Сопоставление дарвинистского  фенотипического подхода к эволюции с информационным,  генетическим.

В.П. Жалко-Титаренко
Г.О.  «Інститут  проблем  походження  Всесвіту  і  життя»,

Введение

       В  современной науке  начала обостряться проблема  научного содержания  категории эволюции, потому что её теория,  построенная Чарльзом Дарвином, с точки зрения  теории информации и термодинамики  удовлетворительно  объясняет  только микроэволюционный уровень  (возникновение разновидностей) и  не даёт  удовлетворительных объяснений  возникновению высших таксонов, то  есть  макроэволюции . Эта недоработанность эволюционной  теории  приносит  огромный вред,  как  самой науке, так и  обществу, потому что одна из фундаментальных проблем науки превратилась  в  20 веке в жупел  политических  спекуляций (марксизм-ленинизм, национал-социализм, евгеника), что совершенно недопустимо.

             Прежде всего,  недостаточно точно сформулировано само понятие эволюции.  Её фенотипическая  интерпретация (феноменология) лучше всего  разработана  в  современной т.н. «синтетической  теории  эволюции» и  в  теории филэмбриогенеза  А.Н. Северцова.  Но кроме  внешнего описания типов эволюционных событий основное – внутренние механизмы.  Их  то,  на самом деле,  ни физика, ни  биология  не  нашли. Потому и  пытаются всю  эволюцию объяснять  дарвиновской  ненаправленной (случайной) изменчивостью,  опираясь  в  последнее время  на  концепцию флуктуационных  (т.е. тоже случайных) процессов  неравновесной термодинамики  в неживой природе. 

             На сегодняшний день, как и в минувшие века, эта проблема сводится к  альтернативе – либо  эволюция  продукт слепой случайности, либо результат  творчества  Высшего Разума.  Обе точки  зрения  имеют  свою  научную методологию  и  должны  её  использовать для решения проблемы.

               Это  не правда, будто  нельзя  доказать  существование  либо отсутствие Высшего Разума.  Доказать можно, и притом на уровне  естественно-научных  методов современности.  Человечество должно узнать, например, что отрицание  Высшего Разума  доказывалось в прошлом лишь умозрительными  спекуляциями  с вовлечением имени Дарвина, и на самом деле не было предметом прямого естественно-научного  исследования.

            Однако  над этими  проблемами должны трудиться  учёные, а не  научные полтитиканы  типа  Т.Д.Лысенко, О.Б.Лепешинской  или современные истеричные неучи без профессии, прикрывающие свою неграмотность  «креационизмом»,  как  маск-халатом. Оба  типа  «доказателей», столкнувшись  с  трудностями проблемы, не гнушались прибегать к репрессиям. Лысенко – к физическим,  совремённые – к вульгарности, рейдерским  захватам  научных обществ, брендов,  институтов, в том числе и того, имя  которого  обозначено в заглавии этой статьи.

             Материал, изложенный в ней  представляет собой попытку найти  путь, а может быть всего лишь тропинку, ведущую к научному решению проблемы.

******

            В понимании и обосновании эволюции мира второе начало (закон) термодинамики  занимает ключевую, позицию потому что даёт точную характеристику упорядоченности (организованности)  всех объектов Вселенной. Закон  имеет несколько равноценных формулировок. Наиболее приемлема для нас: «энтропия закрытой системы возрастает  при необратимых процессах или остаётся без изменений при обратимых».  И ещё: «Энергия Вселенной постоянна,  энтропия  Вселенной  возрастает к максимуму» (Р.Клаузиус).  Понятие «энтропии» (с греч.: превращение, поворот)  было введено Р. Клаузиусом  в качестве меры неупорядоченности.

            Чтобы  удобнее было рассуждать о происхождении организованности  материи и энергии  было введено понятие «негэнтропии», то есть «энтропии наоборот» или «отрицательной энтропии».  Из этих формулировок следует, что направление эволюции Вселенной  ориентировано не на повышение, а на понижение упорядоченности,  упадок, разрушение, переход  в состояние термодинамического равновесия, когда звёзды погаснут, а межгалактическое вещество нагреется и энтропия Вселенной достигнет максимума.   Таким образом второй закон  термодинамики утверждает, что эволюция Вселенной – регресс.

             Этот закон был сформулирован в то время, когда возникла теория Ч.Дарвина, провозгласившая совершенно иной, противоположный, прогрессивный  курс эволюции, правда только живого  мира.  Их взаимная  противоположность просуществовала  до семидесятых  годов  прошлого столетия,  когда  бельгийский физик  русского происхождения  И.Р.Пригожин выдвинул теорию спонтанного возникновения  выше организованных  систем (диссипацию) за счёт флуктуаций в состоянии  низших, менее организованных (2).  Для этого они должны были находиться в открытом  неравновесном  состоянии  (Нобелевская премия 1977 г. по химии).

            Теперь противоречие между вторым  законом термодинамики  и  дарвиновской эволюцией  (вместе с теорией Пригожина)  снималось за счёт того, что второе начало, как и сама Вселенная, относились к закрытым системам, а живые и диссипативные – к  открытым.  Математически негентропия  записывалась как обратная величина  энтропии.  Было выдвинуто положение, что открытые системы в неживой природе «поглощают» негентропию из  окружающей среды, создавая  структуры с более высоким уровнем  организации (негэнтропии).   

            Примером может служить  солнечное излучение, попадающее на Землю. Его спектр очень широк – от коротковолнового гамма и рентгеновского  диапазона до длинноволнового инфракрасного и теплового. Весь этот поток усваивается  геоклиматической системой Земли и биосферой.  За его счёт на земле  существует высокоорганизованная материя – жизнь  и  целый  вихрь  климатических и геологических  процессов.  Интересно, что Земля при этом не перегревается, потому что излучает в космос точно такое же количество энергии, но низшего сорта – тепловую.  Выходит, что земля потребляет  от солнца  не столько энергию, сколько негентропию.   При этом общий  ход эволюции  Вселенной  сохраняется, та как  каждая диссипация  приводит к ещё большему возрастанию  энтропии  в окружающей  среде.  

      Сравнение дарвиновского механизма эволюции с неравновесной термодинамикой диссипативных структур  обнаруживает много общего. Обе концепции  относятся только к открытым системам.  Возникновение  новых диссипативных структур и  новых биологических форм  происходит исключительно   случайным образом – за счёт флуктуаций   и   мутаций соответственно. И те и другие сохраняются лишь в том случае, если они  соответствуют условиям среды.  Для живых систем – это  равнозначно стабилизирующей  форме естественного отбора. Таким образом, алгоритмически обе теории  совпадают.

             По-видимому, все-таки эволюционная концепция Дарвина («селектогенез») вероятно подтолкнула мысль  физиков к  созданию подобной же концепции – неравновесной термодинамики.  «Долг платежом красен» - говорит  старинная русская поговорка:  ведь первый закон термодинамики (закон сохранения) впервые открыли  медики – Ю.Р.Майер и   Г.Л.Ф.Гельмгольц.

             И.Р.Пригожин  записал, что «жизнь более не выглядит, как островок сопротивления второму закону термодинамики… Она возникает теперь как следствие  общих законов физики с присущей ей специфической кинетикой химических реакций,  течение которых  далеко от равновесия. Благодаря этим специфическим кинетическим законам потоки энергии  и  вещества  создают  флуктуационный  и  структурный порядок  в открытых системах».  

            Следует  обратить внимание  на  два  сокрушительных противоречия  в  приведенной  сентенции  И.Р.Пригожина, которые  не увидел он сам  и целое следующее  поколение  биологов и  физиков.      Первое – жизнь  совсем не «специфическая кинетика  химических реакций», и  не «апериодический  кристалл»,  как до Пригожина утверждал  один из выдающихся физиков  20 столетия   Эрвин Шредингер.         Представление о том, что жизнь является производной  от возникновения  сложных  химических веществ (т.н. «химическая эволюция»)  не отрицая их значимости, следует вообще отбросить  как  принцип.  Он возник  в недрах 19 столетия,  когда под  ещё несовершенными световыми микроскопами клетки выглядели  как  гомогенная  сплошная белковая среда – «протоплазма» («первичное вещество»)  с ядром  и  какими-то  непонятными  «включениями».  Отсюда  произошла уверенность, будто  жизнь  проста  и  представляет собой  «форму существования белковых  тел».  Таким  телам, по убеждению Ф.Энгельса (и многих других), должны были быть присущи  основные биологические функции, начиная с размножения, наследственности, обмена веществ, сократимости  и т.д. Это упрощенчество  привело к бесплодным  и  длительным  поискам т.н. «живого белка» почти до середины  20 века. «Живой  белок» не был найден, но зато биохимия  белков и открытие их огромного разнообразия  послужило достойным памятником  труда, затраченного поколениями исследователей.

           Казалось бы, что достижения  молекулярной  генетики  и  электронной микроскопии второй половины 20 столетия, показавшие  сложнейшую структуру  некогда такой «простой» протоплазмы, должны были  озадачить  апологетов  «специфической химической  кинетики»  жизни. Ведь цитоплазма (то же что протоплазма)  у эукариотических клеток состоит   из разветвлённой  одномебранной  системы трубочек, канальцев, мешочков и цистерн – эндоплазматического ретикулума. На его поверхности  находится огромное количество рибосом, а  внутренние пространства заполнены матриксом. И это только функциональная «периферия»  клетки,  к которой  ещё  относятся  органеллы – митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, микрофиламенты,  система мембран клеточной стенки,   ядро, хромосомы, надмембранные структуры.   В бактериальной клетке  по сравнению с эукариотической кое-чего не хватает, например -  дифференцированного ядра.  Но есть такое, что  потрясает – очень похожие на электродвигатели  субмикроскопические моторчики  с  «ротором»,  «статором» и  «сальниками», вращающие  жгутики  у подвижных бактерий  (5,6).

            И. Пригожин,  полагал, что структурные элементы  клетки проистекают из  «специфической химической  кинетики» в то время как раздельность, внутренняя организация, последовательность и упорядоченность  химических процессов  могла  возникнуть при условии, что все химические процессы разделены  и  обособлены.  В  неразделённой  (физики это называют «сплошной») среде никакая «специфическая химическая кинетика» неосуществима. И жизненные процессы  в такой среде не зародятся. Исследователи, работающие с гомогенатами  клеток и тканей, это хорошо знают. Такова суть второго противоречия.

            Поэтому  первично должны были возникнуть внутриклеточные структуры. Вот почему использование  В.А. Кордюмом понятия  машины для представления о клетке, выглядит  вполне естественным.  Следует только уточнить, что под машиной  должна подразумеваться  организованная  система  механизмов любой природы,  совокупно слаженная для  выполнения  определённого  предназначения.

             Анализ  жизнедеятельности клетки, показывает, что  её  функциональные механизмы  объединены  операционной системой  генома,  располагающего огромным запасом памяти, записанной  на ДНК  ядра,  и  осуществляется на основе прямых и обратных связей типа оперона.  То есть принцип  машины в структуре и жизнедеятельности клетки соблюдён.

             Считать, что такая система  возникла  вследствие химической  эволюции, т.е. усложнения макромолекул, и  рассматривать её всего лишь как способ  их  существования,  очень трудно.  Это  всё равно, что считать Мариинский дворец  продуктом эволюции  кирпича. Остаётся добавить, что  клетка  не просто  машина, а  саморегулирующийся  и самообновляющийся, способный к  размножению  гипермеханизм.

            Чёткое  определение  всегда играло в науке  важную направляющую роль. Мысль о клетке как гипермеханизме  приходила в голову не одному поколению учёных. Но пока не была выполнена скрупулезная работа по биохимии белков и нуклеиновых кислот,  идея оставалась неплодотворной. Наоборот, ошибочное представление  о живом белке, после драматических дискуссий,  в  конечном счёте  вывело науку на  уровень современной молекулярной генетики. И только теперь, интерпретация  клетки как гипермеханизма  позволяет не только  обосновано отбросить  одноуровневую химическую  трактовку  жизни  Пригожина и Шредингера, но  и  усмотреть в ней  особый двойной уровень организации как системы.

             Так, действительно  клетка  построена из элементов – макромолекул белков, нуклеиновых кислот, жиров,  углеводов  и других соединений – первый уровень.  Но с другой стороны  клетка является  удивительно сложной  и совершенной их композицией  в  клеточных структурах – клеточной оболочке, эндоплазматической сети, матриксе, рибосомах, ядре и  множестве  других  органелл – второй уровень.  То есть  макромолекулярные элементы  становятся  клеткой  только тогда, когда  они  строго определённым способом собраны  и  соединены  во  внутриклеточных структурах.  Проблема состоит в том, чтобы  найти  критерий организации, характеризующий  эту самую важную  сторону  устройства и природы клетки, потому что россыпь тех же элементов,  без правильной сборки,  клетки  образовать не может.    Один из основателей теории информации  К.Шеннон для характеристики уровня организации  систем предложил  формулу (1948):                                                  

                                                                                                                               (1)

где:  R- уровень организации,  s – энтропия  системы, S- энтропия системы в состоянии  термодинамического  равновесия.     

Используя  эту  формулу, и введя обозначение уровня организации  элементов (макромолекулярных составляющих) – s  и  уровня  организации  их композиции в клеточной структуре - sp, можно получить уравнение состояния живой системы (8):  

                                      (2)

где:    первый двучлен  является уровнем  системной организации    клетки,   структуры клеточной системы,   второй двучлен является уровнем организации  макромолекулярных  элементов,   s -  энтропия  макромолекулярних  элементов,   третий двучлен отражает существующий  уровень упорядоченности Вселенной.

             Особая  композиция  макроэлементов  в  построении  клеточного тела  вместе с  информацией по каждому молекулярному элементу,  как известно, записана на ДНК. Она составляет так  называемую «генетическую информацию», реализация которой  представляет собой сложный процесс  снятия  копий,  переноса их в рибосомы, «прочтения  текста», записанного на копии  и  воспроизведения  соответствующего белка. Соединение молекулярных структур в неживой природе также реализуется  далеко не  простым  путём и  структура конечного продукта, например гранита,  являющегося  сложным  объединением  кварца, полевого шпата, слюды и кислого плагиоклаза,  также  характеризуется  соответствующей  информацией.  Но она коренным образом отличается от генетической.

             Информация  о  структуре  гранита  всего лишь человеческая интерпретация, которая  не  обусловливает возникновение  этого минерала в природе. Генетическая информация – реальность, записанная на   ДНК.  Её  декодирование и считывание  обусловливает  воспроизведение  функций и структур клетки, как и её самоё.    Различие между этими видами  информации вызывает  необходимость  в  выделении  специальной категории «структурно-функциональной информации»  или сокращённо СФИ (11 ).  Эта  категория  информации, совпадая с генетической,  встречается не только у живых, но  и  у других  систем, происхождение которых связано с творчеством.  Категория  СФИ  позволяет  более  строго   подойти  к  характеристике  эволюционных  процессов. 

                Если без предубеждения  (за или против)  рассмотреть  дарвиновскую концепцию эволюции   и   фундаментальные  исследования  А.Н. Северцова,  И.И.  Шмальгаузена, Н.В. Тимофеева-Рессовского,  Дж. Хаксли,  Э. Майра,  то в них не найти  даже намёка  на  объективное  измерение   уровня  эволюционного  развития   как такового.  Биологи  всегда руководствовались  умозрительными  фенотипическими оценками  этой  основополагающей характеристики, когда одни виды относили к более совершенным, а другие - к  примитивным.  Это  не удивительно, потому  что основной массив исследований проводился в то время, когда  критерии негентропии, информационной ёмкости  и  формулы К.Шеннона  не существовало  или они  ещё  не  получили  биологической интерпретации. 

            Это  сегодня  мы можем выдвинуть для обсуждения,   например такое сакральное  определение: «Прогрессивная эволюция  это  возрастание  структурно-функциональной информации (СФИ)  клеток, а регрессивная  -  её уменьшение». Раньше  такой  возможности не было.  Однако даже сегодня  оценка  величины  СФИ   представляет собой очень сложную задачу. 

            При этом сразу возникает  сакраментальный вопрос – может  ли  прогрессивная  эволюция  (возрастание СФИ)  осуществляться  за счёт  разрушительных  изменений в генотипе – мутаций?  Вопрос интересен тем, что например  целый лист стекла  имеет  меньшую  информационную ёмкость, чем треснувший  или разбитый. Ответ можно получить из данных  следующего исследования.

            Ещё в начале 70-х годов под эгидой М. Эйгена был проведен  впечатляющий эксперимент,   смоделировавший  эволюцию  фермента  под влиянием спонтанных мутаций.  В  опыте in vitro моделировался синтез  репликазы  в смеси  мономеров РНК на матрице РНК фага  что  свежее-синтезированная порция репликазы переносилась в очередную пробирку с матрицей и мономерами через постепенно сокращающиеся интервалы времени. Через 80 пассажей  в пробирке  работала уже мутантная быстро действующая репликаза.

              Эксперимент  показал, что мутации  и  отбор (сокращение   времени  переноса при пассировании)  даже на молекулярном уровне  приводят  к  возникновению  более эффективной  структуры фермента.  За теорию  гиперциклов, опиравшуюся,  в том числе и на этот эксперимент, М.Эйген  был удостоен Нобелевской премии.

        Однако психологическое воздействие  дарвиновской  эволюционной теории  и   отсутствие  критерия эволюционного совершенства  не позволило  научной общественности  увидеть обратную сторону медали:  «быстрая»  репликаза потеряла 85% своего первоначального состава и притом не за счёт активного центра, а за счёт  лигандов.  То есть её информационная ёмкость  резко упала. По термодинамическим  критериям  энтропия  фермента возросла  на 85%,  а негэнтропия соответственно  снизилась.  По терминологии  А.Н.Северцова такой результат следует  относить  к  биологическому регрессу  несмотря на возрастание быстроты ферментации. По существу эксперимент, наглядно показал, что мутации уж точно не способны  создавать новую генетическую  информацию и приводить к возрастанию СФИ..

           Анализируя  проблему  эволюции, следует не только учитывать  состояние СФИ, но и  руководствоваться  положениями современной  т.наз. «Синтетической теории эволюции», которая  разделяет ёе на  2  уровня – микроэволюцию  и  макроэволюцию.  Первая  является прямым и очень успешным  воплощением теории Дарвина, так как показывает  как  вследствие  ненаправленных  мутаций  и  скрещивания возникают  разновидности, дальнейшая судьба которых  складывается под контролем естественного отбора (селектогенез).  Можно  смело утверждать, что механизм  микроэволюции  найден, обоснован  и алгоритмически подобен  возникновению  диссипативных структур по Пригожину.     

            Напротив,  макроэволюция  стала камнем преткновения, потому что  затронула  системную  организацию  клетки – ту сверхсложную  композицию  макромолекулярных элементов, которые  составляют  клеточный  гипермеханизм.  Эволюционисты  всегда прекрасно понимали, что сущность макроэволюции состоит  в повышении сложности и организации  живых существ. Но отсутствовала  возможность  учесть и измерить  эту  сущность. Несмотря на введение  в проблему  принципов теории информации, выделении двухуровневой организации клетки,  введении понятия о СФИ и формулирования уравнения состояния  живой системы,  эта проблема  ещё далека от своего решения, на что настойчиво  указывал  известный биофизик  минувшего столетия М.В. Волькенштейн.

            Ведь  такие  продвинутые  в теории эволюции вопросы как формы филогенеза,  филетическая эволюция, дивергенция, параллелизм, конвергенция  не имеют  информационной теории,  и   построены  исключительно на  фенотипических признаках и эмпирических наблюдениях.  В своё время,  выдающееся  учение  А.Н.Северцова  о  филэмбриогенезах, в частности  об анаболии,  девиации,  архаллаксисе  были  так близки  к пониманию информационной  структуры  живого! Но не могли  её освоить, потому что ещё не была создана теория информации.  По этой причине  эволюционный прогресс, регресс, орогенез,  аллогенез,  катагенез, теория ароморфозов и идиоадаптаций  в основном представлены эмпирическими  наблюдениями и умозрительными  интуитивными  обобщениями.  Являются ли они истинными макроэволюционными  событиями или это всё  тот же  микроэволюционный процесс – получить ответ сложно.  Ведь для этого  необходимы оценки  изменения СФИ, а это огромная и сложная работа, имеющая к тому же  чисто  теоретический интерес.

          Груз эмпирических знаний, не поверенных  информационным подходом, затрудняет  осмысление  особой миссии  СФИ, как основы операционной системы  клеточной организации.  Отсюда  её изменения (эволюция) её прогресс  и  возможность  интеллектуального происхождения  могут  остаться в стороне от постижения  живого.  И  прекрасная теория  микроэволюции Дарвина  по-прежнему  будет загоняться на поле макроэволюции, где она беспомощна  и  только  служит прикрытием  бездоказательных  трактовок.

             Ведь  теория Дарвина  на самом деле  не может  объяснить происхождение  и  развитие  СФИ .  Привлекать для объяснения макроэволюционных событий  дарвиновскую случайную изменчивость  (мутагенез) нельзя даже на уровне  гипотезы, потому что эти механизмы могут возникнуть и сыграть свою микроэволюционную функцию только после  возникновения клеточной системы,   управляемой СФИ.  Иными словами, выстраивать цепь эволюционных  ступеней, начиная с молекулярного уровня до клеточного  пока выглядит нелогично.

             К тому же  можно  показать, что по своей природе  случайный  механизм  сборки  клеточной структуры вообще  физически  невозможен.  Руководствуясь  тем, что  каждому гену соответствует  определённый  макромолекулярный  элемент,  задавшись самыми благоприятствующими  случайной сборке  допущениями,  мы рассчитали  сколько  таких элементов могло найти  свое правильное место  в  клеточной структуре  за время  существования  нашей Вселенной.  Оказалось,  всего  48 – 49, а для  полной самосборки  простейшей бактериальной клетки из 300 генов  нужно ещё  251! (факториал) квантов времени - непостижимо огромная величина, абсолютно исключающая  возможность самосборки   даже бактериальной клетки.

            Эти данные  показывают, что  если под эволюцией понимать повышение информационной ёмкости  СФИ  генома  и  продвижение структуры живых систем  к высшим уровням организации, то дарвиновский  селектогенез   этого обеспечить не может.  Дарвиновский селектогенез  - механизм сохранения  видов и разновидностей.  Их макроэволюция  -  удел  иных сил  и  механизмов.  Поэтому  та обширная экстраполяция, селектогенеза,  которая была совершена  Ч.Дарвиным и его единомышленниками после первого шага – книги «Происхождения  видов путём естественного отбора»  должна  восприниматься  с осторожностью. Во многих случаях, как и в его последней книге «Происхождение человека и половой отбор»  дарвинизм выходит на уровень макроэволюции,  которую он на самом деле не обосновал.    

Литература

  1. Жалко-Титаренко  В.П. Проблема лекарственной устойчивости микроорганизмов. От эмпиризма к методологи точной науки. // Сб. работ н/практ конф. Харьков.2008.
  2.   Пригожин И.  От существующего к возникающему. М. Наука, 1985.
  3.  Шеннон.К. Математические работы по теории информатики и кибернетики. М..ИЛ.,1963.
  4. Энгельс Ф. Диалектика природы. Госполитиздат, М..1955.
  5. Schuster, S.C., end Khan,S.(1994)The Bacterial Flagellar Motor,// Ann. Rew. Of Biophysics  a. Biomolecular Structure, 25, 509-539
  6. Caplan S.R. a. Kara-Svanov M. The Bacterial Flagellar  Motor.// Intern. Rew. Of Cytologe, 147, 97-164.
  7. Кордюм  В.А. Наша «шагреневая  кожа» - наша проблема. Нам её и решать.- К.:Логос, 2006.-264 с
  8. Жалко-Титаренко В.:Предестинантні системи.// Сб.  «Актуальні питання медичної мікробіології» До 100-річчя з дня народження С.С.Дяченка. Київ-1988, 27-32.  
  9. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул.М. «Мир», 1973..
  10. Шмальгаузен И.И. Кибернетические вопросы эволюции. Новосибирск.1968.
  11. . Жалко-Титаренко В.П.Эволюция в аспекте теории предестинантных систем.// Научно-практическая конференция «Человек  и  общество ХХ1 века. Идеи и идеалы. Альманах.вып.2. Курск -2007. С.166-1697