Антропный принцип в развитии живых систем

Антропный принцип вводит роль человека, затрагивает понятие целеполагания процесса эволюции. В соответствии с этим принципом человек выступает целью происходящей в природе эволюции. В биологии идея развития — главная и распространяется на основные законы живой при­роды, возникающие вместе со становлением самой жизни.

Синергетический хорошо вписывается в холистическое восприятие и объяснение мира осуществляет с общих позиций единства живой и неживой природы. Антропный принцип может быть использован как универсальный инст­румент в исследовании сложных систем любой природы. Он является принципом существования сложного в нашем мире. Для развития сложных систем на макроуровне элементарные процессы на микроуровне должны прохо­дить очень избирательно, т.е. в соответствии с «подгонкой» фун­даментальных констант по антропному принципу, в том числе и констант — параметров, определяющих жизнеде­ятельность и развитие организма.

Исходя из принципа дополнительности Бора, нельзя судить о содержании общих биологических законо­мерностей чисто из биологических воз­зрений упуская нечто принципиальное о человеке. Н. Бор считал, что познание живого организма в виде системы принципиально дополнительно к изучению этого организма как целостной системы, что одними за­конами биологии или физики невозможно объяснить феномен живого.

Аксиомы биологии

Для построения теории, описывающей явления в рамках какой-либо науки, необходи­мо иметь некоторое количество основных положений или прин­ципов. Желание и потребность не просто классифицировать огромное количество накопившихся фактов о сложных явлениях, наблюдаемых человеком в реаль­ном мире, но и сформулировать некие основные положения — аксиомы, общие закономерности развития Универсума, Аксиомы — это концентрированный опыт человече­ства, в известном смысле стартовая площадка для последующего взлета.

Трудность формулировки аксиом биологии состоит в том, что надо не только отобрать их из многих важных биологических закономерностей, но и дать общее определение жизни и признаков живого.

Фундаментальные физиче­ские законы (почти что аксиомы) носят характер запрета и справедливы лишь при определенных условиях. Подобные за­преты действуют и в живой природе, к ним, естественно, долж­ны быть добавлены и специфичные для биологии законы, но не противоречащие первым. Поэтому биологические аксиомы мо­гут быть выведены из физических аксиом.

Первая аксиома

Учитывая идеи самоорганизации сложных систем, роли ин­формации в эволюции живого и кибернетики как математического аппарата теории информации и управления мы приходим к выводу, что в основе развития любого живого организма должны обязательно иметь место две программы, что делать ( из чего состоит эта структура) и описание, как ее воспроизвести (сделать). Весь процесс размножения и развития организма состоит из двух раздельных операций: копирование наследственной программы (генотипа) и собственно изготовление самого организма, реализующееся в фенотипе. В этом смысл первой аксиомы биологии [21]:

• Все живые организмы представляют собой единство феноти­па и генотипа — программы для его построения, передающейся из поколения в поколение.

Это основа всей живой материи. Жизнь на основе только одного генотипа или фенотипа невозможна, поскольку нет условий для самовоспроизве­дения, построения и самоподдержания. В земных условиях основа ге­нотипа — нуклеиновые кислоты, фенотипа — белки. Возможное разнообразие жизни во Вселенной может иметь другое структур­ное воплощение, но принцип раздельного копирования при единстве генотипа и фенотипа является, по-видимому, единым и незыблемым для всего Универсума.

Вторая аксиома

Эта аксиома была сформулирована русским биологом Н.К. Кольцовым в 1927 г.:

«Наследственные молекулы» синтезируются матричным пу­тем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего по­коления, используется ген предыдущего поколения.

Каждая «на­следственная молекула» из «наследственной молекулы». Расшифрована структура этой «наследственной молекулы» показала, что «веществом наслед­ственности» является молекулы ДНК. Аксиомы распространяться на более широкий круг явлений. Согласно первой аксиоме по наследству передается не сама структура, а описание и инструк­ция по ее изготовлению. Вторая аксиома биологии постулирует широкое распростране­ние матричного копирования в жизненных процессах. По существу, вся жизнь — это матричное копирование с после­дующей самосборкой копий.

Матрицы используются и в практической деятель­ности человека для массового копирования сложных структур с закодированной в них информацией: книгопечата­ние, чеканка мо­нет, изготовление фотоснимков и т.д.

Первая и вторая аксиомы биологии описывают в целом статические закономерности, но не описывают динамику жизни, например механизм изменения наследственных матриц. Это тре­бует введения дополнительных аксиом.

Третья аксиома

Эта аксиома отвечает на вопрос, какие динамические законо­мерности приводят к изменениям в наследственных матрицах, поскольку именно изменения ведут к развитию, эволюции орга­низма [21]. Это происходит через воздействие внешней среды на передачу необхо­димой генетической информации при построения живого орга­низма. Полезная информация получается выделением ее из бесполезного шума. Под шумом понимается стохастическое изменение случайных сигналов, подверженных влиянию внешних факторов. Факторами может быть температура, приводящая к изменению скорости дви­жения молекул, в том числе и в живом организме. Этот тепловой шум искажает целенаправленный генетический сигнал, вносит в него изменения, т.е. генетическая программа передается с ошибками (подобно опечаткам). На языке генети­ки это называется мутацией.

Третья аксиома имеет наибо­лее глубокий физический смысл, ибо здесь «напря­мую» работает статистическая и квантовая физика. Поведение «наследственных молекул» может быть описано на языке статис­тической физики как хаотическое движение микрочастиц со случайным распределением их параметров[21]. Средняя энергия теплового движения молекул при тех температурах, когда воз­можна жизнь, составляет около 0,025 эВ. Это означает, что при физиологических температурах молекула ДНК остается относи­тельно стабильной. Однако это среднее значение энергии. В це­лом же в статистическом ансамбле микрочастиц даже при хаоти­ческом их движении в состоянии равновесия имеет место так называемое физическое распределение Максвелла, показываю­щее, что всегда возможны такие скорости молекул, что эти мо­лекулы разрушают структуру гена и вызывают мутации[21].

В соответствии со статистической физикой и ее вероятност­ным пониманием законов такие мутации будут случайными (по­этому можно говорить лишь о некоторой вероятности мутации), непредсказуемыми (в противном случае мы должны знать коор­динаты и импульсы всех молекул в данной клетке) и ненаправ­ленными, т.е. без учета содержания сохраняющейся информа­ции, и тем самым они только случайно становятся приспо­собительными.

Из этих представлений следует третья аксиома биологии: в процессе передачи из поколения в поколение генетических программ в результате многих причин они изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются при­способительными.

Этот постулат углубляет дарвиновское понятие изменчивости, как исходного ма­териала для эволюции.

Биофизики подсчитали, что для единичной мутации, приво­дящей к изменению генетической программы, необходимо сооб­щить молекуле ДНК энергию порядка 2,5—3 эВ, что всего лишь в 100 раз больше средней тепловой энергии при обычной для организма температуре. Поэтому для мутагенеза определяющим является не нагрев тела, а другие физические факторы, имею­щие уже квантовую природу. Это, в первую очередь, кванты жесткого внешнего облучения живого организма (U-кванты, нейтроны, высокоэнергетичные частицы, рентгеновское и ульт­рафиолетовое излучение, быстрые элементарные частицы), а также молекулы и ионы веществ, реагирующие с ДНК, так на­зываемые химические мутагены.

В случае, когда мутацию вызывают кванты излучений, проис­ходит перераспределение энергии во всей совокупности молекул и их взаимодействие должно определяться квантово-механическими процессами и химической кинетикой. Здесь проявляется еще один физический смысл третьей аксиомы биологии — вступают в силу законы квантовой механики, в частности, вероятностное представление положения квантовой частицы через ее волновую функцию у и хорошо уже известный принцип неопределенности (мутации-то происходят в микромире)

Для того чтобы вызвать мутацию, надо «довести» необходи­мую для этого энергию (Еmin » 2,5—3 эВ) до области, где проис­ходит мутация, размер которой определяется размером гена. Для этой области по­нятие радиуса эффективного обмена и определён:

Rmin со­ставляет порядка 10-⁷ см. Естественно, что это уже квантовые размеры, где действует принцип неопределенности. Посколь­ку размер области мутагенеза известен, то импульс излучения и необходимая для мутации энергия, могут быть точно известны и мы можем с какой-то долей вероят­ности предполагать, достаточной ли энергией обладает квант ионизирующего излучения для мутации и попадет ли он в об­ласть эффективного взаимодействия с геном. Это положение квантовой механики подтверждает, что процесс мутагенеза явля­ется вероятностным. По законам квантовой механики время и место каждой единичной спонтанной мутации принципиально непредсказуемо.

Третья аксиома биологии является следствием из квантовомеханических физических постулатов: из-за невоз­можности точно определить координа­ты и импульсы всех молекул в клетке, то мы не можем предсказать эволюцию живого и найти параметры квантов, вызывающих мутацию. Отбор случайных изменений из дарвиновской триады: наследственность, изменчивость, есте­ственный отбор, — выступает как двигатель эволюции жизни и причина ее станов­ления. Без мутаций естественный отбор не работает. Для эво­люции необходимы мутации, играющие роль инстру­мента только в неустойчивой основе всех процессов. С учётом антропного принципа можно утверждать о невозможности существования во Вселенной, к примеру, кремниевых или других форм жизни.

Рассмотренные не объясняют как происходит становление фенотипа, признаков, присущих живому. Это определяет четвертая ак­сиома.

Четвертая аксиома

Из третьей аксиомы вытекает, что случайно и не направленно происходящие изменения генетических программ, накапливаясь из поколения в поколение,

должны были бы разрушать генетическую информацию и фенотип, формируемый под влиянием внешней среды и генетической программы. Однако в реальной эволюции этого не происходит. Структуры живых орга­низмов сохраняются от поколения к поколению и происходит услож­нение структур их совершенствование.

Это обусловлено вторым началом термодинамики, определяющий нелинейность развития сложных самоорганизующихся термодинамически открытых систем. Этот закон обязывает динамический хаос порождать в диссипативных структурах порядок, осуществлять переход от простых организмов к высшей организованности человеческого организма.

Хаос и порядок «живут» вместе и взаимодействуют случайным образом. Случайные изменения происходящие в фенотипе делают эволюцию живой природы не предсказуемой. Но естественный отбор способствует размножению особей, наилучшим образом приспо­собившихся к конкретной окружающей среде и наследственной передачи этих способностей потомкам.

Четвертая аксиома биологиивыступает как принцип усиле­ния: случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору усло­виями внешней среды.

Отбор действует не впрямую на генетические программы, а на фенотипы, где изменения усиливаются во много раз. Эти изменения дают больше шансов на выживание.