М. Эйген

Математическую модель самоорганизации макромолекул в единицу, способную к редупликации и Э создал в 70-х гг. М. Эйген. Результаты его исследований заставляют полагать, что дарвиновской Э видов предшествовал аналогичный многоэтапный процесс молекулярной Э, который привёл к созданию механизмов редупликации, трансляции и уникального аппарата клетки. По Эйгену, возникновение трансляции является решающим этапом доклеточной Э. При построении модели Э макромолекул М. Эйген исходил из эмпирических и теоретических оснований.

Проанализируем эмпирические основания модели. Книга ГЦ: принципы самоорганизации макромолекул начинается с вопроса: почему существуют миллионы видов животных и растений, несмотря на то, что молекулярный аппарат клетки в своей основе одинаков: единый генетический код, молекулы определённой хиральности [68]?

Если мы собираемся показать: Э протекала, подчиняясь определённому физическому принципу, нам нужно искать исторические свидетельства, следы ранних организационных форм в современных организмах. Все молекулярные реакции в клетке цикличны.

q Простейшим реакционным циклом является простейшая ферментативная реакция: S®^Е®Р, где S – исходный реагент, Е – свободный фермент, Р – продукт. Механизм, который стоит за этой схемой, требует трёхчленного цикла: ЕS (комплекс фермент-субстрат) – ЕР (комплекс фермент-продукт) – Р.

q Цикл Кребса, цикл лимонной кислоты состоит из 9 этапов, регулирует метаболизм углеводов и жирных кислот в живой клетке, это общий каталитический аппарат биологического окисления “топливных” молекул.

q Четырёхчленный цикл, связанный с матричной репликацией молекулы РНК. Такого рода механизм исследовался in vitro (“в пробирке”).

q Одночленный каталитический цикл-репликация ДНК. Механизм этого сложного процесса обеспечивает связь каждой дочерней цепи с соответствующей родительской цепью.

q Цикл размножения РНК-содержащего фага в клетке хозяина. Размножение РНК-содержащего фага в бактериальной клетке представляет собой простой гиперциклический процесс.

q Гиперциклическими процессами являются биосинтез белка на рибосоме, ферментативные реакции, цикл трикарбоновых кислот.

q Экспериментальное исследование биохимической Э макромолекул провёл С. Спигельман. Реалистический ГЦ можно исследовать экспериментально, например, при детальном изучении современного механизма трансляции.

М. Эйген назвал такие циклические реакции гиперциклом(ГЦ). Уже автокаталитическую систему можно назвать гиперциклической, ибо она представляет собой цикл катализаторов, которые сами являются циклами реакций. ГЦ – это средство объединения самовоспроизводящихся единиц (макромолекул) в новую систему, способную к Э. ГЦ это сети химических реакций, в которых на каждом этапе продукты подвергаются цикличным превращениям, все биохимические реакции носят циклический характер.

Почему именно такая система способна к Э? Предисловие ГЦ начинается с тезисов, отражающих логическую структуру книги и объясняющих, почему ГЦ возникает и эволюционирует (Эйген, Шустер 1982: 8-11, 18-28).

ГЦ это принцип естественной самоорганизации макромолекул, обуславливающий интеграцию и согласованную Э системы функционально связанных самореплицирующихся единиц. Для ГЦ характерны гомеостаз, редупликация и мутабельность.

` Гомеостаз, возникновение обратных связей, Þ, метаболизм – превращение высокоэнергетических реагентов в бедные энергией продукты. Системы должны быть способными использовать свободную энергию и вещество. Необходимость поддержания системы вдали от равновесия за счёт производства S. Система находится в состоянии, далёком от равновесия, и всегда расходует энергию, часть которой диссипирует в окружающую среду.

` Редупликация: конкурирующие молекулярные структуры должны обладать способностью, инструктировать свой собственный синтез. Автокатализ необходим для любого механизма отбора. Самокопирование необходимо для сохранения информации, накопленной в системе за предыдущий период. Увеличение точности могло произойти только благодаря наличию катализатора, который тоже должен был воспроизводиться.

` Мутабельность или ошибки копирования, которые являются основным источником новой информации. Должно существовать разнообразие вариантов ГЦ для отбора в результате конкуренции (Эйген, Шустер 1982: 10, 31-32; Моисеев 1998: 89-90).

ГЦ это новый класс нелинейных сетей реакций, обладающих уникальными свойствами. ГЦ поддаются унифицированному математическому описанию на таком же математическом языке, как и неживые системы, в концепциях И. Пригожина и Г. Хакена.

ГЦ могут возникать в результате стабилизации мутантных генов. Зародившись, ГЦ эволюционируют в сторону усложнения. Пределом усложнения является образование мембраны.

Теоретическими основаниями модели ГЦ являются:

ï принцип ЕО дарвиновских систем: доклеточная Э характеризовалась такой же степенью ветвления, что и на уровне видов, если только она управлялась дарвиновским механизмом ЕО;

ï принципы диссипативных структур, симбиоза на молекулярном уровне;

ï общеэволюционные законы: ГЦ возникают раз и навсегда как закономерный этап УИ, анализ механизмов воспроизводства ГЦ не даёт оснований для гипотезы живое – от живого.

ГЦ как система, возникающая в результате мутаций и отбора, непредсказуема в отношении структуры, но неизбежным результатом всегда является процесс Э – это закон. Процесс Э в принципе неизбежен, хотя выбор конкретного пути не детерминирован. ГЦ конкурируют даже ещё более ожесточённо, чем дарвиновские виды, с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся частью ГЦ. Они способны устанавливать глобальные формы организации благодаря свойству отбирать “раз и навсегда”. В результате конкуренции отбирались ГЦ по трём универсальным критериям прогресса (Эйген 1973: 207; Эйген, Шустер 1982: 28):

ï удаление от равновесия: более совершенные ГЦ по критерию скорости и эффективности автокатализа и метаболизма;

ï рост организационной сложности: ГЦ с более эффективной корреляцией единиц, допускают рост своих компонентов и регуляцию размеров и могут даже связываться друг с другом с образованием иерархий;

ï возрастание ёмкости информационного моделирования: ГЦ с более совершенными механизмами редупликации и передачи информации.

М. Эйген приводит гипотетическую схему Э от отдельных макромолекул до интегрированных клеточных структур. Пределом Э ГЦ являются полностью изолированные ГЦ, адаптированные ферменты репликации, трансляции и образование мембран и протоклетки (Эйген 1973; Эйген, Винклер 1979; Шноль 1979; Эйген, Шустер 1982; Янч 1999: 152-153).

Похожая теория молекулярной Э изложена С.Э. Шнолем в книге Физико-химические факторы биологической Э и статье Жизнь – процесс существования объектов биологической Э. Описывается переход к биологической Э (Шноль 1991: 197-198):

± в ограниченном Пр при постоянном притоке энергии извне в результате случайных флуктуаций образуются различные варианты полимерных молекул с разной случайной последовательностью мономеров;

± реплицируются все варианты текстов, все варианты полимерных молекул независимо от вариантов их текстов (принцип Тимофеева-Ресовского);

± однако – и это очень важно – скорость матричного размножения различна для разных вариантов текстов полимерных молекул;

± в результате начинается “борьба за существование”, конкуренция за “пищу” – мономерные молекулы и Пр;

± варианты полимерных молекул с большим кинетическим совершенством быстрее заполняют всё имеющееся Пр;

± однако в результате продолжающихся флуктуаций – случайных изменений последовательности мономеров в цепи (мутаций) – появляются всё новые варианты наследуемых текстов, происходит ЕО всё более совершенных молекул;

± биологическая Э началась, “жизнь произошла”.

В главе ЕО матричных макромолекул, способных к воспроизведению рассматриваются этапы Э макромолекул (Шноль 1979: 48-64).

Первый этап – спонтанное образование и Э нуклеиновых кислот. В среде возникают низкомолекулярные нуклеиновые кислоты со случайной последовательностью мономеров. Идёт воспроизведение, конкуренция за “пищу” – мономерный материал для полимеризации и отбор определённых последовательностей нуклеотидов.

Полимерные молекулы стареют и разрушаются. С некоторого момента темп Э, ЕО будет определяться именно скоростью разрушения ранее возникших молекул, тогда когда скорость синтезов сравняется и превзойдёт интенсивность образования в среде новых мономерных молекул (кризис). Должен возникнуть новый механизм ускорения воспроизведения и разрушения “старых” полинуклеотидов.

Второй этап биохимической Э – возникновение в ходе ЕО совершенных катализаторов-ферментов. Катализ образования полипептидной цепи на полинуклеотидной цепи должен иметь место. Иначе не может начаться эволюционное совершенствование белков, не способных к самостоятельному матричному воспроизведению, а, Þ, к самостоятельному участию в Э. Нуклеотидная цепь ускоряет синтез полипептидных цепей, образуются полипептиды, в которых последовательность аминокислот соответствует последовательности нуклеотидов (аминокислота – 3 нуклеотида или триплет).

Следующий этап – возникновение жёсткого языка биологического кода. Весь биологический мир построен на одной и той же языковой структуре, код одинаков и для человека, и для растений. Разнообразие биологического мира – это разнообразие текстов. Биологи почти ничего не могут сказать по вопросу Э языка биологического кода. Предел совершенства – полная детерминированность кодирования 20 аминокислот 4 нуклеотидами, т. е. механизм 1 аминокислота – триплет нуклеотидов. ЕО в планетных условиях рано или поздно должен привести к формированию предельно совершенного механизма синтеза белка и нуклеиновых кислот (Налимов 1979: 196-201).

Первая живая клетка сама была продуктом длительного процесса Э, который состоял из многих этапов молекулярной Э. Можно смоделировать переход от ГЦ к клетке (Эйген, Шустер 1982: 16):

¡ экспериментами подтверждается, что в жидких средах спонтанно возникали плёнки, мембраны, которые обволакивали комплекс макромолекул;

¡ предмембрана должна быть гидрофобной по отношению к водной среде и гидрофильной изнутри, такие структуры (предмембраны) называются детергентами, и их свойством является способность образовывать дискреты (плёнки, мицеллы, коацерваты, пузыри, пену).

В теории Опарина, в ходе Э появляются системы детергентов (фосфолипидов). Слой таких детергентов обволакивает комплект макромолекул. Синтез компонент мембраны строго регулируется. Мембрана должна обладать избирательной проницаемостью. Механизмы мембранного транспорта ещё не вполне ясны.

Сети химических реакций должны были ограничиться в дискретную единицу и чисто теоретически. ГЦ не могли существовать в виде “живого киселя” (по выражению Н.В. Тимофеева-Ресовского). ЕО становится не эффективным, если нет гибели менее приспособленных систем. Гибель должна быть строго избирательной. Это возможно лишь при условии существования “живого вещества” в виде дискретных порций с необходимым и достаточным комплектом матричных макромолекул, ферментов (единица-клетка). Такой организм (единица-клетка) должен обладать специфической поверхностью, отделяющей его от внешней среды и препятствующей вымыванию веществ, нарушению необходимого их комплекта.

Кровь, плазма аналогична составу воды древних морей, поэтому, высока вероятность возникновения жизни в море. Выйдя на сушу, животные унесли в своих кровеносных сосудах среду для их клеток, ставшую средой организма. По концентрации Na, K, Ca, Mg и Cl плазма крови крысы, жидкость тела осьминога почти идентичны морской воде, но у осьминога более близкие к морской воде показатели. Одноклеточная жизнь на Земле началась очень давно, возможно, ещё до образования твёрдой земной коры около 4-х млрд. лет назад (Шноль 1979: 89-102; Янч 1999: 153).