Зміст
Введення
Аксіома перша
Аксіома друга
Аксіома третя
Аксіома четверта і остання
Висновок
Список літератури
Введення
АКСІОМА (грец. Axioma), положення, прийняте без логічного доказу в силу безпосередньої переконливості; істинне вихідне положення теорії.
У сучасному уявленні біологія - сукупність наук про живу природу - про величезному різноманітті вимерлих і нині населяють Землю живих істот, їх будову і функції, походження, поширення і розвитку, зв'язках один з одним і з неживою природою. Біологія встановлює загальні і приватні закономірності, властиві життю у всіх її проявах (обмін речовин, розмноження, спадковість, мінливість, пристосовуваність, зростання, подразливість, рухливість і ін.)
Біологія вивчає жива речовина у всіх його видах і проявах. Враховуючи, що кількість видів живих істот з Землі обчислюється мільйонами (від 2 до 20 млн), а параметрів функціонування в кожного представника виду не менше 30-50, біологія має справу з величезною кількістю фактів (сотні мільйонів).
Елементарними об'єктами біології є живий організм, клітина, ДНК і ген. Найбільш детально і достовірно на сьогоднішній день вивчені живі організми.
Вже досить давно виникли бажання і потребу не просто класифікувати величезну кількість проблем фактів про складні явища, які спостерігаються людиною в реальному світі, а й сформулювати деякі основні положення - аксіоми, загальні закономірності розвитку Універсуму. У загальному розумінні аксіоми - це концентрований досвід людства, у відомому сенсі стартовий майданчик для подальшого злету.
Проте трудність формулювання аксіом біології полягає в тому, що треба не тільки відібрати їх з багатьох важливих біологічних закономірностей, а й дати загальне визначення життя і ознак живого.
Аксіоми, покладені в основу теоретичної біології, повинні бути очевидними, необхідними і достатніми. Система аксіом має бути повною і незалежною, як це формулюється в математиці.
Б.М. Медников - видатний теоретик і експериментатор, вивів 4 аксіоми, які характеризують життя і які відрізняють її від «нежиття».
1. Аксіома перша
Один з головних ознак живого - організація, структура. Амінокислоти в білках, внутрішньоклітинні елементи, клітини в тканинах і тканини в органах утворюють впорядковані структури. Але всі ці структури, як уже згадувалося, виникають заново в кожному новому поколінні, хоча б курча з однорідної маси білка і жовтка. Як це відбувається?
Преформізм. Більше двох тисяч років люди роздумували над цим питанням. Не знаючи другого початку термодинаміки, вони все ж таки інтуїтивно відчували, що мимовільне виникнення порядку з безладу, структури з безструктурної маси - диво. І перша з гіпотез, що пояснює розвиток, спробувала це диво якось обійти.
Великий лікар, основоположник медицини Гіппократ припустив, що курча в яйці вже міститься в готовому вигляді в процесі насиджування йде тільки зростання, збільшення розмірів. Ось що він писав: «Всі члени відокремлюються один від одного одночасно і таким же чином зростають. Жоден не виникає раніше або пізніше іншого ». Подібні погляди висловлював філософ Анаксагор і великий римський мислитель Сенека («в сім'ї містяться всі майбутні частини людини»). Пишним цвітом ця гіпотеза розцвіла в XVII і XVIII століттях і отримала назву преформізма, або ж теорії преформації. Ось типове для того часу думка М. Мальбранша: «У яйцях жаб легко можна розпізнати жаб, але також ми знайдемо інших тварин в їх зародках, коли станемо настільки досвідчені і вправні, щоб відкрити їх».
Преформісти лише сперечалися: де знаходяться ці майбутні зародки в чоловічих або жіночих статевих клітинах? Прихильники першого напряму вважали, що яйцеклітини лише живильне середовище для росту сперматозоїдів (їх тоді називали анімалькулямі - звірками, що живуть в насінній рідині). За цим захисників першої концепції назвали анімалькулістамі. Мабуть, першим з анімалькулістов був винахідник простого мікроскопа А. Левенгук (який, до речі, першим і побачив сперматозоїди). До тієї ж точки зору схилявся і великий філософ Лейбніц.
Більш численною була когорта овістов (від латинського ovum - «яйце»), які розміщені зародок у яйцеклітині. До неї належали такі відомі натуралісти, як Галлер та Бонні, Валіснері і Сваммердам, Рюйша і Спаланцані. Які доводи вони приводили на захист своєї точки зору?
Ян Сваммердам, блискучий анатом, один з перших анатомів комах, виявляв у лялечка «готових» метеликів, зі складеними крилами, але у всіх деталях відповідних дорослим. Не менш ефектне на перший погляд доказ виявив Ш. Бонні, який вивчав життя попелиць. Він відкрив у них партеногенез: самка попелиці народжувала живих дитинчат, теж самок, які через кілька днів досягали нормальних розмірів і самі без запліднення ставали родоначальниками нового покоління.
Ще більш переконливий приклад - колоніальне жгутиковой вольвокс. Багато хто, напевно, бачили колонії цієї зеленої водорості - великі, до двох міліметрів у діаметрі слизові кульки, що складаються з одного шару клітин. У слизовому вмісті плавають дочірні колонії, а всередині дочірніх - колонії третього покоління. Посилаючись на вольвоксу, А. Галлер з торжеством укладав: «Звідси випливає, що, якщо яєчник може містити багато поколінь, немає нічого безглуздого в тому, що він містить їх все».
Дивно, що преформісти не натрапили на інший не менш блискучий приклад. Пузир паразитичного хробака - ехінокока сягає понад 60 кілограмів; всередині нього знаходяться дочірні бульбашки, а в тих, у свою чергу, - внучаті. Адже ехінокока в той час вже напевно знали.
Ось ми дійшли і до логічного завершення теорії преформации - теорії вкладених зародків. У самому справі, якщо немає ніякого розвитку і в яйцеклітині або спермії міститься вже готовий, тільки маленький організм, то в нього повинні вже бути свої статеві залози, а в тих яйцеклітини або спермії, а й тих свої зародки і т. д. - до нескінченності. І. Галлер, як віруючий християнин скрупульозно підраховує, що в яєчниках біблійної Єви було не менше 200 млрд вкладених зародків.
Таке уявлення в ті часи мало кого бентежило. Можливо, це пояснюється тим, що XV століття - століття розквіту микроскопирования. Приголомшені натуралісти побачили за лінзами мікроскопів найскладніші структури. А лінзи були поганими - вони так спотворювали зображення, що дозволяли побачити при бажанні в спермі маленьких чоловічків, а в жаб'ячих ікринки дорослих жаб.
Скептики запитували: припустимо, ви побачили під мікроскопом у жаб'ячої ікринці дорослу жабу, а в тій свої яєчники з ікрою; невже ж ви розглянули і жаб-онучат? До яких пір може тривати ця низка один в одного вкладених зародків?
Бонні, втім, намагався парирувати подібні заперечення, патетично запитуючи: «У скільки разів цвіль менше кедра, моль - слона, водяна блішка - кита, піщинка - земної кулі, світлова частка - сонця?»
Коротше, преформісти зіткнулися з неприємним парадоксом, який років двісті тому отримав назву «перекидання в нескінченність» (логічна антиномія Рішара і парадокс Геделя). Немає потреби розглядати його детально, обмежимося конкретним прикладом.
Припустимо, вам дали лист паперу і завдання: описати цей лист на ньому ж. Ви пишете: це лист прямокутної форми таких-то розмірів, виготовлений з пресованих волокон деревини такий-то товщини.
Здається, все. Але в процесі опису ви змінили об'єкт. Потрібно ще додати: а крім того, на ньому написано: це лист прямокутної форми ... і т. д. і т. д. - до нескінченності.
Чи не нагадує це вам нескінченну низку вкладених один в одного зародків? Скільки поколінь може тривати цей процес?
У нашому досвіді - поки вистачить листа, а в житті?
І тут нам доведеться повернутися до Стародавньої Греції. Переказ свідчить, що років за триста до нашої ери великий філософ Демокріт з Абдери сидів на березі моря, їв яблуко і розмірковував: «Якщо я буду відкушувати від яблука по шматочку, який найбільш найменший шматочок збереже всі властивості яблука?" Іншими словами, до яких пір можливо розподіл речовини без якісної зміни його властивостей?
Звичайно, яблуко Демокріта такий же апокриф, як і яблуко Ньютона. Але так чи інакше Демокріт дійшов висновку про існування атомів - неподільних частини матерії. Але приклад з яблуком не дуже вдалий. Це складний об'єкт, що складається з багатьох десятків речовин.
Якщо ми розділимо молекулу сахарози навпіл, то отримаємо молекулу глюкози (виноградного цукру) і молекулу фруктози (фруктового цукру). Це вже інші речовини. Продовжуючи поділ далі, ми отримаємо атоми вуглецю, кисню і водню, нічого спільного з вихідною речовиною вже не мають. Так що з точки зору атомно-молекулярної теорії будови речовини преформации - нісенітниця, нонсенс. У самому справі, спермій людини (~ 50 мікрометрів) в сто тисяч разів менше людини. Значить, спермій другого покоління повинен бути ще в сто тисяч разів менше і т. д. Надаю читачам самим розрахувати, на якому вкладеному поколінні «чоловічок» укладений у черговому спермії, буде менше атома (розмір атома можна прийняти 10 - 8сантіметра)
Значить, ми повинні на якомусь поколінні допустити можливість розвитку, виникнення структури або, що логічніше, відкинути теорію преформации взагалі. Але це легко нам. У XVII столітті про теорію Демокріта забули (точніше, вона не користувалася популярністю). Зате добре пам'ятали твердження Аристотеля про те, що матерія, хоча б у принципі ділена до нескінченності без якісної зміни її властивостей.
І хоча П'єр Гассенді ще на початку XVII століття воскресив ідею Демокріта про атоми, на погляди преформістов вона ніяк не вплинула, і це незважаючи на те, що за атоми стояв і сам Ньютон.
Але Поряд з теорією преформации розвивалося (і багатьма захищалося) інше вчення про розвиток, коріння якого ми знаходимо знову ж таки в працях Арістотеля, молодшого сучасника Гіппократа.
Епігенез. Аристотель, воюючи з Демокрітом, допускав можливість нескінченного дроблення матерії без якісної зміни її властивостей. Отже, він міг би прийняти точку зору преформістов, тим не менше, вважав за краще пояснити розвиток іншим шляхом. Згідно афінському мудреця, в яйці або спермії немає готових структур дорослого організму, при кожному акті розвитку вони виникають наново. Але, так само як і Гіппократ, Аристотель розумів: мимовільно порядок з безладдя виникнути не може. Тому він залучив для пояснення розвитку свою ідею про кінцеву причини. Розвитком управляє ентелехія - кінцева причина або мета, іншими словами, якась божественна ідея про скоєний півні і досконалої курці. Подібні висловлювання можна знайти у вчителя Арістотеля - Платона (особливо в діалозі "Тімей», більш відомому широкому колу читачів тому, що в ньому розповідається про Атлантиду).
Вчення Аристотеля воскресив у 1651 році Великий англійський фізіолог, творець першої наукової теорії кровообігу Вільям Гарвей (він же висунув принцип «все з яйця»).
Гарвей воскресив не теза про нескінченну подільність матерії, а інший арістотелівський теза настільки ж невірний. Навіть такий захоплений шанувальник Гарвея, як англійська ембріолог Дж. Нідхем, змушений був визнати що Гарвей «не тільки не порвав з арістотелізмом, але, навпаки оживив своїм авторитетом цю вмираючу доктрину».
Це вчення про виникнення порядку під дією якоїсь «пластичної сили» отримало назву епігенеза. Однак успіху він, щонайменше, сто років не мало, що пояснюється технічними причинами. Ранні стадії розвитку без хорошої оптики дослідити було неможливо. У той час, коли Гарвей випустив своє «Дослідження про зародження тварин», Р. Грааф описав у яєчниках округлі тільця, які вважав за яйцеклітинами. На ділі це складні багатоклітинні освіти - пухирці, заповнені рідиною (фолікули), усередині яких знаходяться власне ооцити. Яйцеклітина ссавців повинна була ще майже двісті років чекати свого першовідкривача Карла Максимовича Бера (але він-то працював вже з цілком пристойним мікроскопом).
У результаті в науці утвердилася теорія преформізма. Зрозуміло, весь час перебували дослідники, які бачили її невідповідності і повставати проти неї. Але не вони робили в той час погоду.
Чудовий французький натураліст і філософ Мопертюї по праву належить до славної когорти вчених-енциклопедистів, які вплинули на світогляд ідеологів французької буржуазної революції. Він одним з перших став експериментально перевіряти закон Ньютона про всесвітнє тяжіння. Згідно Ньютону, Земля біля полюсів в результаті обертання повинна бути приплюснута, і Мопертюї їде до Лапландії - найбільш Доступну тоді північну країну, щоб виміряти довжину Дуги земного меридіана.
І той же Мопертюї в 1744 році випускає визначна твір - дисертацію-памфлет під назвою «Фізична Венера, або Фізична дисертація з приводу білого негра».
У цій книзі він виступив проти преформізма - не побоюся сказати - з точки зору генетики, тоді ще й не існувала.
Простежимо хід думок Мопертюї. Згідно преформістам, готовий організм з усіма своїми ознаками повинен знаходитися або в яйцеклітині, або ж у спермії. А значить, ознаки іншого батька (батька при першому допущенні) та матері (при другому) не повинна успадковуватися. Але це абсурд: ми знаємо, що одні ознаки успадковуються з батьківського, інші - з материнської сторони. І Мопертюї призводить хороший приклад: діти від змішаних шлюбів європейців і негрів мають середній в порівнянні з батьками колір шкіри. Значить, ні в яйцеклітині, ні в спермії немає «готового» зародка, він виникає в результаті взаємодії материнського і батьківського почав (Мопертюї писав: в результаті змішування насіннєвих рідин - адже тоді ще не було сформульовано поняття про клітинному будову матерії, хоча клітина була вже відома).
Інший його аргумент - міжвидові схрещування. Мул, нащадок осла і коня, має риси і батька (голос, довгі вуха, витривалість) та матері (пропорції тіла, величину, силу). Зі свідчень сучасників нам відомо, що будинок Мопертюї був переповнений усіляким звіриною і господар ставив досліди по гібридизації, намагаючись зрозуміти закони спадковості (це за сто років до Менделя!). Більш того, Мопертюї застосував класичний метод сучасної генетики людини - аналіз родоводів. Він дослідив родовід сім'ї Руге, в якій був поширений дуже наочний успадковані ознака - полідактилія (шестипалість) З аналізу цієї родоводу випливала неспроможність теорії преформации: Я думаю, що нам пора визнати заслуги Мопертюї і вважати його предтечею сучасної генетики.
Дивно, що доводи Мопертюї не мали скільки-небудь істотного успіху. Преформізм продовжував торжествувати. Ймовірно, це пояснювалося тим, що більшість вчених вважало, що наука про спадковість - одне, наука про розвиток - інше, наука про атоми - третє. Адже достатньо, як ми вже бачили, визнати існування атомів і гіпотеза про вкладені одна в одну, як матрьошки, зародках автоматично відпадає.
Та й у наші дні фізик У. Ельзассер стверджує, що існують якісь «біотоніческіе закони», які не виводяться дедуктивно з законів фізики. Вони-то і керують розвитком організму. Не будемо на них зупинятися. Нещадний, але справедливий відгук про ельзассеровскіх законах голландського ембріолога Х. Равена: «Відчуваєш, що знаходишся на межі, якщо не в самій гущі, того марнослів'я, де віталізм відчуває себе як вдома».
Отже, і преформации, і Епігенез виявляються однаково ідеалістичними. Вперше це зрозумів в 1763 році Іммануїл Кант, який виклав свої міркування у творі під промовистою назвою «Єдино можлива підстава для доказу буття бога». Великий французький натураліст і історик природознавства Флуранс пояснював у 1861 році виникнення теорії преформации прагненням до економії чудес. Якщо виникнення живої істоти диво, то вже краще, щоб воно відбулося один раз, при створенні світу, ніж здійснювалося при кожному акті розвитку.
Ще в середині нашого століття дослідники розвитку стояли перед небагатим вибором: абсурд теорії вкладених один в одного зародків-матрьошок або ж віталізм того чи іншого толку, врешті-решт, зводиться до кінцевої причини Аристотеля. Допомога прийшла несподівано і з тієї області, звідки її зовсім не чекали.
Генетична теорія розвитку. Наш час - час "розумних" машин. Проте машина, що виконує більш-менш складну роботу згідно вкладеної в неї програмі, аж ніяк не така вже новинка. Вже на початку минулого століття існували верстати для набивання матерії і в'язки мережив, а також всякого роду музичні інструменти - механічні органи, шарманки, механічні піаніно, що видавали досить складні структури у вигляді послідовностей візерунків, малюнків та звуків різної тональності по програмі. Програма в такі пристрої вкладалася у вигляді металевої чи картонній платівки з пробитими в ній отворами. Так що перфокарта - зовсім не досягнення століття кібернетики.
З часом перфокарту змінила магнітна стрічка і зчитує з неї команди голівка. Гадаю, і стрічка заміниться в майбутньому будь-якої голографічного платівкою або ж кристалом, в якому буде записаний величезний масив інформації.
Яке ж відношення верстати з програмним керуванням можуть мати до проблеми розвитку організмів? Виявляється, саме пряме.
Великий математик Джон фон Нейман, разом з Норбертом Вінером і Клодом Шенноном вважається творцем нової галузі знання - кібернетики, як-то задумався: чи можливо побудувати таку машину, яка, слідуючи закладеної в ній системою інструкцій, побудувала б точну копію самої себе? Іншими словами, відтворити у металі біологічну зміну поколінь, побудувати саморозмножуються автомат.
Згідно математичним викладкам фон Неймана існує певний поріг складності машини, нижче якого вона не може відтворювати собі подібних. Природно, виникає питання: як об'єктивно вимірювати ступінь складності системи? Складність системи вимірюється кількістю інформації, потрібної для її опису. Найбільш поширена двійкова одиниця інформації - біт. Стільки інформації міститься у відповіді «так» чи «ні» на яке-небудь питання.
Наприклад, будь-яка відповідь на питання: «Чи підете ви сьогодні в кіно?» - Містить один біт інформації.
Ось так у бітах інформації фон Нейман оцінив складність системи, здатної відтворювати саме себе. Вона виявилася досить великий - близько мільйона біт, тобто система повинна була б складатися не менше ніж з десяти тисяч елементів. Це дуже складна система, сучасні верстати з програмою на магнітній стрічці багато простіше.
Але, припустимо, ми створили таку машину, ввели в неї стрічку з програмою для побудови дочірньої »машини і запустили її. Відтворили б ми в металі зміну поколінь?
Виявляється, немає. «Дочірня» машина буде безплідною: адже в ній немає стрічки з програмою. Щоб з'явилося третє машинне покоління, в машині-родоначальниці потрібно передбачити лентокопірующее пристрій, що передає у спадок копію програми. Отже, згідно Нейманом, у спадщину передається не структура, а опис структури та інструкція по її виготовленню. І весь процес розвитку складається з двох роздільних операцій - копіювання цієї програми (того, що генетики називають генотипом) і спорудження власне організму (того, що вони називають фенотипом).
Ось ми і підійшли до формулювання першої аксіоми біології.
Всі живі організми мають бути єдністю фенотипу і програми для його побудови (генотипу), що передається у спадок з покоління в покоління.
Ніщо не нове під місяцем. Ще наприкінці минулого століття біолог Август Вейсман сформулював цей принцип (поділ організму на сому і спадкову плазму).
Всі подальші успіхи генетики і теорії інформації лише блискуче підтвердили його.
Що дає нова теорія розвитку в порівнянні з преформізма?
Що дає? Та все: ми відразу забрали від переважної картини нескінченної низки вкладених один в одного зародків. І не потрібно ототожнювати генетичну теорію розвитку з преформізма, як це іноді роблять (з'явився навіть термін «неопреформізм»). Роблячи це, ми ототожнюємо програму побудови структури із самою структурою. Але це настільки ж безглуздо, як ототожнювати сторінку з куховарської книги з обідом, рецепт - з ліками і креслення автомобіля - з самим автомобілем.
Як і в теорії епігенеза, впорядкованість організму в кожному новому поколінні виникає заново.
Але порядкуючий чинник - не містична ентелехія Арістотеля або «істотна сила» Вольфа. Це цілком реальна програма, закодована, як ми тепер знаємо, в довгих ниткоподібних молекулах дезоксирибонуклеїнової кислоти - ДНК або рибонуклеїнової кислоти - РНК в деяких вірусів.
Порядок організму виникає не з нічого, а з порядку отриманої від батьків програми.
Підкреслимо одна обставина. Наша трактування першої аксіоми функціональна, вона не зв'язує перша умова життя з будь-яким конкретним хімічною речовиною. Самовідтворюється машину можна в принципі побудувати, вкладаючи в неї програму, записану на магнітній стрічці або у сукупності перфокарт або ще яких-небудь способом.
Принцип роздільного копіювання при спільному існування генотипу та фенотипу залишається непорушним. Те ж і в житті. У земних умовах основа фенотипу - білки, основа генотипу - нуклеїнові кислоти. Але не підлягає сумніву, що життя у Всесвіті нескінченно різноманітна. Де-небудь на планеті системи тау Кіта або альфа Ерідана життя може бути побудована на іншій структурній основі, але за єдиним для всього Всесвіту принципом. Аксіома № 1 єдина для всього живого. Життя на основі тільки одного фенотипу або ж одного генотипу неможлива, при цьому не можна забезпечити ні самопідтримки, ні самовідтворення складної специфічної структури.
Розглянемо справедливість нашої першої аксіоми на ряді конкретних прикладів. Отже, фенотип не може відтворюватися без генотипу, і навпаки. Фенотип виникає за програмою, кодованої в генотипі, і заодно копіює генотип для майбутнього покоління. Але можливі випадки, коли генотип копіюється при посередництві чужого фенотипу. Тоді поріг складності, певний фон Нейманом, знімається: виникають найпростіші освіти - віруси, на прикладі яких можна прослідкувати всі стадії редукції фенотипу.
Генотип фагів досить складний (близько ста генів). Але є і більш прості фаги, наприклад φX174, він набагато менше Т4 і представляє правильний двадцятигранниками без хвостовій частині. Його генотип кодує всього дев'ять білків.
Розглянемо тепер зворотні приклади. Чи можемо ми назвати живими організми або хоча б клітини без генетичної програми? Такі без'ядерні клітини - еритроцити ссавців або ж клітини кришталика ока. Еритроцит втрачає основне властивість життя, він не підтримує свою структуру, розпадаючись за чотири місяці, і не може розмножуватися діленням. Це всього лише частина структури живого організму. Сам по собі він не може жити, як будь-яка окремо взята частина літака не може літати.
На без'ядерних клітинах - як з'являються в результаті природних процесів, так і одержуваних в експерименті - варто трохи затриматися: більш наочних прикладів для життя генетичних програм ми не знайдемо.
Візьмемо, приміром, очей ссавця. Як він формується під час індивідуального розвитку тварини? Спочатку з'являється так званий очної міхур, потім зовнішній шар клітин, ектодерма, над очним міхуром товщає і втягується всередину порожнини майбутнього очі, отшнуровивается і замикається в пухирець. Це стане потім кришталиком. Його стінки складені клітинами епітелію. У принципі вони такі ж, як ті, що вистилають, скажімо, внутрішню поверхню наших кровоносних судин або слизові оболонки. У них нормальні ядра, вони синтезують багато білків, можуть розмножуватися діленням. Але у кришталикову бульбашці вони змінюються, поступово переходять в довгі склоподібні прозорі кришталикові волокна. Набір білків, синтезованих ними збіднюється, напрацьовуються тільки специфічні структурні білки - Кристалін. Їх три: альфа-, бета-і гамма-Кристалін (у птахів і плазунів синтезується ще один - четвертий). На початку їх синтезу клітина ще здатна ділитися. Але поступово її цитоплазма заповнюється хрящеподобной крісталліновой масою, сама клітина витягується в волокно. Паралельно йде швидка втрата ДНК у ядрі: якщо на початку цього процесу кількість ДНК таке ж, як у нормальної клітини з подвійним (диплоїдним) набором хромосом, то потім у кришталикову волокні її не вдається виявити найбільш чутливими методами. Це волокно вже не ділиться і не підтримує свою структуру. Тим самим воно відрізняється від багатьох інших клітин організму, в нормі хоча і не діляться, але зберігають ядро - такі клітини ще здатні до «ремонтним роботам».
Клітини без генетичної програми, без ядра (енуклеірованние) можна отримати штучно. Ембріологи давно вже навчилися проводити такі операції на запліднених яйцеклітинах деяких тварин: їх спочатку відкручують на центрифузі, від чого ядро як більш важкий зміщується в нижню частину клітини, а вже після цього при певному навику щодо неважко розділити під мікроскопом яйцеклітину на частину без ядра і на частину з ядром. Результат завжди один: без'ядерна частина поступово розсмоктується, з частини з ядром розвивається нормальний організм.
Але найбільш вдалий об'єкт для подібних дослідів - що мешкає у теплих морях, включаючи Чорне море, водорість ацетабулярія. Її будова дуже характерно. Так, наприклад, поширена у нас ацетабулярія середземноморська має вигляд мініатюрної - кілька міліметрів і більше - поганки з плоскою головкою на довгій ніжці, капелюшок у деяких видів досягає 5 сантиметрів у діаметрі. І цей грибок складається з однієї клітини! Оперувати її можна без особливих хитрувань, тим більше що ядро цієї водорості поміщається в самій нижній частині ніжки, у корнеобразних виростів ризоїдів, якими водорість прикріплюється до грунту. Хірургічні операції зводяться до того, що водорість розрізають на шматки і спостерігають за їх подальшим «поведінкою».
Всі ці приклади про велику роль генетичних програм відносяться до клітинної формі організації живого. А як справи у неклітинних форм життя, у вірусів?
Відкритий першим і найбільш добре вивчений вірус тютюнової мозаїки (ВТМ) - довга паличка, точніше трубка, що складається на 95 відсотків з білка та 5 відсотків РНК. Трубчастий білковий чохол складається приблизно з 2300 молекул білка; на внутрішній його поверхні пологої спіраллю розташована довга нитка РНК.
У оцтової кислоти (66 відсотків) ВТМ розпадається на окремі молекули білка і РНК. Якщо кислоту нейтралізувати лугом, молекули білка знову злипаються, утворюючи довгі трубчасті гільзи. РНК тут не обов'язкова, у її відсутність утворяться настільки ж довгі, а то й довше звичайних, білкові трубки, зовні відрізнити від вихідних вірусних частинок. Але заразити клітку тютюну вони не можуть. Основна властивість живого - самовідтворення - втрачено разом з генетичною програмою.
Наш аналіз першої аксіоми завершимо таким прикладом. Вірусологів останні двадцять років дуже цікавила загадкова хвороба овець - інфекційна короста, що вражає периферійні нервові закінчення, що розвивається дуже повільно і, врешті-решт, призведе до смерті. Її назвали скрепі (scrape); вона дуже нагадувала інші хвороби овець (вісна, рида, меді) і людей (аміотрофічний бічний склероз). Відомо вже близько 15 таких хвороб, так званих повільних вірусних інфекцій. Тут екзотичний спосіб зараження: відповідно до релігійних звичаїв форі на поминках по родствевніку ще кілька років тому зобов'язані були з'їдати його мозок. А куру, як і переважна більшість повільних вірусних інфекцій, тяжіє до клітин нервової системи.
Парадоксальність становища полягає в тому, що електронний мікроскоп тут безсилий. Збудника скрепі або куру у нього ніяк не вдавалося розгледіти. Вірусологи опинилися в положенні Луї Пастера - той міг судити, чи міститься вірус сказу в мозковій тканині, тільки заразивши останньої піддослідна тварина. І найголовніше, за деякими даними частки скрепі не містили нуклеїнових кислот: ні ДНК, ні РНК! Це чомусь приводило в захват антідарвіністов. Згідно з їх логікою, якщо матеріальним субстратом спадковості може бути інша речовина, крім нуклеїнових кислот, то це спростовує теорію еволюції Дарвіна. Яким же чином вірус скрепі розмножується, відтворює самого себе без генотипу?
Нещодавно у вірусі скрепі виявили нуклеїнових кислот.
Першу аксіому біології не знадобилося захищати - вона сама постояла за себе.
Отже, ми сформулювали перший положення, що лежить в основі всієї живої матерії, тільки для неї характерне і спільне для всіх живих суб'єктів - від примітивного вірусу до людини.
2. Аксіома друга
У 1927 роду на III Всесоюзному з'їзді зоологів, анатомів і гістологів в Ленінграді наш блискучий біолог Микола Костянтинович Кольцов зробив доповідь, в якому вперше була чітко сформульована друга аксіома біології. Принцип Кольцова до цих пір залишається непорушним, незважаючи на те, що наші уявлення про природу спадкових молекул абсолютно змінилися. Висновок його був таким, що хромосома - це гігантська молекула. Згідно Кольцову в хромосомі в лінійній послідовності розташовуються білкові молекули - гени. Кожний ген - ланцюжок амінокислотних залишків, сполучених пептидними зв'язками.
Згадаймо, що таке амінокислота. Цього назви заслуговує будь-яке з'єднання, що містить одночасно аміногрупу - NH2 і радикал органічних кислот - COOH. Пептидний зв'язок виникає між цими угрупуваннями: при цьому відщеплюється молекула води. Білки складаються з сотень і тисяч амінокислотних залишків, сполучених пептидними зв'язками. Кольцов припустив, що всі успадковані властивості організмів закодовані в хромосомах порядком чергування різноманітних амінокислотних залишків.
Але звідси випливало, що заново виникати подібні молекули не можуть. Занадто мала ймовірність того, що амінокислоти самі по собі, без якого-небудь упорядочивающего фактора зберуться в потрібну послідовність. Але ж вона відтворюється в кожному поколінні і ймовірність помилки незначна. Кольцов наводив приклад з ланцюжком всього з 17 амінокислот, можливе існування трильйона варіантів таких ланцюжків, що розрізняються чергуванням залишків! Але такий ланцюжок (гептакайдекапептід) набагато простіше більшості природних білків.
Тепер, коли послідовність амінокислот відома для багатьох десятків, якщо не сотень, білків, можна навести ще більш переконливий приклад, як це робить Манфред Ейген. Цитохром С не найбільший білок, в ньому лише близько сотні амінокислотних залишків. Ейген підрахував, що кількість варіантів такої послідовності близько 10 130 (одиниця зі ста тридцятьма нулями). Важко уявити таку величезну величину. Якби весь Всесвіт (всі планети, зірки і галактики) складалася з цитохрому С, в ній могло вміститися тільки близько 1074молекул! Чи це не підтвердження думки Кольцова!
І Кольцов робить наступний висновок: «Спадкові молекули синтезуються матричним шляхом. В якості матриці, на якій будується ген майбутнього покоління, використовується ген попереднього покоління ».
Це і є аксіома біології № 2. Кольцов продовжив ланцюг міркувань біологів попередніх століть. Якщо Франческо Реді в XVI столітті сформулював принцип Omne vivum ex vivo (все живе з живого), що спростовує можливість самозародження життя, то ХIХ століття додав принципи Omnis cellula ex cellula (кожна клітина з клітини) і Omnis nucleus ex nucleus (кожне ядро з ядра) . І Кольцов завершує: Omnis molecula ex molecula - кожна молекула (мається на увазі «спадкова молекула») з молекули.
Принцип матричного копіювання був відомий людям тисячі років. Ще мешканці Шумера мали циліндричні печатки з твердого каменю з вирізаними на них іменами власників та різними малюнками. Прокотивши такий циліндрик по м'якій глині, стародавній Шумер отримував виразний відбиток малюнка і друку. На цьому ж прийомі заснована будь-яка система точного і масового копіювання складних структур із закодованою в них інформацією - будь то книгодрукування, карбування монет або ж виготовлення фотооттісков з негативу. Видається дивним, що ідею Кольцова про матричному синтезі генів підтримали в 20-30-ті роки лише деякі.
Але вона була вже пущена в науковий обіг. Учень М. К. Кольцова Н. В. Тимофєєв-Ресовський познайомив з нею фізика М. Дельбрюка. Е. Шредінгер у своїй книзі «Що таке життя з точки зору фізика?» Ідею матричного синтезу помилково приписав Дельбрюк (помилка через рік була виправлена генетиком Дж. Б. С. Холдейна в рецензії на книгу Шредінгера в журналі «Нейчер»).
Можливо, Шредінгер вважав цю ідею вже широко поширеною, мало не загальноприйнятою в середовищі біологів і послався на останні роботи в цьому напрямку, як це часто водиться. Помилка пробачити, тим більше що М. В. Тимофєєв-Ресовський та М. Дельбрюк іноді працювали разом.
А в 1953 році, через тринадцять років після смерті М. К. Кольцова в тому ж журналі з'явилася коротка стаття фізика Ф. Кріка і учня Дельбрюка - генетика Дж. Уотсона.
Крик і Вотсон розшифрували структуру «спадкової молекули» і показали, що в ній самій закладена здатність до матричному копіюванню. Але «речовиною спадковості» виявився не білок, а дезоксирибонуклеїнова кислота - всім відома нині подвійна спіраль ДНК.
Чому ж ДНК? Чому ж Кольцов, геніально угадавши необхідність матричного синтезу гена, помилився у виборі матеріалу для нього? Вся справа полягала в недосконалості мікроскопічних методик того часу. Вже була відома відмінна реакція на нуклеїнові кислоти - реакція Фельгена, забарвлюється ядра клітин і хромосоми в ядрах в малиново-червоний колір. Однак коли ДНК між поділами клітин рівномірно поширювалася по ядру, забарвлення була слабкою, майже непомітною. Так ми можемо бачити котушку ниток і не помітити нитку тієї ж довжини розгорнений по поверхні великого килима. Тому більшість дослідників вважали, що ДНК з ядра в проміжку між поділами взагалі зникає. Адже згідно з ідеєю матричного синтезу ген не може виникати заново.
До речі, чи може послідовність амінокислот розмножуватися матричним шляхом? Як вдалося встановити в природі - ні. І все ж ... Кольцов виявився не так вже і не правий.
Ось як він представляв процес «розмноження» молекули: «... всяка (звичайно, складна органічна) молекула виникає з навколишнього розчину тільки при наявності вже готової молекули; причому відповідні радикали поміщаються ... на ті пункти наявної в наявності і служить затравкою молекули, де лежать такі ж радикали ». Такий процес вдалося відтворити в досвіді.
Є така амінокислота - глутамінова. Саме вона надає специфічний присмак сухим пакетним супів (туди додають її натрієву сіль). Вона може існувати, як будь-яке органічне з'єднання з асиметричним атомом вуглецю, у двох формах, умовно названих «правою» і «лівою». Природні білки містять тільки ліві амінокислоти.
Як і будь-яку амінокислоту, глутаминовую можна полимеризовать. При цьому виникає довга монотонна ланцюжок Глу-Глу-Глу-Глу - поліглутаміновая кислота, так само нагадує природний білок, як дзвін будильника - музику.
Розчинний поліглутаміновую кислоту (з лівих форм) у водному лугу при 100 ° і додамо до реакційної посудини суміш правої і лівої форми глутамінової кислоти. При охолодженні розчину відбувається процес, дивно нагадує той, який описав Кольцов. Молекули глутамінової кислоти приєднуються до ланок полімеру, поліглутаміновая кислота служить матрицею. Під дією опромінення між цими молекулами виникають пептидні зв'язку - зшивання. Так утворюється нова молекула поліглутаміновой кислоти, побудована на матриці старої. Чим це не розмноження молекул по Кольцову?
До того ж матриця вибирає матеріал для споруди копії - тільки ліву форму. В принципі можливий вибір потрібної молекули і з суміші різних амінокислот. Здавалося б, у такий спосіб може розмножуватися і справжній білок.
Проте справа йде не так просто. Якщо ми підвищимо концентрацію амінокислоти або ж швидше будемо охолоджувати розчин, вибірковість синтезу відразу зникає. Точної копії полімерної молекули таким способом отримає не можна.
Причина цього - природа зв'язків, якими поодинокі молекули глутамінової кислоти приєднуються до матричному полімеру. Такі зв'язки називають водневими. Іон водню найбільш електроположітелен, тому він охоче утворює зв'язки з електронегативними партнерами (згадайте хоча б іон амонію NH4 +). Не будь водневих зв'язків між молекулами води, вона стосу б при набагато нижчій температурі, лід б тонув у воді, і вже тому життя на Землі була б неможливою.
Але цього мало. Ефект водневих зв'язків має для життя набагато більше значення. Саме вони визначають так звану вторинну структуру молекул білків і нуклеїнових кислот.
У білках водневі зв'язки утворюються між киснем в угрупованні CO-NH і воднем у амідній групі NH. Залишки будь-яких амінокислот можуть реагувати з будь-якими ж, водневі зв'язки у білках неспецифічні. Саме тому матричний синтез поліглутаміновой кислоти втрачає специфічність, як тільки ми намагаємося його прискорити. А беззастережну передумову точного матричного копіювання - точне спаровування молекул.
Білки - погані матриці, і тому вони не можуть розмножуватися самі.
А нуклеїнові кислоти? Згадаймо їх будову. Це, як і білки, довгі молекули полімерів. Але на відміну від білків ланки полімеру - не амінокислоти, а нуклеотиди-цукру-пентози, до яких приєднані азотисті основи - гуанін, аденін, цитозин і тимін (в РНК тимін замінюється урацилом). Зв'язуються ланки нуклеотидів фосфодіефірних зв'язками залишку фосфорної кислоти H3PO4.
Поліпептидні ланцюги білків можуть з'єднуватися попарно водневими зв'язками - це так звана бета-структура білка. Але, як вже згадувалося, ці зв'язки неспецифічні. Інша річ нуклеїнові кислоти. Тут термодинамічно вигідніше утворення пар аденін - тимін (або аденін - урацил) і гуанін - цитозин. Ці пари називають канонічними. Всі інші в звичайних умовах нестійкі. Тому в подвійній спіралі ДНК проти гуаніну в одного ланцюга завжди стоїть цитозин в іншій, а проти аденіну - тимін. І коли на одиночній ланцюга, як на матриці, будується нова, точність синтезу виявляється задовільною для передачі генетичної інформації з покоління в покоління.
Як і при формулюванні першої аксіоми, підкреслимо: головне не матеріальний субстрат, а матричний принцип його синтезу. Так, в земних умовах білки виявилися поганими матрицями, а нуклеїнові кислоти хорошими. Але з цього не випливає, що на інших планетах у Всесвіті справа йде так само. Гени там можуть складатися з інших сполук (яких, нам поки невідомо), але розмножуватися вони повинні, як і на Землі, матричним шляхом. Інакше ми знову потрапимо між преформізма і Епігенез, так що така категоричність цілком обгрунтована.
Але ми живемо на Землі. Тому зараз ми повинні згадати, як генетична інформація кодується в нуклеїнових кислотах і як вона трансформується в молекули білків. Це нам стане в нагоді надалі. Розглянемо принципи генетичного коду - мови життя. Бо, як сказав Козьма Прутков: «... не знаючи законів мови ірокезького, чи можеш ти робити таке судження з цього предмета, яке не було б необгрунтовано і безглуздо?»
Алфавіт білків. Вже говорилося, що амінокислотою може називатися будь-яке з'єднання, що містить амінний (-NH2) і карбоксильний (-COOH) радикали. Звідси випливає, що кількість можливих амінокислот повинно бути дуже велике, практично нескінченно. Тим більше дивно, що природа для побудови білкових молекул використовує з усього цього, не піддається обліку різноманітності всього лише двадцять амінокислот.
Це так звані «магічні». Може бути, з якихось незрозумілих причин тільки вони придатні для використання в життєвих процесах? Ні, амінокислоти, що не входять до числа «магічних», можна виявити в складі організмів, але тільки не в білках. Такі, наприклад, тироксин (відомий гормон щитовидної залози) або ж норвалін (α-аміномасляна кислота). Деякі амінокислотні залишки, вже входячи до складу білкової молекули, модифікуються. Приєднавши залишок фосфорної кислоти, серин перетворюється на фосфосерин (у казеїну молока і пепсину шлункового соку).
Або ж набір білкових амінокислот відображає їх велику ймовірність виникнення в період походження життя? Важко однозначно відповісти на це питання: адже ми не можемо точно відновити умови, що існували на Землі чотири мільярди років тому. Однак у численних дослідах, моделювали самі різні шляхи становлення органічних речовин з неорганічних (таких, як вода, аміак, вуглекислий газ, метан, водень та ін), вдалося синтезувати великий набір амінокислот, набагато більш різноманітний, ніж той, який складають двадцять « магічних ».
Або ж коли ми виявляємо в стінках капсул сібіреязвенной бацили поліпептид, що складається з глутамінової кислоти, ми можемо припустити, що він синтезується нематрічним шляхом. Адже, по-перше, глутамінова кислота в ньому права, по-друге, пептидний зв'язок утворена в ньому бічний (так званої γ - карбоксильної) групою.
Але ці, як і інші подібні приклади, лише підтверджують важливість матричного синтезу. Без ферментів і тут справа не обходиться.
Генетичний код. Так як «магічних» амінокислот двадцять, а підстав нуклеїнових кислотах всього чотири ясно, що кожна ланка білкового ланцюга кодується кількома нуклеотидними ланками, а саме трьома. Число сполучень з чотирьох по три дорівнює 64. Стало бути, в коді ДНК 64 «букви». Три з них відповідають прогалин у друкарському наборі. У середні століття текст писали суціль, без пробілів, що, напевно, ускладнювало читання і зараз створює труднощі при розшифровці. Якщо ж суціль буде набраний амінокислотний текст, сенсу в подібному синтезі не буде. На безглуздих, що не відповідає ніяким амінокислотам поєднаннях нуклеотидів синтез обривається - поліпептидний ланцюжок готова. Перші дослідники вважали, що амінокислотні ланцюжка прямо збираються на нуклеотидних ланцюжках. Справа виявилася набагато складніше.
По-перше, немає ніякого стеричного (морфологічного) відповідності між кодоном і тієї амінокислотою, яку він кодує. Відповідність між ним і досягається молекулою особливої нуклеїнової кислоти, яку називали по-різному: РНК - посередник, адаптор, розчинна і, нарешті, транспортна. На одному її кінці приєднана амінокислота, а на іншому розташована послідовність комплементарна кодону (антикодон).
По-друге, матрицею для білкового синтезу служить не безпосередньо ДНК, а копійований з неї «робоче креслення» - РНК, що отримала назву інформаційної або матричної (мРНК).
Отже, ми повинні розрізняти процеси: матрицирования самого гена, тобто синтез ДНК на ДНК, синтез мРНК на ДНК і синтез білка на матриці мРНК. Перший процес називається реплікацією, другий - транскрипцією і третій - трансляцією.
Полярність гена. Довгі цепочечниє молекули біополімерів - поліпептидів і нуклеїнових кислот - полярні. Іншими словами початок і кінець ланцюга амінокислотних залишків і нуклеотидів різняться один від одного. Неважко збагнути, чому полярні поліпептиди, що складають білки. Вже згадувалося, що амінокислоти мають дві функціональні угруповання, зшиваючі їх у поліпептид, - амінів і карбоксильну. Значить, у першої ланки амінокислотної послідовності залишається вільною аминная група (-NH2), а у останнього - карбоксильна (-COOH). Так і кажуть: N - кінець і C - кінець поліпептиду.
Встановлено, що поліпептидні ланцюги в клітинах синтезуються від N - кінця до C - кінця. Значить, у матричної РНК початок там, де кодується N-кінець. Воно відповідає 5'-кінця РНК. У подвійній спіралі ДНК розібратися важче. Справа в тому, що складають її нуклеотидні ланцюжки направлені в різні боки, як кажуть, антіпараллельни. Іншими словами, один ланцюг спрямована в бік З'-5 ', а інша 5'-З'.
Смислова ланцюг: одна або дві?
Яких-небудь п'ять років тому всі ми були твердо впевнені, що матрична РНК синтезується тільки на одній з двох ланцюгів ДНК, що отримала назву смисловий. Друга, комплементарна їй ланцюг потрібна лише для реплікації ДНК і репарації - «лагодження» пошкоджених ділянок. Якщо, наприклад, жорстка радіація вирве шматок з однієї з ланцюгів подвійної спіралі, спеціальні ферменти - репарази заповнюють пролом, добудувавши на її місці послідовність нуклеотидів, комплементарних залишилася.
І тим не менш, останнім часом з'явилися дані, що свідчать про те, що в геномі дрозофіли, наприклад, синтез РНК може йти на обох ланцюгах ДНК. Це так званий симетричний синтез. Цікаво, що він йде від однієї точки в різні сторони: в кожному ланцюзі від З 'до 5'-кінця, так що обидві утворюються РНК починаються з 5'-кінця. Біологічний сенс цього явища ми ще не знаємо.
Кінець колінеарності гена. До останніх років все згідно вважали, що ген коллінеарен того білку, точніше, тієї поліпептидного ланцюга, яку він кодує. Іншими словами, кожній трійці нуклеотидів в ДНК, з якою зчитується мРНК, відповідає один амінокислоти залишок у поліпептиди.
І знову виявилося не так! В значеннєвий ланцюга ДНК, що кодує білок, виявлені досить довгі вставки (інтрони), ніяких амінокислот не кодують. Вони зчитуються при синтезі первинного транскрипту, а далі починається незрозумілий процес. Непотрібні вставки вирізуються спеціальними ферментами і відкидаються, залишки зшиваються. Цей процес називається сплейсінгом (калька з англійської).
Наведемо приклад точності передачі генетичної інформації - однояйцеві близнюки, брати і сестри, що розвинулися з однієї поділене яйцеклітини. У них ідентичні набори генів, тому тільки у близнюків вдаються пересадки тканин та органів, їх плутають навіть добрі знайомі і не можуть розрізнити по запаху собаки. Значить, інформація, укладена в генотипі, надмірна. Звідси випливає, що обсяг інформації, закодований в генотипі, треба зменшити вдвічі. Ці міркування і змусили багатьох дослідників шукати інші джерела генетичної інформації, крім ДНК.
3. Аксіома третя
Третя аксіома біології має з усіх інших аксіом найбільш глибокий фізичний зміст. Поведінка «спадкових молекул» може бути описано мовою статистичної фізики як хаотичний рух мікрочастинок з випадковим розподілом їх параметров.Прі фізіологічних температурах молекула ДНК залишається відносно стабільною. Існує фізичний розподіл Максвелла, що показує, що завжди можливі такі швидкості руху молекул, що ці молекули руйнують структуру гена і викликають мутації. Для того щоб викликати мутацію, треба довести необхідну для цього енергію до області, де відбувається мутація, розмір якої визначається розмірами гена.
Помилки генетичних програм. Ясно, що в каналах передачі інформації від ДНК до ознак організму і від ДНК батьків до ДНК нащадків повинен існувати якийсь шум - ті ж помилки, тільки на молекулярному рівні. Каналів без шуму не буває, інша річ, що шум може бути дуже незначним. Спостерігаючи за хромосомами під час поділу клітин, дослідники виявили багато форм зміни спадкових програм. . У людини, наприклад, в нормальних клітинах 46 хромосом, а в яйцеклітинах і сперміїв - 23. При злитті гамет диплоїдний набір відновлюється.
Але так буває не завжди. Часом механізм, що розтягує хромосоми по дочірнім клітинам, не спрацьовує. Одна гамета виходить зовсім без ДНК, а інша з подвійним її набором. Так виникають поліплоїдні клітини та організми. Іноді ж в одну клітину потрапляє зайва хромосома, а в іншій виявляється нестача. Такі явища називаються анеуплоїдій.
При всіх цих перебудовах генетична інформація, укладена в хромосомах, не змінюється. Змінюється лише її кількість. Поліплоїдні клітини, наприклад, можуть мати потрійний, четверний і т. д. - до тисячі і більше разів! - Набір генів. Всі згадувані зміни хромосом починаються з розриву нуклеотидної ланцюга ДНК - знаменитої подвійної спіралі. Тепер пора підсумувати все, що ми знаємо про спадкові зміни генетичних програм і сформулювати аксіому біології № 3.
Перш за все, ці зміни випадкові і ненаправлені. Їх можна порівняти з шум у каналі інформації від батьків до нащадків. Якщо мутація повністю спотворить сенс переданої по ланцюгу поколінь інструкції, вона буде смертельної (летальної). Це буває, коли в результаті мутації блокується синтез життєво важливого ферменту.
Навпаки, часті випадки, коли мутація не позначається на ознаках фенотипу. Згадаймо, що генетичний код виродилися і одна і та ж амінокислота кодується кількома кодонами. Якщо в результаті мутації один кодон замінене іншим, але синонімічним, в поліпептидний ланцюг включиться та ж амінокислота і зміни фенотипу ми не виявимо.
Між цими двома полюсами лежить величезна область мутацій, так чи інакше змінюють фенотип. У якихось конкретних умов вони можуть виявитися корисними, носії їх з більшою ймовірністю залишать потомство і передадуть їх потомства.
Це і є дарвінівська невизначена мінливість - вихідний матеріал для еволюції.
Аксіому біології № 3 ми можемо сформулювати так: У процесі передачі з покоління в покоління генетичні програми в результаті багатьох причин змінюються випадково й ненаправлені, і лише випадково ці зміни виявляються пристосувальними.
Третя аксіома витікає з найважливіших фізичних постулатів - з практичної неможливості знати координати та імпульси всіх молекул у клітині, з чого слід розподіл енергій молекул по Максвеллу, і з принципової неможливості досить точно визначити координати та імпульси частинок, що атакують гени (принцип Гейзенберга).
А так як і перерозподіл енергій у сукупності молекул, і взаємодія молекул в хімічних реакціях в кінці кінців можна звести до квантовомеханічних процесам, то і виходить, що аксіома № 3 - наслідок квантової механіки.
Мутації: багато їх чи мало? Фізик Ельзассер вважав, що їх надто багато, настільки, що ДНК просто не може бути зберігачем спадкової інформації. Цю роль він відводив таким собі нематеріальним «біотоніческім законам».
Звичайно, довести мутацію в результаті дії нематеріального чинника важко, але ще важче довести саме його існування. Тому перевага була на боці іншої гіпотези: мутацій занадто мало щоб вони могли забезпечити належну швидкість процесу еволюції.
Дійсно, мутація кожного окремо взятого гена відбувається з досить низькою частотою (10-4 ... 10-8). Багатьох до того ж дивував один незрозумілий факт: у мікроорганізмів мутації відзначалися рідше, ніж у вищих організмів. Але справа в тому, що у бактерій і геном менше.
Застосування ядерної зброї - війна проти майбутніх, ще не з'явилися на світ поколінь. І не тільки ядерної зброї. Згадаймо одну з найганебніших сторінок американської війни у В'єтнамі. Під приводом знищення джунглів як притулку партизанів американська вояччина скинула на багатостраждальну в'єтнамську землю близько 80 мільйонів літрів отрут. До цих пір тисячі кілометрів в'єтнамської землі залишаються мертвими, на них виростають лише потворні, неминуче гинуть дерева. У тій чи іншій мірі отрута потрапила в організми не менше десяти відсотків населення В'єтнаму, сотні тисяч жінок безплідні або ж породжують на світ хворих дітей з аномаліями розвитку. «Оріндж», як бумеранг, ударила і по агресорам: у тисяч колишніх американських і австралійських солдатів досі народжуються діти-виродки. По всій імовірності, мутаген викликає множинні аберації, поломки хромосом.
Ця похмура бувальщина добре ілюструє проблему: «багато мутацій чи мало». Як ви бачите, найменше перевищення мутаційного фону важко позначається на долях популяцій. Завадостійкість генетичних програм не безмежна: вона досягла оптимуму (без поправки на людські діяння).
4. Аксіома четверта і остання
Не можна отримати енергію тільки відбираючи в будь-якого тіла тепло. При цьому потрібно нагрівати якесь інше тіло. І неможливе створення вічного двигуна другого роду, при роботі якого виникає, а не вирівнюється різниця температур (або тисків, або електричних потенціалів), стала вже наслідком більш загального закону самовільного переходу порядку в хаос.
Демон Максвелла. Щоб вирішити цю проблему, повернемося назад. У минулому столітті великий фізик Максвелл запропонував поставити уявний експеримент. Уявіть собі, говорив Максвелл, трубку, заповнену розрідженим газом. Трубка посередині розділена перегородкою. У перегородці є заслінка, дверцята. Припустимо, що у цієї заслінки сидить якийсь істота (або пристрій), розрізняти молекули за швидкостями. Нехай ця істота (демон) відкриває заслінку перед швидкими молекулами і закриває перед повільними, тобто сортує їх по енергіях.
В результаті відбору, виробленого демоном, швидкі молекули зберуться в одній половині трубки, а повільні в іншій. Один кінець пристрої розігріється, інший охолонув. Загальна енергія пристрої залишиться колишньою, так що перший початок термодинаміки (закон збереження енергії) ми не порушимо. Але система перейшла від більш вірогідного стану до менш ймовірного. Демон отримав різниця температур, що дозволяє зробити роботу, в обхід другого початку термодинаміки.
Важливо підкреслити, що відбір діє не прямо на змінені генетичні програми, а на фенотипи, в яких кожна зміна в мільярди мільярдів разів посилюється.
Ось ми і підійшли до формулювання четвертої аксіоми.
Випадкові зміни генетичних програм при становленні фенотипів багаторазово посилюються і піддаються відбору умовами зовнішнього середовища.
Демон Дарвіна. Важливо підкреслити, що природний відбір, так само як штучний, де роль умов зовнішнього середовища виконують вимоги людини, - не просто знищення одних особин у популяції і збереження інших. Це диференціальне розмноження, велика ймовірність залишити потомство. Ось простий приклад: припустімо, ми відправили в важку подорож через гори і пустелі караван з коней, ослів і їх помісей - мулів, причому всі тварини несли до межі можливостей. Швидше за все, до мети дійдуть лише мули, що поєднують витривалість осла і силу коня. Але вони безплідні, залишити потомство не можуть. Це не відбір.
За яким основним принципом працює демон Дарвіна? Біофізик С. Е. Шнол' вважає, що виживають матричні молекули, здатні до більш швидкого розмноження. Так буває часто, але завжди. Слова «більш швидке розмноження» не слід розуміти буквально.
Іноді перевага віддається не швидкості, а надійності розмноження. Вірус, який став «нахлібником» клітини, не вбиває її своїм стрімким розмноженням, він пристосовує темп своєї реплікації до швидкості поділу господаря. А якщо б він її вбивав, цілком були б можливі випадки, коли вірус знищує популяцію, а потім гине сам. Це підтверджують невдачі фагової терапії багатьох хвороб. Фаги, перш вбивали дизентерійну бацилу або холерний вібріон, врешті-решт переходять на утримання господарів, навіть стають їм корисними, перетворюючись на плазміди. І чи випадково «командні пости» в біосфері зайняли великі, повільно розмножуються тварини? Слониха носить плід довго, але зате вона народжує слона.
Справа в тому, що дрібні, швидко розмножуються організми більш страждають від невибіркової знищення. Розлив річки або лісову пожежу знищить і кращих і гірших представників мишачого роду, а більш швидкий і більш сильний олень від такої напасті може і втекти, тоді як повільний і слабкий загине. Великі, повільно розмножуються і повільно зростаючі організми проходять найбільш повну апробацію природним відбором, і це причина їхньої швидкої прогресивної еволюції. Дрібні швидко пристосовуються, але порівняно рідко підвищують свій рівень організації.
Всесильний чи відбір? Природно, він безсилий, коли немає з чого вибирати, коли немає хоч малу кількість відхилилися від норми генетичних програм. Такі популяції бувають - це чисті лінії організмів, отримані за допомогою близькоспорідненого схрещування або ж розмножуються вегетативно. Але мутаційний процес поспішить доставити матеріал, і через кілька десятків поколінь лінія втратить чистоту.
Чи є такі ситуації, де демон Дарвіна закриває очі? Згадаймо, що у вищих організмів клітини мають подвійний набір хромосом, подвійний набір генів. Вони диплоїдні. Значить, один ген з двох може змінитися в непріспособітельную бік і відбір цього не помітить. А надалі, при зміні умов, це зміна може і стати в нагоді.
Висновок
Біологія поряд з науками, які є її практичним застосуванням (медициною, агробіології і т. д.), в уявленні багатьох моїх кореспондентів здається принципово інший галуззю знання, ніж, скажімо, машинобудування чи теорія атомного ядра. Навряд чи кому-небудь прийде в голову засумніватися у фактах та висновках, викладених, наприклад, у статті про керований термоядерний синтез. А ось біологія, особливо загальна - тут «кожен вважає себе стратегом, бачачи бій зі сторони».
Ймовірно, що і чотири аксіоми біології, вперше узагальнені Б.М. Меднікової 20 років тому, можуть бути доповнені новими, але це не буде означати, що вони невірні. Все це - чергові наші кроки до пізнання істини, яка, з філософської мудрості, не що інше, як омана, яке тривало багато століть, а оману - це істина, яка проіснувала лише кілька хвилин.
Важливим ж для нас тут є те, що ці чотири аксіоми Б.М. Меднікова характеризують саме життя і не застосовні до опису неживої природи.
Список літератури
1. Мідників Б.М. Аксіоми біології. - М.: Знание, 1982.-132с.
2. Горбачов В.В. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник для студентів вузів / В.В.Горбачев.-3-е изд., Перераб. - М.: ТОВ «Видавництво Онікс»: ТОВ «Видавництво« Світ та Освіта », 2008.-704 с.
3. Сайт Інтернету - http://lib.rus.ec
4. Сайт Інтернету - http://www.hi-edu.ru
Посилання (links):