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.
Дата добавления: 2016-02-20; просмотров: 1198;