|
|
Количество статьи: 297
Статьи за 24 часа: 0
[ Все статьи | Поиск | Top 10 | Категории ]
Воспоминания о теоретической биологии, которой все еще нет
После того, как возникла квантовая химия и физики получили возможность считать химию разделом физики (хотя на самом деле химики не пользутся в своей работе квантовой химией, да и, по-правде сказать, на практике существуют расчеты только для простейшего атома водорода), биологи и физики, преследуя различные цели (биологи стремились показать, что биология не менее теоретическая наука, чем химия, а физики стремились проделать с биологией то же, что и с химией, т.е. свести ее к какому-нибудь разделу физики), стали прилагать усилия по теоретизированию биологии.
В 30е годы бурно теоретизировалась популяционная генетика. Но содержательно это не были модели живого состояния, о чем мечталось биологам, а чисто комбинаторные модели типа «мешок с генами»: они описывали поведение генов в среде, а не жизнь живых организмов. По-прежнему, как и в 19м веке теоретическая мысль биологов вращалась вокруг эволюционных представлений, в рамках которых формулировалсь все новые «законы», а точнее «эмпирические обобщения», как назвал этот тип знания В.И.Вернадский, - что касается действительно законов, то тут существовал единственный закон, установленный еще Ч.Дарвином – закон эволюции посредством естественного отбора.
Атака физиков на проблему живого состояния началась после выхода в свет в 1944 году книги Э.Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физика». Но первый шаг в этом направлении сделал биолог Э.С.Бауэер в 1935 году. Он сформулировал принцип устойчивого неравновесия живых систем в своей книге «Теоретическая биология». Бауэр задал стиль и направление поисков в области теоретической биологии для физиков и биологов 20го века, только они в большинстве своем этого не знали, так как почти весь тираж его книги был ликвидирован после расстрела автора в 1937 году. Именно в этом русле сформировалась к началу 80х годов синергетика или физика самоорганизации, которая, подобно квантовой химии, считается физиками теоретической основой биологии, но для биологов не имеет практического значения (подобно квантовой химии для химиков). Биологи продолжали искать свою, полезную для них теоретическую биологию. Эти поиски привели в 80е годы к многочисленным попыткам формулирования системы аксиом биологии, в рамках которой явления жизни могли бы быть поняты. Интересно, что оба направления поиска теоретической основы биологии связаны с именем одного человека – Н.В.Тимофеева-Ресовского. Он один из создателей популяционной генетики в 20е годы, именно он в 30е годы в Копенгагенском кружке Бора познакомил физиков с проблемами генетики, чем стимулировал интерес Шредингера к биологии, а Шредингер уже, в свою очередь, «обратил» широкую физическую общественность к биофизике. И именно Тимофеев-Ресовский в 70е годы сделал первую попытку сформулировать аксиомы биологии. В качестве первой аксиомы он оставил закон эволюции Дарвина. Вторую аксиому он назвал «принципом конвариантной редупликации» - это принцип матричного синтеза материала наследственности с учетом возможных мутаций в нем. Третья аксиома – «принцип усилителя»: проявления мутаций генетического материала в процессе индивидуального развития организма многократно усиливаются и становятся «видны» естественому отбору, т.е. становятся материалом эволюции. Тем самым третья аксиома замыкается на первую и система аксиом становится полной. Более того, она практически изоморфна кибернетической схеме взаимодействия генома организма с биоценозом, которую в начале 60х годов предложил И.И.Шмальгаузен: схема Шмальгаузена – это диалог генома организма и его среды обитания, посредником в котором является фенотип. В ходе этого диалога геномы, порождающие неадекватные среде фенотипы, вымирают, что и составляет процесс эволюции.
Очень близкую к этой систему аксиом предложил в начале 80х годов Б.М.Медников: он слил первую аксиому Тимофеева-Ресовского с третьей, вторую расщепил на две – о матричном копировании и о мутациях, и добавил четвертую аксиому – о разделении организма на генотип и фенотип. Я однажды, будучи студентом, слушал его лекцию в МГУ в декабре 1978 года. Его книга тогда произвела сильное впечатление на думающих биологов и биофизиков. Но все эти системы аксиом, формулируемые биологами, оставались совершенно чуждыми тем физическим представлениям, которые формировались в это же время в рамках синергетики. И прежде всего это представление живого состояния как диссипативой структуры, которое было в 70е годы сформулировано И. Пригожиным. Диссипативная стрктура - это то, что Бауэр называл «устойчивым неравновесием». Итак, встал вопрос, как согласовать эту физическую идею с теми обобщениями, которые предлагались биологами.
В те времена в нашей среде научный вопрос воспринимался как личный вызов. Мы были молоды, самоуверены и, как потом выяснилось, очень невежественны, но в те времена самоуверенность компенсировала невежество, хотя бы в собственных глазах, и мы организовали на кафедре биофизики Харьковского университета семинар по теоретической биологии, который проработал около года. В течение этого времени выяснилось, что самоуверенность все-таки не компенсирует невежество, семинар прекратил свое существование, а прошедшие с тех пор годы пришлось потратить на ликвидацию пробелов в образовании. Теперь, двадцать лет спустя, вся эта проблема видится уже под несколько иным углом зрения: аксиомы утратили свою аксиоматичность, превратившись, вместе с существованием диссипативной структуры, в следствия более фундаментального принципа. Этот принцип можно назвать «принципом безвременья» или, точнее, «принципом организации безвременья во времени».
Звучит это дико и режет слух, но попробуем разобраться без отвращения. Что такое диссипативная структура с точки зрения логики ее устройства? Это петля обратной связи в потоке диссипации. А петля обратной связи – это, образно говоря, ситуация, когда будущее замкнуто на прошлое и оказывает на последнее компенсирующее (корректирующее) влияние: петля обратной связи – это устройство, пожирающее время. Его древний символ - Уробурос – змея, кусающая себя за хвост. В биохимии эта организация процессов известна как их сопряжение: при этом процессы идут в противоположных направлениях, взаимно друг друга обусловливая и одновременно взаимно друг друга компенсируя. Именно за счет такой организации минимизируется общий поток диссипации, на котором существует организм, - именно это и утверждает знаменитая теорема Пригожина о минимуме производства энтропии в открытых системах, к которым относятся и организмы. Минимум диссипации – это минимум времени, которое протекает через организм. Но минимум – это не нуль, т.е. время все же течет, и организм все же стареет. Даже могучие маги Карлоса Кастанеды говорят, что главный враг мага – это старость, с которой никто не может справиться.
Но есть способ обмануть время – начать жизнь сначала! К этому способу и прибегает жизнь, он называется размножением: стареющий организм копирует себя в молодом облике и тем самым удлинняет сущесвование на длину еще одного цикла старения – старения своих детей. Т.е. самовоспроизведение является устройством для преодоления времени, таким же устройством, как и диссипативная структура. И в этом мы обнаруживает точку соприкосновения объекта синергетики (диссипативной структуры) и объекта биологии (размножающегося организма). Последний теоретически рассмотрел в 1948 году Джон фон Нейман, поставив вопрос о принципиальной возможности существования самовоспроизводящихся автоматов. Он положительно ответил на этот вопрос. Более того, в качестве следствия существования самовоспроизводящихся автоматов, он получил обязательное требование разделения такого автомата на генотип (носитель информации о его устройстве) и фенотип (устройство, считывающее эту информацию, и строящее в результате свою копию). Так что эта аксиома Медникова вовсе не аксиома, а скорее техническое условие (условие возможности) существования самовоспроизводящихся автоматов. В противном случае возникал бы чисто логический прадокс в их существовании. Р.Розен назвал это парадокс «парадоксом Тристама Шенди»: этот герой одноименного романа, решив описать свою жизнь, тратил около года на то, чтобы описать один единственный день своей жизни. В итоге вся его затея оказывалась принципиально невозможной. Организм по той же причине не может содержать полного описания своего воспроизведения – оно было бы бесконечным. Вместо этого он содержит описание только части необходимых функций по самовоспроизведению, а само описание воспроизводится без инструкций (без описаний) путем матричного копирования. Отсюда и разделение на конструируемый фенотип и матрично самокопирующийся генотип. Так что «конвариантная редупликация» Тимофеева-Ресовского это тоже не аксиома, а техническое условие (следствие) существования самовоспроизведения, да еще следствие существования в нашем мире второго начала термодинамики, которое гарантирует наличие ошибок в таком самовоспроизведении (мутаций).
Что касается «принципа усилителя» Тимофеева – Ресовского или четвертой аксиомы Медникова, то можно показать, что и она является следствием еще одного способа преодоления времени, который широко распространен в живой природе на всех уровнях ее организации. Этот способ заключается в подразделении живой системы на устойчивое («вневременное») ядро и подверженную «ударам времени» периферию. Это несколько иной аспект соотношения генотипа и фенотипа: если раньше мы говорили об их отношении при самовоспроизведении, то теперь речь идет об их соотношении при функционировании организма в среде его обитания.
Всем известно такое строение клетки, подразделяющейся на ядро, хранаящее наследственную информацию, и цитоплазму с наружной мембраной, осуществляющую коммуникацию с внешней для клетки средой и опосредующей влияние этой среды на ядро. Но таков же принцип устройства белков-ферментов: «ядро» – это реакционный каталитический центр, а «периферия» – это почти вся огромная молекула белка, которая обеспечивает подходящую для осуществления контакта с субстратом («внешней средой фермента») конформацию. И таков же принцип устройства популяции, в которой, как показал В.А.Геодакян, женский пол играет роль «ядра», а мужской – роль «цитоплазмы». «Цитоплазма» во всех биологических системах сглаживает «порывы ветра времени» внешней среды, и поэтому «ядро» находится в относительном безвременьи (в таком «безвременьи» существует царица в муравейнике или термитнике, поэтому она и живет много дольше остальных особей, которые представляют собой «цитоплазму» муравейника). Относительном безвременьи, потому что и само ядро подразделяется на области почти полного безвременья («острова безвременья») и области равномерно текущего времени: это стало ясно после открытия М.Кимурой и Т.Отой в 70е годы одинаковой скорости мутаций во всех генах белков в клетке, кроме генов и участков генов, которые кодируют жизненно важные функции клетки – они как бы существуют в остановившемся времени: это гены таких белков как гистоны, цитохромы, участки генов ферментов, кодирующие каталитический центр и т.п. В клетке существуют системы, обеспечивающие безвременье – это репарационная система ферментов, которая устраняет мутации (замены нуклеотидов) в «островах безвременья» генома, и это система так называемых белков теплового шока (БТШ), которые, как костыли поддерживают другие белки в рабочем состоянии, когда «порывы ветра времени» различной природы препятствуют осуществлению их функции. В самом конце 90х годов С.Резерфорд и С.Лундквист раскрыли механизм участия этих «белков безвременья» в эволюции видов: эволюция организмов осуществляется в состоянии стресса. Об этом еще в 70е годы говорили русские ученые: С.С.Шварц показал влияние экологического стресса на эволюцию природных популяций полярных грызунов, Д.К.Беляев использовал стресс как фактор быстрого эволюционного преобразования чернобурых лис. Но конкретный молекулярный механизм стал понятен только сейчас: стресс отвлекает БТШ от поддерживания рецепторов клетки в нормальном состоянии и происходит нарушение передачи управляющего сигнала гормонов через эти рецепторы. В результате в ходе индивидуального развития в состоянии стресса возникают уродства, которые являются признаками нового вида – возникают «перспективные монстры», как говорил Гольдшмидт еще в 30е годы. Таким образом, «принцип усилителя» Тимофеева-Ресовского превратился в принцип «устранения ослабителя» под влиянием стресса, который представляет собой проникновение «ветра времени» в область «безвременья» организма. Для организма стресс – это и есть время: организм измеряет время стрессами - биологический возраст организма измеряется количеством пережитых стрессов.
Возникший в стрессе организм – это фенотипический вариант того же самого генома, просто это фенотип для существования в условиях стресса. Но, как показали Кимура и Ота, мутации в геноме идут с постоянной скоростью, и при достаточно длительном существовании «стрессового фенотипа» в нем накопятся такие генетические изменения, для которых данный фенотип не будет уже стрессовым, а будет нормой. Произойдет, как говорят биологи, замена фенокопии генокопией. Т.е. течение времени мутаций канализируется существующим фенотипом, как бы отливается в форму существующего фенотипа. Это почти то, что говорил Ламарк. Как это происходит на молекулярном уровне пока не ясно, но уже есть данные о том, что приобретенные организмом на протяжении его жизни изменения, закрепленные в геноме в виде метилирования отдельных его участков (это как бы разметка активированных участков генома), передаются в половые клетки и воспроизводятся в нескольких следующих поколениях. Это и есть материал для эволюции путем отбора в среде обитания популяции.
Таким образом, последняя аксиома Медникова – это лишь следствие прорыва «плотины безвременья» на пути «реки времени» и восстановления «нового русла» ее течения в новых «берегах безвременья».
Мы можем сказать, что живое состояние есть результат реализации единого принципа (можно ли его назвать «физическим принципом»?) – принципа безвременья. Организм – это конструкция, обеспечивающая локальное уничтожение времени. Это конструкция, существующая как реализация тех «технических условий» этой задачи, которые существуют в нашем физическом пространстве-времени.
Это осевой принцип теоретической биологии, которой все еще нет, но которая, я уверен, будет создана в новом веке. |
Дата: 24.12.2004, Просмотров: 2952
|
|
|
