состоянию являются потепление климата, уменьшение толщины озонового слоя и уменьшение биоразнообразия.

Возвращаясь к основным положениям СТЭ, подчеркнем, что главной движущей силой является естественный отбор. Эволюционный процесс в биосфере в целом носит многоуровневый характер и протекает на всех уровнях организации живой природы. Различаясь по уровням, эти процессы эволюции сливаются в единый процесс эволюции биосферы. В целом и онтогенез, и эволюция определяются термодинамическими особенностями самоорганизации открытых систем и связаны с оттоком энтропии от живых организмов в окружающую среду.

В равновесии не может быть эволюции, образования новых структур и биологического отбора. Только неравновесность структуры вызывает ее развитие, эволюцию. Именно в этом синергетический подход объединяет термодинамику процессов в живой и неживой природе. М. Эйген вывел биологическую эволюцию из физических представлений. Он отмечал, что «отбор и эволюцию можно охарактеризовать экспериментальными принципами и это позволяет физически обосновать и количественно сформировать дарвиновскую теорию. В таком подходе теория Дарвина уже не просто описывает некий исторический путь эволюции, но представляет собой выводимый из физики закон, управляющий общими процессами самоорганизации».

Живое можно также рассматривать как совокупность биосистем различных уровней организации жизни в процессе самоорганизации в целом живой системы. Роль эволюции заключается именно в том, что в процессе эволюции возникла жизнь как особая форма материи из неживого вещества. Сама биологическая эволюция обусловлена возникновением генетического кода.

Загадки возникновения жизни, ее эволюции и смерти следует более глубоко осмыслить. Как происходит эволюция при сохранении одних и тех же структурных элементов живой материи? Этот вопрос пока не прояснен.

395

14.3.Аксиомы биологии

Ядавно уже чувствую, что биология должна увлекать не меньше,чем какаянибудь таинственная история, история, потому что она и есть таинственная история.

Р. Докинз

Исследовать - значит видеть то, что все видели, а думать так как не думал никто.

А. Сент-Дьерди

Для построения корректной теории, которая могла бы адекватно описывать явления в рамках какой-либо науки, необходимо иметь некоторое количество основных положений или принципов. Это хорошо понималось в старой доброй натурфилософии. Конечно, такой подход является в известной мере абстрактным, но ведь и сама теория достаточно абстрактна. Кроме того, эти аксиомы проверяются опытами и по мере развития науки превращаются в ее законы. Особенно важно это для тех наук, которые возникли как описательные. К ним относятся науки о живой и неживой природе — геология, география, биология, ботаника и целый ряд производных от этих наук.

Уже достаточно давно возникли желание и потребность не просто классифицировать огромное количество накопившихся фактов о сложных явлениях, наблюдаемых человеком в реальном мире, но и сформулировать некие основные положения — аксиомы, общие закономерности развития Универсума. В общем понимании аксиомы — это концентрированный опыт человечества, в известном смысле стартовая площадка для последующего взлета [14]. Как сказал Э. Белл, «аксиома — это предрассудок, освященный тысячелетиями». Поскольку проблемами живых организмов занимается биология, то вопрос ставится более конкретно: можно ли сформулировать основные аксиомы биологии?

Учитывая глубокое проникновение в молекулярную биологию точных наук, для которых аксиоматичность является одной из основ формулировки задач, на этот вопрос можно ответить положительно. Однако трудность формулировки аксиом биологии состоит в том, что надо не только отобрать их из многих важных биологических закономерностей, но и дать общее определение жизни и признаков живого. Аксиомы,

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

положенные в основу теоретической биологии, должны быть очевидными, необходимыми и достаточными. Система аксиом должна быть полной и независимой, как это формулируется в математике. В целом же

396

непротиворечивую теорию невозможно построить без аксиоматических оснований. Биологические аксиомы не должны противоречить законам физики, которые тоже описывают природу в целом, но количественно, и, кроме того, следует учесть, что вся живая природа состоит из тех же самых атомов и полей, что и неживая. По существу, во второй части данного учебника мы пытаемся показать, что физические модели и представления можно применить к объяснению функционирования живого организма и использовать понятия нелинейных процессов в сложных самоорганизующихся системах. Рассматривая законы классической, квантовой и релятивистской механик, мы убеждались, что фундаментальные физические законы (почти что аксиомы) носят характер запрета: они справедливы лишь при определенных условиях. Подобные запреты действуют и в живой природе, к ним, естественно, должны быть добавлены и специфичные для биологии законы, но не противоречащие первым. Поэтому биологические аксиомы могут быть выведены из физических аксиом. (К сожалению, для

самой физики полной и независимой системы физических аксиом до сих пор нет.)

В начале ХХ в. немецким математиком Д. Гильбертом (1862— 1943) были сформулированы проблемы, стоящие перед математикой. Одна из проблем — 23-я, относящаяся к формулировке физических аксиом, так и осталась пока не решенной: строго говоря, не создана база исходных независимых положений, на основе которых можно вывести все физические законы. И это понятно: естественную науку нельзя построить как замкнутую систему, т.е. раз и навсегда перечислить все ее исходные положения. Но это уже проблемы самой физики! В научном же методе описания живой природы физика прекрасно работает.

14.3.1. Первая аксиома

Мы знаем, что каждому живому организму присуща неповторимая для других организмов специфичная структура белковых молекул. Первая аксиома, раскрытие смысла которой затянулись на более чем две тысячи лет, определяет условия, при которых возможно воспроизведение этой специфичной организации молекул.

Используя идеи самоорганизации сложных систем, роли информации в эволюции живого и кибернетики как математиче-

397

ского аппарата теории информации и управления мы приходим к выводу, что в основе развития любого живого организма должны обязательно иметь место две программы, инструкции, что делать: описание, из чего состоит эта структура, и описание, как ее воспроизвести, т.е. сделать. Таким образом, весь процесс размножения и развития организма состоит из двух раздельных операций: копирование наследственной программы (генотипа — в терминах §13.2) и собственно изготовление самого организма, реализующееся в фенотипе. В этом смысл первой аксиомы биологии:

• Все живые организмы представляют собой единство фенотипа и генотипа — программы для его построения, передающейся из поколения в поколение.

Это положение лежит в основе всей живой материи. Жизнь на основе только одного генотипа или фенотипа невозможна, поскольку тогда нельзя создать условия ни для самовоспроизведения, ни для ее построения и самоподдержания. Такая формулировка первой аксиомы является функциональной для нашего понимания жизни во Вселенной. В земных условиях основа генотипа — нуклеиновые кислоты, фенотипа — белки. Возможное разнообразие жизни во Вселенной может иметь другое структурное воплощение, но принцип раздельного копирования при единстве генотипа и фенотипа является, по-видимому, единым и незыблемым для всего Универсума.

Конечно, первая аксиома не снимает многих других важных для биологии вопросов. Например, сколько нужно информации, содержащейся в генотипе, для создания фенотипа? Сколько вообще ее потребуется для описания и генотипа, и фенотипа? Как реализуется генетическая программа в развитии организма и т.д. Ответы на них надо искать в следующих аксиомах.

14.3.2. Вторая аксиома

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

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

• «Наследственные молекулы» синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения.

398

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

Как 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 жизненных процессах. Новая ДНК копируется на матрице старой, мРНК

—на матрице ДНК, полипептидная цепь, образующая белок, — на матрице мРНК. По существу, вся жизнь — это матричное копирование с последующей самосборкой копий.

Заметим, что понятие матриц широко используется в математике и физике как определенной связи чисел в некоторой структуре — матрице, а принцип матричного копирования известен 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 т.д. Можно в шутку для наглядности сказать, что лежащее в основе жизни матричное копирование есть «книгопечатание» в мире молекул.

Итак, первая и вторая аксиомы биологии описывают в целом статические закономерности, но не описывают динамику жизни, например механизм изменения наследственных матриц. Это требует введения дополнительных аксиом.

399

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

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

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.

400

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.

Вбиологическом 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,

адругие физические факторы, имеющие уже квантовую природу. Это, в первую очередь, кванты жесткого внешнего облучения живого организма (γ-кванты, нейтроны, высокоэнергетичные частицы, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, быстрые элементарные частицы), а также молекулы и ионы веществ, реагирующие с ДНК, так называемые химические мутагены.

Вслучае, 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 ψ и хорошо уже известный принцип неопределенности Гейзенберга (мутации-то происходят в микромире!)

Для того чтобы вызвать мутацию, надо «довести» необходимую для этого энергию

(Еmin ≈ 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 Rmin 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 ∆р∆х ≥ h.

401

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 Emin и Rmin.

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

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.