9.3. Детерминизм в науках о живой природе

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 
34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 
51 52 53 54 

Науки о живой природе в настоящее время объединяются биологией. Начала современной биологии заложены Ч. Дарвиным и Г. Менделем; первым установлена эволюция видов путем отбора более приспособленных к окружающей среде, вторым – сохранение наследственности потомками, свойства которых задаются комбинацией хромосом предков. Основные идеи Ч. Дарвина содержатся в современной теории эволюции популяций; идеи Г. Менделя развиты в молекулярной генетике. Синтез идей эволюции и генетики в значительной степени достигнут в генетике популяций, олицетворяющей современную биологию как теорию эволюции видов.

Ознакомившись с названиями наиболее общих разделов биологии, можно обратиться к рассмотрению особенностей обусловленности явлений живой природы, как их представляет биология.

Чтобы выяснить обусловленность явлений жизни, нужно определить, что такое жизнь. Число атрибутов (определений) жизни велико и многообразно. Среди них – способность к самовоспроизведению, обмен веществ, рост и развитие, сохранение постоянства состояния при относительно широко меняющихся внешних условиях и т.п. Помимо перечисленных атрибутов, важнейшим атрибутом жизни служит высокая степень внутренней упорядоченности, организации, – структурной и функциональной. Кажется даже, что сущность жизни – это первичная организация в живых объектах. Однако, такое определение сущности жизни упрощенно, что можно показать на примере отождествления структуры с наследственностью, одним из атрибутов эволюции живого. Допустив, что наследственность целиком представлена структурой двуспиральной молекулы ДНК, придется признать, что структура ДНК воплощает в себе не только материальный носитель наследственности (механизм хранения и передачи наследственных свойств), но и само содержание наследственности (ее свойства, присущие не молекулам ДНК, а организму). Если структура молекул ДНК служит носителем, кодом, знаком наследственных свойств, то в общем случае нет достаточных оснований предполагать однозначную связь между знаком и его значением, т.е. структурой молекул ДНК и наследственными свойствами. Кроме того, вряд ли несколько десятков видов, особенностей спиралей ДНК могут исчерпать однозначно разнообразие наследственных свойств. Однозначную связь между знаком и значением трудно найти даже в явлениях неживой природы.

Жизнь – это результат действия множества отдельных систем, образующих длинную последовательность уровней усложненности. В системном представлении, жизнь является системой систем с резко выраженным характером не параллельного, а последовательного соединения. Тем самым вся последовательность оказывается иерархической. Создается система звеньев с двойственным статусом: по отношению к нижележащему данное звено является независимым целым, а по отношению к вышележащему звену – зависимой частью. Этот иерархический принцип охватывает все ступени, начиная с атомных и молекулярных явлений, простирающихся на ничтожные расстояния, и кончая взаимоотношениями в человеческом обществе, где возможны взаимодействия на больших расстояниях, в результате чего возникает высокоорганизованная структура.

До недавнего времени наука преимущественно уделяла внимание линейным зависимостям, таким как зависимости между причиной и следствием, возбуждением и реакцией и т.п. Несколько позднее возникли проблемы неорганизованных сложностей, которые решались на путях статистического подхода. В настоящее время ученых все больше занимают проблемы упорядоченных сложностей на всех уровнях иерархической структуры мироздания. Иерархический принцип воплощается и в неживой природе: его можно проследить, например, в таких системах, как планетные и галактические; но многообразие его проявлений и, в частности, роль обратных связей, особо важных в биологических иерархиях, там выражены гораздо слабее.

Чем выше уровень сложности системы, тем отчетливей выступают нелинейные эффекты, и это в особой мере присуще биологическим иерархиям. Их важнейшей особенностью служит возникновение новых свойств, которые не могут быть выведены или предсказаны на основе экстраполяции свойств тех элементов, из которых рассматриваемая иерархическая структура построена.

Теория общей биологии призвана дать объяснение возникновению и действию иерархических ограничений, обеспечивающих выполнение материей когерентных (т.е. внутренне согласованных) функций. Подобный подход к теории общей биологии придает первостепенное значение взаимоотношениям контролирующего характера в деятельности иерархических живых систем. С позиции приоритета иерархического контроля, если есть некоторая целостность, оказывающая воздействия контролирующего характера на другие объекты и в то же время находящаяся под контролем объектов более высокой ступени организации, то это указывает на наличие иерархической структуры.

В области социальных структур, откуда по существу и заимствовано понятие об иерархиях, в средневековом строе, с его королем, князьями, полководцами, рыцарями, воинами, ремесленниками, крестьянами, на первое место выступали элементы власти, прав, повеления, господства, направленные всегда однозначно от высших членов иерархии к низшим, т.е. главенствовало начало подчиненности. В противоположность этому в биологических иерархиях подчиненность в преобладающем числе случаев выступает в форме контроля, при осуществлении которого важная роль принадлежит обратным связям, могущим быть направленными как сверху вниз, так и наоборот, от низшего уровня к высшему. Один пример может проиллюстрировать такого рода соотношения.

Молекула белка состоит из цепи остатков аминокислот, числом от десятков до сотен. Белковая молекула, обладающая сложной пространственной конфигурацией, которая придает ей ее важнейшие свойства, являет собой образование более высокого иерархического уровня, чем составляющие ее многочисленные отдельные аминокислотные остатки. Когда низшие звенья, аминокислоты, входят в состав целого, у них изменяется часть свойств, присущих им в свободном состоянии или в составе небольших полипептидных структур. Например, меняется их растворимость, подвижность, способность к диффузии, доступность пептидных связей действию протеиназ и т.д. Но в то же время известно, что макромолекулярная пространственная, так называемая третичная структура белковой молекулы предопределена первичной структурой, т.е. порядком расположения аминокислот в пептидном скелете. Таким образом, низшее (нижестоящее) звено иерархии оказывает направляющее влияние на свойства высшего (вышестоящего) звена. Ведущими началами в биологических иерархиях выступают элементы координирования и кооперации, а не доминирование и подчиненность. Становление же биологических иерархий осуществляется рядом процессов интеграции.

В построении материальной основы объектов живого мира принимают участие все те же силы, которые известны из изучения предметов неживого мира, – от чисто механических, как силы трения (например, при образовании разного рода жгутов и фибриллярных (тонких внутриклеточных волокон) структур), и до главновалентных сил при создании химических веществ. Названные крайние члены этого ряда в явлениях биологической интеграции играют ограниченную роль, например, при замыкании главновалентных связей при включении (интеграции) новой генетической информации в наследственный аппарат (геном) клетки. Доминирующее значение в явлениях биологической интеграции принадлежит межмолекулярным силам слабого взаимодействия. В отличие от главновалентных сил, характеризующихся значительной энергией, порядка десятков килокалорий на моль, и могущих действовать на расстояниях многих ангстрем, энергия слабого взаимодействия лежит в пределах 1-8 калорий на моль. Соответственно этому и действуют эти силы лишь на расстояниях между молекулами не более 5 ангстрем (1·10 см) («Ван-дер-Ваальсов контакт»). К данной категории принадлежат многочисленные, различные по природе силы: силы водородных связей, силы электростатического притяжения, силы гидрофобных взаимодействий, силы переноса зарядов и т.д. Именно эти слабые силы, действующие в своей совокупности и обладающие строгой пространственной локализацией, создают те силовые поля, которые управляют взаимодействиями молекулярных структур.

На первый взгляд кажется, что интеграция действует вопреки второму началу термодинамики. Это начало требует, чтобы всякий самопроизвольно протекающий процесс совершался с возрастанием энтропии. Такие процессы в первую очередь характеризуются возрастанием неупорядоченности, уменьшением порядка. Между тем интеграция всегда ведет к увеличению порядка, через возникновение новой, более усложненной системы. На самом деле противоречие здесь только видимое, так как интеграция всегда идет в направлении уменьшения свободной энергии системы. Это наглядно иллюстрируется опытом Фестера: намагниченные кубики при встряхивании приобретают весьма упорядоченное расположение, выстраиваясь линейно. Выигрыш, состоящий в уменьшении свободной энергии системы в результате слипания разноименных магнитов, во много раз превышает возрастание негэнтропии в результате преодоления первоначального расположения их.

Высокая прочность главновалентных связей придает им характер устойчивости, тогда как, в противоположность этому, связи слабых взаимодействий отличаются подвижностью, более подвержены воздействию вторичных факторов среды, они проявляют черты кооперативности действия, изменения. Множественность их форм, детерминированность пространственной локализации создают все предпосылки для того, чтобы именно в совокупности этих слабых сил усматривать движущее начало всех явлений интеграции.

Явлениям интеграции свойственна строгая избирательность, детерминированность особенностями слабых связей и их пространственных конфигураций. Если бы этого не было, то вместо возрастания упорядоченности интеграция свелась бы к простой случайности, и чаще вела бы не к возникновению нового порядка, а к хаосу. Отношения между партнерами по интеграции напоминают взаимоотношения типа «узнавания». В биологии под узнаванием понимают направленное и пространственно выраженное установление контактов молекул биополимеров между собой (а также с более низкомолекулярными биологически активными соединениями или метаболитами, т.е. промежуточными продуктами обмена веществ). Эти контакты устанавливаются под действием слабых сил межмолекулярных взаимодействий. Здесь возможны взаимоотношения между представителями в пределах одной группы, т.е. либо белков, либо нуклеиновых кислот, или же между членами двух разных групп, т.е. белково-нуклеиновых узнаваниях.

Широко распространены явления узнавания между белковыми молекулами. Главную массу белков клетки составляют белки-ферменты. И для подавляющего числа обследованных ферментов оказалось, что их молекулы построены из своеобразных субъединиц – отдельных полипептидных цепей. Взаимодействие между белковыми молекулами основано на узнавании полимерных аминокислотных цепей. Сходное узнавание лежит в основе взаимодействия иммунных антител с соответствующими белками-антигенами.

Наилучше изученными являются основы узнавания в группе нуклеиновых кислот, где ведущая роль принадлежит принципу взаимодополняющих (комплиментарных) нуклеотидных пар в соответствии с правилом об эквивалентном соотношении пуриновых и пиримидиновых остатков в структуре нуклеиновых кислот.

На основе этого рода узнавания происходит взаимодействие между транспортными нуклеиновыми кислотами (т РНК), несущими аминокислоту, и так называемыми матричными нуклеиновыми кислотами (м РНК), несущими генетическую информацию в процессе синтеза белка. Сюда же относятся многочисленные явления межмолекулярной «гибридизации», широко используемой в экспериментальных целях и играющей большую роль в генной инженерии.

Явления межнуклеотидного узнавания лежат в основе всего важнейшего для жизни процесса передачи наследственной информации, как между сменяющими друг друга поколениями, так и в пределах существования отдельного организма. Поток генетической информации складывается из многочисленных последовательных звеньев. На всех этапах его усвоения узнавание должно происходить с максимальной точностью, язык узнавания должен работать безупречно. И действительно природой это достигнуто: «ошибки», проявляющиеся в виде мутаций, в естественных условиях необычайно редки, порядка одной на сто тысяч и даже миллион в пересчете на одну клетку и одну генерацию. Старательный корректор – эволюция отбирает и отбрасывает ошибки, угрожающие будущей судьбе рода, и снисходительно оставляет и сохраняет те, в которых таится что-то полезное.

Совершенно иной выглядит ситуация узнавания между представителями разных классов биополимеров – белками и нуклеиновыми кислотами. Основная трудность здесь задается тем, что в поисках «общего языка», обеспечивающего возможность взаимного узнавания, один партнер (нуклеиновый) оперирует четырьмя или пятью буквами алфавита, а другой (белковый) – двадцатью буквами, которыми в данном случае являются двадцать главных аминокислот, участвующих в построении практически всех белков.

Биологическое значение этого вида узнавания огромно. С одной стороны, нуклеопротеидный тип строения, т.е. комплекс белка и нуклеиновой кислоты, свойствен таким биологическим образованиям, как вирусы и хромосомы (средоточие всех явлений наследственности). С другой стороны, весь процесс усвоения информации определяется взаимодействиями, обусловленными узнаванием между белками-ферментами и нуклеиновыми кислотами. Если, по аналогии с ситуацией при узнавании между нуклеиновыми кислотами, говорить о «языке» узнавания между двумя классами биополимеров, то необходимо найти связующее звено, обеспечивающее общность языка нуклеиновых кислот с его четырьмя буквами, нуклеиновыми основаниями, и белкового языка с его двадцатью буквами, двадцатью аминокислотами.

Для обеспечения важнейшего процесса биосинтеза белковой молекулы на основе генетической записи в химической структуре нуклеиновых кислот, природа нашла решение в объединении двух противоположных начал – многообразия и единообразия. Это достигается путем адапторного механизма с участием транспортных нуклеиновых кислот (т РНК). Индивидуальные представители этой строго очерченной группы нуклеиновых кислот содержат в своей структуре, с одной стороны, один из 64 кодирующих триплетов (группировки из трех нуклеотидов), узнающих строго заданный комплиментарный триплет в матричной нуклеиновой кислоте, несущей генную информацию. Вместе с тем, все молекулы т РНК содержат в своей структуре, на одном из концов полинуклеотидной цепи, одну и ту же, общую для всех индивидуумов, единообразную группировку (состоящую из двух остатков цитозина и концевого остатка аденина). Именно эта группировка реагирует единообразно с любой из 20 аминокислот. Таким образом, в одной сравнительно небольшой молекуле транспортной нуклеиновой кислоты оказываются объединенными через ее структуру и функции, два противоположных начала – множественность кодирующих триплетов и единообразие взаимодействия с аминокислотами.

Ознакомившись с основными положениями об обусловленности явлений жизни в молекулярной генетике, необходимо рассмотреть судьбу представлений о детерминантах жизни на макроскопическом уровне, основу которых составляет учение Ч. Дарвина.

Происхождение жизни уточнено с позиции молекулярно-системных представлений об основах жизни. Оно разделяется на два этапа. Первым этапом была химическая эволюция, во время которой физико-химически (абиотически) возникли нуклеотиды и аминокислоты. Второй этап – это объединение независимо синтезированных нуклеотидов и белков в систему взаимодействующих элементов. Этой системе оказались свойственны зачаточные формы воспроизведения и обмена веществ. В результате появления мембран с выборочной проницаемостью возникла клетка как открытая, саморегулирующаяся и самовоспроизводящаяся система.

Третий этап – это история жизни. На этом этапе происходит накопление исторического опыта путем отбора мутаций нуклеиновых кислот, создание аппарата генетической информации, преобразование опыта поколений в целесообразность строения и функций.

Существует мнение, что жизнь – это обязательное следствие химической эволюции в соответствующих условиях. При этом, если жизнь – обязательное продолжение химической эволюции, то организмы должны были возникать многократно из разных химических веществ. На самом же деле налицо единство строительных блоков белков и нуклеиновых кислот и общего химического состава клетки.

Известно, что в первичном океаническом бульоне – месте появления жизни – аминокислоты были представлены смесью L- и Д-стереоизомеров, одинаковых по структуре и реакционноспособности. При неоднократном, независимом друг от друга появлении живых систем должны были быть как лево-, так правоизомеры. Этого нет, все живые системы содержат только L-аминокислоты. Участие только L-изомеров указывает на уникальность и случайность включения этих изомеров в первую живую систему.

Молекулярная генетика вскрыла природу мутаций как химических и других изменений в генах и хромосомах. Доказан факт, что мутации в отношении приспособительных потребностей организмов имеют ненаправленный характер, могут быть вредными, полезными и нейтральными. Эти данные подняли на новый уровень принципы дарвинистского учения о факторах эволюции.

Объективно случайные изменения, не преследующие никаких целей, возникающие в качестве мутаций под действием вполне определенных внешних и внутренних причин, представляют собой тот материал, из которого и вместе с которым естественный отбор творит закономерный процесс эволюции. Неопределенная изменчивость постоянно оберегает популяции и виды от специализации. Благодаря разнонаправленности процессов мутаций виды несут в себе черты эволюционной неспециализированности, что обеспечивает возможности самых разнообразных форм и направлений для эволюции и селекции. Целесообразность – это то историческое приобретение организмов, которое необходимо определяется их связью с внешней средой, но при этом создается отбором из объективно случайных уклонений. Вместо понятия об отборе как результате борьбы всех против всех, теперь следует говорить о вероятности успеха при оставлении потомства. Путем статистических закономерностей, вне всякой борьбы за существование, нейтральные мутации способны изменять генофонды популяций. До генетики теория эволюции сосредоточивалась на изменениях организма (их физиологии и анатомии). Генетика переориентировала теорию эволюции с организма на популяцию – группу особей. Популяции стали носителями внутривидовой изменчивости и видообразования. Генетика позволила соединить микро- и макроэволюцию.

Что касается возникновения и эволюции человека, то здесь генетика популяций может сказать немногое. Отвергнув гипотезу о первичной роли труда, превратившегося из случайного в необходимый фактор существования в отсутствие собирательства, популяционная генетика столкнулась с проблемой происхождения мозга, необычного по биологическим потребностям и меркам, позволившего сознательно трудиться. В то же время признается, что генетическая эволюция шла путем отбора мутаций, но социальное наследование касалось надбиологической сферы, оно не записывалось в генах.

В результате рассмотрения обусловленности явлений жизни стало очевидным, что она сложнее и многообразнее обусловленности явлений неживой природы, но не перестает быть естественной, природной, материальной.