Квант ультрафиолета, проникнув в ядро, вызвал сшивку двух соседних пиримидиновых оснований, возник димер тимина (2). ДНК с таким дефектом не может работать, синтезировать себя или РНК. Молекулы ферментов ДНК– и РНК-полимераз, дойдя до сшивки, застрянут на ней, как застревает замок застежки-«молнии», если в нее попала нитка. Но не все потеряно, на помощь приходят ферменты-репаразы. Эндонуклеаза «отстригает» поврежденный участок (3–4), а брешь в двойной спирали достраивается другим ферментом, ДНК-полимеразой, по оставшейся комплементарной нити-матрице. Достроенный отрезок пришивается к старой последовательности ферментом лигазой. Этот процесс также активируется светом, но более длинноволновым (300–600 нанометров). Так что, если хотите сохранить свои генетические программы в целости, не загорайте на пляже, а грейтесь у камина. Репаразы «ремонтируют» участки ДНК, к которым присоединились молекулы мутагенов, разрывы нитей и ошибки спаривания. В норме остаются лишь доли процента возникающих мутаций, но и этого достаточно, чтобы обеспечить материалом эволюцию.
И тогда на помощь приходят ферменты-репаразы. Они выстригают кусок с повреждением, и в двойной нити ДНК образуется брешь. Матрицей для заполнения бреши служит сохранившийся кусок комплементарной последовательности, по ней строится участок взамен поврежденного и пришивается к старой нити особым ферментом-лигазой. Любопытно, что эта тонкая портняжная работа активируется светом, но не ультрафиолетовым, а более длинноволновым излучением, вплоть до инфракрасного (для человека – 300–600 нанометров). Так что с точки зрения охраны генетических программ гораздо полезнее греться у камина, чем загорать на пляжеРепарация лечит также места, где из ДНК флуктуациями температуры и pH вырваны пурины участки последовательностей, прореагировавшие с мутагенами, ошибочно спаренные нити ДНК, а так же однонитевые разрывы, обусловленные жесткой радиацией.А если повреждение захватило обе нити? Здесь работа сложнее, но репарация справляется и с такими дефектами. Описаны случаи репарации, по крайней мере, части двунитевых разрывов и поперечных сшивок нитей ДНК.По-видимому, репарирующие системы исправляют не менее 99 процентов всех возникающих мутаций, делая жизнь вообще возможной. Тем самым вопрос о недостаточности мутаций для объяснения эволюционного процесса снимается: мутаций не много и не мало, а ровно столько, сколько их пропускает репарационный барьер.Почему же репаразы иногда не срабатывают? Во-первых, гены кодирующие их синтез, также подвержены мутациям. В таких случаях резко возрастает скорость всех прочих мутаций, особенно хромосомных разрывов («синдром ломкости хромосом»). Во-вторых, ни одна система, подобно наборщикам и корректорам суворинского издательства, не может работать абсолютно безошибочно . В-третьих, система репараз рассчитана на некий средний уровень помех, но ведь некоторые помехи подвержены флуктуациям и часть организмов неизбежно попадает в условия, когда репарация не справляется. К сожалению, в наших современных условиях, когда резко возрос радиационный фон, а воздух, вода и пища насыщены мутагенами система репараций работает на пределе. Самое страшное, что может ожидать (и сделать с собой) человечество – это термоядерная война. Ее наши репарационные системы, вне всякого сомнения, не выдержат. И поджигатели войны, если не захотят обречь себя на пожизненное заключение в атомоубежищах будут вынуждены выйти в обреченный на гибель мир, где даже крысы будут отравлены.В течение более чем трех миллиардов лет процесс эволюции создавал чудесный механизм, способный поддерживать свою структуру и передавать ее из поколения в поколение. Было бы чудовищным преступлением перед самой жизнью уничтожить его в считанные минуты ядерного катаклизма.В конечном счете применение ядерного оружия – война против будущих, еще не появившихся на свет поколений. И не только ядерного оружия. Вспомним одну из самых позорных страниц американской войны во Вьетнаме. Под предлогом уничтожения джунглей как убежища партизан американская военщина сбросила на многострадальную вьетнамскую землю около 80 миллионов литров ядов.Я не знаю формулы этого яда; известно только его условное название – оранжевый, «ориндж» – по цвету контейнеров. Но, по-видимому, это сильнейший мутаген из разряда супермутагенов – типа нитрозоэтилмочевины или же производных иприта. До сих пор тысячи километров вьетнамской земли остаются мертвыми, на них вырастают лишь уродливые, неизбежно погибающие деревья. В той или иной мере яд попал в организмы не менее десяти процентов населения Вьетнама, сотни тысяч женщин бесплодны или же рождают на свет больных детей с аномалиями развития. «Ориндж», как бумеранг, ударил и по агрессорам: у тысяч бывших американских и австралийских солдат до сих пор рождаются дети-уроды. По всей вероятности, мутаген вызывает множественные аберрации, поломки хромосом.Эта мрачная быль хорошо иллюстрирует проблему: «много мутаций или мало». Как вы видите, малейшее превышение мутационного фона тяжело сказывается на судьбах популяций. Помехоустойчивость генетических программ не беспредельна: она достигла оптимума (без поправки на человеческие деяния).В заключение рассмотрим несколько гипотетических положений из разряда: «Что было бы, если бы…» Так вот, что было бы, если бы генетические программы обладали стопроцентной стабильностью и никакие факторы, как внешние, так и внутренние, не могли нарушить структуру генов?Ясно, что эволюция в таком случае не могла бы начаться: она не имела бы для себя материала. И мы до сих пор пребывали бы на стадии простейших организмов. Более того, сомнительно, чтобы мы даже дошли до этой стадии. Есть все основания полагать, что отбор случайных изменений – не только двигатель эволюции жизни, но и причина ее становления. Без мутаций отбор бессилен.Это, кстати, существенный довод против возможности существования во Вселенной каких-либо кремниевых или металлических форм жизни. Субстрат для нее должен быть достаточно лабилен, жизнь всегда идет по лезвию бритвы.А если бы все мутации прекратились сейчас и все генетические программы стали бы стабильными? Остановилась бы тогда эволюция?Не спешите с ответом. Дело в том, что все высшие организмы в норме имеют двойной набор хромосом, двойной набор генов. Мутации обычно проявляются в признаках фенотипа лишь в том случае, если унаследованы и от отца и от матери.Совокупности генотипов популяций всех организмов, размножающихся половым путем (генофонды), хранят огромный запас мутировавших тогда-то генов. Его хватит еще на тысячи поколений, даже если генетические структуры не будут больше изменяться. Так что эволюция высших организмов не остановится.А бактерии? У них только один набор генов, нет запасов «генетической памяти». Но, обмениваясь друг с другом генами через плазмиды и вирусы, они также могут успешно продолжать свою странную эволюцию – приспособление без прогресса.А теперь перейдем к последней, четвертой аксиоме биологии. Аксиома четвертая и последняя Из второго начала термодинамики, о котором говорилось в начале этих очерков, вытекает чрезвычайно важное следствие: нельзя получить энергию только отнимая у какого-либо тела тепло. При этом нужно нагревать какое-то другое тело.Помню, как вблизи экватора мы поднимали с километровой глубины большой батометр: из него потекла ледяная вода, а на поверхности температура была за тридцать. После вахты я на досуге стал изобретать некий генератор энергии. Состоять он должен был, насколько помню, из двух радиаторов, соединенных двумя трубами километровой длины. Легкокипящая жидкость, наподобие фреона, вскипала в верхнем, плавающем на поверхности моря, радиаторе; пары ее, прокрутив по дороге турбину, конденсировались в нижнем. Такой генератор охлаждал бы поверхностную воду и прогревал глубинную. Не будь солнца, он, конечно, остановился бы, как только температуры наверху и внизу сравнялись. Система пришла бы в равновесное, самое вероятное состояние. Теплота самопроизвольно не может переходить от холодного тела к менее холодному. Наоборот – пожалуйста.Но теплота – это кинетическая энергия хаотически движущихся молекул. Система «паровой котел – холодильник» с разницей температур менее вероятна, чем система, во всех частях которой средняя кинетическая энергия слагающих ее молекул одинакова. Во втором случае максимума достигает энтропия – так называют омертвленную энергию, которую нельзя превратить в работу. А энтропию физики определяют как логарифм вероятности состояния системы. Хаос вероятнее структуры – люди понимали это всегда. Именно ясным сознанием того, что порядок не может возникнуть из беспорядка, объясняется столь раннее становление двух противоборствующих теорий развития – преформизма и эпигенеза (смотри аксиому первую). Но, пожалуй, лишь великий физик Людвиг Больцман в прошлом веке выразил это количественно.И невозможность создания вечного двигателя второго рода, при работе которого возникает, а не выравнивается разность температур (или давлений, или электрических потенциалов), стала уже следствием более общего закона самопроизвольного перехода порядка в беспорядок.Все мы знаем, что для наведения порядка в квартире или хотя бы на письменном столе требуется затратить какую-то долю энергии. А вот беспорядок возникает сам, его специально создавать не нужно.Чтобы построить жилище – от первобытной хижины до высотного дома, – люди затрачивали уйму энергии. А судьба их творений, если их предоставить самим себе (то есть не тратить энергии на поддержание структуры), была одинаковой: они рассыпались, превращаясь в бесформенные, но зато более вероятные с точки зрения термодинамики груды строительных материалов. Энергия, затраченная на их сооружение, в конце концов переходила в энергию теплового движения молекул, омертвлялась.А сами структуры наших тел? Не начинают ли они в среднем после 50 лет постепенно распадаться, уступая непреложному росту энтропии? В конечном счете все успехи геронтологии лишь чуть-чуть затормаживают этот процесс. Об этом хорошо сказал Омар Хайам: В этом мире ты мудрым слывешь? Ну и что? Всем пример и совет подаешь? Ну и что? До ста лет ты намерен прожить? Допускаю. Может быть, до двухсот проживешь. Ну и что? Есть, по меньшей мере, добрая сотня гипотез (по некоторым подсчетам, их более двухсот) объясняющих, что такое старость и как с нею бороться. Я с трудом удерживаюсь от желания добавить к ним сто первую, которая кажется мне наиболее обоснованной. Но сейчас не это является нашей задачей. Мы должны понять, что второе начало термодинамики требует постепенного разрушения генетических программ наших клеток. Случайные, непредсказуемые и равнодушные к судьбам организмов изменения генетических программ приводят к нарушению стройного порядка поддержания фенотипов. «Жить значит умирать» (Ф. Энгельс).Но этого мало. Ведь клетки – предшественники гамет (яйцеклеток и спермиев) – также подвержены мутациям, которые, буде это случится, перейдут в следующее поколение. Дети передадут их внукам добавлением новых (вспоминаются древнеримские стихи: «Отцы были хуже, чем деды – нас негодных вырастили»). Получается, что игра в испорченный телефон от поколения к поколению в конце концов приведет к полному разрушению структур наших организмов, торжеству энтропии.Итак, мы пришли как будто к печальному выводу: хаос побеждает структуру. Случайные, ненаправленные изменения генетических программ должны, накапливаясь из поколения в поколение, разрушать и сами программы, и те фенотипы, которые этими программами кодируются.Если бы вывод был только печален. Но ведь он и неверен! Все мы отлично знаем, что структуры живых организмов сохраняются от поколения к поколению. Более того, мы знаем, что в ходе эволюции шло непрерывное усложнение структур. Два миллиарда лет назад на Земле обитали лишь бактерии и синезеленые водоросли. Каких-нибудь 200–300 миллионов лет спустя появляются организмы с оформленным ядром, пока еще простейшие одноклеточные, примитивные грибки. А дальше – кишечнополостные, черви, моллюски. 500 миллионов лет назад на сцену жизни выходят хордовые. «Век рыб» сменяется «веком земноводных», затем «веком рептилий» и, наконец, на высшие ступени в биосфере выходят млекопитающие, затем человек. Где же здесь победа энтропии?Да и подчиняется ли живая природа второму началу? Демон Максвелла. Чтобы решить эту проблему, вернемся назад. В прошлом веке великий физик Максвелл предложил поставить мысленный эксперимент. Представьте себе, говорил Максвелл, трубку, заполненную разреженным газом. Трубка посредине разделена перегородкой. В перегородке есть заслонка, дверца. Допустим, что у этой заслонки сидит некоторое существо (или устройство), различающее молекулы по скоростям. Пусть это существо (демон) открывает заслонку перед быстрыми молекулами и закрывает перед медленными, то есть сортирует их по энергиям.В результате отбора, производимого демоном, быстрые молекулы соберутся в одной половине трубки, а медленные в другой. Один конец устройства разогреется, другой охладится. Общая энергия устройства останется прежней, так что первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) мы не нарушим. Но система перешла от более вероятного состояния к менее вероятному. Демон получил разность температур, позволяющую совершить работу, в обход второго начала термодинамики.На рисунке показана схема, позволяющая воссоздать парадокс
Максвелла. Соберите электрическую цепь с диодом (или иным выпрямителем), пропускающим ток только в одном направлении. Свободные электроны в металле находятся в состоянии хаотического теплового движения (электронный газ). Как и во всяком газе, в нем возникают флуктуации мы их не видим, но слышим как шипение и потрескивание в динамике приемника (там они усиливаются, и они-то как раз являются помехой слабого сигнала). Диод должен сыграть роль демона: пропуская электроны в одну сторону, он создает разность потенциалов, за счет которой можно выполнить работу.Собрать такую схему в школьном кабинете физики – минутное дело. Еще быстрее мы убедимся, что диод не желает быть демоном – ток в схеме не возникает. Причина? Вернемся к примеру с разреженным газом в трубке. За неимением демона снабдим заслонку какой-нибудь пружиной, которая позволит дверце открываться только после удара быстро движущейся молекулы с высокой энергией. Дверца откроется, чтобы пропустить молекулу, но при этом отнимет у нее энергию на деформацию пружины! В случае с электронами роль пружины выполняет сопротивление диода.А если у нас все-таки есть демон? Допустим его существование, ведь эксперимент у нас мысленный. Можно допустить даже и то, что на открывание заслонки энергия не расходуется. Но каким образом наш привратник узнает, какую молекулу надо пропустить, а какую нет? Он должен знать скорость молекул, непрерывно получать информацию об их координатах в каждый момент времени. Но информация не дается даром: Л. Бриллюэн показал, что затраты на различение молекул с лихвой компенсируют возможный прирост энергии. Как не вспомнить шутливое замечание о том, что первое начало термодинамики утверждает, что в игре с природой нельзя выиграть, а второе – что нельзя даже остаться «при своих». На атомно-молекулярном уровне отбор оказывается невозможным.А в живой природе? Тут вступает в действие принцип, который Н. В. Тимофеев назвал принципом усилителя. Правильнее называть его принципом усиления так как под словом «усилитель» обычно подразумевают какое-либо устройство, специально созданное для этой цели. Понять его действие можно из примера, приводимого В. А. Ратнером. Допустим, мы имеем оплодотворенную яйцеклетку – носительницу мутации какого-нибудь гена, кодирующего важный для жизни фермент. В процессе роста и развития организма яйцеклетка превратилась в миллион миллиардов клеток (1015). Соответственно умножились гены. Каждый ген продуцирует, допустим, сто молекул мРНК и на каждой молекуле мРНК синтезируется в среднем сто молекул фермента. Наконец, каждая молекула фермента в минуту осуществляет, скажем, 10 000 актов какой-либо реакции. Итак, 1015•102•102•104= 1023. Вам, должно быть, известно число Авогадро: количество молекул в моле примерно равно 6 • 1023. Вот насколько усиливаются результаты одного-единственного квантового скачка одной мутации!Это уже ощутимые количества, с которыми может работать демон. И такой демон существует – это естественный отбор, «демон Дарвина» , как удачно его назвал известный биохимик, популяризатор и фантаст Айзек Азимов. Именно отбор пропускает в следующее поколение организмы со структурой, не слишком сильно измененной, или с изменением, дающим повышенные шансы на выживание и дальнейшее размножение.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
И тогда на помощь приходят ферменты-репаразы. Они выстригают кусок с повреждением, и в двойной нити ДНК образуется брешь. Матрицей для заполнения бреши служит сохранившийся кусок комплементарной последовательности, по ней строится участок взамен поврежденного и пришивается к старой нити особым ферментом-лигазой. Любопытно, что эта тонкая портняжная работа активируется светом, но не ультрафиолетовым, а более длинноволновым излучением, вплоть до инфракрасного (для человека – 300–600 нанометров). Так что с точки зрения охраны генетических программ гораздо полезнее греться у камина, чем загорать на пляжеРепарация лечит также места, где из ДНК флуктуациями температуры и pH вырваны пурины участки последовательностей, прореагировавшие с мутагенами, ошибочно спаренные нити ДНК, а так же однонитевые разрывы, обусловленные жесткой радиацией.А если повреждение захватило обе нити? Здесь работа сложнее, но репарация справляется и с такими дефектами. Описаны случаи репарации, по крайней мере, части двунитевых разрывов и поперечных сшивок нитей ДНК.По-видимому, репарирующие системы исправляют не менее 99 процентов всех возникающих мутаций, делая жизнь вообще возможной. Тем самым вопрос о недостаточности мутаций для объяснения эволюционного процесса снимается: мутаций не много и не мало, а ровно столько, сколько их пропускает репарационный барьер.Почему же репаразы иногда не срабатывают? Во-первых, гены кодирующие их синтез, также подвержены мутациям. В таких случаях резко возрастает скорость всех прочих мутаций, особенно хромосомных разрывов («синдром ломкости хромосом»). Во-вторых, ни одна система, подобно наборщикам и корректорам суворинского издательства, не может работать абсолютно безошибочно . В-третьих, система репараз рассчитана на некий средний уровень помех, но ведь некоторые помехи подвержены флуктуациям и часть организмов неизбежно попадает в условия, когда репарация не справляется. К сожалению, в наших современных условиях, когда резко возрос радиационный фон, а воздух, вода и пища насыщены мутагенами система репараций работает на пределе. Самое страшное, что может ожидать (и сделать с собой) человечество – это термоядерная война. Ее наши репарационные системы, вне всякого сомнения, не выдержат. И поджигатели войны, если не захотят обречь себя на пожизненное заключение в атомоубежищах будут вынуждены выйти в обреченный на гибель мир, где даже крысы будут отравлены.В течение более чем трех миллиардов лет процесс эволюции создавал чудесный механизм, способный поддерживать свою структуру и передавать ее из поколения в поколение. Было бы чудовищным преступлением перед самой жизнью уничтожить его в считанные минуты ядерного катаклизма.В конечном счете применение ядерного оружия – война против будущих, еще не появившихся на свет поколений. И не только ядерного оружия. Вспомним одну из самых позорных страниц американской войны во Вьетнаме. Под предлогом уничтожения джунглей как убежища партизан американская военщина сбросила на многострадальную вьетнамскую землю около 80 миллионов литров ядов.Я не знаю формулы этого яда; известно только его условное название – оранжевый, «ориндж» – по цвету контейнеров. Но, по-видимому, это сильнейший мутаген из разряда супермутагенов – типа нитрозоэтилмочевины или же производных иприта. До сих пор тысячи километров вьетнамской земли остаются мертвыми, на них вырастают лишь уродливые, неизбежно погибающие деревья. В той или иной мере яд попал в организмы не менее десяти процентов населения Вьетнама, сотни тысяч женщин бесплодны или же рождают на свет больных детей с аномалиями развития. «Ориндж», как бумеранг, ударил и по агрессорам: у тысяч бывших американских и австралийских солдат до сих пор рождаются дети-уроды. По всей вероятности, мутаген вызывает множественные аберрации, поломки хромосом.Эта мрачная быль хорошо иллюстрирует проблему: «много мутаций или мало». Как вы видите, малейшее превышение мутационного фона тяжело сказывается на судьбах популяций. Помехоустойчивость генетических программ не беспредельна: она достигла оптимума (без поправки на человеческие деяния).В заключение рассмотрим несколько гипотетических положений из разряда: «Что было бы, если бы…» Так вот, что было бы, если бы генетические программы обладали стопроцентной стабильностью и никакие факторы, как внешние, так и внутренние, не могли нарушить структуру генов?Ясно, что эволюция в таком случае не могла бы начаться: она не имела бы для себя материала. И мы до сих пор пребывали бы на стадии простейших организмов. Более того, сомнительно, чтобы мы даже дошли до этой стадии. Есть все основания полагать, что отбор случайных изменений – не только двигатель эволюции жизни, но и причина ее становления. Без мутаций отбор бессилен.Это, кстати, существенный довод против возможности существования во Вселенной каких-либо кремниевых или металлических форм жизни. Субстрат для нее должен быть достаточно лабилен, жизнь всегда идет по лезвию бритвы.А если бы все мутации прекратились сейчас и все генетические программы стали бы стабильными? Остановилась бы тогда эволюция?Не спешите с ответом. Дело в том, что все высшие организмы в норме имеют двойной набор хромосом, двойной набор генов. Мутации обычно проявляются в признаках фенотипа лишь в том случае, если унаследованы и от отца и от матери.Совокупности генотипов популяций всех организмов, размножающихся половым путем (генофонды), хранят огромный запас мутировавших тогда-то генов. Его хватит еще на тысячи поколений, даже если генетические структуры не будут больше изменяться. Так что эволюция высших организмов не остановится.А бактерии? У них только один набор генов, нет запасов «генетической памяти». Но, обмениваясь друг с другом генами через плазмиды и вирусы, они также могут успешно продолжать свою странную эволюцию – приспособление без прогресса.А теперь перейдем к последней, четвертой аксиоме биологии. Аксиома четвертая и последняя Из второго начала термодинамики, о котором говорилось в начале этих очерков, вытекает чрезвычайно важное следствие: нельзя получить энергию только отнимая у какого-либо тела тепло. При этом нужно нагревать какое-то другое тело.Помню, как вблизи экватора мы поднимали с километровой глубины большой батометр: из него потекла ледяная вода, а на поверхности температура была за тридцать. После вахты я на досуге стал изобретать некий генератор энергии. Состоять он должен был, насколько помню, из двух радиаторов, соединенных двумя трубами километровой длины. Легкокипящая жидкость, наподобие фреона, вскипала в верхнем, плавающем на поверхности моря, радиаторе; пары ее, прокрутив по дороге турбину, конденсировались в нижнем. Такой генератор охлаждал бы поверхностную воду и прогревал глубинную. Не будь солнца, он, конечно, остановился бы, как только температуры наверху и внизу сравнялись. Система пришла бы в равновесное, самое вероятное состояние. Теплота самопроизвольно не может переходить от холодного тела к менее холодному. Наоборот – пожалуйста.Но теплота – это кинетическая энергия хаотически движущихся молекул. Система «паровой котел – холодильник» с разницей температур менее вероятна, чем система, во всех частях которой средняя кинетическая энергия слагающих ее молекул одинакова. Во втором случае максимума достигает энтропия – так называют омертвленную энергию, которую нельзя превратить в работу. А энтропию физики определяют как логарифм вероятности состояния системы. Хаос вероятнее структуры – люди понимали это всегда. Именно ясным сознанием того, что порядок не может возникнуть из беспорядка, объясняется столь раннее становление двух противоборствующих теорий развития – преформизма и эпигенеза (смотри аксиому первую). Но, пожалуй, лишь великий физик Людвиг Больцман в прошлом веке выразил это количественно.И невозможность создания вечного двигателя второго рода, при работе которого возникает, а не выравнивается разность температур (или давлений, или электрических потенциалов), стала уже следствием более общего закона самопроизвольного перехода порядка в беспорядок.Все мы знаем, что для наведения порядка в квартире или хотя бы на письменном столе требуется затратить какую-то долю энергии. А вот беспорядок возникает сам, его специально создавать не нужно.Чтобы построить жилище – от первобытной хижины до высотного дома, – люди затрачивали уйму энергии. А судьба их творений, если их предоставить самим себе (то есть не тратить энергии на поддержание структуры), была одинаковой: они рассыпались, превращаясь в бесформенные, но зато более вероятные с точки зрения термодинамики груды строительных материалов. Энергия, затраченная на их сооружение, в конце концов переходила в энергию теплового движения молекул, омертвлялась.А сами структуры наших тел? Не начинают ли они в среднем после 50 лет постепенно распадаться, уступая непреложному росту энтропии? В конечном счете все успехи геронтологии лишь чуть-чуть затормаживают этот процесс. Об этом хорошо сказал Омар Хайам: В этом мире ты мудрым слывешь? Ну и что? Всем пример и совет подаешь? Ну и что? До ста лет ты намерен прожить? Допускаю. Может быть, до двухсот проживешь. Ну и что? Есть, по меньшей мере, добрая сотня гипотез (по некоторым подсчетам, их более двухсот) объясняющих, что такое старость и как с нею бороться. Я с трудом удерживаюсь от желания добавить к ним сто первую, которая кажется мне наиболее обоснованной. Но сейчас не это является нашей задачей. Мы должны понять, что второе начало термодинамики требует постепенного разрушения генетических программ наших клеток. Случайные, непредсказуемые и равнодушные к судьбам организмов изменения генетических программ приводят к нарушению стройного порядка поддержания фенотипов. «Жить значит умирать» (Ф. Энгельс).Но этого мало. Ведь клетки – предшественники гамет (яйцеклеток и спермиев) – также подвержены мутациям, которые, буде это случится, перейдут в следующее поколение. Дети передадут их внукам добавлением новых (вспоминаются древнеримские стихи: «Отцы были хуже, чем деды – нас негодных вырастили»). Получается, что игра в испорченный телефон от поколения к поколению в конце концов приведет к полному разрушению структур наших организмов, торжеству энтропии.Итак, мы пришли как будто к печальному выводу: хаос побеждает структуру. Случайные, ненаправленные изменения генетических программ должны, накапливаясь из поколения в поколение, разрушать и сами программы, и те фенотипы, которые этими программами кодируются.Если бы вывод был только печален. Но ведь он и неверен! Все мы отлично знаем, что структуры живых организмов сохраняются от поколения к поколению. Более того, мы знаем, что в ходе эволюции шло непрерывное усложнение структур. Два миллиарда лет назад на Земле обитали лишь бактерии и синезеленые водоросли. Каких-нибудь 200–300 миллионов лет спустя появляются организмы с оформленным ядром, пока еще простейшие одноклеточные, примитивные грибки. А дальше – кишечнополостные, черви, моллюски. 500 миллионов лет назад на сцену жизни выходят хордовые. «Век рыб» сменяется «веком земноводных», затем «веком рептилий» и, наконец, на высшие ступени в биосфере выходят млекопитающие, затем человек. Где же здесь победа энтропии?Да и подчиняется ли живая природа второму началу? Демон Максвелла. Чтобы решить эту проблему, вернемся назад. В прошлом веке великий физик Максвелл предложил поставить мысленный эксперимент. Представьте себе, говорил Максвелл, трубку, заполненную разреженным газом. Трубка посредине разделена перегородкой. В перегородке есть заслонка, дверца. Допустим, что у этой заслонки сидит некоторое существо (или устройство), различающее молекулы по скоростям. Пусть это существо (демон) открывает заслонку перед быстрыми молекулами и закрывает перед медленными, то есть сортирует их по энергиям.В результате отбора, производимого демоном, быстрые молекулы соберутся в одной половине трубки, а медленные в другой. Один конец устройства разогреется, другой охладится. Общая энергия устройства останется прежней, так что первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) мы не нарушим. Но система перешла от более вероятного состояния к менее вероятному. Демон получил разность температур, позволяющую совершить работу, в обход второго начала термодинамики.На рисунке показана схема, позволяющая воссоздать парадокс
Максвелла. Соберите электрическую цепь с диодом (или иным выпрямителем), пропускающим ток только в одном направлении. Свободные электроны в металле находятся в состоянии хаотического теплового движения (электронный газ). Как и во всяком газе, в нем возникают флуктуации мы их не видим, но слышим как шипение и потрескивание в динамике приемника (там они усиливаются, и они-то как раз являются помехой слабого сигнала). Диод должен сыграть роль демона: пропуская электроны в одну сторону, он создает разность потенциалов, за счет которой можно выполнить работу.Собрать такую схему в школьном кабинете физики – минутное дело. Еще быстрее мы убедимся, что диод не желает быть демоном – ток в схеме не возникает. Причина? Вернемся к примеру с разреженным газом в трубке. За неимением демона снабдим заслонку какой-нибудь пружиной, которая позволит дверце открываться только после удара быстро движущейся молекулы с высокой энергией. Дверца откроется, чтобы пропустить молекулу, но при этом отнимет у нее энергию на деформацию пружины! В случае с электронами роль пружины выполняет сопротивление диода.А если у нас все-таки есть демон? Допустим его существование, ведь эксперимент у нас мысленный. Можно допустить даже и то, что на открывание заслонки энергия не расходуется. Но каким образом наш привратник узнает, какую молекулу надо пропустить, а какую нет? Он должен знать скорость молекул, непрерывно получать информацию об их координатах в каждый момент времени. Но информация не дается даром: Л. Бриллюэн показал, что затраты на различение молекул с лихвой компенсируют возможный прирост энергии. Как не вспомнить шутливое замечание о том, что первое начало термодинамики утверждает, что в игре с природой нельзя выиграть, а второе – что нельзя даже остаться «при своих». На атомно-молекулярном уровне отбор оказывается невозможным.А в живой природе? Тут вступает в действие принцип, который Н. В. Тимофеев назвал принципом усилителя. Правильнее называть его принципом усиления так как под словом «усилитель» обычно подразумевают какое-либо устройство, специально созданное для этой цели. Понять его действие можно из примера, приводимого В. А. Ратнером. Допустим, мы имеем оплодотворенную яйцеклетку – носительницу мутации какого-нибудь гена, кодирующего важный для жизни фермент. В процессе роста и развития организма яйцеклетка превратилась в миллион миллиардов клеток (1015). Соответственно умножились гены. Каждый ген продуцирует, допустим, сто молекул мРНК и на каждой молекуле мРНК синтезируется в среднем сто молекул фермента. Наконец, каждая молекула фермента в минуту осуществляет, скажем, 10 000 актов какой-либо реакции. Итак, 1015•102•102•104= 1023. Вам, должно быть, известно число Авогадро: количество молекул в моле примерно равно 6 • 1023. Вот насколько усиливаются результаты одного-единственного квантового скачка одной мутации!Это уже ощутимые количества, с которыми может работать демон. И такой демон существует – это естественный отбор, «демон Дарвина» , как удачно его назвал известный биохимик, популяризатор и фантаст Айзек Азимов. Именно отбор пропускает в следующее поколение организмы со структурой, не слишком сильно измененной, или с изменением, дающим повышенные шансы на выживание и дальнейшее размножение.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19