Эволюционные соображения об атрибутах живого
Проблемы возникновения жизни.
Как отличить живое от не живого? Атрибуты живого для выявления живых систем из окружения.
В биологии при описании живых существ перечисляются существенные признаки живого: рост, развитие, самовоспроизведение, обмен веществ, раздражимость. Однако следуя требованиям биофизического подхода необходимо выделить ключевой базовый признак, не связанный с конкретным материалом из которого сделана известная нам форма жизни. Возможный способ выделения такого ключевого признака — идеализации заключается в следующем: будем перебирать известные из курса биологии признаки живого и смотреть проявления этого признака у живых и неживых систем естественного происхождения. При этом, если данный признак наблюдается у неживых систем и одновременно может отсутствовать у некоторых очевидно живых организмов, то этот признак не сможет быть ключевым признаком живого.
Важно отметить, что проявления признаков мы будем оценивать на примере отдельного организма, существующего здесь и сейчас, а не на биологическом виде в целом и не в масштабах эволюционных проявлений. Для наглядности можно сформулировать задачу следующим образом: автономный робот посылается на другую планету с задачей поиска жизненных форм. Естественно, имея обычный набор датчиков и находясь в конкретном месте он может наблюдать и взаимодействовать только с отдельными организмами, если они конечно найдутся.
|
|
|
По каким признакам он может решить, что перед ним живое существо. Биохимические анализы не предполагаются, поскольку, если жизнь вдруг окажется высокоорганизованной, то взятие образцов тела может быть расценено как агрессия, и кроме того, ориентация только на земной биохимический базис может существенно сузить горизонт возможного поиска. Рассмотрим таблицу с сопоставлением вышеперечисленных свойств.
Для того, чтобы явно выделяющийся результат сравнения свойства «раздражимость» был понятен необходимо отдельно пояснить, что понимается под раздражимостью. Раздражимость, это не просто некая реакция на внешнее воздействие. Если мы, допустим, толкнули лежащий на столе карандаш и он в результате этого откатился, то это нельзя назвать раздражимостью, т.к. «реакция» карандаша полностью определяется приложенным к нему импульсом силы, причем произведенная карандашом работа равна переданной ему при толчке энергии за вычетом затрат на трение и нагрев в результате деформации.
Совсем по другому реагирует живое существо, например, сидящий на столе тарантул — при очень слабом воздействии (суммарная энергия фотонов, сформировавших изображение в глазу паука) мы, во-первых, наблюдаем более энергичную реакцию и, во-вторых, заранее не знаем как он отреагирует, он может: убежать, принять угрожающую позу или сразу напасть. Подобная реакция у неживых естественных объектов не наблюдается.
|
|
|
Конечно снежная лавина может возникнуть в ответ на относительно слабое воздействие, но это приведет к разрушению системы, в то время как живые системы после реагирования сохраняют свою структуру.
Можно сказать, что раздражимость — несоизмеримая с величиной раздражающего воздействия ответная реакция объекта, подвергнутого этому воздействию.
То есть мы сталкиваемся с кажущимся нарушением законов механики. Формально условие 
≤ 1 представляет собой сигнатуру «жизнеподобных» аномалий, и условие 
→ ∞ применимо к обычной механике, где WS —мощность внешнего воздействия, WR — мощность отклика, t — текущее время, τ — временная задержка.
Например, мощность фотонов, создавших изображение на сетчатке птичьего глаза су щественно меньше мощности, затрачиваемой птицей для изменения направления полета.
Шуточный вариант 1-го закона Ньютона для живых систем «тело поддерживает состояния покоя или прямолинейного и равномерного движения, если на него не действуют другие тела и ему все равно» отражает еще одну особенность живых систем, которую мы им приписываем на основе их поведения — наличие некоторых внутренних побудительных причин, определяющих конкретную реакцию живой системы.
|
|
|
Это отметил, выделяя ключевое свойство живого Э.С. Бауэр: «Всем живым суще- ствам свойственно, прежде всего, самопроизвольное изменение своего состояния, т.е. изменение состояния, которое не вызвано внешними причинами, лежащими вне живого существа».
Специфическая особенность реагирования живых систем отмечал также А.А. Ляпунов: «Для процессов жизнедеятельности характерно наличие специальных управляющих процессов. Последние отличаются тем, что передача небольших масс или порций энергии вызывает действия, состоящие в передаче много больших энергий или масс. ... Управление можно объявить характеристическим свойством живого в широком смысле». В этом высказывании появляется понятие, которое не относиться к понятийному аппарату физики—управление. Понятие «управление» тесно связано с понятием сигнала, которое, в свою очередь, с понятием «информация». Понятие «информация» обсуждается в соответствующем разделе.
|
|
|
Эволюционные соображения об атрибутах живого
Проведем выявление ключевого свойства или атрибута живого, опираясь на представление о химической эволюции. Под химической эволюцией понимается процесс постепенного усложнения исходно очень простых химических автокаталитических систем приведший в конечном счете к возникновению живых организмов. Подробно условия химической эволюции обсуждаются ниже здесь нам достаточно принять, что пробионты, находившиеся у истоков химической эволюции, вследствие своей простоты могли возникать в результате самосборки и разные пробионты могли иметь разный набор свойств. Рассмотрим какие свойства могли бы сначала обеспечить протекание химической эволюции, а затем и привести к замене химической эволюции биологической.
Начнем с известного определения жизни, данного Ф.Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел ...». Оставим вне рассмотрения продолжение этого довольно пространного определения, поскольку там приводится некая детализация, связанная с обменом и размножением. Сейчас эта детализация представляется совершено естественной и там нечего разбирать. По поводу первой части определения существу- ют разные критические высказывания или дополнения. Основной характер возражений относиться к тому, что белок, в этом определении понимается структурно и естествен- но приходится добавлять, что для жизни нужны еще нуклеиновые кислоты, липиды и еще много чего. Другое возражение направлено на кажущуюся ограниченность определения из которого как кажется следует, что жизнь может иметь только белковую основу.
Однако есть основания считать, что Энгельс делал акцент на другом. Во времена написания книги «Диалектика природы» никто не знал, химическую структуру белков, не говоря уже о их пространственной организации. Только в начале XX века Э.Фишер экспериментально доказал, что белок состоит из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Очевидно, что Энгельс имел в виду не структуру белков как таковых, а что-другое. В то время про белок было известно, что он легко коагулирует (денатурирует) под действием достаточно слабых воздействий, относительно невысокой температуры или изменения рН, т.е. белок представлялся очень неустойчивым веществом.
Если отбросить наши знания о структуре белков и подставить в определение Энгельса известное в то время свойство белков, то его определение следует перефразировать следующим образом: «Жизнь есть способ (стабильного) существования нестабильных тел». Анализ соответствующих фрагментов незаконченной Энгельсом книги «Диалектика природы» указывает на правильность такого трактования исходного определения. В таком варианте определение Энгельса становиться глубоким, отражающем парадоксальные свойства живого — химическую нестабильность и способность к дли- тельному ( 3,8 млрд.лет) существованию. Выяснение, как это жизни удается, возможно, и будет пониманием сути жизни.
Разберем модифицированное определение Энгельса. Говорить о существовании чего- то можно, когда это выделено из окружающего мира, имеет с ним некоторую границу. То есть пробионты должны были представлять собой фазовообособленные системы с простыми структурами, возникающими в результате самосборки. Аргументом в пользу обязательности требования фазовой обособленности является доказательство того, что эволюция автокаталитических систем типа гиперциклов Эйгена возможна только если они существуют внутри фазовообособленных систем, а не в растворе (ссылки).
В условиях постоянного воздействия разрушающих факторов длительное долгое существование отдельного пробионта невозможна, тогда единственным способом обеспечения длительного существования, необходимого для протекания химической эво- люции является их самовоспроизведение. Однако очевидно, что для того иметь воз- можность дать потомство необходимо просуществовать какое-то время. Следовательно есть основания считать, что самосохранение — ключевое свойство живых существ. Как гипотетически это свойство могло возникнуть и к каким последствиям приводит его развитие? Допустим, случайно возникали примитивные химические системы, которые по-разному реагировали на разрушающие воздействия:
1. Не реагировали на разрушающие факторы среды −→ не могли существовать дол го.
2. Усиливали внешнее разрушающее воздействие (положительная обр. связь)−→ разрушались даже раньше 1.
3. сформировались отрицательные обратные связи, ослабляющие действие разрушающих воздействий (принцип Ле-Шателье). Имеют очевидное преимущество перед 1. и 2.
4. Помимо отрицаетельной реакции по отношению к разрушающим воздействиям имели механизмы положительной обратной связи в отношении к благоприятным воздействиям. Имеют очевидное преимущество перед 3.
Вариант 4 уже напоминает реакцию живого организма — избегание негативных воз- действий и стремление к позитивным (например, к пище). Тем самым этот вариант предполагает различение, распознавание этих внешних воздействий. При этом комбинация отрицательных и положительных обратных связей, обеспечивающая продолжительное существование пробионта может рассматриваться, как архаичная форма инстинкта самосохранения. Ответ на вопрос, откуда взялся инстинкт самосохранения очень прост — образовывались разные пробионты, но те в которых не реализовывался четвертый вариант реагирования просто не прошли, а быстрее даже не вступили в химическую эволюцию.
Дальнейшее развитие реагирования на внешние факторы должно обеспечивать более эффективное самосохранение, что возможно если пробионт начинает реагировать не непосредственно на разрушающее воздействие окружающей среды, а на его предвозвестники или сигнал. Восприятие сигналов позволяет пробионту, а потом и живому существу выживать, давая время для адекватного ответа.
Поскольку сигнал не является непосредственно действующим сильным воздействием в отношении которого выбор уже не возможен, то в случае сигнала пробионт имеет возможность выбора того или иного ответа. Важно, что на этом этапе развития системы обеспечения существования появляется выбор и характерное для систем управления соотношение мощностей сигналов и отклика на него.
Тем самым выходит, что выясняя каким образом могут неустойчивые тела обеспечить устойчивое существование мы вышли на новое определение жизни, которое в отличие от модифицированного определения Энгельса направлено не на феномен, а на ключевой механизм его обеспечения.
Жизнь есть способность осуществлять выбор, направленная на сохранение этой способности.
Положительные и обратные связи приводят к возможности выбора, при наличии у пробионта, а потом и живого существа: 1) запаса свободной энергии 2) механизма обработки сигналов (информации). В этом случае информация понимается как мера уменьшения неопределенности выбора. Такое понимание информации занимает промежуточное положение между классическим определением информации по К. Шеннону и понятием ценности информации по А.А. Харкевичу: V = log2(P/D), где D — вероятность достижения цели до получения информации, а P — после.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 231; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!