Скрытые связи

Я предсказываю, — и я далеко не одинок в своем мнении, — что одной из наиболее впечатляющих и быстро прогрессирующих областей науки XXI века станет биоматематика. Новое столетие станет свидетелем лавины новых математических концепций, новых видов математики, порожденных необходимостью осмыслить структуры живого мира [27].

Подобный взгляд весьма отличается от того генетического детерминизма, который по-прежнему широко распространен среди специалистов по молекулярной биологии, биотехнологических компаний и в популярной научной прессе [28]. Большинство людей убеждены, что та или иная биологическая форма жестко задана генетической программой и что вся информация о клеточных процессах передается следующему поколению посредством ДНК при делении клетки и репликации ДНК. Но в действительности все происходит совсем по-другому.

Самовоспроизводясь, клетка передает наследнице не только свои гены, но и свои мембраны, гормоны, органеллы — иными словами, всю клеточную сеть. Новая клетка производится не из голой ДНК, но из неразрывного продолжения всей автопоэтической сети. ДНК никогда не передается сама по себе, поскольку гены могут функционировать только будучи внедрены в эпигенетическую сеть. Так жизнь уже более трех миллиардов лет развертывается в непрерывном процессе, никогда не нарушая основополагающую организационную модель своих самовоспроизводящихся сетей.

Возникновение нового порядка

В теории автопоэзиса определяется паттерн самовоспроизводящихся сетей как главная характеристика живого, но при этом не дается подробного описания происходящих в таких сетях физических и химических процессов. А как мы уже видели, такое описание является важнейшим условием понимания того, как возникают биологические формы и функции.

Отправной точкой здесь служит то обстоятельство, что все клеточные структуры в своем существовании далеки от термодинамического равновесия и очень быстро придут к таковому, — что, попросту говоря, будет означать смерть клетки — если только метаболизм клетки с помощью непрерывного потока энергии не будет восстанавливать ее структуры по мере их распада. Это означает, что клетка должна быть описана как открытая система. Живые системы (будучи автопоэтическими сетями) организационно замкнуты, но материально и энергетически они открыты. Чтобы жить, они должны питаться непрерывными потоками материи и энергии из окружающей среды. С другой стороны, клетки, как и все живые организмы, непрерывно производят шлаки, и этот круговорот материи — пищи и шлаков — устанавливает их место в пищевой сети. По словам Линн Маргулис: «Клетка автоматически устанавливает связи со своим окружением. Она испускает из себя нечто, а кто-то другой это поедает» [29].

Тщательные исследования материальных и энергетических потоков сквозь сложные системы привели к созданию теории диссипативных структур, построенной Ильей Пригожиным с сотрудниками [30]. Диссипативная структура, по определению Пригожина, — это открытая система, поддерживающая себя в существенно неравновесном состоянии, но тем не менее являющаяся устойчивой: несмотря на исходящий поток и смену составляющих, в ней сохраняется одна и та же общая модель организации. Термин «диссипативные структуры» по замыслу Пригожина призван подчеркнуть описанное выше тесное взаимодействие между структурой с одной стороны и потоком и изменениями (или диссипацией) с другой.

Специфической чертой динамики таких диссипативных структур является то, что она приводит к спонтанному возникновению новых форм порядка. При возрастании потока энергии система может прийти в точку неустойчивости, называемую «точкой бифуркации», за которой ее эволюция может пойти по совершенно иному пути, допускающему возникновение новых структур и упорядоченных форм.

Такое самопроизвольное установление порядка в критических точках неустойчивости представляет собой одну из наиболее важных концепций нового понимания жизни. Условно его называют самоорганизацией. Считается, что именно она является динамическим источником развития, обучения и эволюции. Иными словами, созидательная способность, свойство порождать новые формы — это основополагающее свойство всех живых систем. А поскольку самоорганизация есть неотъемлемая составляющая динамики открытых систем, мы приходим к важному выводу, что открытым системам свойственно развиваться и эволюционировать. Жизнь всегда стремится к новому.

Сформулированная в терминах нелинейной динамики теория диссипативных структур не только объясняет самопроизвольное возникновение порядка, но и помогает нам определить само понятие сложности [31]. В то время как традиционно изучение сложности сводилось к исследованию сложных структур, теперь внимание ученых смещается от собственно структур к процессам их образования. Так, вместо того, чтобы подобно биологам определять сложность организма через перечисление типов составляющих его клеток, можно определить ее как количество бифуркаций, через которые зародыш проходит за время своего развития. Соответственно, Брайан Гудвин говорит о «морфологической сложности» [32].

Пребиотическая эволюция

Давайте ненадолго прервемся и сделаем краткий обзор определяющих характеристик живых систем, выявленных нами в процессе обсуждения клеточной жизни. Итак, мы выяснили, что клетка — это ограниченная мембраной, самовоспроизводящаяся, организационно замкнутая метаболическая сеть; что она материально и энергетически открыта и использует непрерывный поток материи и энергии для производства, ремонта и сохранения самой себя; наконец, что ее жизнедеятельность существенно неравновесна и именно это делает возможным возникновение новых форм порядка, а значит — развитие и эволюцию. Названные характеристики описываются двумя различными теориями, представляющими два различных взгляда на живое, — теорией автопоэзиса и теорией диссипативных структур.

Попытавшись объединить эти две теории, мы сразу обнаружим некоторую нестыковку. В то время как все автопоэтические системы являются диссипативными, отнюдь не все диссипативные системы автопоэтичны. Илья Пригожий, движимый лишь общим интересом к природе живого, вывел свою теорию из изучения сложных тепловых систем и существенно неравновесных химических циклов [33].

Итак, диссипативные структуры не обязательно представляют собой живые системы, но коль скоро неотъемлемой частью их динамики является самоорганизация, все они обладают эволюционным потенциалом. Иными словами, можно говорить о «пребиотической эволюции» — эволюции неживой материи, по всей видимости начавшейся за некоторое время до возникновения живых клеток. Подобных взглядов придерживаются сегодня очень многие ученые.

Первое обстоятельное изложение идеи, согласно которой живая материя происходит из неживой путем непрерывного эволюционного процесса, было предложено ученому миру русским биохимиком Александром Опариным в его классическом труде «Происхождение жизни», увидевшем свет в 1929 году [34]. Опарин назвал такой процесс «молекулярной эволюцией»; сегодня же о нем обычно говорят как о «пребиотической эволюции». Как пишет Пьер Луиджи Луизи: «Из небольших молекул образовывались соединения, отличавшиеся все большей молекулярной сложностью и качественно новыми свойствами, пока наконец не появилось наиболее экстраординарное из спонтанно возникающих свойств — сама жизнь» [35].

Несмотря на то, что идея пребиотической эволюции получила сегодня широкое признание, среди ученых нет единого мнения относительно деталей этого процесса. Было предложено несколько возможных сценариев, но ни один из них не удалось продемонстрировать на опыте. Отправной точкой одной из таких схем служат образованные ферментами каталитические циклы и «гиперциклы» (циклы со множеством обратных связей), способные к самовоспроизведению и эволюции [36]. Другой сценарий основывается на недавнем открытии, согласно которому некоторые виды РНК также могут играть роль ферментов, т. е. выступать катализаторами метаболических процессов. Такая твердо установленная каталитическая способность РНК позволяет представить себе некую эволюционную стадию, на которой две важнейшие функции живой клетки — перенос информации и каталитическая деятельность — выполняли молекулы одного типа. Специалисты назвали эту гипотетическую стадию «РНК-миром» [37].

Согласно эволюционному сценарию РНК- мира, сперва молекулы РНК выполняли каталитическую функцию, необходимую для того, чтобы скопировать самих себя, после чего начали синтезировать белки, в том числе ферменты. Последние оказались значительно более эффективными катализаторами и в конце концов стали играть в этом отношении главенствующую роль. Наконец, в игру вступили молекулы ДНК — главные переносчики информации, которые благодаря своему двухнитевому строению обладают к тому же способностью корректировать погрешности при ее копировании. На этой стадии РНК взяла на себя посредническую функцию, которую выполняет по сей день, уступив роль хранителя информации более эффективной в этом плане ДНК, а катализирующую роль — белкам-ферментам.