информации) приводит к селекции необходимой для организма «инструктирующей» информации.

Система самоорганизуется так, что на создание и переработку этой информации уходит большая часть поступающей извне энергии, в результате чего из информационного шума выделяется полезная часть информации. Переход от одного уровня организации к другому идет через хаотические состояния при конкуренции с другими структурами. Хаотичность возможных состояний означает, что самоорганизующаяся система, прежде чем выбрать какое-то определенное состояние, должна находиться в целом наборе других. Это означает, что живой организм участвует в отборе и передаче необходимой ему для развития информации и в целом в управлении своей жизнедеятельностью. В ходе эволюции появление новой информации определяется запоминанием мутаций и генетических рекомбинаций при изменении

311

вида и закреплением этой информации в генах. Генная информация передается из поколения в поколение только после ее преобразования в биогеоценозе, частью которого является популяция особей. В этом смысл самовоспроизводства и саморегуляции живых саморазвивающихся систем.

Можно предположить, что появление гиперцикла связано с переходом от молекул неживой природы к биомакромолекулам живой, с преодолением барьера между живым и неживым. Модель Эйгена молекулярной самоорганизации материи хорошо согласуется с представлениями нелинейной динамики и термодинамики неравновесных процессов Пригожина для открытых систем и с уменьшением энтропии при самоорганизации. Гиперцикл проявляет себя как открытая система с нелинейной динамикой роста процессов. Физическая модель Эйгена самоорганизации молекул дает количественную основу для возможного объяснения естественно-научным путем возникновения живого, но не может объяснить реальный исторический путь эволюции, поскольку процессы перехода от простых молекул к «молекулам жизни» имеют стохастическую природу при большом разнообразии выбора.

Основу любой самоорганизации физической, химической или биологической системы изначально характеризуют случайность, флуктуация или мутация. Понимание основных принципов эволюции как самоорганизации на молекулярном еще уровне не требует пока привлечения новых физических законов. Единые законы управляют физическими процессами в живой и неживой природе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля. Отличие состоит лишь в конкретных механизмах проявления этих законов.

Имеющиеся в теории гиперциклов представления о метаболизме, самовоспроизведении, мутабельности и селекционной ценности информации позволяют связать дарвиновский эволюционный принцип, теорию информации, нелинейную динамику и термодинамику неравновесных процессов в рамках биологии и новой синтетической теории эволюции. Можно предположить, что селекционные и эволюционные свойства нуклеиново-белковых гиперциклов более предпочтительны по сравнению с другими механизмами, объясняющими возникновение живой природы из неживой.

312

12.3. Биохимические составляющие живого вещества

Tак, как истина вечно уходит из рук — Не пытайся понять непонятное, друг. Чашу в руки бери, оставайся невеждой, Нету смысла, поверь, в изучении наук.

Омар Хайям

12.3.1. Молекулы живой природы

Известно, что нет никаких различий в строении молекул элементов, образующих живую и неживую природу. Однако из известных к настоящему времени 111 химических элементов, встречающихся на Земле, в живых организмах встречается не так много — всего 16, причем четыре из них — водород, углерод, кислород и азот — составляют 99% массы живого вещества. Это связано с их физическими и химическими свойствами: валентностью и способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. В живом организме происходят всевозможнейшие превращения разнообразных крупных молекул и их соединений, главным элементом которых является углерод. В основе клеточной химии лежат углеродные соединения, в которых атомы углерода связываются

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

между собой наиболее прочной из всех химических связей — ковалентной, обеспечивающей стабильность химического соединения (а значит, и стабильность живого организма).

Атомы углерода могут образовывать разветвленные длинные цепочки не только друг с другом, но и с атомами кислорода. Учитывая антропный принцип, можно не по распространенности, а по значению углерода для жизни) даже сказать, что мы живем в углеродной Вселенной. Поскольку ранее предполагалось, что молекулы углерода присущи только живому, соединения с углеродом получили название органических. Развитие химии и особенно работы русского химика Бутлерова по структурной химии привели к созданию органической химии, которая занимается изучением углерода и синтезом его соединений.

Напомним, что ядро углерода, по его положению в таблице Менделеева, содержит 6 протонов и 6 нейтронов, вокруг ядра вращается 6 электронов, масса атома равна 12. При различных химических реакциях углерод присоединяет 4 электрона и образует устойчивую оболочку из 8 электронов, т.е. обладает валент-

ностью, равной 4. В настоящее время соединений углерода известно гораздо больше, чем соединений всех остальных элементов Периодической таблицы Менделеева. Большая их часть не встречается в живых организмах.

Любопытно, что в неживой природе по распространению элементов на Земле углерод занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерод составляет менее 0,01 массового процента, в гидросфере — около 0,002, в литосфере — около 0,1, причем в литосфере углерод распространен в 276 раз меньше, чем кремний. Вероятно, определяющим фактором того, что углерод стал главным строительным материалом живых организмов, является его функциональность в высокоорганизованных структурах. Кроме прочных ковалентных связей углерод образует с другими атомами и многоэлектронные связи, в том числе и гибкие лабильные связи, с различными энергиями их образования и способностью возникновения новых разнообразных связей, образуя длинные линейные и разветвленные цепи с очень большим их разнообразием. Атомы углерода могут выступать и как доноры, и как акцепторы, способствуя перемещению электронов в химических связях.

К другим важным для жизни макроэлементам относятся также сера S, фосфор Р, ионы натрия Na, кальция Са, магния Mg, хлора О, калия К, железа Fe. Эти элементы, так или иначе участвующие в жизнедеятельности, получили название органогенов. К микроэлементам относятся также медь Cu, марганец Mn, цинк Zn, кобальт Со, бор В, алюминий Al, кремний Si, молибден Мо, ванадий V, иод I. Они имеют важное функциональное значение — например, йод регулирует процессы обмена, атомы магния участвуют в образовании хлорофилла, железо входит в состав гемоглобина. В живом организме могут присутствовать также неорганические растворенные в воде организма соединения в виде минеральных веществ.

Напомним, что возникновение соединений обусловлено свободной энергией Гиббса

— энергией образования молекул AG0. По определению, ∆G0 образования наиболее стабильной формы каждого элемента при стандартных условиях (Т = 298 К и p = 1 МПа) равна нулю. Если ∆G0 > 0, то образуемая форма не стабильна. При термодинамическом равновесии наиболее стабильному соединению соответствует отрицательное и наибольшее по абсолютному значению ∆G0. Для воды (Н2O) оно равно —224 Дж/моль, для кварца (SiO2), основного компонента земной

314

коры, ∆G0 = —768 Дж/моль. Установлено, что все важнейшие молекулы аминокислот, углеводов и фосфатов при условиях, оптимальных для жизни, являются термостабильными. Этим и объясняется их широкое распространение не только на Земле, но и в Космосе.

Кроме углерода большое значение для жизненных процессов имеет фосфор, входящий в их соли — фосфаты, при расщеплении которых выделяется необходимая организму энергия. Поэтому, видимо, количество фосфора в живых организмах превышает его количество в любых других средах, исключая лишь литосферу.

12.3.2. Мономеры и макромолекулы

Живые организмы образуются из всевозможных малых органических молекул — мономеров, которые при объединении создают макромолекулы; в биохимии их называют также биологическими молекулами, представляющими собой полимерные цепочки.

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