Николай Печуркин - Энергия и жизнь

• Название: Энергия и жизнь
• Автор: Николай Печуркин
• Издательство: Наука, сибирское отделение
• Жанр: Биофизика
• Год: 1988

Что движет эволюцию жизни на нашей планете? В каком направлении развивается жизнь? Отчего «процветают» примитивные паразиты? Может ли разум человека влиять на судьбы Вселенной? На эти (и близкие им) вопросы делает попытку ответить автор, развивая энергетический подход к изучению живой природы.

Книга будет интересна для биологов, физиков, химиков, биофизиков, а также всех интересующихся общими вопросами развития.

---

В целом можно даже говорить о тенденции к снижению величины генома в макроэволюции животных, по крайней мере верхних значений его амплитуды (на рис. 12 это условно показано стрелками I и II).

Феномен больших разбросов в размерах геномов даже у близкородственных видов «остается совершенно загадочным», — пишет знаменитый генетик Дж. Уотсон в обстоятельном труде «Молекулярная биология гена», [М., 1978, с. 507]: «В настоящее время единственным ключом к решению проблемы мог бы служить тот факт, что у близкородственных растений, где содержание ДНК может различаться в 10 раз, количество ДНК коррелирует со сроком жизни. Меньшие величины характерны для короткоживущих однолетних растений...» Кроме того, для растений подмечено, что древовидные папоротники саговники и прочие древние виды, не выдерживающие конкуренции с современными формами, очень часто полиплоидны, в то время как эволюционно продвинутые сложноцветные имеют наименьшее количество ДНК на клетку [Медников, 1980]. Такое заключение генетиков непосредственно «льет воду на мельницу» ЭПИР, так как, согласно показателю интенсивности развития, современники, занимающие близкие ниши, должны иметь близкие энергетические показатели этого типа.

Рис. 12. Изменение размеров (амплитуда) геномов животных в эволюции [по Айала, 1984, модифицировано]. Крестиком отмечено положение человека.

Следует напомнить, что наше рассуждение относилось к абсолютным значениям размеров геномов. И тут нельзя забывать о том впечатляющем факте, что геномы эукариот в сотни, а то и в тысячи раз больше геномов прокариот (см. начало этого параграфа). Например, в клетке млекопитающего содержится приблизительно в 1000 раз больше ДНК, чем в клетке хорошо изученной генетиками кишечной палочки. Абсолютное увеличение налицо. Поговорим теперь об относительных размерах геномов про- и эукариотных клеток.

2. По-видимому, доля ДНК в любой клетке может считаться несомненной характеристикой ее структурного компонента. Можно также полагать, что и содержание РНК в клетке коррелирует с ее энергетической нагрузкой по структуре, так как работающие гены остаются генами, т. е. все же это — единицы структуры, хотя и управляющие через ферменты функционированием клетки. Тогда суммарное содержание нуклеиновых кислот в клетке можно принять за ее базальную структурную часть, а их долю по отношению к общей массе клетки можно полагать за показатель отягощения клетки структурной частью (явно структурная часть биомассы). Приведем данные по относительному содержанию нуклеиновых кислот в клетках разных типов (рис. 13). Обращает на себя внимание сильное «отягощение» прокариотных клеток структурными компонентами: до 18% веса кишечной палочки могут составлять нуклеиновые кислоты. Большую часть из них представляют РНК, и их доля естественным образом возрастает с увеличением скорости роста или уменьшением длительности поколения, т. е. с возрастанием белоксинтезирующей активности клетки. Но и доля ДНК в клетках высших организмов (отмечена штриховой линией на рис. 13) тоже ниже по сравнению с прокариотными клетками и относительно быстро растущими одноклеточными эукариотами (дрожжами и хлореллой).

Рис. 13. Относительное содержание нуклеиновых кислот (РНК+ДНК) в клетках разных типов.

Прокариоты: 1 — кишечная палочка, 2 — водородные бактерии, 3 — светящиеся бактерии; одноклеточные эукариоты: 4 — кормовые дрожжи, 5 — микроводоросль хлорелла; мышечные ткани многоклеточных эукариот: 6 — рыб, 7 — млекопитающих.

Относительное снижение доли нуклеиновых кислот в клетках при прогрессивной эволюции автоматически означает, что энергетический поток на единицу генетической структуры увеличивается. А с учетом удлинения времени жизни структур Ки.р. возрастает дополнительно. Вот почему прокариоты имеют более низкие показатели энергетической интенсивности по сравнению с эукариотами, особенно с млекопитающими, хотя абсолютная скорость их развития гораздо выше. Просто их высокие скорости трансформации энергии соответствуют гораздо большим величинам работающих биомасс; отсюда и каждая единица структуры менее эффективна энергетически (согласно ЭПИР).

Таким образом, можно сделать нетривиальное предположение, что с ходом прогрессивной эволюции имеет место относительное упрощение биологической структуры. Методологически это означает, что принцип простоты поддается экспериментальной проверке в измерениях развития биологических систем. (Это очень уж отдает крамолой: выводить принцип простоты из биологии, а не из физики, например, где он должен быть более очевидным.) Тем не менее в экспериментах с эволюционными машинами можно убедиться, как отбираются наиболее простые структуры, выполняющие определенные функции, в частности, по энергетике.

Особо оговоримся, что в данном случае мы затрагиваем только энергетические показатели развития, т. е. анализ поневоле односторонний. Например, оценивая в целом эволюцию генома, следует учитывать такие сажные изменения его характеристик, как увеличение надежности или повышение ценности кодируемой информации; правда, последнее трудно интерпретируется. Можно говорить, что эволюция генома от прокариот к эукариотам и далее до человека шла не на увеличение структуры генома, а на повышение качества его функционирования, что находится в хорошем соответствии с энергетическим подходом. Поскольку информация пропорциональна логарифму разнообразия то небольшое увеличение генома позволяет кодировать гораздо большее количество структур. Совершенствование систем регуляции, энергетически очень недорогое, может давать многое для победы в конкурентной борьбе. Становится понятным, почему по структурным генам человек и шимпанзе так удивительно схожи, более 99% структурных генов у них одинаковы. Основная разница заключается в совершенствовании регуляторных функций генома.

Глава 7. Первая ступень эволюции жизни на Земле: от химического к биотическому круговороту

Пожалуй, самое удивительное в эволюции жизни на Земле, это то, как быстро она происходила.

Р. Е. Дикерсон

7.1. Как в химических циклах могли образоваться протоклетки

Происхождение и развитие жизни на Земле через химическую эволюцию к преджизни, а затем — к современной жизни у эволюционистов-материалистов не вызывает сомнений. С широко известных работ А. И. Опарина и Д. Б. С. Холдейна, написанных в 20-х годах нашего века, началось изучение и научное обоснование этапов развития жизни. Субстратный подход занял главенствующее положение в изучении первых этапов химической и биологической эволюции. Однако огромное разнообразие возможных вариантов и даже путей образования структур в принципе не поддается описанию и приходится говорить либо о «закономерном появлении новой формы движения материи» (см. гл. 1), либо о «самоорганизации» (см. гл. 2).

Энергетический подход в сочетании с субстратным позволяет резко уменьшить рассматриваемое число возможных вариантов и путей развития, заменив традиционный вопрос: что было раньше — наследственная молекула или белок («яйцо или курица»), на другой: как выглядела первичная экосистема. Или точнее: как изменялось первичное вещество на поверхности нашей планеты с учетом непрерывной накачки энергией (главным образом от Солнца, но на определенных этапах формирования нашей планеты и изнутри ее). При этом первичные химические преобразования должны были носить циклический характер, так как потоки энергии прежде всего вызывают механические циклы перемещения газов и жидкостей. Мы знаем, что в ограниченной системе образуются циклические потоки, разнообразные по размерам и длительности (в гл. 4 мы их обсуждали). При этом вещество то попадает в зону действия потока энергии (УФ-лучи, разряды молний и прочее), то уносится из этой зоны в спокойные тихие места, где направление химической реакции может и должно смениться на противоположное. Особенно эффективной в организации наиболее быстрых, а следовательно, и наиболее активных циклов химических реакций и потоков вещества является смена дня и ночи. И уже здесь мы можем говорить от отборе, идущем в двух направлениях. Первое — уход тех «участников», которые выпадают из круговорота (в осадки, захоронения или улетают в космос). Так отбиралась, например, вода как активный участник физического круговорота. Второе направление, более интригующее, это отбор по ускорению химических реакций. Этот отбор связан с увеличением потоков вещества и его трансформацией через те реакции, в которых это вещество быстрее реагирует — в полном соответствии с известным принципом максимума скоростей реакций в открытых химических системах.