохондрии и др.). Эволюция же клетки (рисунок 20) обеспечила биохимическую эволюцию на нашей планете, привела к созданию всего многообразия фенотипов на Земле и в целом биосферы и ноосферы (самосознания). Объяснение этим эмерджентным свойствам (явлениям), взятых нами в основу методологической схемы эволюции жизни (клетки), можно дать только на основе теории самоорганизации автоволновых процессов её информационных основ, обусловленных изначальным электромагнитным (квадрупольным) состоянием материи. Эти представления дают возможность сформировать сегодня новую научную парадигму о двойственном и неразрывном (целостном и системном) существовании материи в форме магнитного и электрического диполей с её постоянным самовоспроизводством на разных уровнях организации (Петров,2011).
При воздействии внешних факторов (электромагнитной природы) и из-за физиолого-биохимических и физических особенностей самой системы (клетки) отдельная флуктуация или комбинация флуктуаций может стать настолько сильной, что существующая прежде организация не выдерживает и изменяется (мутирует) или разрушается. Этот переломный момент, соответствующий особой точке, или точке бифуркации, невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет (останется) ли состояние хаотическим, или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности, который называют диссипативной структурой. Физические или химические структуры такого рода получили название диссипативных, потому что для их поддержания требуются потоки энергии и вещества, выводящие систему из равновесия, больше чем для поддержания более простых структур, на основе которых они возникают (Горбачев, 2003). Таким образом, диссипативная структура клетки обусловлена таким типом её организации, при которой когерентное пространственно-временное поведение системы связывается с динамическими процессами внутри самой системы. При этом необходимо понять, что сверхслабые электромагнитные взаимодействия лежат в основе роста, развития, дифференциации и специализации живой материи, а матричный принцип существования материи обеспечивает информационно самовоспроизводство матери на всех уровнях её организации в т.ч. и живой клетки. Такова вкратце, по нашему мнению, физико-химическая основа эпигенетических процессов в клетке, ведущих к её дифференциации и специализации (рост, развитие, онтогенез, филогенез). Это обеспечивает естественный отбор и лежит в основе эволюции клетки и всего живого на Земле в соответствии с первым и вторым законами термодинамики. Поэтому естественно наше (Ларионов, 2003-2011) стремление создать общую схему методологии развития жизни на основе эволюции материи и клетки как сложной энергоинформационной матрицы. А также увидеть в этой картине заключительный этап общей эволюции материи в форме эволюцию клетки (элементарной единицы живого) и самого человека, который, являясь продуктом эволюции (прогрессивного развития биологической материи, рисунок 20) приобрел новое информационное эмерджентное свойство самосознание и сегодня уже сознательно и целеустремленно переходит на новую ступеньку создания и управления новыми генотипами (селекция, генная инженерия и целевое размножение новых организмов). Таким образом, из объекта эволюции человек (Homo sapiens) превращается в её помощника, вооружившись законами и принципами, которые позволят ему осуществляться эволюционные преобразования существующих видов и создавать новые, стремясь в будущем в помощь себе создать мощную базу искусственного интеллекта (вербальной информации) и на этой основе управлять биосферой и ноосферой Земли. Таким образом, можно констатировать, что развитие естественнонаучных знаний в ХХ веке ознаменовалось событиями огромной важности – раскрытием биохимической основы генетического кода жизни на Земле, обоснованием роли клетки во всей эволюции жизни и её самой как вершины космической эволюции материи (её последнего биохимического этапа).
В Общей схеме представлен результат исторических изменений в генетической системе клетки. А также как сжатый процесс формирования научных взглядов биологии, физики, химии и других наук на эволюцию живого на Земле (естественную, так и искусственную) на основе разработанных принципов: эволюционно-генетического, эколого-генетического, а также принципов естественного и искусственного отборов создания, сохранения и управления генотипом индивидуума, сорта, вида, рода, которые являются общей теоретической основой существования его. А вышеизложенные обобщения в виде аксиом показывают, что клетка обеспечила в процессе эволюции своей генетической системы все многообразие видов и многообразие их свойств путем дифференциации и специализации. Так, например, у человека в сравнении с инфузорией (одноклеточной бактерией) имеется уже 254 типа клеток, многомиллиардно повторенных в различных органах и тканях в одном теле человека. А совокупность свойств, обеспечивающих его адаптацию, дошло до самосознания вида Homo sapiens по отношению к окружающему миру.
Общая схема важна для методологического понимания эволюции живой материи и таких биологических свойств её генотипов как самовоспроизводство, самоорганизация и широкая их адаптивность, обеспечивающая существование живых форм.
История развития биологической материи показала, что матричный принцип, лежащий в основе её существования, обеспечил эволюционные возможности клеток эукариотического типа несравненно выше, чем прокариотического. Ведущая роль здесь принадлежит ядерному геному эукариот, который во много раз превосходит по объёму генетической информации геном прокариот. Так как, при переходе к эукариотическому типу усложняется механизм регуляции жизнедеятельности клетки, что на уровне генетического материала проявилось в увеличении относительного количества регуляторных генов, замене кольцевых "голых" молекул ДНК прокариот хромосомами, в которых ДНК соединена с белками. В итоге стало возможным считывание генетической информации по частям с разных групп генов, в разном их сочетании, в различных типах клеток и в разное время, т.е. появилась возможность формирования многоклеточных организмов и более сложный путь развития и приспособления их, который соответствует центральной догме биологии (генетическая информация передается по схеме ДНК → РНК → белок).
В основе усложнения (самоорганизации) генетического аппарата эукариот огромное значение имело возникновение в эволюции генетических систем митоза на базе матричного механизма воспроизведения в поколениях генетически сходных клеток и обеспечивших основы эволюции эпигенеза (процесс внутриклеточного взаимодействия продуктов генов, дифференциации клеток и морфогенеза на уровне организма). А в дальнейшем, вследствие эволюционных преобразований самого митоза, такого способа деления клеток, как мейоз, наилучшим образом решившего проблему размножения многоклеточных организмов. Естественно, что всё это происходило под действием естественного отбора.
Далее связанный с мейозом переход к половому размножению усилил эволюционную роль комбинативной изменчивости (рекомбинагенез), что способствовало резкому увеличению скорости эволюции множества видов (Жученко, 1980; Инге-Вечтомов, 1983 и др.). Но при этом матричный принцип и естественный отбор, как основа передачи и закрепления новых уровней информационных систем, остается исторически незыблемым (Ларионов и др. 2010, 2011).
Благодаря отмеченным особенностям за один миллиард лет эволюции эукариотический тип клеточной организации дал широкое разнообразие живых форм от одноклеточных простейших до млекопитающих и человека, т.е. эволюционировал до сегодняшней биосферы и ноосферы.
Живая природа является целостной, но неоднородной системой, которой свойственна иерархическая организация. Под системой в науке понимают единство, или целостность, составленное из множества элементов, которые находятся в закономерных отношениях и связях друг с другом (прямая и обратная связь, эмерджентность, иерархичность). Главные биологические категории, такие как: геном (генотип), клетка, орган, организм, популяция, биогеоценоз, биосфера, представляют собой системы. Иерархия уровней организации в живой природе удобна с точки зрения изучения жизни как сложного природного явления. Применительно к нашему предмету она позволяет целенаправленно осуществлять экологический контроль за снижением разнообразия живого на любом уровне иерархии жизни (согласно общей схемы - пространственно временные уровни организации материи), которое может привести к нарушению процессов в биосфере.
Идея эволюции в её дарвиновском понимании (естественный отбор) представляет собой ядро всех биологических наук. Это многократно доказано историей биологии. В настоящее время развитие естествознания, физики, химии, молекулярной биологии открыли совершенно новые возможности развития многих биологических наук. В частности, выявление функций ДНК и РНК как носителей генетической информации и эпигенетические процессы, лежащих в основе дифференциации клеток в онтогенезе и обуславливающих морфогенез, заложили основу для анализа действия естественного и искусственного отбора на молекулярном уровне. Молекулярная биология позволяет углублять исследования химической организации живых систем и мн. др., давая точные и разносторонние сведения о материале, с которым работает естественный отбор в процессе эволюции видов. Генетика популяций, эволюционная генетика, экологическая генетика, селекция, экология, биоценология, палеонтология и др. науки показали как внешняя среда, и какие механизмы филогенетические и эпигенетические обуславливают разнообразие и эффективность естественного отбора в ряду поколений, т.е. эволюцию видов. Методологическая основа, заложенная в построение схемы позволяет сделать вывод. Фенотип – это клетка или совокупность клеточных структур у более сложных организмов, обусловленная генотипом на основе физиолого-биохимических и биофизических процессов диссипации и направленной бифуркации, обеспечившая создание в процессе своей эволюции огромное разнообразие живых организмов (открытых биологических систем). При этом обращает на себя внимание то, что клетка, с позиций физики, обеспечивает пространственную (фенотип) экспансию жизни и несет двойную функцию, а именно: хранителя генетической программы любого вида живого и хранителя первичной физиолого-биохимической внутренней среды для функционирования этой программы.
Клетки специфически организованы в ткани, последние – в органы, а органы – в системы органов организма. Организмы в пространстве специфически организованы в популяции, а популяции специфически организованы в биоценозы. Последние вместе с абиотическими факторами формируют биогеоценозы (экологические системы), являющиеся элементарными единицами биосферы. Схема также позволяет сделать обобщающее заключение (вывод), что на фенотип эволюционно возложена сложнейшая функция координирования уровней организации жизни (молекулярный, клеточный, органный, организменный, популяционный и т.д.), обеспечивая целостность открытых биологических систем в их сложном взаимодействии с внешней средой и пространственно-временную передачу информации. Передача генетической информации от одного поколения к другому основывается на точном определении организации гамет, создаваемых на универсальном электромагнитном матричном принципе. Но эта организация создается в гаметогенезе и, следовательно, также обязательными являются все стадии предшествующего онтогенеза. Это означает, что для анализа передачи информации необходимо знать не только реакции аутосинтеза хромосом, но и процессы клеточной дифференциации, и их обусловленность в онтогенезе. На эти процессы оказывает непосредственное сильное влияние внешняя среда, обуславливающая отбор наиболее адаптивных внутрисортовых форм в процессе существования вида или возделывания сорта (практика) по репродукциям в различных агроэкологических условиях. Эволюция клетки от самовоспроизводства до самосознания через самоорганизацию, базирующаяся на универсальном матричном принципе передачи информации, позволила обосновать и сформулировать пятую аксиому биологии (Ларионов, 2003-2010), которая вскрывает роль клетки её внутренней структуры в становлении фенотипа жизни как координатора работы генетического кода, самой отдельной клетки, так и их дифференцированных и специализированных совокупностей у сложных организмов различных видов.
Рисунок 20. Общая схема развития жизни, принципы управления ею. Пространственно-временная передача информации или эволюция клетки, формы её существования [Ларионов, 2003-2010].
Сформулированная нами (Ларионов, 2003 - 2011) пятая аксиома биологии формирует мировоззренческое понимание основ и эволюции жизни и существования её в виде различных фенотипов (таксономических видов) биосферы, а в будущем ноосферы, поэтому я называю её обобщающей. На основе развиваемых положений эволюции клетки, как основы существования живой материи, видового разнообразия жизни на планете, где фенотип выступает не просто вместилищем различных клеточных (фрактальных) структур, а чувствительной оболочкой в информационном взаимодействии генотипа с внешней средой, координатором работы генетического кода, становится ясным, что все ступени эволюции клетки в виде огромного разнообразия видов в биосфере представляют собой уникальные формы, которые необходимо сохранять, как для сегодня живущих, так и будущих поколений. Всё изложенное выше подводит нас к обобщающей сути эволюции клетки, как основы живой материи и роли человека во Вселенной, как носителя высшей информационной формы - вербальной (функции сложной клеточной системы - мозга), обеспечившей в процессе эволюции видов от простейших до млекопитающих формирование различных приспособительных свойств (адаптивность) и в конечном итоге высшей формы адаптации - самосознание у вида Homo sapiens.
Новая обобщающая аксиома биологии:
Клетка является элементарной единицей фенотипа живого, хранителем и координатором его генетической программы. Она эволюционировала в живых организмах до самовоспроизводства, самоорганизации и самосознания.
Клетка стоит на вершине биохимической эволюции материи. (Ларионов, 2003 - 2010).
Необходимо сделать несколько углубленное и расширенное понимание самосознания, как нового третьего эмерджентного свойства (самовоспроизводство и самоорганизация достаточно объяснены и понятны на более простых формах материи и клеточных структурах) эволюционировавшей клетки в форме человека. Фактически мы имеем дело с эволюцией генетической информационной системы, носителем которой является клетка и в которой она только может функционировать на матричном принципе. Самосознание, это высшая материальная (клеточная) информационная система, позволяющая человеку как биологическому виду познавать окружающий мир, а эволюционирующей материи познавать саму себя, формируя атрибутивную информацию в виде научных знаний (законов, принципов), но уже на вербальном уровне.
В своей формулировке сознательно ухожу от представлений сознание, осознание, подсознание, мысль, слабые ментальные взаимодействия и глобальное сознание, развиваемых современной когнитивной психофизикой, где (по нашему мнению) наблюдается засилье традиционной медицины, психологии, метафизики, философско-социальных и даже эзотерических представлений.
Необходимо учесть, что аксиома не противоречит теориям и законам физики, химии, синергетики, которые описывают природу в целом, отражая эволюцию различных форм материи. Кроме того, следует учесть, что вся живая природа состоит из тех же самых атомов, молекул и полей, что и неживая, поэтому она во многом объясняет и позволяет лучше понять целостную естественнонаучную картину мира и место в ней живой материи (см.рис.21). Пятая аксиома биологии отражает общую направленность эволюции материи по круговороту и она напрямую связана заключительным биохимическим уровнем её и формированием эмерджентных свойств клетки: самовоспроизводство, самоорганизация и самосознание, базирующихся на электромагнитной основе материи, филогенетических и эпигенетических механизмах наследственности (Ларионов, 2003, 2004 - 2008).
Таким образом, клетка это элементарная, универсальная форма (фенотип) жизни на Земле, она обеспечивает прямую и обратную информационную связь направленных биохимических процессов генетической программы и молекулярно-биологической и структурно-функциональной организации живой материи, т.е. эволюция клетки обеспечила эффективный процесс обмена веществом, энергией и информацией живой материи с внешней средой. Следует подчеркнуть, что пятая аксиома представляется очевидной, необходимой и достаточной для включения её в основы теоретической биологии, поскольку отражает все её аспекты и позволяет непросто классифицировать огромное количество накопившихся фактов о сложных физических, химических, генетических, биохимических и морфофизиологических явлениях, наблюдаемых человеком в реальном мире, но и сформулировать их общие эволюционные закономерности (принципы), имеющие большое значение для создания и управления генотипом в процессе его искусственной эволюции и дальнейшего существования. При этом взглянув на "Общую схему развития жизни, принципы управления ею. Пространственно-временную передачу информации или эволюцию клетки, формы её существования" любой биолог увидит своё место и той науки, которую он представляет и те проблемы, которые он может реально решить в эволюционном, общебиологическом и практическом аспектах.
Естественно, для разработки практических приемов управления адаптивностью существующих видов растений и животных их многочисленных сортов и пород, снижения неблагоприятных (стрессовых) воздействий на них необходимо разработать теоретические и практические основы управления адаптивностью генотипа с учетом его эволюционно-генетических и эколого-генетических принципов существования. Хорошим основанием углубленного развития этого направления в биологической науке и экологии является теоретическое обобщение на уровне новой аксиомы (новая парадигма) биологии в свете эволюции материи. При этом необходимо учесть, что клетка, организм являются открытыми термодинамическими системами и для своего существования использует энтропийную энергию внешней среды, а сложные взаимосвязи различных видов между собой и внешней средой, обуславливают существование и устойчивость экологических систем и биосферы в целом. Эффективность этого использования связана с генетическими особенностями как вида, сорта, так и любого организма, т.е. связана с адаптивностью (приспособительной устойчивостью к выживанию) генотипа к абиотическим и биотическим факторам.
Важнейшим методологическим следствием аксиомы биологии и "Общей схемы развития жизни, принципов управления ею" (рисунок 20) является то, что жизнь - это клетка в форме специализированного и дифференцированного фенотипа (целостного материального образования, являющегося координатором работы всей наследственной программы клетки (филогенетическая и эпигенетическая) генная, цитоплазматическая, белковая наследственность, обеспечивающие её автономное существование на основе диссипации и бифуркации в процессе обмена веществом, энергией и информацией в виде слабых и сверхслабых электромагнитных излучений с внешней средой. Одновременно, она дает возможность понять направление эволюции живой материи и углубить теоретические основы биологии, экологии и др. наук, а также наши представления об эволюции живого как формы овладения пространством, дискретности живой материи и как логическое продолжение общей эволюции материи, в виде космофизико-химического, геохимическоого и биохимическоого уровня её организации, а сегодня самой живой материи в виде эволюции клетки, обусловившей появление всего видового разнообразия живых организмов на Земле вплоть до человека, как вершину эволюции информационных систем и биохимической эволюции материи (Ларионов, 2003 - 2011).