Концепции современного естествознания

Историческое своеобразие и социальная уникальность глобальной ситуации, сложившейся на рубеже двух тысячелетий, властно требует от человечества нового политического мышления, высокой моральной ответственности и беспрецедентных практических действий как во внутренней политике отдельных стран, так и в международных отношениях, как во взаимодействии общества с природой, так и во взаимоотношениях между самими людьми.

Современная глобальная ситуация сплела все противоречия нашей эпохи в единый, нерасторжимый «тугой узел», развязать который в состоянии лишь социальное и духовное обновление человеческого общества, новое мышление в соединении с новой практической деятельностью. Все глобальные проблемы современности тесно связаны друг с другом и взаимно обусловлены, так что изолированное решение их практически невозможно. Так, обеспечение дальнейшего экономического развития человечества природными ресурсами заведомо предполагает предотвращение нарастающего загрязнения окружающей среды, иначе это уже в обозримом будущем приведет к экологической катастрофе в планетарных масштабах.

Именно поэтому обе эти глобальные проблемы справедливо называют экологическими и даже с определенным основанием рассматривают как две стороны единой экологической проблемы.

Глобальные проблемы цивилизации требуют для своего разрешения самой широкой коалиции всех социальных сил и общественных движений, заинтересованных в социальном прогрессе, и одновременно создают объективные условия и субъективные предпосылки для их сотрудничества.

Диалектика социального прогресса в современную эпоху проявляется в том, что борьба за решение социальных проблем не отдаляет, приближает социальное обновление общества. Рост научной и технической мощи человечества, обострение глобальных проблем - будь то экологический, энергетический, продовольственный кризис, усилившаяся угроза существования человеческой цивилизации освещена во многих работа.

Проявляя преступную беспечность, человек, воздействуя на природу, быстро изменяет естественную среду обитания.

Ухудшение состояния окружающей среды влияет на здоровье людей в каждом обществе, несмотря на то, что причины и следствия могут быть весьма различными.

Философия и литература почувствовали неблагополучие раньше, чем наука. Это и естественно: научное познание требует многолетних кропотливых наблюдений, строгого отбора и анализа фактов, разработки методов, не говоря уже о приборах и инструментах науки. Уже поэтому наука медлительнее интуитивного, художественного постижения мира. Руссо, Кант, Гете, а затем и Лев Толстой глубоко и проникновенно показали нравственную сторону (точнее - безнравственную) потребительского отношения к природе. С нарастанием и усложнением последствий человеческой деятельности экологическая проблема усугубилась, приобрела невиданную остроту. Идеи, ранее высказывавшиеся лишь отдельными провидцами и не находившие отклика в сердцах их современников, становятся сегодня важнейшей частью этики, философии, педагогики и разделяются миллионами людей. В данной работе мы ставим перед собой цель наметить некоторые возможности осуществления самосовершенствования с точки зрения развития природных, в том числе резервных возможностей человека. Эта тема, несмотря на безусловную актуальность в плане познания и самопознания природы человека, является крайне мало разработанной.

Акцентирование внимания на физическом самосовершенствовании в этой работе обусловлено современными условиями углубления противоречий экологического кризиса, в результате которого страдает прежде всего организм человека. Кроме того суть и конкретные пути других видов самосовершенствования, в частности, нравственного, достаточно подробно и основательно представлены в философской, художественной и публицистической отечественной и зарубежной литературе. МАТРИЦА. И снова немного истории. В 1927 году на III Всесоюзном съезде зоологов, анатомов и гистологов в Ленинграде наш блестящий биолог Николай Константинович Кольцов сделал доклад, в котором впервые была четко сформулирована вторая аксиома биологии.

Принцип Кольцова до сих пор остается незыблемым, несмотря на то, что наши представления о природе наследственных молекул совершенно изменились.

Профессор М, А. Мензбир рассказал о нашумевших идеях Августа Вейсмана, разделившего организм на наследственную плазму и сому (аналоги сегодняшних генотипа к фенотипа). Из теории Вейсмана следовало, что генотип располагается в клеточном ядре и передается от поколения в поколение яйцеклетками и спермиями. И на том же съезде химик А. А. Колли путем простейших математических выкладок, основываясь на далеко еще и во многом неверных тогдашних представлениях о природе белков, показал, что в головке спермин может уместиться очень мало белковых молекул: несколько десятков, то есть примерно столько же, что и хромосом.

Странным образом никто тогда, кроме Кольцова, не сопоставил оба этих выступления. Да и сам Николай Константинович вынес свои идеи на всеобщее обсуждение только после более чем тридцатилетних размышлений, уже после того, как родилась на свет генетика Моргана и белковая химия шагнула далеко вперед. Вывод его был прост: хромосома—это гигантская, молекула. Впоследствии, в 1935 году он назвал хромосомы «наследственными молекулами». Кольцов предположил, что все наследуемые свойства организмов закодированы в хромосомах порядком чередования разнообразных аминокислотных остатков. Но отсюда следовало, что заново возникать подобные молекулы не могут.

Слишком мала вероятность того, что аминокислоты сами по себе, без какого-нибудь упорядочивающего фактора соберутся а нужную последовательность. А ведь она воспроизводится в каждом поколении и вероятность ошибки ничтожна.

Кольцов приводил пример с цепочкой всего из 17 аминокислот, возможно существование триллиона вариантов таких цепочек, различающихся чередованием остатков! Но такая цепочка гораздо проще большинства природных белков.

Принцип матричного копирования был известен людям тысячи лет. Еще обитатели Шумера имели цилиндрические печати из твердого камня с вырезанными на них именами владельцев и различными рисунками.

Прокатив такой цилиндрик по мягкой глине, древний шумер получал отчетливый оттиск рисунка и печати. На этом же приеме основана любая система точного и массового копирования сложных структур с закодированной в них информацией — будь то книгопечатание, чеканка монет или же изготовление фотооттисков с негатива.

Представляется странным, что идею Кольцова о матричном синтезе генов поддержали в 20—30-е годы лишь немногие. Но она была уже пущена в научный обиход.

Ученик Н. К. Кольцова Н. В. Тимофеев-Ресовский познакомил с ней физика М. Дельбрюка. Э. Шредингер в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» идею матричного синтеза по ошибке приписал Дельбрюку (ошибка через год была исправлена генетиком Дж. Б. С. Холдейном в рецензии на книгу Шредингера в журнале «Нейчер»). ПРОГРАММА Опечатки генетических программ.

Редкая книга обходится без опечаток. В издательских кругах бытует характерный исторический анекдот. В 1888 году известному издателю А. С. Суворину удалось добиться у царской цензуры разрешения на издание радищевского «Путешествия из Петербурга в Москву» тиражом... в сто экземпляров.

Издательская культура была у Суворина на большой высоте, а в этом исключительном случае он даже заключил пари, что издаст книгу без единой опечатки. Книга вышла — и на обложке стояло: «Сочинение Д. И. Радищева» (напомню, что великого демократа звали Александром Николаевичем). Для чего я рассказал эту историю? Мы уже убедились, что в основе жизни лежит матричное копирование, в принципе аналогичное тому же книгопечатанию. Ясно, что а каналах передачи информации от ДНК к признакам организма и от ДНК родителей к ДНК потомков должен существовать какой-то шум — те же опечатки, только на молекулярном уровне.

Каналов без шума не бывает, иное дело, что шум может быть пренебрежимо малым.

Рассмотрим сначала шумы в канале ДНК—ДНК. приводящие к изменению генетических программ. В первую очередь речь у нас пойдет об упаковке генетического материала. ДНК или РНК простейших вирусов может представлять лишь цепочку нуклеотидов, ничем не защищенную от внешних воздействий (например, от действия ферментов-нуклеаз, расщепляющих нуклеиновые кислоты). Однако у сложных вирусов она заключена в белковый защитный чехол. ДНК бактерий также единичная последовательность. Концы ее стыкуются, и образуется кольцо, похожее на тысячекратно перекрученную ленту Мебиуса, хорошо известную любителям математики. Ясно что при репликации кольцо это должно разрываться, иначе дочерняя последовательность будет соединена с материнской, как звенья в цепи. К бактериальной ДНК могут присоединиться молекулы белков, но в общем-то она «голая». Иное дело у высших организмов с оформленным клеточным ядром.

Прежде всего генетическая программа у них — многотомное издание. Если генетическая программа бактерии закодирована в одной молекуле ДНК, одной двойной спирали, то в ядре высших организмов— эукариот— их может быть несколько: от двух у лошадиной аскариды до нескольких тысяч у некоторых одноклеточных организмов — радиолярий и ряда растений. Такие тома называют хромосомами.

Считается, что каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК, ми крайней мере у животных.

Однако есть сильные доводы в пользу того, что у многих высших растений и хромосоме может быть несколько десятков, а то и сотня идентичных копий. ДНК в хромосомах чрезвычайно хитроумно уложена в комплексе со специальными ядерными белками — гистонами. Иначе нельзя упаковать в микронные объемы молекулы длиной во много десятков сантиметров.

Наблюдая за хромосомами во время деления клеток, исследователи обнаружили много форм изменения наследственных программ.

Читателям должно быть известно, что при образовании половых клеток хромосомы не делятся, а расходятся в дочерние клетки, так что получаются гаметы с половинным (гаплоидным) набором хромосом. У человека, например, в нормальных клетках 46 хромосом, а в яйцеклетках и спермиях — 23. При слиянии гамет диплоидный набор восстанавливается. Но так бывает не всегда. Порой механизм, растягивающий хромосомы по дочерним клеткам, не срабатывает. Одни гамета получается совсем без ДНК, а другая с двойным ее набором. Так возникают полиплоидные клетки и организмы; особенно часто это наблюдается у растений.

Иногда же в одну клетку попадает лишняя хромосома, а в другой обнаруживается нехватка. Такие явления называются анеуплоидией. При всех этих перестройках генетическая информация, заключенная в хромосомах, не изменяется.

Меняется только ее количество.

Полиплоидные клетки, например, могут иметь тройной, четверной и т. д. — до тысячи и более раз! — набор генов.

Анеуплоидный геном - это многотомное, ни разрозненно издание. В одной клетке не хватает «тома» инструкций (обычно такие случаи у высших организмов детальны), в другой два одинаковых.

Организмы с лишней хромосомой (трисомики) также часто гибнут на ранних стадиях развития или же развиваются с серьезными дефектами. Много таких случаев описано относительно человека.

Иногда перестройка может привести к тому, что хромосома распадается на части.

Судьба частей различна: они могут потеряться (делеция), снова воссоединиться в составе прежней хромосомы (иногда в перевернутом виде — инверсия) или же присоединиться к другой (транслокация). Все перестройки, как правило, для организма небезразличны. Все упоминавшиеся изменения хромосом начинаются с разрыва нуклеотидной цепи ДНК — знаменитой двойной спирали.

Поэтому мы должны от тех построек, которые видны в оптический микроскоп, перейти на молекулярный уровень.

Насколько прочны фосфодиэфирные связи, скрепляющие полимерную ДНК, и насколько устойчивы пуриновые и пиримидиновые основания в ДНК к внешним воздействиям? Это удалось установить с достаточной точностью. Чтобы вызвать единичную мутацию — наследственное изменение генетической программы,— требуется подвести каким-то способом к ДНК энергию в 2.5-3 электрон-вольта (эВ). Электрон-вольт — единица энергии: такую энергию приобретает электрон, ускоряемый напряжением в 1 вольт. Много это или мало? Ведь ДНК в клетке находится в окружении молекул, движущихся с весьма высокой скоростью.

Оказывается, что средняя энергия теплового движения молекул при тех температурах, когда жизнь возможна, составляет примерно 1/40 эВ. Иными словами, при физиологических температурах ДНК оказывается достаточно стабильной. Но проблема эта сложнее, чем кажется на первый взгляд. Не следует забывать, что скорости молекул при хаотическом тепловом движении неодинаковы.

Убедиться в этом нетрудно. В 1827 году шотландский ботаник Р. Броун, разглядывая в микроскоп каплю воды с пыльцой растений, обнаружил, что взвешенные в жидкости пыльцевые зерна микронного размера не остаются на месте, а хаотически движутся как бы непрерывно подталкиваемые беспорядочными ударами чего-то невидимого.

Достойно удивления, что Броуново движение не привлекало внимания физиков (может быть, потому, что открыл его ботаник?) до начала нашего века, до исследований Альберта Эйнштейна, польского физика Мариана Смолуховского н французского физика Жана Перрена. А ведь из него не только вытекала непреложность существования молекул, но и возможность оценить их скорости и размеры! Что происходит с частицей при броуновском движении? Со вей сторон она 'подвергается ударам молекул. Если она имеет достаточно большие размеры, то удары со всех сторон оказываются скомпенсированными— частица остается и а месте. Но если размер ее, допустим, 10~ 5 см, то весьма вероятно, что с какой-либо стороны суммарный импульс будет больше, и частица сдвинется а непредсказуемую сторону. Иначе и быть не может: ведь скорости молекул разные и флуктуации в их распределении неизбежны.

Именно от этих флуктуации зависит голубой цвет ясного неба, так как на них сильнее рассеиваются синие лучи. Будь скорости всех молекул одинаковыми, солнечный свет не рассеивался бы и солнце светило бы в черном небе, как в космическом пространстве. Эти же флуктуации кладут предел усилению слабых сигналов в электрических цепях. В конце концов мы слышим лишь треск, результат теплового движения электронов в цепях усилителя. Чтобы уйти за этот предел, приходится охлаждать приемник жидким азотом, водородом, а то и гелием.

Отсюда однозначно следует, что в любой достаточно большой популяции молекул неизбежно найдутся такие, которые могут нарушить структуру гена и вызвать мутацию. Ясно, что такие изменения генетических программ должны обладать следующими свойствами: 1. Они случайны в том смысле, что вероятность каждого единичного изменения не равна единице. Более стабильные части гена мутируют с меньшей частотой, более лабильные — с большей, но мы можем говорить лишь о большей или меньшей вероятности мутаций. 2. Они непредсказуемы, поскольку для предсказания какой-либо мутации мы должны знать координаты и импульсы всех молекул в данной клетке. 3. Они не направлены в том смысле, что изменяют генетическую программу без учета содержания сохраняющейся в ней информации.

Поэтому они только случайно могут оказаться адаптивными, приспособительными. Не одна температура изменяет содержание генетических программ.

Пожалуй, большее значение имеют кванты жесткого излучения, начиная с ультрафиолета, быстро движущиеся элементарные частицы, молекулы веществ, способные реагировать с ДНК (химические мутагены). СЛУЧАЙНОСТЬ. Теперь пора подытожить все, что мы знаем о наследственных изменениях генетических программ и сформулировать аксиому биологии №3. Прежде всего, эти изменения случайны и ненаправленны. Их можно сравнить с шумом в канале информации от родителей к потомкам. Если мутация полностью исказит смысл передаваемой по цепи поколений инструкции, она будет смертельной (летальной). Это бывает, когда в результате мутации блокируется синтез жизненно важного фермента.

Наоборот, часты случаи, когда мутация не сказывается на признаках фенотипа.

Вспомним, что генетический код вырожден и одна и та же аминокислота кодируется несколькими кодонами. Если в результате мутации один кодон заменится другим, но синонимичным, в полипептидную цепь включится та же аминокислота и изменения фенотипа мы не обнаружим. Между этими двумя полюсами лежит огромная область мутаций, так или иначе изменяющих фенотип. В каких-то конкретных условиях они могут оказаться полезными, носители их с большей вероятностью оставят потомство и передадут их потомству. Это и есть дарвиновская неопределенная изменчивость — исходный материал для эволюции.

Аксиому биологии № 3 мы можем сформулировать так: В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными.

Третья аксиома вытекает из важнейших физических постулатов — из практической невозможности знать координаты и импульсы всех молекул в клетке, из чего следует распределение энергий молекул по Максвеллу, и из принципиальной невозможности достаточно точно определить координаты и импульсы частиц, атакующих гены (принцип Гейзенберга). ОТБОР. Случайные, ненаправленные изменения генетических программ должны, накапливаясь из поколения в поколение, разрушать и сами программы, и те фенотипы, которые этими программами кодируются.

Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды. Демон Дарвина. Важно подчеркнуть, что естественный отбор, так же как искусственный, где роль условий внешней среды выполняют требования человека,— не просто уничтожение одних особей в популяции и сохранение других. Это дифференциальное размножение, большак вероятность оставить потомство. Вот простои пример: допустим, мы отправили н трудное путешествие через горы и пустыми караван из лошадей, ослов и их помесей — мулов, причем все животные навьючены до предела возможностей.

Скорее всего, до цели дойдут лишь мулы, сочетающие выносливость осла и силу лошади. Но они бесплодны, оставить потомство не могут. Это не отбор. Один весьма уважаемый мною физик эмоционально отрицал значение отбора. Среди его доводов был к такой: уничтожая худшие фенотипы, отбор не улучшает популяцию.

Например, у меня в кармане есть золотые, серебряные и медные монеты. Если я выброшу все медные монеты. стану ли я богаче? Всесилен ли отбор? Над этим следует подумать. Во всех ли случаях безотказно работает демон Дарвина? Естественно, он бессилен, когда не из чего выбирать, когда нет хоть малого количества отклонившихся от нормы генетических программ. Такие популяции бывают— это чистые линии организмов, полученные при помощи близкородственного скрещивания или же размножаемые вегетативно. Но мутационный процесс поспешит доставить материал, и через несколько десятков поколений линия утратит чистоту. лиса — киса — коса роса — роза Игравшие в такую игру помнят, что далеко не все подобные превращения возможны. Порой с досадой убеждаешься, что путь лежит через бессмысленное буквосочетание или же нужно изменить не одну букву за один этап, а больше.

Примерно такие же трудности испытывает и эволюция. Чтобы получить лучший вариант, нужно сначала провести на следующий этап бессмысленную последовательность, а этого отбор не допустит. Приходится оставлять старую, ведь хотя бы она справляется.

Выходит, что демон Дарвина только потому не всесилен, что чересчур ретив. Правда, в одном гене могут возникнуть сразу две, а то и более мутаций, но вероятность этого мала. Если, например, вероятность одной мутации в гене 10~ 5 , то двух: 10 5 10' 5 = = 10~'°. Такие ничтожные вероятности не столь часто реализуются.

Генетик С. Райт представил этот парадокс в виде очень наглядной картины.

Вообразим разные степени приспособленности к внешнем условиям в виде холмистого ландшафта, где высота холма (адаптивного пика) соответствует степени приспособления.

Популяция, поднявшаяся на маленький пик, не может сменить его на большой, стать более приспособленной, ибо при смене пиков отбор пойдет против уровня приспособленности, Так, кошка во время наводнения, спасаясь на низком заборе, может утонуть, хотя бы рядом был высокий дом, В конечном счете все вымершие группы (панцирные рыбы н динозавры, саблезубые тигры и мамонты) повинны перед эволюцией лишь в том, что выбрали неудачные, невысокие адаптивные пики. Нам, приматам, повезло, однако надо помнить, что и наш пик не бесконечно высок. Есть еще несколько способов, так называемых модусов эволюции, которые придают принципу отбора удивительную гибкость, позволяющую создавать новые формы. Но мы не будем останавливаться на них, так как это, образно выражаясь, теоремы биологии, а не -аксиомы ее.