 |
Теория самоорганизующихся систем
|
|
|
|
Реальный прорыв в области эволюционный химии обозначился лишь в последние 20-25 лет, и связан он был с приложением к проблеме возникновения жизни теории самоорганизующихся систем. Самоорганизующейся называют такую систему, которая обладает способностью корректировать своё поведение на основе предшествующего опыта. Следует сразу оговорить, что при этом было строго показано, что рассмотрение процессов развития принципиально не возможно в рамках классической термодинамики.
М. Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции и естественного отбора. Он начинает с того, что дарвинский принцип естественного отбора - единственный понятный нам способ создания новой информации. Если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как её следствие, естественный отбор. Эволюционное поведение, управляемое естественным отбором, основано на самовоспроизведении с «информационном шумом» (изменениями). Наличие этих двух физических свойств достаточно, что бы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующей степенью сложности.
Эйгену удалось найти реальный класс химических реакций, компоненты которых вели бы себя подобно дарвинским видам, т.е. обладали бы способностью «отбираться» и, соответственно, эволюционировать в сторону увеличения сложности организации. Именно таким свойством обладают нелинейные автокаталитические цепи, названные им гиперциклами.
Гиперциклы, одним из простейших примеров которых является размножение РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке, обладают рядом уникальных свойств, порождающих дарвинское поведение системы. Гиперцикл конкурирует с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом. Он не может стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами, если только не объединён с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого порядка. Состоя из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц, он обладает и интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми её членами, причём система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.
|
|
|
Эта концепция, в частности, вполне удовлетворительно описывает возникновение на основе взаимного катализа системы «нуклеиновая кислота - белок» - решающие событие в процессе возникновения жизни на Земле. Вместе с тем сам Эйген подчёркивает, что в ходе реальной эволюции гиперцикл вполне мог «вымереть».
Однако на процесс возникновения жизни можно посмотреть и с несколько иной позиции, не биохимической, а геохимической, как это делает, например, А.С. Раутиан. C общепланетарной точки зрения жизнь - это способ упорядочения и стабилизации геохимических круговоротов; откуда же берётся сам геохимический круговорот?
Открытый космос холоден (лишь на 40°С теплее абсолютного нуля) потому, что концентрация вещества в нём ничтожно мала, и звёздам просто нечего нагревать; по этой же самой причине Вселенная прозрачна, и мы видим небесные светила. В то же время любая планета, будучи непрозрачной. Аккумулирует часть энергии, излучаемой центральным светилом, и нагревается, и тогда между нагретой планетой и холодным космосом возникает температурный градиент. Если планета обладает при этом достаточно подвижной газообразной или жидкой оболочкой, то температурный градиент с неизбежностью порождает в ней - просто за счёт конвекции - физико-химический круговорот. В этот круговорот с неизбежностью вовлекается и твёрдая оболочка планеты, в результате чего возникает глобальный геохимический цикл - прообраз биосферы.
|
|
|
Итак, движущей силой геохимических круговоротов является в конечном счёте энергия центрального светила в форме температурного градиента. Поэтому элементарные геохимические циклы существуют в условиях периодического падения поступающей в них энергии - в те моменты, когда они в результате вращения планеты оказываются на её теневой стороне, где температурный градиент меньше. Эта ситуация должна порождать отбор круговоротов на стабильность, т.е. на их способность поддерживать собственную структуру. Наиболее же стабильными окажутся те круговороты, что «научатся» запасать энергию во время световой фазы цикла, с тем, чтобы расходовать её во время теневой. Другим параметром отбора круговоротов, очевидно, должно быть увеличение скорости оборота вовлечённого в них вещества; здесь выигрывать будут те из круговоротов, что обзаведутся наиболее эффективными катализаторами. В конкретных условиях Земли такого рода преимущества будут иметь круговороты, что происходят при участии высокомолекулярных соединений углерода.
Итак, жизнь в форме химической активности означенных соединений оказывается стабилизатором и катализатором уже существующих на планете геохимических циклов; циклы при этом «крутятся» за счёт внешнего источника энергии. Это напоминает автокаталитическую систему, которая обладает потенциальной способностью к саморазвитию и прежде всего к совершенствованию самих катализаторов-интермедиантов. Отсюда становится понятным парадоксальный вывод, к которому независимо друг от друга приходили такие исследователи, как Дж. Бернал и М.М. Камшилов: жизнь как явление должна предшествовать появлению живых существ.
Список использованной литературы
1. Ададуров И.Е. // ЖФХ. 1929. 1. С. 25.
. Баландин А.А. Мультиплетная теория катализа, ч. 1. М.: Изд-во МГУ, 1963.
. Бернал Дж. Возникновение жизни. М.: Мир, 1969.
|
|
|
. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. М., 1988
. Боресков Г.К. Катализ. - В кн.: Краткая химическая энциклопедия, т. II. М., СЭ, 1963.
. Воеводский В.В., Волькенштейн Ф.Ф., Семенов Н.Н. О роли свободных валентностей в гетерогенном катализе. - В кн.: Вопросы химической кинетики, катализа и реакционной способности. М.: Изд-во АН СССР, 1935.
. Камшилов М.М. Эволюция биосферы. М.: Наука, 1974.
. Клабуновский Е.И. Стереоспецифический катализ. М.: Наука, 1968.
. Кобозев Н.И. Катализ в высшей школе. Т. 1. М., 1962. С. 43.
. Кобозев Н.Я. Физические и математические основы активных центров // Успехи химии. 1956. т. 25.
11. Кузнецов В.И. Диалектика развития химии. М.: Наука, 1973.
. Райдил Э., Тейлор X. Катализ в теории и практике. Л., 1933.
. Раутиан А.С, Сенников А.Г. Отношения «хищник-жертва» в филогенетическом масштабе времени // А.Г. Пономаренко, А.Ю. Розанов, М.А. Фсдонкин (отв. ред.). Экосистемные перестройки и эволюция биосферы. Вып.4. М.: Палеонтол. ин-т РАН. С. 29-46.
. Рогинский С. 3. Электродные факторы в полупроводниковом катализе // Проблемы кинетики и катализа. 1960. вып. 10.
. Руденко А.П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. M.: Изд-во МГУ, 1969.
. Семенов Н.Н., Воеводский В.В. Гетерогенный катализ в химической промышленности. М., 1955. С. 233.
. Тулупов В.А. // ЖФХ. 1957. т. 31. С. 519; 1964. т. 37. С. 696.
. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М.: Мир, 1973.
19. Berzellus J. Lehrbuch der Chemie. В. 4. Dresden u. Leipzig, 1847.
. Burwell R.L. // Jr. ACS Symposium Series. 1983. №. 222. P. 3.
. Faraday M. // Phil. Trans. Roy. Soc. 1834. 124. P. 55.
. Ostwald W. // Chem. Betracht. 1895. №. 1. P. 101.
23. Ostwald W. Uber Katalyse. Leipzig, 1902.
24. Rive C.G. de la // Compt. rend. 1838. 7. P. 1061.
|
|
|
