А далее в развитии групп органических молекул возникает случайное увеличение многообразия первых неустойчивых комплексов в замкнутой системе Земля – Солнце. Самые успешные образования оказываются более устойчивыми во времени еще ДО появления собственного размножения. Более устойчивые системы живут дольше. Потому они более широко распространяются в среде при независимом новом образовании. Так можно трактовать вопрос появления Жизни и Смерти у всего мира Живого.
Таким образом, не математика энергообмена вообще, а физика обогрева планеты Солнцем образует природу развития Живого, которое от начала и до наших дней совершенствуется по закону увеличения (длительности) Жизни. Организм в Эволюции никогда не строился навечно. Физические явления, создавшие всякое Живое, сохраняют те же свойства и при его разрушении. И хотя мелкий ремонт (с освоением размножения) во всяком организме происходит постоянно, но исправить случайно разрушенную память ДНК при таком ремонте клеток самому организму удается не всегда. Вероятность серьезных дефектов со временем возрастает, что и определяет предельные сроки отдельной жизни. Потому под словом «жизнь» на бытовом уровне понимают период существования отдельного организма от появления до прекращения Жизни. Это ответ на второй вопрос о причинах конечной длительности Жизни.
Появление и распад определены процессом Эволюции, к сути которой и полагается обратиться.
Эволюция. Само стихийное появление и усложнение органических систем или организмов обеспечивается двумя случайными3 процессами: 1) относительно стабильным состоянием внешней среды и 2) результатами существования и взаимодействия организмов друг с другом и с такой средой. Процесс именуется в науке Эволюцией. Среда внешняя и среда взаимодействующих организмов оказываются источником развития живого. Как?
Первый случайный процесс – это изменчивость, то есть стихийное (случайное) изменение органических соединений – сначала химические вариации, много позже генетические мутации – и через них изменение отдельных организмов. В нашем случае важно знать, что колебания магнитного поля Земли и изменение уровня радиации из Космоса, а так же космические и земные катастрофы, как и оледенения, а, кроме того, геотермальные и геологические процессы – стали важнейшими реальными причинами изменчивости. Изменчивость обеспечивает Природа.
Естественный отбор – второй процесс. Он определен успехом Жизни организма в сравнении с другими, принадлежащими этому виду, и всеми остальными в среде. Его суть стихийное выживание.
Что же есть выживание в Природе?
1.1.4. Рост устойчивости и размера. Три функции Жизни
А мы разворачиваем логику Эволюции в формировании таких функций – это и есть функции выживания.
Принцип Эволюции образует развитие. Его мы пока рассматриваем в период, предшествующий появлению клетки. В рамках начала Жизни возникает процесс самопроизвольного (его именуют «автокаталитическим», «катализ» – генерация) появления групп (агрегатов) молекул. Они соединяются и разрушаются через интервалы времени случайно и без размножения. В их продолжении существенную роль играет формирование молекулярных оболочек у каждого объединения – агрегата. В самой ранней (коацерватной – то есть капельной) теории Опарина декларируется модель первых организмов как групп молекул, кратко живущих в продолжение некоторого времени. Каждая появляется и разрушается со временем. По факту оболочка агрегата имеет определенную прочность и препятствует разрушению целого от случайных воздействий среды с силой, не превышающей некоторой величины. В реальности на прочность связей между молекулами влияет внешняя среда, ее разнообразные излучения. При малых колебаниях среды коацерват живет, а при сильных гибнет. При других влияниях он снова появляется.
Тогда по критерию выживания сами оболочки обеспечивают функцию безопасности при увеличении жизни (жизнеспособности) молекулярных образований. Так возникает функция безопасности для Жизни. И мы приходим к выводу, что полимолекулярная органическая система оказывается не вполне открытой. Она частью открыта и одновременно частью закрыта.
В ходе случайных результатов Эволюции появляются новые химические реакции, в которых тепловые, газовые (атмосферы) и световые воздействия Солнца преобразуются в питательные вещества для роста органических молекул и их обособленных групп. Эти реакции фотосинтеза и их реакции-предшественники обеспечивают известные энергетические основания для устойчивости молекулярных комплексов и их возможного роста в продолжение некоторого времени. Накопление энергии в химической форме внутри групп, вместе с дополнительными реакциями последующего расходования энергии образуют функцию энергообеспечения для Жизни – поиск, извлечение, формирование запасов энергии и их использование.
Функция энергообеспечения может увеличивать время существования таких систем. Она способна продлить время жизни через рост безопасности и вероятности выживания агрегата при конкуренции за жизнь и пищу.
Потому стихийное выживание, как мы видим, кратко представимо в виде трех функций Жизни: 1) сбора, поиска и выработки энергии, 2) обеспечения безопасности и 3) размножения выживших наилучших вариантов организмов в среде в процессе их взаимодействия между собой и со средой в целом. Функции Жизни – это то, что должны делать объекты Жизни, чтобы выжить, но они этого «не знают», а только исполняют.
Как следствие живое развивается через совершенствование организма. Что живет дольше, безопасней во взаимном «поедании» друг друга (такое употребление именуется «биоценоз»), что размножается быстрее и эффективнее, что использует энергию среды, включая и другие виды Жизни, то и оказывается на вершине пирамиды Живого. И на всякий момент времени всё вместе Живое есть результат прошедшего в Эволюции приспособления к среде выживших. Потому Живое усложняется в эволюции. Процесс выживания обеспечивает отбор наилучших форм организмов. Материал живого в локальных границах сред оказывается пригодным для случайных модификаций при изменениях среды. Живое – результат влияний среды на появление, изменение и разрушение живого и его отбора, то есть увеличения роли лучших и дольше живущих вариантов.
Определение: Жизнь – форма сосуществования высокомолекулярных органических организмов (особей), характеризующаяся наличием трех (адаптивных) функций: 1) получения и потребления энергии из среды, 2) обеспечения безопасности от разрушающих действий среды и 3) воспроизводства (размножения) новых организмов с передачей (наследованием рекурсивно) всех трех указанных функций для сохранения или роста количества взамен погибающих.
1.1.5. Адаптация как принцип отбора Живого и модель Винера
Выше мы говорили, что всякое Живое как вид (генотип – наследуемая форма) есть результат отбора, то есть прошедшего в Эволюции приспособления к среде. Приспособление есть основной процесс. Его удобней именовать «адаптацией», что по латыни «adapto» означает «приспособлять».
Общая модель приспособления к среде или адаптации абстрактной системы дана работами Норберта Винера в 1948 году, см. рис. 1.1.4 [Винер Н., с. 13].
В чем суть модели адаптации. Система, например организм, существует в естественной среде. Некий измеритель в системе находится в режиме постоянного мониторинга среды. Он измеряет отклонение параметра окружающей среды от некоторой нормы, характерной для данной системы. Выявленное отклонение запускает функцию прямого действия для адаптации системы. Функция прямого действия – это некоторое поведение в системе для приведения её к равновесию со средой. Есть и отдельная функция для остановки прямого действия. Она именуется функцией обратного действия. Для остановки прямого действия в организме могут работать иные датчики, чем датчики, запускающие прямое действие. Но Винер имел изначально более простую (техническую) систему, которая останавливается от того же датчика. В современной психологии и в психофизиологии эти процессы нередко именуются активацией и инактивацией.
Рис. 1.1. Цикл адаптации по Н. Винеру
Процессы адаптации в эволюции, как и все функции живого, развиваются системно. Параллельно, см. рис. 1.1., развиваются 1) датчики среды, 2) прямые процессы и 3) тормозные процессы. Всякий дисбаланс развития трех частей проявляется через неэффективные жизненные процессы и потому немедленно отсекается отбором.
Какое отношение имеет к представленным и обоснованным выше трем функциям Жизни описанная модель адаптации Винера? Каждая из функций Жизни выполняется в режиме адаптации, представленном моделью Винера. Если для отдельного живого объекта не хватает энергии, безопасности или воспроизводства (по воспроизводству ситуация сложнее), то каждый объект запускает поведение (прямое действие) для обеспечения и компенсации выявленного недостатка. Три функции Жизни определяют суть Жизни как явления, а адаптация оказывается инструментом исполнения этих функций.
А природа третьей функции – воспроизводства, её сложность была предметом огромных забот физиков и биохимиков в попытке проследить химическую эволюцию до организма уровня Клетки и понять причину и механизм появления ДНК-РНК наследственности. Для непосвященного в биохимию и в функционирование передачи наследования (как она есть) до недавнего времени эта тема была предметом огромной неопределенности. Более того, представление о порядке появления алгоритма наследования отсутствовало и у большинства специалистов, перегруженных множеством разнородных деталей исследований и конкурирующих гипотез пребиотической (до появления Жизни) Эволюции.
Не будем говорить здесь о порядке появления функций Жизни – это дело специалистов.
Однако самые последние публикации открытий в их в минимально популярном виде дают возможность дать и получить общее представление о динамике появления первых механизмов наследования без тонкостей биохимии. Суть важнейшего в первом ПОЯВЛЕНИИ ЖИЗНИ события можно представить как переход от циклических процессов реакций создания (появления) и разрушения (гибели) органических веществ к воспроизводству объекта, который объединяет в своем существовании и то, и другое как продуцирование или репликацию.
1.1.6. Воспроизводство как катализ в Мире РНК
Организм в научном понимании состоит из белков, а белки состоят из аминокислот. Каждая аминокислота – соединение 1) углерода с кислородом (карбоксильных групп, где carbo – уголь, а «оксиль» – кислород) и 2) аминных групп двадцати типов – азота с водородом, требующим участия воды. Белки тела образуют клетки. Каждая клетка живет от часов до двух суток и за время жизни копируется с помощью генетического кодирования посредством двух типов специальных органических групп – макромолекул в виде вариантов нуклеиновой кислоты ДНК и РНК (число атомов до нескольких миллионов)5. Эти макромолекулы состоят из последовательности звеньев, которые кодируют наследственную информацию для построения белков при копировании клеток в организме.
ДНК содержит всю информацию о клетке как архив данных наследования, а РНК является, как понималось ранее в науке, промежуточным средством для копирования и формирования (синтеза) новых белков, прежде всего, для создания белков при воспроизведении новой клетки.
Но представление о значении РНК перевернули исследования ученых (США и др. стран) во второй половине XX-го века. Известное до того материалистическое «коарцерватное» (капельное) направление идей появления Жизни Опарина-Холдейна получило развитие в результатах новых генетических исследований. Карл Вёзе (Carl R. Woese) сличил составы РНК у разных представителей живого микромира [Woese C., 1967]. Он предположил возможность самоусложнения РНК как независимого объекта эволюции. Он же свел классификацию простейших форм Жизни на самом высшем уровне к трем доменам (надцарствам): архей, бактерий и эукариотов. Через год Лесли Орджел (Leslie E. Orgel) пришел к выводу о способности РНК к самостоятельной репликации без участия белков [Orgel L., 1968]. Он провел опыты c приспособлением самих РНК к введенным ядам.
Пол Берг (Paul Berg) обнаружил органических предшественников молекулам РНК в их активности и функциях. Он исследовал рекомбинации ДНК, мутации и их искусственное воспроизводство (1972), то есть разборки и сборки групп нуклеотидов – склеивания участков генетического кода. Фредерик Сенгер (Frederick Sanger) создал способы анализа динамики или истории ДНК в эволюции, то есть «вычисления последовательности» (sequencing = секвенирования) частей кода в процессах изменений ДНК. Оба вместе с Уолтером Гилбертом (Walter Gilbert), работавшим с Сенгером, получили за это втроем Нобелевскую премию в 1980-м. А в 1982 году Томас Чек (Tomas Cech) и Сидни Олтмен (Альтман) открыли каталитическую способность РНК (Нобелевская премия 1989). Это свойство объяснило формирование Жизни как особой химической надстройки управления биохимическими реакциями или «реакции над реакциями». Общий результат позволил Уолтеру Гилберту в 1986 году назвать полученное представление о роли каталитической функции РНК в появлении Жизни «гипотезой Мира РНК» [Gilbert W., 1986].
Что же означает каталитическая способность РНК?
Химические реакции в природе идут естественным образом при случайном соединении реагентов. Всякое химическое взаимодействие означает рост энтропии (беспорядка) и выделение излишней энергии как результата. Однако во многих случаях для реакций и выделения лишней энергии требуется участие третьих веществ или условий. Такие третьи – естественные или примененные человеком – именуются катализаторами. Они снижают порог запуска реакций. Но их особенность в том, что они сами не исчезают и не реагируют – иначе они были бы простыми участниками таких реакций. Ржавчина на железе – результат воды как катализатора – ускорения окисления (соединения с кислородом и образование окисла железа) с помощью воды. То же случается и в химии белков – живого. Катализаторы реакций в мире органических веществ именуют ферментами (греч. закваска) или энзимами. Это белковые вещества (молекулы или их агрегаты), пригодные для ускорения химических реакций в среде белков. Позже такие катализаторы мы назовем организмом. Но это не простые добавки, а многомолекулярные соединения в составе тысяч и миллионов молекул.
Мы продемонстрируем идею катализированной реакции в виде буквенной модели, чтобы не приводить примеры с названием химических веществ. Подлинные примеры лишь затруднят понимания смысла, суть явления. В анализе каталитической реакции сырье для неё – сами реагирующие вещества – именуются субстратами, а результат реакции – продуктами. Пусть субстраты A и B пригодны для взаимодействия и выработки продуктов C и D лишь в случае присоединения фермента, обозначаемого буквой F. Естественно, такие реакции возникают в случае неустойчивых комбинаций (растущей энтропии), в которых реакция (A + B) идет с выделением энергии. Фермент F снижает энергетический порог реакции или ускоряет операцию, выступая как выборочный ключ к запуску.
Катализ. То, что Человек в производственной практике обнаружил в катализе, было достижением, стало использоваться в химии, но само по себе не вызывало внимания. Но внезапно ферментация сама оказалось в центре не только биохимии, но и философии развития Жизни.
Ниже чисто условно приведена модель действия фермента F при осуществлении реакции взаимодействия субстратов A + B. Два субстрата вступают с собой во взаимодействие в присутствии фермента F. В результате возникают продукты реакции C + D и возобновленный или оставшийся неизменным сам фермент F. Говоря обобщенно, тройка A + B + F преобразуется в C + D + F, где F выходит «сухим из воды» (реакции).