Пирамида жизни: движущие силы эволюции и происхождение жизни

Оглавление

• Предисловие
• Вступление
• Эволюция
• Движущие силы и инструменты эволюции
• Химическая эволюция
• Биохимическая эволюция
• Биологическая эволюция
• Человек
• Человечество (начало)
• Экономическая эволюция
• Человечество (продолжение)
• В заключение

ПРИЛОЖЕНИЕ

Предисловие

Данная работа не есть противопоставление вере о сотворении Человека Богом. Но то, что человек формировался в той среде, в которой ему суждено жить и пользоваться плодами природы, органически вписываться в экосистему Земли, наводит на мысль о сложных и длительных во времени процессах формирования человека, да и всей биосферы. Навряд ли случайным образом, случайной комбинацией атомов и молекул смогла сформироваться даже простейшая живая клетка. Должен быть Творец всего живого или должна быть некая сила, заставляющей собираться атомы в молекулы, молекулы в органеллы, органеллы в живую клетку /1/. А также должны быть некие "формы", в которые бы "укладывались" клетки, чтобы из них составился многоклеточный организм

Навряд ли когда-нибудь будет оформлена картина сотворения жизни, подтвержденная научными экспериментами. В пробирке удалось получить лишь некоторые молекулы жизни /2/. Время стерло почти все следы эволюции, оставив только некоторые окаменелости, на основании которых ученые находят подтверждение своим теоретическим построениям возможных эволюционных преобразований уже живых организмов.

С каждым годом, с каждым днем ухудшается экология Земли: вырубаются леса, загрязняются воды, воздух и почва. Люди, как разумные существа понимают, что все это плохо, что нельзя рубить сук, на котором сидишь. Экологи не перестают взывать к общественному мнению и к правительствам, что когда-то процесс разрушения всей экосистемы станет необратимым. Попытки хоть как-то задержать этот губительный процесс немногочисленной группы "зеленых" выглядят со стороны наивным: ложиться на рельсы перед составом, везущим ядерные отходы, который все равно не остановить, или собирать на берегах озер мусор, который только что оставили отдыхающие. Отношение к "зеленым" и на государственных уровнях, и на международных смахивает на отношения взрослых к детям: ведь первейшая и важнейшая задача сегодня – обеспечить занятость населения, повысить его благосостояние. А уже потом… Когда потом?

Тщетны и попытки религиозных институтов остановить разрушительные процессы духовным воспитанием людей, называя эти процессы как результат наступления темных сил, толкающих человека в бездну алчности, бездуховности и разврата. Может ли человек, уповая на другую жизнь, неземную, оставить Землю разоренной, непригодной ни для растений, ни для животных?

Почему "пирамида жизни", а не "дерево жизни", или не "паутина жизни"? Пирамида – это символ устойчивости, символ направленности вверх. И, в то же время, это символ законченности.

Как символ устойчивости, это означает, что живой мир не есть случайность, что он крепко стоит на планете.

Как символ направленности вверх, это означает, что жизнь эволюционировала от простого к сложному, к совершенному в своих возможностях.

Как символ законченности, это означает, что уже достигнут конец в эволюции живого мира, и есть венчающий его элемент.

Законченность пирамиды может означать и начало новой эволюции – надбиологической.

Вступление

"Хочешь знать будущее – изучай прошлое"
Конфуций

Добавим: если хочешь понять настоящее – изучай прошлое. Знание истории полезно для более правильной оценки настоящего, для прогнозирования возможных вариантов будущего развития. Экономисту, чтобы хорошо понимать суть денег и грамотно управлять ими, необходимо проследить всю их истории, начиная с момента их появления. Политику полезно знать историю с того времени, которое описано древними летописцами: со времени первых дворцовых переворотов и политических репрессий. Врачу не помешало бы иметь представление о средствах и приемах народных целителей. И так в любом ремесле.

А с какого времени следовало бы проследить историю человечества, чтобы понимать сегодняшний день?

Предлагается проследить некоторые, самые важные в нашем понимании, исторические моменты до начала возникновения жизни, до того времени, когда появился Человек. Если встать на религиозную позицию, согласно которой Человек был сотворен таким, какой он есть сейчас, разве что изначально он был безгреховным, то все уже давно сказано и много раз повторено: и как следует жить, и на что надеяться. Пожалуй, какое-то время религиозные институты имели определенную силу воздействия на ищущих справедливости, и наставляли таких на путь к духовному совершенству. Сегодня по многим признакам наблюдается моральное разложение людей. Церковь только клеймит происходящее, не в состоянии как-то влиять на него. Поэтому встанем на другую позицию, на научную, и попробуем отыскать причины всего происходящего. Может быть, и нет никакого морального разложения, а это всего лишь издержки перехода к новому качественному состоянию.

Прежде чем начать, сделаем замечание: материя пока еще до конца не понята учеными, тем не менее, все изложенное базируется на современном научном представлении мира, достаточным для объяснения многого из нашей жизни.

В заключение

Конечно, можно не согласиться с определением движущих сил и инструментов эволюции, по-другому разграничить эволюционный путь на этапы и еще много чего найти для критики. Но нельзя отрицать существование эволюционных процессов и в прошлом, и, в особенности, в настоящем.

Почему эволюция продолжается, почему она не остановилась на человеке? Это просчет Творца, или у него совсем иные замыслы, никак не соответствующие нашим надеждам? Возможно, что экономика играет роль движущей силы в ноосферной эволюции, разрушая государственные границы, расовые и национальные различия, религиозную разобщенность, и создавая единое пространство для объединения всех людей, с единой верой.

Только полезно было бы не допускать разрушения Природы, а также разрушения культуры, которая кропотливо создавалась многими поколениями. Было бы полезно хотя бы контролировать нынешний эволюционный процесс, чтобы он не выходил за точку невозврата к нынешнему равновесию в экосистеме. Конечно, экосистема все равно найдет равновесное состояние, только будет ли оно удобным и жизненным для человека? Не станет ли пирамида жизни памятником, подобно египетским пирамидам, постепенно разрушаемыми временем?

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. В известном эксперименте Миллера-Юри, использующим смесь из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2), монооксида углерода (CO) и водяных паров, при пропускании через эту смесь электрических разрядов были получены 22 аминокислоты, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот. Предполагалось, что в эксперименте имитируются условия, которые были на Земле миллиарды лет назад. Поскольку до сих пор нет общего мнения о составе атмосферы Земли того времени, многие исследователи впоследствии проводили аналогичные опыты, внося изменения в состав газовой смеси и в условия, в которых они проводились: «В 50-х годах нашего века в нескольких лабораториях выполнены эксперименты по синтезу органических молекул при фотовозбуждении газовых смесей, моделирующих первичную атмосферу. В частности, в Ленинградском государственном университете было обнаружено образование формальдегида и аминокислот при облучении смесей NH3, CH4 и Н2О при полном давлении ~600 Торр над жидкой водой излучением с непрерывным спектром в области 145-180 нм.» [1] или «… на основе дегидратирующих агентов в условиях, приближенным к добиотическим, были синтезированы полипептиды, полисахариды, нуклеотиды и производные фосфатов …» [2]

[1] М.Е.Акопян, «Фотопроцессы и первичные этапы химической эволюции органических молекул на Земле», Соросовский образовательный журнал, №1, 1999
[2] К.Симионеску, Ф.Денеш «Происхождение жизни. Химические теории», Москва, «Мир», 1986

2. Второй закон термодинамики на языке Больцмана означает, что любая закрытая система стремиться к беспорядку, то есть, ее энтропия возрастает. Пригожин разработал теорию диссипативных структур, в которых порядок, напротив, создается. Но это может происходить лишь в открытых системах за счет притока энергии извне. Живые системы не могут быть изолированными, и это очевидный факт, и к ним не применим второй закон термодинамики. Собственно, теории Пригожина просто довела до ума применимость второго закона.

Однако физики, а за ними и химики, и биологи до сих пор объясняют причину, по которой живые системы почему-то не распадаются, не стремятся к беспорядку. Для наглядности приведем выдержки из двух работ. Первая принадлежит физику: «Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию, которая представляет собой нечто весьма положительное, как мы сейчас увидим. Отрицательная энтропия – это то, чем организм питается… (Для растений мощным источником «отрицательной энтропии» является, конечно, солнечный свет.)» [1] . Вторая работа принадлежит биологу: «…для рассмотрения приложимости второго принципа термодинамики к биосистемам следует брать не организм, как таковой, а организм вместе с участком среды, обеспечивающим его нормальное функционирование в течение определенного времени. Такая система получила название условно изолированной системы. К ней второй принцип термодинамики полостью приложим. В отдельных участках этой системы энтропия, казалось бы, вопреки второму принципу термодинамики, может даже уменьшаться (например, в зеленом листе при фотосинтезе). Однако это уменьшение происходит за счет возрастания энтропии в другой части такой системы (например, в источнике света, от которого световая энергия поступает в лист)… Таким образом, можно констатировать, что, также как и к неживым объектам, второй принцип термодинамики приложим и к биосистемам. Протекание процессов в них идет в соответствии с этим принципом и энтропии здесь принадлежит важная роль.» [2] . Просто удивительно, какое-то гипнотическое действие второго закона термодинамики. Если не удается его обнаружить в живой системе, круг рассмотрения расширяется. И для чего? Чтобы подтвердить корректность закона. Было бы понятно, если бы такая задача стояла перед физиками, открывшая этот закон. Но почему этим занимаются биологи? Понятие энтропии не добавляет ясности в понимании биохимических процессов. Солнечный свет, кроме ультрафиолета, содержит и инфракрасные лучи, которые несут тепло, а тепло увеличивает энтропию. Значит, солнечный свет несет как отрицательную, так и положительную энтропию. Под солнечными лучами тают снежинки (энтропия увеличивается) и распускается цветок (энтропия уменьшается). Где уменьшилась энтропия, когда тают снежинки на Земле, и где она увеличилась, когда на Земле растет трава? Надо оставить это физикам.

[1] Э.Шредингер, «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», Москва-Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002
[2] В.А.Опритов, «Энтропия биосистем», Соросовский образовательный журнал, №6, 1999

3. В качестве нескольких примеров можно привести работу С.Э.Шноля, в которой на ранней стадии химической эволюции уже работает естественный отбор молекул, обладающих «каталитическим совершенством» [1] , теорию Эйгена по самоусложняющимися гиперциклами, катализирующим белковые молекулы на матрицах РНК [2] , теорию открытых каталитических систем А.П.Руденко [3]

[1] «Физико-химические факторы биологической эволюции», Москва, «Наука», 1979
[2] М.Эйген, П.Шустер, «Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул», Москва, «Мир»,1982
[3] А.П.Руденко,«Химическая эволюция и биогенез», Интернет

4. Ферменты характеризуются наличием двух центров: центром связывания, в котором происходит узнавание «своего» субстрата, и каталитического центра, в котором происходят химические преобразования. Каждый нуклеотид молекулы РНК участвует в узнавании своего комплементарного нуклеотида, используя для этого водородные связи. Комплементарность составляют аденин с урацилом (две водородные связи) и гуанин с цитозином (три водородные связи).

5. Определить, что же такое информация, вовсе непросто, как это кажется на первый взгляд. И даже сегодня, в век информатизации всего и вся, появляются публикации с попытками более точного и качественного «улучшения» того понятия, которым мы пользуемся. Поэтому, не вникая в сложности, которые сопровождают использование понятия «информация», просто ограничимся тем, что в нашем случае информативными признаем только такие молекулы, которые имеют свойство быть копируемыми в результате некоего химического процесса. Копируемость – это один из основных атрибутов информации. В этом случае обычные катализаторы и их субстраты, являясь по некоторым определениям «информативными» друг для друга, не попадают в поле нашего интереса для дальнейшего разбирательства. Информация становится действительной информацией только тогда, когда есть тот, кто может ее прочитать. Для нас важным является использование информации в химических процессах, конкретно – в процессах копирования информации и процессах преобразования информации. По гипотезе РНК-мира таким катализатором должна быть некоторая РНК-молекула или РНК-комплекс. Собственно непосредственным чтением информации занималась сама матрица РНК: комплементарность означала «правильное прочтение». Синтез на только что синтезированной цепочке, «минусовой», давал точную копию первичной матрицы, если конечно не совершались ошибки при синтезе. Но ошибки, конечно, должны были быть, и они были. Они вносили разнообразие в процессе воспроизводства исходных молекул РНК, в результате чего появлялись молекулы РНК, со структурой, отличной от исходной, с новыми каталитическими свойствами и новой информацией, которую они несли в себе.

Полипептиды и полинуклеотиды, представляющие собой линейные цепочки, весьма удобны для хранения любой информации, в отличие от нелинейных структур. Линейным образом храниться информация в компьютерах с использованием двоичного кода. Но информация в двоичном коде требует большой длины. Более эффективны в этом плане полинуклеотиды – бит информации может принимать 4 значения. Еще более эффетивными могли бы стать полипептиды – бит информации может принимать уже 20 значений, почти латинский алфавит. Однако полипептиды для хранения на них информации не годятся хотя бы по той причине, что такую информацию невозможно копировать средствами химических структур. Полинуклеотиды, имеющие более скромный алфавит, отчасти именно по этой причине доступны для осуществления с них копий.

6. РНК только на начальной стадии исполняла роль хранительницы информации. Впоследствии, когда был разработан механизм транскрипции, эту роль стала выполнять молекула ДНК, которая надежнее сохраняет информацию: «Период полураспада ДНК (время, в течение которого разрушается половина данного количества молекул) в тысячи раз больше времени полураспада РНК определило судьбу ДНК стать главным носителем и хранителем генов…» [1] .

[1] А.И.Коротяев, С.А.Бабичев, «Роль генетической и умственной систем информации в возникновении и развитии жизни на земле», Нальчик, Издательство «Эльбрус», 2009

7. Современные белковые молекулы имеют довольно сложную структуру, состоящую из тысяч аминокислот. Чтобы выполнять функцию распознавания субстрата и его захвата, каждая молекула имеет свою неповторимую другой молекулой конфигурацию. Этим обеспечивается то, что: «каждый данный белок как вещество с определенным химическим строением выполняет одну узкоспециализированную функцию и лишь в отдельных случаях несколько, как правило, взаимосвязанных функций» [1] . Конечно, первые белки не были такими сложными и, возможно, не были так специализированы.

[1] Д.Г.Кноре, С.Д.Мызина, "Биологическая химия", Москва, "Высшая школа", 2000

8. Вопрос о происхождение генетического кода является одним из центральных в биологии. Простая логика подсказывает, что этот код должен быть обеспечен комплеменарностью аминокислоты и кодирующим ее триплетом, поскольку все живые организмы на Земле, за исключением некоторых простейших, имеют один и тот же генетический код. Однако это не находит подтверждения в химическом анализе. По мнению Крика: «Предпринимались смелые попытки предложить объяснения, как это могло произойти, но все они представляются неубедительными. По крайней мере, вполне правдоподобно, что все элементы кода, в основном, случайны» [1] . Это подтверждается и в более поздних научных публикациях: «Как протекает сам химический процесс формирования аминокодона, пока остается неясным – формируются ли вначале сами триплеты (кодоны), а затем к ним присоединяются «свои» аминокислоты, или аминокислоты также принимают участие в образовании триплетов, или в этом процессе участвуют какие-либо другие события – пока мы не знаем [2] . И все же, логика требует наличия закономерности, и поиски которой продолжаются. Так рождается гипотеза прогенов: нуклеотид с прицепленной аминокислотой прицепляется к паре нуклеотидов, образуя связку из аминокислоты и триплета, если аминокислота имеет предпочтение к этой паре [3] . Обнаруживается некоторая системность в соответствии аминокислот и нуклеотидов по их позициям в кодоне с последующим выводом: «…код обладает очевидными неслучайными системными свойствами. Ясно также, что эти свойства отражают неслучайный, высоко организованный характер генетического кода, связанный с правилами синонимии кодовых серий» [4] . По этому поводу отметим только, что неслучайность может отражать не только системность свойств и высокую организованность, но и другое, например, специфичность эволюционного пути.

[1] Ф. Крик «Жизнь, как она есть: ее зарождение и сущность», Институт компьютерных исследований, Москва, 2002
[2] А.И. Коротяев, С.А. Бабичев ,«Роль генетической и умственной систем информации в возникновении и развитии жизни на земле», Нальчик, «Эльбрус», 2009
[3] А.Д.Альтштейн. «Происхождение генетической системы: гипотеза прогенов», «Молекулярная биология», 1987, Т. 21
[4] В.А.Ратнер, «Соросовский образовательный журнал», том 6, №3, 2000

9. Молекулы РНК способны сворачиваться за счет своих водородных связей в разнообразные формы. Примером тому является тРНК. Оставшиеся свободными участки, так называемые «шпильки», могут вступать во взаимодействие с другими молекулами, проявляя при этом разнообразные каталитические свойства. Именно такая способность молекул РНК позволяет говорить о том, что можно выделить в отдельную стадию мир РНК: «Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Ученые рассчитывали обнаружить там белок, катализирующий сшивание аминокислот в белковую последовательность. Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в каталитическом центре рибосом белковых структур нет совсем, что он полностью построен из РНК! Оказалось, что все ключевые стадии биосинтеза белка осуществляются молекулами РНК. Точка в дискуссии о возможности существования «мира РНК» как особой стадии биологической эволюции была поставлена» [1] .

[1] В.В.Власов, А.В.Власов, «Жизнь начиналась с РНК», «Наука из первых рук», №2(3), 2004

10. Вначале был открыт фермент, осуществляющий обратную транскрипцию с РНК на ДНК. Затем последовало открытие процесса редактирования информационной РНК. Из этого следовал вывод: «… это установленный факт, что через обратную транскрипцию на редактированной информационной РНК может быть синтезирована ДНК-копия редактированного гена и затем встроена в геном организма. Но тогда все это вместе означало бы формулу ДНК<−>РНК<−>белок, т.е. отсутствие барьера на пути передачи информации от белка к ДНК!» [1] .

[1] Л.А.Животовский, «Наследование приобретенных признаков: Ламарк был прав», «Химия и Жизнь», 2003, №4

11. Вопрос, каким образом происходит онтогенез, то есть, развитие зародыша от оплодотворенной клетки до взрослой особи остается пока непростым для биологов. Наиболее простое решение предлагает наличие некоего морфологического поля, которое, якобы, управляет развитием организма. Научную трактовку такому объяснению дал П.П.Гаряев, заодно объяснив роль большей части ДНК, не кодирующей белки: «Из общих соображений ясно, что почти весь геном высших организмов не может являть собой бесполезный «эгоистический» груз. Эволюция этого не терпит… Геном-компьютер объединяет в себе две ипостаси физики. Он использует интерфазные совокупные хромосомы как вещественные жидкокристаллические образования в форме динамических мультиплексных поляризационных голограмм…Поляризационная голография обеспечивает создание градиентов эндогенных световых полей, калибрующих, размечающих динамичное пространство-время развивающегося и взрослого организма» [1] . Не столь экстравагантное решение и другое назначение «мусорной» ДНК предлагает А.Н.Барбараш. Суть его гипотезы состоит в том, что каждая клетка организма получает схематическую проекцию организма с активных зон организма посредством химических внутриклеточных волн на ядро клетки: ««Обширный биологический материал позволяет заключить, что „стереогенетические" химические волны возникают в разных зонах организма не с одинаковой интенсивностью. Существуют зоны, где интенсивность колебаний такого рода относительно высока, и есть зоны с устойчиво низкой активностью этих процессов. Активные зоны изучены к настоящему времени явно недостаточно. Есть основания полагать, что выявленные медиками древнего Китая точки акупунктуры определяют, вместе с тем, и активные зоны „стереогенетического" химического волнового поля, хотя точки акупунктуры расположены только на поверхности тела, а активные зоны волнового поля более многочисленны и рассеяны по всему объёму организма» [2] . Проходя через ядерную мембрану, как через линзу, эти волны собираются в центральной части ядра и общими усилиями разрыхляют определенные участки хромосом, тем самым запуская синтез различных белков: «Как механизм управления транскрипцией, разрыхление хроматина стало главным регулятором всей жизнедеятельности клетки» [2] Это, в свою очередь, и вызывает дифференцировку клеток, в результате чего формируются различные органы организма. «Мусорная» ДНК исполняет роль веревки, которая крепится множеством своих точек к мембране внутриклеточного ядра. Слабым местом в этой гипотезе является отсутствие объяснения самой начальной фазы дифференцировки клеток, когда формируются сами активные зоны. В других работах объясняется механизм, который обеспечивает проявление клеткой разных свойств на одном и том же генетическом материале [3] . Удовлетворительного объяснения развития многоклеточного организма из одной единственной клетки пока нет.

[1] П.П.Гаряев, « Лингвистико-волновой геном: теория и практика», Киев, Институт квантовой генетики, 2009
[2] А.Н.Барбараш, «Генетика многоклеточных – это очень просто», Интернет, SciTecLibrary.ru, 2007
[3] В.М. Глазера «Запрограммированные перестройки генетического материала в онтогенезе», Соросовский образовательный журнал, 1998, №8

12. У гипотезы происхождения старения, предложенной еще в конце XIX века Вейсманом, и сегодня есть и противники, и последователи. Согласно этой гипотезе, старение могло сформироваться эволюционным путем вследствии отбора таких популяций, которые поддерживали оптимальную численность, что в условиях недостаточности ресурсов могло быть решающим фактором выживания популяции: в результате жесткой конкуренции за ресурсы молодняк не доживал до репродуктивного возраста. Сегодня эта гипотеза развивается на основе новых научных данных [1] , но в то же время и критикуется, также с привлечением научных данных, но уже других [2] . Если научный спор продолжается более века, должно быть, что есть доля истины с обеих сторон. Возможно, что для наиболее простых организмов эта гипотеза верна. Однако для человека более вероятным то, что Природа просто «недоработала» над ним: ей было достаточно того, что в человеческой популяции особь успевала дать потомство и поддержать его некоторое время.

[1] В.П.Скулачёв, « Феноптоз: запрограммированная смерть организма». Биохимия. 1999, №64(12).
[2] А.Г.Бойко, «Дифференцировка клеток радиальной глии в астроциты – вероятный механизм старения млекопитающих», Журнал общей биологии, 2007, том 68, №1