О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

Левовращающие аминокислоты могут соединяться в поли- пептидные цепочки, которые и называются белками. В процессе сборки обнаружилось еще одно удивительное свойство: если в рас- творе присутствует хотя бы одна молекула правовращающего изо- мера, синтез белка останавливается. Это обстоятельство служит источником неиссякаемой головной боли для эволюционистов. Мы,впринципе,можемобъяснить,почемуэтопроисходит.Предста- вим, что нам необходимо создать цепочку из большого количества людей. Один из них дает правую руку другому, при этом левая оста- ется свободной и может быть включена в рукопожатие с третьим, который, в свою очередь, может дать правую руку четвертому, у ко- тороготакжеостанетсясвободнойлеваярука,итакдотехпор,пока вселюдинеокажутсявовлеченывцепь.Новообразим,чтосрединас находится бедолага-мутант, у которого левая рука растет из право- гоплеча,инаоборот.Онможетбытьвовлеченвцепочку,ноегоруки с «обратной хиральностью» заблокируют ее продолжение, цепь прервется, поскольку «левая правая» и «правая левая» руки могут пожать соответствующие конечности лишь у людей, находящихся на концах цепочки. Вместо линейной структуры (характерной для белков)мыполучимкольцо.

Смеханизмомблокировки,или,какговорятхимики,ингибиро- вания реакций синтеза белка, более-менее ясно, но есть проблема, которая ставит ученых в тупик, выхода из которого пока не видно. Каким образом на заре жизни могли получаться только левовра- щающие аминокислоты? Или, если все же образовывались и лево-, иправовращающиемолекулы,какидолжнобытьвполномсогласии стеориейвероятности,какудалосьразделитьих,причемнепросто разделить, а уничтожить все правовращающие оптические изоме- ры, обеспечив таким образом беспрепятственную сборку белковых молекул?

Мы вернемся к этому вопросу, когда речь пойдет о концепциях возникновения жизни, сейчас же главное – зафиксировать эту уди- вительнуюособенностьживыхмолекул.

новая (ДНК)

Второй тип живых молекул – нуклеиновые кислоты – не отли- чается такой сложностью, но это вовсе не значит, что они играют меньшую роль. Нуклеиновые кислоты впервые были выделе- ны в 1870 г. Мишером из клеточных ядер, что и дало их название (от лат. nucleus – ядро). Существуют два основных вида нуклеино- вых кислот –. Врибонуклнастоящееиноваявремя выделены(РНК) и днесколькозоксирибонуклеиразличных-

61

Эфирные связи между двумя цепочками спирали ДНК не очень прочныеиподвоздействиемопределенныхбелковвпроцесседеле- ния клетки начинают рваться. Разрыв этих связей приводит к воз- можностизамещенияоснованийдополнойпары.Химическаяреак- ция, обеспечивающая разрыв двойной спирали ДНК именно в нуж- ный момент в нужном месте, происходит благодаря выполнению белками-ферментами своей информационной функции, о которой былосказановыше.Каждаяизобразовавшихсяодиночныхцепочек

62

достраивается до двойной за счет нуклеотидов, находящихся в ци- топлазмеклетки.Врезультатеобразуютсядвемолекулы,являющи-

отидов) составляет 64, этого вполне хватает для кодирования всех аминокислот. В генетическом коде нет знаков препинания, трипле- тычитаютсяодинзадругим,дотехпор,покаэтотпроцесснедойдет до определенной комбинации, означающей завершение кодирова- ния. Современные данные позволяют считать, что генетический код является универсальным, т.е. сочетание нуклеотидов, соответ- ствующих определенной аминокислоте, одинаково для всех живых организмов, от бактерий до человека. Экспериментальное под- тверждение эта теория получила в 1961 г. Американскому биологу

63

Ниренбергу удалось синтезировать полиурациловую кислоту – ну- клеиновую кислоту, состоящую только из урациловых оснований. Когда эту искусственную информационную РНК добавили в рас- твор ферментов, катализирующих синтез белка, началось включе- ние в белок только одной аминокислоты – фенилаланина. Отсюда был сделан вывод о том, что за синтез этой аминокислоты отвеча- ет комбинация оснований УУУ. Сейчас расшифрованы триплетные коды большинства аминокислот, входящих в состав белка человека и многих животных. Это дало толчок развитию такой дисциплины, какгеннаяинженерия.

2. Мой дом – моя крепость, или пара слов о гомеостазе, энтропии

Наличиенеравноживыхесноймолекултермодинамикеявляется необходимым условием при- знаниясистемыживой.Необходимым,нонедостаточным.Мывиде- ли, что мертвые организмы также содержат белки и нуклеиновые кислоты, по крайней мере некоторое время после смерти. Есть ли какие-то особые признаки, принадлежащие живым, но не при- надлежащие мертвым организмам? Разумеется, есть, и главный изних–способностькподдержаниюпостоянствасвоейвнутренней среды. Именно она и называется гомеостазом. И для того чтобы по- нятьсутьэтогопроцесса,намнеобходимовернутьсянемногоназад, кнекоторымфизическимпонятиям.

Начнем, как водится, издалека – с категории, известной без исключения всем, даже тем, кто никогда не учился в школе и чьи представления о мире формируются исключительно в процессе об- щенияссоседом-алкоголиком.Этакатегория–информация.

Мыговоримэтослово,совершеннонезадумываясьотом,какой смысл в него вкладывается. Если попросить среднестатистическо- го человека дать определение информации, он ответит что-нибудь вроде «информация – это сведения об окружающем мире». Если же попросить объяснить смысл понятия «сведения», ответ чаще всего будеттаким:«этокакая-тоинформация».Кругзамыкается.

В науке существует множество определений информации, од- нако для наших целей наилучшим образом подходит одно, данное американским лингвистом и философом Грегори Бейтсоном. Ин- формация – это различие, порождающее другое различие. О каких

64

различияхидетречь?Первое–эторазличиемеждуреальнымиобъ- ектами окружающего мира. Мы говорим «слева от моего окна рас- тет дуб, а справа – тополь». Откуда мы это знаем? Да просто эти два дерева отличаются друг от друга, мы фиксируем именно эти разли- чия.Еслислеваисправаотменябудутстоятьдваблизнецаводина- ковойодежде,янесмогусказать,гдеВася,агдеПетя,простопотому, чтонеувижуразличиймеждуними.

Второе различие, о котором говорит Бейтсон, – это различие, возникающеевнашейсистемевосприятия.Первоеразличиестано- вится информацией лишь тогда, когда фиксируется в нашей психи- ке.Абсолютнотакаяжекартинавозникает,есливкачественосителя информации выступает неодушевленный предмет, например жест- кий диск компьютера. Различие в окружающем мире фиксируется вформеразличиямеждунулемиединицейвдвоичномкоде.Тоесть информация становится информацией тогда, когда она зафиксиро- вана,безприсутствиянаблюдателяонаявляется«потенциальной», нонеактуальной.

Для чего в разговоре о жизни и живых системах нам понадоби- лось обращение к теории информации? А для того, чтобы через это понятие подкрасться к его противоположности – категории энтро- пииТрадиционно. энтропию определяют как меру хаотичности си- стемы, однако это определение вполне устраивает ученых, но мо- жет показаться непонятным студенту-гуманитарию. Более полное представлениеобэнтропииможнополучить,обратившиськдругой трактовке:энтропия–этовеличина,обратнаяинформации.Издесь открываетсяпростордляфантазиигуманитария.

Обратное соотношение означает, что чем большей информаци- ей о какой-либо системе мы обладаем, тем меньше в ней энтропия, хаотичность,инаоборот.Еслитемпературавоздухавкомнатеравна 20 градусам и мы знаем об этом, это знание составляет определен- ную информацию. Ее величину можно подсчитать достаточно точ- но. А теперь представим себе, что в эту комнату мы внесли некий нагретыйпредмет,сажем,кирпич,разогретыйнагазовойплите.Од- нородность температуры нарушится, очевидно, что рядом с кирпи- чом она станет выше. Возникнет различие, которое может вызвать другоеразличие,–информация.Этувеличинутакжеможноподсчи- тать,ионаокажетсябольше,чемвпервомслучае.Этонеудивитель- но – ведь при однородной температуре мы фиксируем ее отличие от температуры в других помещениях или на улице, во второй же

65

ситуации к этой информации добавляется еще и различие внутри комнаты. Количество информации увеличивается, следовательно, энтропия снижается. Чем большее количество различий мы можем наблюдать в какой-либо системе, тем большей информацией о ней мыобладаем,темменьшебудетхаотичность.

Однако в случае с кирпичом со временем произойдет выравни- вание температур, он, вполне естественно, будет остывать до тех пор,покаеготемпературанестанетравнойтемпературеокружаю- щего воздуха. Когда это произойдет (то есть наступит, как говорят физики, термодинамическое равновесие), различие исчезнет. Зна- чит, количество информации уменьшится, а энтропия, очевидно, возрастет. Это явление получило название принципа возрастания энтропии. Данный принцип проявляется во всех закрытых нежи- вых системах и в свое время служил исходным пунктом рассужде- ний о неминуемой гибели ни много ни мало – всей нашей Вселен- ной! Стремление к равновесию, максимально хаотичному состоя- нию, принятие принципа возрастания энтропии за абсолютный закон, из которого нет исключений, неизбежно должно привести к простому выводу: различий во Вселенной будет становиться все меньше, температура должна усредняться во всем пространстве Космоса. А это значит, что в итоге не останется ни звезд, ни планет, никакихдругихобъектов,отличающихсядруготдруга,вседолжно сравняться и стать неразличимым. Такой подход приводит порой к трагическим последствиям. Так, известный советский философ Эвальд Ильенков покончил с собой, указав в предсмертной запи- ске о бессмысленности дальнейшего существования ввиду неиз- бежной тепловой смерти Вселенной. Так ли это на самом деле? Ко- нечно, нет, и доказательством тому служит существование живых организмов.

Изменимнемногоситуациюскирпичом.Представим,чтовком- натузаходитлюбоетеплокровноеживоесущество,напримеркто-то из нас. Очевидно, что, несмотря на относительно низкую темпера- туру воздуха, мы будем сохранять свои родные 36,6. Появление жи- вой системы увеличит информацию (снижая при этом энтропию), причемэтоувеличениенебудетподчинятьсяпринципуувеличения энтропии!

Парадокс? Неверный принцип? Нет, просто в данной ситуации мы сталкиваемся с проявлением так называемой диссипативности. Все живые системы являются диссипативными, т.е. рассеивающи- ми (от англ. dissipate – рассеивать). Мы выделяем в окружающую

66

среду тепло, т.е. самую низкоорганизованную форму энергии, при этом сохраняя постоянство внутри себя за счет самой высокоорга- низованной – биологической – энергии, накапливаемой в организ- ме в виде особых «энергетических» молекул аденозинтрифосфата. Именно благодаря такой трансформации энтропия не в состоянии проникнуть внутрь наших организмов. Вот уж действительно: мой дом–моякрепость!

Живые организмы постоянно обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией, т.е. являются откры- тыми.Апринципвозрастанияэнтропииявляетсявернымлишьдля закрытых систем. Поэтому для живых систем должна применяться не традиционная, в неравновесная термодинамика – относительно молодаянаука,основателемкоторойсчитается(поправу!)бельгий- скийфизикрусскогопроисхожденияИльяПригожин.

Неравновесная термодинамика позволяет объяснить многие процессы, необъяснимые с других позиций. Вообще, по большому счету, первые наметки в этой области принадлежат англичанину Дж. Максвеллу. Еще в XIХ в. он провел мысленный эксперимент, на- падающий на второе начало термодинамики. Одна из формулиро- вокутверждает,чтоневозможносоздатьвечныйдвигательвторого рода. Это такой двигатель, который использует разность энергий по-разному нагретых тел для совершения работы. Проблема в том, что тепло всегда перетекает от нагретого тела к холодному, и ни- когда наоборот. Соответственно, после достижения равновесного состояния производство работы невозможно. Максвелл, однако, опирался на собственное открытие, раскрывающее само понятие температуры.

Дело в том, что, согласно кинетической теории теплоты, темпе- ратура предмета зависит от скорости молекул, его составляющих. Молекулыдвижутся,сталкиваютсядругсдругом,врезультатеэтих столкновений выделяется тепло, которое и составляет температу- ру. Чем быстрее скорость, тем чаще столкновения, тем выше тем- пература тела. Однако не все (ожидаемое продолжение – йогурты одинаковополезны,нонет)молекулыимеютодинаковуюскорость. Если температура воздуха в комнате составляет 20 градусов, это значит, что большинство молекул имеет скорость, соответствую- щуюэтойтемпературе.Большинство,ноневсе!Какие-томолекулы будутбыстрее,какие-то–медленнее.Онивзаимноуравновешивают другдруга,поэтомусредняятемператураостаетсяравной20граду- сам,нонекоторыебудутприближатьсяк100,анекоторые–кнулю.

67

Именно здесь содержится ответ на вопрос, заданный еще в самом начале:почемуводаиспаряетсяприкомнатнойтемпературе?Испа- рение происходит как раз за счет таких «быстрых» молекул. Такое разделение, или, как говорят, градиент температур, получило на- звание распределения Максвелла. Удивительно, но оно встречается нетольковфизическихпроцессах,ноивомногихсоциальныхявле- ниях. И это распределение послужило основой для максвелловской атаки на классическую термодинамику. В ходе своего мысленного эксперимента он построил конструкцию, состоящую из резервуа- ра с газом, разделенного перегородкой на две равные части. В пе- регородке имеется отверстие с дверцей, и рядом с ней сидит некое сверхъестественное существо – демон Максвелла. Он занят исклю- чительно тем, что открывает дверцу перед быстрыми молекулами и захлопывает ее перед носом у медленных. В результате в двух по- ловинах резервуара будет создана разность температур, которую можно использовать для производства работы. Это и есть вечный двигательвторогорода!

Разумеется, Максвеллу не грозило попадание в специфическое заведение, где содержат, наряду с изобретателями вечного двига- теля, наполеонов, ферматиков и индийских вице-королей. Дело в том, что демон Максвелла – существо нематериальное, следова- тельно, не требующее затрат энергии для своих действий. В реаль- ности же для создания такого двигателя потребуется открывать и закрывать дверцу, расходуя энергию, причем этот расход заве- домо не может быть меньше энергии получающейся. Тем не менее распределение Максвелла легло в основу концепции неравновес- ных состояний. Фокус в том, что без всяких демонов и перегородок требуемая разница температур может быть получена абсолютно естественным, хотя и крайне маловероятным путем. Она возник- нет, если все быстрые молекулы газа случайно окажутся в одной частирезервуара,амедленные–вдругой.Напервыйвзгляд,карти- насовершенноневероятная,ноэтотолькосточкизренияздравого смысла. Теория вероятности не запрещает такого перераспределе- ния, хотя и признает, что для того чтобы наблюдать эту картину в реальности, необходимо проводить наблюдения в течение мил- лиардов лет.

И все же маловероятно не значит невозможно! Распределение Максвелла показывает принципиальную возможность самопроиз- вольного отклонения системы от состояния равновесия. Такие от- клонения, которые происходят без внешнего воздействия, исклю-

68

чительно в результате внутренних процессов, называются флукту- ациями. И само их существование показывает, что энтропия не все- могуща,чтосредиполногохаосавозможныпроцессы,повышающие упорядоченность. Именно флуктуациями объясняется возникнове- ние порядка из хаоса. Такие процессы подробно описаны в книге Пригожина, которая так и называется: «Порядок из хаоса». Кстати, впервые в истории эта мысль встречается задолго до Пригожина и даже Максвелла, уже в античных греческих мифах присутствует нечто подобное. Вначале, как говорят греки, был именно хаос, од- нако потом в нем выделились два упорядоченных элемента – Уран (небо) и Гея (земля). Чем не флуктуации, ведущие к снижению эн- тропии?

Почему разговор о физических концепциях вновь зашел при обращении к проблеме жизни? Да просто потому, что идея нерав- новесности, флуктуаций, нелинейных процессов напрямую связана с этой проблемой. Вот что писал Э. Тоффлер в предисловии к при- гожинской книге: «В начале XIХ в. термодинамика поставила под сомнение вневременной характер механистической картины мира. Еслибымирбылгигантскоймашиной,–провозгласилатермодина- мика, – то такая машина неизбежно должна была бы остановиться, так как запас полезной энергии неизбежно был бы исчерпан. Ми- ровые часы не могли идти вечно, и время обретало новый смысл. Вскоре после этого последователи Дарвина выдвинули противо- положную идею. По их мнению, хотя мировая машина, расходуя энергию и переходя из более организованного состояния в менее организованное,имоглазамедлятьсвойходидажеостанавливать- ся, тем не менее биологические системы могли развиваться толь- ко по Совершенно закономерно, что интерес

кработамПригожинане узкимкругомфизиков,вдис-

восходящей линии, пеограничилсяеходя из менее организованного в бол

организованпринималиое состояние».

куссиях участие биологи, социологи, психологи и даже литературоведы с кинокритиками! Без привлечения категорий по- рядкаихаосаоказалосьневозможнымобъяснитьмногиепроцессы, прежде считавшиеся объектами изучения исключительно гумани- тарныхдисциплин!

Именно неравновесная термодинамика позволила в 1982 г. немецкому физикохимику Манфреду Эйгену сформулировать кон- цепцию гиперциклов и получить за нее Нобелевскую премию. Суть идеи в том, что отдельные химические реакции могут проявлять некоторые черты, присущие биологическим организмам, в частно-

69

сти конкурировать друг с другом. Принцип циклической реакции в химии давно известен, например так называемые химические часы – периодическое изменение цвета раствора с красного на си- ний и обратно. В таких реакциях всегда присутствует катализа- тор – вещество, без которого реакция невозможна. Эйген показал, чтоврастворахсложныхорганическихсоединенийвозможноспон- танное появление более эффективных катализаторов, в результате реакциисихучастиембудутвытеснятьисходныециклы.Такойпод- ход позволил сформулировать совершенно невозможный на пер- вый взгляд принцип – жизнь как явление должна предшествовать появлению живых организмов! Если после прочтения следующего разделаувасвозникнетвпечатление,чтонауканаходитсявполном тупике,вспомнитеоработахЭйгена!

3. Когда четыре равно трем,

или пара слов о концепциях возникновения жизни

«Я проживу эоны лет», – пелось в некогда популярной, а сейчас изрядно подзабытой песне «Агаты Кристи». И подавляющее боль- шинство слушателей, увлеченно подпевая, даже не задумывались, ачтоэтозаэоны?

Аэтопросто-напростообщееназваниетрехгигантскихвремен- ных отрезков. В истории планеты Земля, котораянасчитывает при- мерно4,6млрдлет,выделяютархей,протерозойифанерозой.Архей (от греч. archaios – древний) продолжался от 4,5 до 2,5 млрд лет на- зад,протерозой(отгреч.proteros–первичный)–от2,5до0,54млрд лет, и, наконец, фанерозой (от греч. phaneros – открытый) начался 540 млн лет назад и длится до сих пор. Более подробный разговор об эонах, эрах и периодах у нас впереди (равно как и о том, почему первые два эона часто объединяют под общим названием «крипто- зой»),сейчасжеимеетсмыслпоставитьсамыеширокиевременные рамки, чтобы хотя бы приблизительно ориентироваться и пред- ставлять,когдажевозникаетжизньнанашейпланете.

Но предварительно стоит упомянуть про способы определения возраста Земли, которые имели место в истории. Это были доста- точно забавные попытки, показывающие, на какие ухищрения спо- собен человеческий разум в условиях недостатка информации. Для всех изначально было ясно, что Земля, как и вся остальная Солнеч- наясистема,неможетбытьстаршеСолнца.Поэтомупервыепопыт-

70