Основной закон должен объяснять почему и каким образом происходит самосохранение и развитие жизни. Э.С.Бауэр вывел (как основной закон) принцип устойчивого неравновесия: “Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия …”, из которого следовали все законы биологии [1]. Здесь устойчивое неравновесие, т.е. удаление системы от равновесия, является следствием постоянного возобновления термодинамического потенциала, связанного c деформированным состоянием молекул “живого белка”. Хотя это не подтвердилось, анализ данного принципа показывает, что он может работать на основе циклических сопряженных процессов с обратными связями. Таких сопряженных биохимических процессов сейчас известно много. В этом отношении наибольший интерес представляет изменение молекул в сопряженных реакциях ферментативного катализа. Кроме того, устойчивое неравновесие концентраций разных ионов наблюдается во многих процессах, например: различие концентраций К+ и Na+ внутри и вне клеток, неравновесные градиенты концентрации Н+ и других ионов в создании электрохимического потенциала, в сопряженном синтезе АТФ и др. Все это не отменяет данный принцип как характерное свойство живого, но его нельзя считать основным законом. Ценность наследия Э.С.Бауэра состоит в глубоком методологическом анализе проблемы сущности жизни. Э.С.Бауэр, в отличие от Ф.Энгельса, для вывода основного закона не использовал общие Начала науки, хотя применял категории диалектики природы. Поэтому формула Ф.Энгельса абстрактна, но более отражает существенные свойства живого, хотя она не (могла быть) наполнена конкретным биологическим содержанием. Это, конечно, осознавал и Э.С.Бауэр. Поэтому он выдвигает принцип качественной определенности: в чем общее и в чем основное отличие живого от неживого, хотя это обычный логический прием. Далее он применяет метод обобщающего абстрагирования: обобщенный (совместный) анализ частных законов биологии и всех явлений жизни с т.з. абстрактно- гипотетического принципа устойчивого неравновесия (метод индукции). С т.з. Э.Бауэра, он применял метод дедукции, т.к. считал этот принцип истинным, абсолютным. В результате он получает общий закон как подтверждение этого гипотетического принципа в качестве основного закона. Анализ данного принципа показывает, что устойчивое неравновесие является динамическим (циклическим) и отражает особенность нелинейных процессов в открытых и квазизакрытых системах, т.е. не только в живой, но и неживой материи (например, реакция Белоусова- Жаботинского и др.).
Здесь следует особо отметить, что слабые стороны известных определений сущности жизни заключаются в невозможности объяснить причины саморазвития и самообновления живого. Без этого нельзя применять определения на практике. Так, Ф.Энгельс в “Анти-Дюринге” в качестве сущности живого выводит самообновление, а обмен веществ - существенный момент, но в “Диалектике природы” обмен веществ выдвигается как основа самообновления. Для понимания причины саморазвития живого необходимо исходить их универсальных законов материи: законов сохранения, самоорганизации и цикличности развития материи.
Для всех уровней развития материи характерны 2 фундаментальных принципа: самоорганизация (Со) - неравновесное упорядочивание систем и организация- равновесное упорядочивание, которые взаимосвязаны и цикличны. Эти принципы отражают законы диалектики развития материи. Со - это самопроизвольное, не связанное с действием внешних организующих сил, регулярное поведение нелинейной системы. При этом часть свободной энергии системы затрачивается на работу против равновесия (Е), а часть рассеивается. При увеличении Е степень Со повышается, система усложняется, становится менее открытой, в ней повышается необратимость процессов. Поэтому в добиологической эволюции саморазвитие и Со могли осуществляться в открытых каталитических системах на основе базисной реакции с большим термодинамическим потенциалом [3]. Закономерностями саморазвития этих систем являются: способность увеличения каталитической активности реакции вследствие изменения природы центра катализа; роста интенсивности базисной реакции, степени организации системы и интенсивности потоков информации. При этом имеет место сопряжение базисной и обратной реакции (направленной против равновесия, процесс, аналогичный электромагнитной самоиндукции). Этот автокаталитический процесс идет циклически с затуханием. Со подобных систем возможна, но ограничена кинетическим барьером: рост макромолекул происходит, когда скорость их воспроизведения превышает скорость распада. Для непрерывного обновления систем необходимо поддержание их далеко от термодинамического равновесия за счет эффективного производства энергии и наличия энергоемких структур, которые при этом распадаются. Развитие систем может прекратиться, т.е. они “вымирают”, эволюция их ограничена.
Упорядоченная Со возникает в нелинейных динамических системах, которыми являются гиперциклы (Гц). В начале избыток свободной энергии переводит систему в возбужденное состояние, далекое от равновесия. Далее поведение ее описывается системой нелинейных уравнений. Фазовое пространство системы, координатами которой являются независимые переменные (степени свободы), описывающее динамику системы, можно представить разделенным на области притяжения к различным аттракторам - относительно устойчивым состояниям, притягивающим к себе множество траекторий системы. Одним из аттракторов может быть разрушение системы (апоптоз). Т.о., аттрактор - это цель, направленность процесса.
Решение нелинейных уравнений встречает значительные трудности. Однако, когда нас интересует конечный результат (отбора, устойчивости и т.д.) применяются достаточно разработанные качественные методы анализа особых точек: стоки - устойчивые точки, соответствуют стационарным состояниям в открытых системах; седловые точки - система с одним неустойчивым состоянием будет удаляться от этой точки; источник - точка, неустойчивая по всем направлениям; центры, вокруг которых существует множество концентрических траекторий (решений), фокусы и др. Т.о., результат процесса соответствует либо устойчивому стационарному состоянию, либо непрерывно и периодически изменяющемуся семейству состояний. Стационарное состояние находится вдали от равновесия, и это обеспечивает жизнь системы. Возможно неустойчивое состояние, самопроизвольное возникновение хаоса (саморазрушение системы), а из хаоса появление регулярной структуры, самообновление. Примером Со во времени является возникновение автоколебаний, автоволн (спиральных, тороидальных, концентрических и др.), которые являются основой биоритмов: биохимических циклов, ритмов структур и деления клеток, системы биоритмов организма, жизненных циклов, популяционных и биосферы в целом.
Нелинейные системы очень чувствительны к слабыми воздействиями и управлению, особенно в точках бифуркации - точках ветвления решений (в онтогенезе - это смена фаз и стадий развития, клеточной дифференцировки и др.). Поэтому в живых системах оптимальным является управление генетической информацией. Анализ особых точек показывает [4], что каталитические системы с линейными или разветвленными цепями неустойчивы, не способны к отбору и Со, не интегрируют информацию и распадаются. Эти свойства появляются при замыкании цепей в Гц, система приближается к конечному состоянию с регулярными колебаниями вблизи особой точки, демонстрируя пример Со, связанный с нелинейными процессами. В таких Гц может накапливаться и сохраняться информация для усложнения и эволюции Гц.
Земля, прошедшая космическую и геологическую эволюцию от температур порядка миллиардов градусов до близких к абсолютному нулю, 4 млрд лет назад обладала полным набором элементов периодической системы и максимальным разнообразием потенциальных барьеров: механических, химических, электрических, ядерных и др. Эти условия были подготовлены для возникновения жизни. Солнечная энергия трансформировалась в различные формы: круговорот воды, атмосферы, химические реакции, в т.ч. каталитические.
Для объяснения возникновения жизни с т.з. универсального закона Со материи наибольшим признанием пользуется метод М.Эйгена [4]. Предпосылками для Со рассматриваются сети каталитических реакций в сочетании с механизмами нелинейной обратной связи, обеспечивающими автокаталитическое развитие систем. Молекулы, выполняющие функции “нуклеиновых кислот“ (НК) и обладающие способностью к самовоспроизведению, действуют как катализаторы при синтезе молекул, выполняющих функции ферментов, которые катализируют самовоспроизведение “НК“. Возникший Гц обеспечивает непрерывное выживание “НК“ и белков. Т.о. Гц построены из автокатализаторов (циклов воспроизведения), связанных посредством наложенного на систему автокатализа, т.е. основанные на нелинейном автокатализе и являются нелинейными динамическими системами. Они способны к усложнению в Гц 2-го и более порядков. Т.о. Гц - это принцип Со и интеграции самореплицирующихся единиц, а возникают Гц вследствие законов Со и цикличности процессов материи. Шансы на выживание для Гц разных размеров и размерностей примерно одинаковы. В конкуренции среди разных видов Гц преимущество имеют Гц, способные воспроизводить себе подобные, начиная цикл с начала. Это возможно при создании механизма кодированного управления. Среди различных вариантов такого механизма природа создала генетический код и механизм трансляции. Создание его могло происходить в Гц, но при наличии в среде нуклеотидов и аминокислот.
Остается дискуссионной тайна универсальности генетического кода НК и как возникло кодовое соответствие между ДНК и белками.
В работе [2] выявлено образование левых и правых тетрамеров Н8О4 почти кипящей воды. 4 млрд лет назад на горячей поверхности Земли на зеркально симметричных цепочках остывающей воды мог идти синтез хирально чистой органики (все аминокислоты (АК) в живом веществе левые, а сахара - правые). Первыми должны появиться АК как более термостойкие. Предполагается, что в капле воды при фазовом переходе образовалась первая цепочка из 4 тетрамеров воды, и случайно оказалась левой. На ней была синтезирована первая левая АК, которая могла быть связана только с 3 тетрамерами. Следующая АК начинала синтезироваться на 4-м тетрамере цепочки и затем присоединяла к ней вторую, тоже левую цепочку воды, и продолжала синтез на ней. Так последовательно шел матричный синтез белка. На правых цепочках шел синтез сахаров, которые соединялись между собой остатками фосфата, образуя скелет ДНК или РНК. К нему через сахара присоединялись азотистые основания, образуя нуклеотиды и в конечном итоге НК. В коде их оснований отражалась матрица аминокислот.
В генетическом коде существуют триплетные наборы азотистых оснований - по 3 на каждую АК, поэтому могли реализоваться лишь 20 вариантов известных АК. Из принципов экстремальности следует, что наиболее экономный способ кодировки дают двоичные или троичные коды, т.е. происходит стандартизованная, универсальная, упаковка информации с помощью именно этих кодов. Эти процессы можно наблюдать и в настоящее время. Так известно, что при извержении вулканов образуются тонны органических соединений (АК, сахара, порфирины и др.).
Важной функцией Гц является самосохранение и воспроизведение макромолекул при наличии среди них информационных молекул, которые кодируют эту функцию, при этом информация сохраняется. Среди таких молекул НК обладают свойством самосборки, а катализаторами могут быть пептиды. Поэтому первые репликативные единицы (типа тРНК), видимо, возникли при наличии некоторых видов нуклеотидов и белков-катализаторов и не превышали 100 нуклеотидов. Увеличение точности саморепликации коротких НК требовало наличия катализатора, который должен тоже воспроизводиться по механизму трансляции. Для механизма трансляции достаточно несколько таких единиц, связанных между собой циклически в Гц. Т.о. Гц явился необходимым условием для нуклеации интегрированных самовоспроизводящихся систем.
По расчетам М.Эйгена генетический код возник 3,8 млрд лет назад. Новая информация в Гц возникает в результате случайного выбора “раз и навсегда“ и самоотбора (а не отбора). Ценность ее при самоотборе определяется повышением устойчивости системы по сравнению с конкурирующими системами и принципом минимального действия (наименьшими затратами энергии), т.е. информация должна быть закодирована. При этом прежние структуры заменяются новыми после воспроизведения и разрушения системы в последующих поколениях (информация запоминается).
Дальнейшее усложнение Гц возможно при обособлении как функциональных единиц, так и самих Гц. Эволюция от ГЦ переходит на новый уровень. Это должно привести к новому качеству систем - видам одноклеточных организмов с единым ДНК-геномом и ферментативным аппаратом с высокой точностью репродукции.
Современный генетический код и механизм трансляции могли возникнуть в процессе эволюционной Со в Гц. Основными этапами образования кода, по М.Эйгену, являются: репликация РНК в отсутствие ферментов (число нуклеотидов n=60), репликация тРНК (n=100), репликация тРНК с помощью репликаз (n=4500), репликация ДНК с помощью полимераз (n=4.106), репликация и рекомбинации ДНК (n=5.109). Эти этапы связаны с верхним пределом количества информации. У прокариотов превышение информационной емкости (n=104) одноцепочечной молекулы требует участия двухцепочечных матриц и ферментов. Новый предел n=107, установленный механизмом репликации ДНК у прокариотов, не мог быть превзойден до появления генетической рекомбинации, используемой всеми эукариотами.
Источником развития в эволюции организмов является противоречие самосохранения (устойчивости, стабильности) системы и свободы выбора. Точность воспроизводства, усложнение и рост организации требует максимальной ценности информации и абсолютной устойчивости системы, т.е. ограничивает свободу выбора и дальнейшее развитие. Противоречие снимается разделением развития на онтогенез и филогенез. Вид, обладая низким уровнем организации и широкими возможностиями выбора, обеспечивают неограниченное развитие. А организмы проявляют тенденцию к обособлению от среды с помощью мембран, обеспечивают сохранение и передачу информации. Оставаясь открытыми системами, они для эффективного использования энергии и ресурсов могут существовать при наличии пространственного разделения компонентов в рамках определенных структур, обеспечивающих функционирование, поддержание гомеостаза и обновление организма. Неравновесное распределение веществ и энергии, передвижение веществ против градиента осмотических сил (процессы всасывания, секреции, избирательного поглощения веществ и др.) сопряжены с падением и восстановлением свободной энергии за счет указанных структур. При этом организм может функционировать в более экономичном, чем в стационарном, режиме, включая свои подсистемы попеременно по сигналам о потребности, т.е. активно выбирает и меняет свою информацию. Эволюционный отбор закрепляет такой тип обмена веществ и энергии со средой.
Размножение всех видов связано с универсальным механизмом рекомбинации генома, приводящим к изменчивости потомства - условию для естественного отбора. У прокариот - это конъюгация, трансформация, трансдукция; у эукариот - половой процесс. Важно особо подчеркнуть, что после размножения развитие потомства возобновляется с начала.
Появление в геноме избыточной ДНК связано с появлением эукариот. В каждый организм заложен видовой геном. Это обеспечивает развитие организмов в любых условиях обитания вида, при этом только часть генома проявляется в фенотипе, а большая часть передается следующим поколениям, совершив при этом рекомбинацию генома.
Отбор в эволюции ценности типов рекомбинации должен привести к мейозу и появлению полового процесса, а также других важных для выживания эукариот признаков, которые коррелируют с избыточностью генома: длительность митоза, мейоза, развития; размер клеток, скорость метаболизма, устойчивость к холоду, голоду, засухе и др.
Первыми организмами на Земле были археобактерии, которые образовали виды почти на каждый элемент Периодической системы, извлекая из них энергию. Растения использовали энергию Солнца, а гетеротрофы - энергию из растений. Аэробные организмы извлекали в 9 раз больше энергии, чем анаэробный способ. Здесь прослеживается усложнение организмов и необходимость гомеостаза, который требует энергозатрат. У бактерий они составляют почти половину своей энергии покоя, у высокоорганизованных организмов - почти всю энергию. В итоге КПД простейших при построении новых структур составляет 75%, а у высокоорганизованных он снижается до доли процента.
Для аэробных организмов возникло противоречие между самосохранением и развитием, которое разрешилось образованием жизненных циклов (ЖЦ) развития. Период ЖЦ определяется числом поколений в ЖЦ и имеет относительно стабильную видовую длительность, ограниченную нижней и верхней границами. Длительность жизни особей определяется периодом размножения и они имеют один генотип. ЖЦ стал единицей развития с большим числом степеней свободы, более жизнеспособным, чем особь. Для решения общих задач ЖЦикла, особи в ЖЦ должны иметь фенотипические различия (аналогично соматическим клеткам животных) для выполнения разных функций. Такая дифференциация особей в ЖЦ происходит при их размножении.
Здесь возникает новое противоречие между развитием и сохранением ЖЦ: как замкнуть и восстановить ЖЦ и зафиксировать его как исходную единицу. Это стало возможным у эукариот при появлении мейоза и половых процессов, полностью восстанавливающих начало развития. Т.о. ЖЦ после серии бесполого размножения особей (агамонтов) заканчивается половым процессом. Половой процесс был закреплен как новый этап прогрессивной эволюции видов.
Для вида главное - сохранение структуры ЖЦ любой ценой. Поэтому целью развития ЖЦ является подготовка к половому процессу. Он происходит у половых особей (гамонтов), последних в ЖЦ, которые формируются в процессе “половой дифференцировки” клона клеток. ЖЦ заканчивается в связи с выделением агамонтами в среду “половых веществ”, половым созреванием (ПС) клона, мейозом, редукцией генома у половых особей и их спариванием. Во время ПС появляется старение клона, которое выражается в замедлении делений особей, изменениях в ядерном аппарате и снижении жизнеспособности клеток. ЖЦ разрушается и появляется такой же ЖЦ с другим генотипом.
ЖЦ одноклеточных - более открытая система, и для повышения жизнеспособности возможно его расширение в эволюции, однако для замыкания ЖЦ оно ограничивается относительно небольшими возможностями мейоза у одноклеточных. Это противоречие разрешается появлением колоний одноклеточных. Старение их происходит при ПС колоний. У низших колоний Pleodorina происходит дифференцировка на смертную сому - 4 клетки из 32. Здесь впервые старение появляется внутри колониального организма: после ПС соматические клетки гибнут и колония распадается.
Повторяемость ЖЦ стала возможна разделением соматической части организма и половой (репродуктивной) линии клеток. В колониях семейства вольвоксовых при делении зиготы образуются репродуктивные клетки. Обычно после 32-клеточной стадии колонии происходит образование половых и бесполых репродуктивных клеток, из которых образуются половые или бесполые колонии. Кроме того, образуется несколько сот - тысяч смертных соматических клеток. Этот процесс закрепился “раз и навсегда”.
Колонии создали условия для возникновения многообразия многоклеточных организмов.
У всех видов организмов существуют 2 способа размножения: бесполое и половое, которые представлены разнообразием форм размножения у разных видов.
Для ЖЦ многих видов беспозвоночных характерно чередование нескольких бесполых, морфологически различных, поколений особей (деление, почкование и т.д.) или фаз развития с метаморфозом (у насекомых и др.), которое заканчивается половым, последним, поколением. Здесь жизнеспособность организмов выше и длительность жизни дольше, чем у одноклеточных.
ЖЦ высших животных и человека представлен стадиями развития и совпадает с онтогенезом. Это более закрытая система, ЖЦ сжимается в одном организме и создается высокий уровень организации с повышенной жизнеспособностью, связанной с состоянием информационной устойчивости, которое обеспечивается морфофизиологической слаженностью всей организации системы при участии системы биоритмов организма [6].
Так, прослеживается аналогия с онтогенезом высших животных: бластула, отделение первичных половых клеток от соматических (начало половой дифференцировки организма), старение организма после ПС.
В теории ЖЦ обычно не обсуждаются важные вопросы: чем объясняется, что ЖЦ начинается с начала; почему бесполые организмы или их фрагменты дают себе подобных; почему половые клетки и зигота дают начало развития, начало ЖЦ, а соматические клетки стареют?
Это можно объяснить наличием т.н. зародышевой плазмы (ЗП) в яйце и зиготе половых поколений организмов, а также в некоторых стволовых клетках (СК) бесполых организмов, и отсутствием ее в соматических клетках [5]. ЗП это совокупность цитоплазматических факторов (в виде гранул), определяющих развитие половых клеток и обособление их от соматических (начало половой дифференцировки организма). У млекопитающих это обособление происходит в эмбриональном развитии. При делении зиготы одно ядро попадает в зону ЗП. Бластомеры с таким ядром являются тотипотентными СК, которые дают начало половым клеткам. Т.о. тотипотентность СК (в т.ч. и половых) обеспечивает начало ЖЦ организмов и передается следующим поколениям, обеспечивая самоподдержание жизни на Земле [7].
СК, лишённые ЗП, сохраняя мультипотентность, обеспечивают развитие и жизнеспособность организма, производят соматические клетки, которые теряют потентность, что обеспечивает им способность дифференцироваться и делиться до терминальной стадии, зрелости, в которой они выполняют свои функции (синтезируют ферменты, гормоны и т.д.), т.е они должны иметь ограниченный потенциал делений. Причём предел числа делений должен быть определённый для каждого органа, что и наблюдается в действительности. Старение и гибель неделящихся клеток восполняется за счет СК, обеспечивая самообновление органа. Однако это самообновление, скорость пролиферации, снижается. Причина этого снижения находится не в самих клетках (они способны не снижать скорость пролиферации) и не в СК, а в изменении центральной регуляции этого процесса на уровне организма, в старении организма.
Поэтому все многоклеточные организмы в ЖЦ после достижения ПС стареют и умирают [5].
Следует уточнить понятия старение с смерть. В общем случае происходит самоликвидация ЖЦ, организма, системы после начала действия причины, сигнала на саморазрушение. Эта причина запускает главное звено механизма самоликвидации, разное у разных видов: у бесполых организмов это деление, почкование; у подёнки это редукция ротового отверстия; у млекопитающих и человека - переключение в момент ПС ведущего звена системы регуляции (гипоталамус, гипофиз. и другие структуры мозга) с программы развития организма на программу репродукции. Для организмов процесс самоликвидации заканчивается прекращением индивидуального развития: делением, разрушением, смертью от старения.
Старение наблюдается у организмов с половым размножением. У них понятия старение и смерть отражают возрастное снижение жизнеспособности организма, связанное с изменением метаболизма, нарушением функций, атрофией или разрушением органов, приводящему к состоянию, несовместимому с жизнью. У разных видов тип старения может различаться. Процесс старения может быть замедленным и ускоренным (но не преждевременным). Состояние смерти может быть преждевременным (от болезни, насилия).
Изложенное позволяет сформулировать основной закон, сущность, живого: жизнь есть способ существования живой материи, который состоит в самоподдержании, самосохранении и саморазвитии живого путем непрерывного процесса самообновления, самовоспроизведения и эволюции на всех уровнях организации живого с помощью обмена веществ, энергии и информации организмов с окружающей средой. Действие биологических законов направлено на выполнение основного закона.
Главным критерием живой материи (в отличие от неживой) является самообновление и самовоспроизведение на всех уровнях живого, основанное на универсальном генетическом коде НК, биохимическом единстве живого, самоорганизующихся программах развития, видоспецифичном обмене веществ, энергии и информации, направленном на воспроизведение.
Живая материя представлена уровнями организации живого: организмы, виды (единицы эволюции), сообщества, биосфера в их единстве. Единицей жизни являются организмы, имеющие общие видоспецифические структуры для развития, самообновления, размножения и обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Единицей развития является ЖЦ организма.
Старение универсально для ЖЦ организмов всех видов и является видовым признаком, типичным для всех особей вида. У многоклеточных оно проявляется только у половых особей в ЖЦ после полового созревания, бесполым особям оно не свойственно. Подробно аспекты старения изложены автором в [5]. Исходя из сущности жизни замедление старения с целью продления жизни человека возможно воздействием на обмен веществ, энергии и информации с окружающей средой в пределах возможностей существования вида [6,8].
Дальнейшая эволюция вида человека просматривается через расширение сознания, переход его в открытую систему, т.е. в единство со Вселенной, овладение её энергией и информацией, и способностью бессмертного существования по законам Вселенной.
См. также:
Методология
Проблема сущности жизни
Законы живой природы
Литература
Обсудить на форуме
