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.

---

Очень существенно то обстоятельство, что эволюция «вниз» по функции не разрешается, если учитывать энергетические принципы. Поэтому говорить о том, что «микроорганизмы эволюционируют в стороны и вниз, но не вверх», с позиций С + Э подхода некорректно, ибо функция улучшается — такая трактовка допустима только с позиций субстратного подхода. Современные микроорганизмы отличаются от древних форм не только разнообразием структур (и иногда их серьезным упрощением), но и существенным усложнением функций: сюда входят и использование различных источников энергии и вещества, недоступных высшим формам, и интенсификация функции до уровней, тоже недостижимых для высших организмов. Но, совершенствуя и во многих случаях упрощая структуру, они под действием естественного отбора интенсифицируют функцию, т. е. эволюционируют «вверх». Как мы обсуждали в предыдущем разделе, питание растворенными веществами делает невыгодным увеличение размеров именно с позиций энергетики. Подчиняясь этому, прокариотные формы выполняют свою миссию в круговороте, «не беспокоясь» об усложнении структур, а наоборот, в соответствии с энергетическими принципами, «заботясь» об освобождении от любой структурной избыточности. Именно на микроорганизмах может быть ярче всего продемонстрирована способность необычайно быстро избавляться от лишних структур.

Как замечает Э. Брода в книге «Эволюция биоэнергетических процессов» [М., 1978, с. 61–62]: «Организмы имеют тенденцию утрачивать ненужные гены и ферменты. Это явление играет огромную роль в эволюции, и особенно в эволюции микробов...

...Автотрофы имеют тенденцию превращаться обратно в гетеротрофы, если дать им подходящие питательные вещества. И вообще, готовность к утратам — это свойство клеток, которое было хорошо изучено на простых системах». Одним из наиболее изученных и показательных фактов «гибкости» приспособления на уровне микробных популяций является смена прототрофных форм в популяции на ауксотрофные. Обычно на обедненных средах прототрофные варианты, способные производить для себя все необходимые метаболиты, быстро вытесняют ауксотрофные формы, требующие для своего развития дополнительно какого-либо определенного соединения. Если же это соединение добавлено в среду, то ауксотроф получает преимущество и способен расти быстрее, так как более экономен и не производит этого соединения в отличие от прототрофов. Этот пример с победой «дефективного» ауксотрофа при развитии на обогащенной среде может служить хорошей моделью явления дегенерации формы при переходе к паразитизму. (Дефективность, т. е. упрощение структуры ауксотрофа, может быть связана с потерей гена (делецией) в ДНК клетки, т. е. иметь генетическую природу.)

Рис. 19. Общая схема относительного изменения структуры и функции организмов в макроэволюции.

1 — прокариоты; 2 — эукариоты; 3 — многоклеточные; 4 — теплокровные; n — млекопитающие. Буквенные обозначения те же, что и на рис. 18.

Покажем схему усложнения структуры и функции организмов, начиная с пробионтной клетки и кончая млекопитающими, в том числе и человеком (рис. 19). В этом ряду несомненно усложнялась структура, но закреплялись только те варианты, которые приводили к существенному усилению функции, как того требует С + Э подход. Практически на каждом этапе, связанном с крупным ароморфозом, помимо усложнения структуры наблюдалась и дегенерация формы (структуры). На рисунке это отмечено стрелками А, загнутыми влево и вверх. Заметим, что к стрелкам А, указывающим на дегенерацию структуры млекопитающих, по-видимому, должна примыкать и стрелка Ачел, соответствующая человеку. Действительно, что касается структуры, то мы в эволюции немало потеряли: шерсть, спасающую от холода; острые клыки хищника; возможно, и хвосты, помогающие предкам лазать по деревьям. Но энергетика человека как вида возросла в десятки раз (см. гл. 9).

Общая тенденция увеличения угла наклона кривой отражает тот факт, что с повышением организации функция растет быстрее, и это во многом связано с цефализацией структуры. Следовательно, для более точных представлений о темпах эволюции необходимо привлекать и информационный подход. К этому же можно добавить, что возможность какого-либо ароморфоза у млекопитающих, связанного с сильным изменением структуры, мало вероятна. Эволюция из биологической трансформировалась в технологическую, особенно если иметь в виду энергетику человечества. Став глобальной силой, человечество способно вмешиваться в ход эволюции, переведя ее на направленный отбор, селекцию и регулируемую перестройку генотипов.

Хотелось бы обратить внимание на всеобщность и распространенность явления конвергенции, во многих случаях тесно связанного с явлением регресса формы. Конечно же, общими физическими законами определяются особенности и конкретные проявления конвергентности признаков на различных уровнях организации. Среди этих законов хорошо прослеживается действие обоих энергетических принципов. Как правило, конвергентное развитие приводит к наилучшему структурному варианту, позволяющему организму как можно больше изымать энергии (пищи) из окружения, при этом минимизируя собственные траты энергии на перемещение и ориентацию в пространстве и его использование.

Именно сходство условий существования определяет сходство форм и структур различных, а иногда и очень отдаленных таксонов. Это значит, что сходные признаки контролируются очень разными генами или генными комплексами. А это, в свою очередь, значит, что концепция: «Гены хотят жить и размножаться» — явно не состоятельна. Структура оказывается вторичной, подчиняясь функции, которая определяется местом организма (популяции, вида) в круговороте. Это заявление не имеет оттенка телеологичности, ибо с позиций С + Э подхода хорошо известно, что движущая сила развития — поток энергии — имеет физическую природу (а значит, и не имеет каких-либо целей).

Для оценки количественных аспектов изменения формы во времени требуется привлечение информационного подхода, т.е. использование С+Э+И концепции. При этом субстратный подход определит преемственность и модификации структур, энергетический — одну из главных функций, а информационный — скорости перестроек и развития. Можно надеяться, что на этом пути мы сумеем хотя бы в целом вычислять и прогнозировать эволюцию формы и функции и не только на малых отрезках времени.

11.3. Почему не выгодно прямое наследование приобретенных признаков

Проблема «наследование — ненаследование приобретенных призаков», примыкающая к задачам отношения наследственности и определенной — неопределенной изменчивости, стояла в самом центре внимания эволюционистов всех времен и направлений.

Еще Аристотель правильно угадал действие основных факторов эволюции, позднее названных мутациями и отбором: «Те органы и организмы, у которых все случайно оказалось целесообразным, выжили, а прочие погибли как неприспособленные» (цит. по [Берг, 1977, с.67]). Более глубоко идея о приспособительной эволюции была проработана Ж.Б. Ламарком, который достаточно убедительно показал, что все организмы в течение жизни приспосабливаются к окружающей среде. При этом изменяются и физические характеристики организма, и поведение — организм приобретает новые свойства. Приобретенные признаки передаются по наследству. Причиной всего этого является, по Ж.Б. Ламарку, «внутреннее стремление совершенству», заложенное Творцом.

Стоявший на материалистических позициях Ч. Дарвин резко отрицал какое-либо «стремление к совершенству», но и ему приходилось делать уступки сторонникам определенной изменчивости, преувеличивать роль «упражнения органов» в эволюции и передаче признаков по наследству. Однако абсолютизация случайности плохо увязывается с очевидностью прогрессивного развития жизни от пробионта до высшего растения или животного, включая человека.

Субстратный подход к изучению эволюции жизни, в основе которого лежит представление о самоорганизации, саморазвитии и самоусложнении живого, оставляет богатую пищу для различных толкований проблемы наследования-ненаследования. Поэтому, поднимаясь до «высоких абстракций» типа «единства организма и среды», очень просто взять на вооружение тезис о наследовании приобретенных признаков как адекватном реагировании организма на изменение условий среды, рассматривая его как адаптивную подстройку генотипа под оптимальный фенотип. (Речь идет о печальных временах доминирования псевдомарксистской диалектики Т.Д. Лысенко в нашей биологии.) Ненамного богаче в естественно-научном смысле и тезис «единства популяции и среды», хотя в философско-методологическом плане он более обоснован.

Что же в данном случае может дать учет энергетического подхода, а вернее, его сочетание с упомянутыми субстратным и информационным подходами? Можно ли попытаться объяснить, почему в эволюции «запрещено» прямое воздействие фенотипа на генотип, чем оно невыгодно? Почему справедлива центральная догма биологии — одна из крупнейших находок биологии нашего века, согласно которой информация с белка на нуклеиновую кислоту передаваться не может? Ведь совершенно очевидно, что адекватное реагирование организма, популяции, экосистемы на условия среды крайне необходимо для сохранения и эволюции всего живого! Например, из-за отсутствия обратной связи от фенотипа к генотипу для эволюции потеряно столько «блестящих» фенотипов, случайно появившихся гениальных находок, не переданных последующим поколениям. В чем же основа для существования такого запрета? Попробуем рассмотреть возможные ответы на основе комплексного подхода, т.е. С+Э+И концепции.