Гиперциклы Эйгена с молекулярной самоорганизации - файл n1.doc

Гиперциклы Эйгена с молекулярной самоорганизации
Скачать все файлы (192.5 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc193kb.18.02.2014 22:22скачать

n1.doc

  1   2   3


МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Н.П. ОГАРЕВА

КАФЕДРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

на тему:

«Гиперциклы Эйгена с молекулярной самоорганизации»


Выполнила: студентка X группы, з/о

специальность «Статистика»

X

Проверил: К.Ф.-М.Н., доцент Сажин Ю.Н.

САРАНСК 2009

Содержание


Введение 3

Идея развития и проблема происхождения жизни. Химическая

(предбиологическая) эволюция 5

Гиперциклы Эйгена в молекулярной самоорганизации 14

Заключение 29

Список использованных источников 30




Введение
Что если в комбинации известной

Из тысячи веществ составить смесь

(Ведь именно в смешенье дело здесь)

И человеческое вещество

С необходимой долей трудолюбья

Прогреть умело в перегонном кубе,

Добьемся мы в келейности всего.
И. В. Гете. «Фауст»

«В начале, сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою». В третий день Бог создал зелень, травы и дерево, в пятый — пресмыкающихся, рыб и птиц, в шестой — скотов, гадов, зверей земных и человека. Живая душа, по версии Библии, появилась лишь в пятый день, хотя с современной точки зрения жизнь уже существует в зелени и травах. Если еще убрать некоторое несоответствие с временной шкалой, в остальном — вполне складная версия. Сторонники креационизма до сих пор утверждают, что при создании такой сложнейшей организации, как клетка, не обошлось без дизайнера или творца. Противников тоже немало. «Вы говорите — Бог! Забудем о старом обманщике», — восклицает в дискуссии о происхождении жизни один из героев романа Джона Апдайка «Россказни Роджера». Он придерживается гипотезы, что жизнь зародилась в глине, кристаллические образования которой стали опорами для органических соединений и постройки примитивных форм жизни. Такая научная гипотеза на самом деле существует.

Гипотез о происхождении жизни много. Вернадский считал, что жизнь — имманентное свойство материи и она существовала всегда, Сванте Аррениус — что она занесена из космоса; к этой же теории, но в более фантастическом виде склоняется и один из первооткрывателей ДНК Фрэнсис Крик. Он полагает, что жизнь могла родиться на другой планете, а развитая цивилизация — распространить засушенные прообразы этой жизни во Вселенной. После открытия ДНК споры свелись к тому, какая молекула появилась первой: ДНК, РНК, белок. Но реконструировать начало жизни было и остается сложным. Материальным свидетельствам о первых формах жизни, по оценке ученых, 3,5 млрд. лет, но это не означает, что жизнь не появилась раньше. Ведь нашей Земле 4,5 млрд. лет. Ставить опыты? Ставят, и кое-что получается, но, как отмечают специалисты, для полномасштабного опыта понадобилась бы лаборатория размером с нашу планету. Опыты переносятся в компьютер. В работу включаются геологи, биологи, химики, физики и астрофизики, математики. И это кажется логичным — ведь вопрос о происхождении жизни находится в сердце всех наук о Земле. [4]

Рассмотрим подробнее гиперциклы Эйгена в основной части нашей работы.


1 Идея развития и проблема происхождения жизни. Химическая (предбиологическая) эволюция


Представления о возможной химической (предбиологической, молекулярной) эволюции как новой предметной области химии зародились на рубеже XIX—XX вв. в связи с логической необходимостью объяснить связанность между физическими космогоническими и биологическими эволюционными учениями, т.е. с теориями-гипотезами Канта—Лапласа и Ламарка, Дарвина.

Таким образом, в XIX в. в результате взаимосвязи физического, космогонического и биологического эволюционного знаний в химии была обозначена новая предметная область: проблемы эволюции вещества как этапа в истории Вселенной от неорганических космических тел до возникновения жизни.

Эволюционные идеи в химии впервые возникли под влиянием космогонических гипотез в несколько большей степени, чем под влиянием эволюционного учения в биологии. Поэтому в первую очередь в химии (и геохимии) прозвучали идеи о неорганической эволюции и образовании химических элементов в космических условиях. В частности, такие идеи в 70-е гг. XIX в. выдвинул Локьер. Позднее, в 80-е гг. Крукс высказал мысль об эволюции химических элементов в речи “О происхождении химических элементов” (1886). Собственно термин “химическая эволюция”, обозначающий именно эволюцию атомно-молекулярных систем в естественноисторических условиях, был введен Муром в 1913 г.

В результате в естествознании обозначились следующие варианты объяснения перехода от простых атомно-молекулярных образований до саморегулирующихся предбиологических систем:

1) возникновение простейших живых организмов в результате чистой случайности;

2) возникновение живых организмов в результате связи необходимости и случайности (т.е. усложнение молекулярных систем) может происходить только до определенного предбиологического уровня, но переход к живому организму происходит скачком при благоприятном стечении обстоятельств;

3) возникновение жизни в результате последовательных процессов самоорганизации в молекулярных открытых термодинамических системах вплоть до образования живых организмов (истоками этого направления в конкретных формулировках являются работы И.Р. Пригожина и его школы);

4) возникновение жизни на предбиологическом этапе в результате механизма естественного отбора для физико-химических макромолекулярных образований, коллоидных систем и т.п.;

5) возникновение жизни из простейших атомно-молекулярных систем в результате конструктивной деятельности некого Высшего Начала, Мирового Разума, Бога.

Начнем с анализа самых крайних вариантов, при принятии которых этап химической (предбиологической) эволюции вообще исключается. Отметим сразу, что библейский вариант сотворения Мира не входит в область научного рассмотрения. Религиозные учения по своему происхождению и месту в духовной общечеловеческой культуре отличаются от научных, поэтому попытки опровержения или обоснования религиозного мировоззрения внутри института науки имеют значение только для института науки, отсюда и слабость “научного атеизма” (некорректного и искусственного в самой его постановке). Теолог всегда может сказать, что откровения, изложенные в Библии, в частности, описание сотворения Мира, — это метафорические откровения на человеческом языке, они вполне вписываются в моральное учение о первородном грехе и т.п. Наука является только частью духовной культуры и имеет монопольное право не на Истину в общем метафизическом смысле этого понятия, а на научную истину с ее специфическими критериями.

Другой крайний вариант — возникновение живых организмов в результате чистой случайности. Скажем сразу, событие случайной встречи всех необходимых молекулярных компонентов в естественных условиях оценивается как непредставимо маловероятное. Вероятность его примерно такова, как и вероятность случайного возникновения дома из груды камня при воздействии природных стихий: ураганов, землетрясений, извержений, вулканов и т.п.

К примеру, вероятность случайного возникновения молекулы ДНК (“голого” гена) за всю историю Земли оценивается величиной 10 в минус 800-й степени. Конечно, численное значение вероятности может сильно варьироваться в силу многофакторности задачи, но то, что такая вероятность непредставима мала – это для всех понятно. Также чрезвычайно мала и вероятность спонтанного образования белковой молекулы или любой другой полимерной биомолекулы.

К этим вычислениям надо добавить, что спонтанное образование молекулы ДНК или белка — далеко не полное условие возникновения самоорганизующейся и самовоспроизводящейся живой системы, так как ДНК может передавать наследственную информацию и “руководить” процессами живого организма только при наличии целого комплекса конструктивных материалов и специфических белковых молекул — ферментов. Совершенно очевидно, что условная вероятность спонтанного образования даже простейшей биологической системы (“полуживого” организма) непредставимо мала.

В связи с этим известные позиции Ж.Моно и А. Ленинджера, предполагающих возможность возникновения жизни в результате простого случая, или гипотеза Г. Миллера о том, что жизнь могла возникнуть из “голого” гена, достаточно аргументировано критикуются и не выдерживают количественных оценок вероятности такого события. Ричард Докинс, автор известной книги «Эгоистический ген» (The Selfish Gene), считает, что в первичной бескислородной атмосфере случайно образовывались аминокислоты, которые конденсировались в молекулы подобные белкам. Затем случайно возникла молекула гена, что повысило вероятность образования самовоспроизводящейся системы. Такого типа реконструкции естественной истории страдают явным недостатком, который, по сути, проистекает из механистической позиции авторов. Типичная методика таких гипотез такова: выделяются компоненты живого организма (биомолекулы, мембраны, клеточные органоиды), а в этих компонентах свои компоненты (например аминокислоты, входящие в состав естественных белков) и далее в обратном порядке описывается возможная (точнее невозможная) естественная история.

Мала и вероятность подтверждения гипотезы панспермии, которой придерживался, например, известный физико-химик С.Аррениус, а в наше время Ф.Крик и Л.Оргелл. Даже в случае ее подтверждения проблема химической эволюции просто переносится с земных исторических условий на некоторые другие космические объекты. Современные аргументы в пользу панспермии весьма косвенные. Например, гипотеза “направленной панспермии” Ф.Крика и Л.Оргелла обосновывается тем, что “химический состав живых организмов в какой-то степени отражает состав среды, в которой он развивался. Поэтому присутствие в земных организмах элементов, на нашей планете крайне редких (например, молибдена, играющего важную роль в ферментативных процессах, но содержание которого на Земле составляет 0,02%. — В.К.), может означать, что жизнь имеет внеземное происхождение”. Другое основание авторы видят в универсальности генетического кода, что, по их мнению, естественно вытекает из теории внеземного происхождения жизни. Заметим, что приводимые обоснования панспермии (в части обоснования невозможности возникновения первых живых организмов на Земле) равным образом можно относить и к обоснованию любых учений о внеземной природе жизни, в том числе и к креационизму.

Вообще говоря, само по себе обсуждение проблемы внеземного происхождения жизни проистекает из трудностей обоснования происхождения жизни из неживой природы в процессе естественной эволюции на Земле.

Именно эти трудности привели, видимо, В.И.Вернадского к обоснованию учения о вечности жизни во Вселенной.

Рассмотрим проблемы предбиологической (химической, молекулярной) эволюции более детально. В результате проведенного анализа можно выделить для рассмотрения варианты гипотез предбиологической (химической) эволюции, обозначенные нами выше пунктами 2, 3 и 4. При этом сразу исключим вариант 4, поскольку имеется достаточно оснований для утверждения о том, что естественный отбор не может функционировать как фактор эволюции в неживых системах, пусть самоорганизующихся, но не самовоспроизводящихся. Концепция естественного отбора может как-то (но не без серьезных трудностей) применяться к предбиологическим системам высокого уровня организации, т.е. к объектам не столько химическим, сколько уже биологическим.

Если в современных эволюционных учениях о живой Природе доминирующей является теория (гипотеза) Дарвина, то в отношении химической (предбиологической) эволюции более приемлема концепция Ламарка. При этом нужно, конечно, учитывать, что Ламарк не разрабатывал проблему химической эволюции. Его эволюционное учение относится исключительно к эволюции живых организмов. Аргументом в пользу “молекулярного ламаркизма” в противоположность предположению о возникновении жизни по чистой случайности является то, что истории Земли не хватает для того, чтобы и предбиологическая эволюция шла по Дарвину, т.е. с фактором случайности мутаций и наследованием приобретенных таким случайным образом признаков. В связи с этой проблемой отмечается, что “...главный козырь ламарковского механизма на доклеточном этапе эволюции — быстрота, ведь времени на случайную изменчивость и отбор нужных вариантов катастрофически не хватает”.

Так, с позиции философского учения о противоречиях и единстве противоположностей как диалектическом факторе развития возможность химической эволюции обосновывает Ю.А.Жданов указанием на наличие противоречивых, противоположных свойств у одних и тех же химических соединений. Далее, условия для возможности химической эволюции в естественных условиях усматриваются в факте обнаружения органических веществ на космических телах. Это усиливается интересной гипотезой о возможных процессах синтеза высокомолекулярных соединений в зернах межзвездной пыли при сверхнизких температурах в результате квантово-механического туннелирования химических реакций — гипотеза “холодной” химической эволюции.

В других работах центральным благоприятствующим фактором химической эволюции считается явление катализа. Поскольку скорость химических процессов может регулироваться присутствием катализаторов, влияющих также на соотношение продуктов и специфичность химических процессов, значительная роль в химической эволюции отводится естественным каталитическим процессам. При этом выделяется особенное их значение в автокаталитических реакциях самоорганизующихся систем.

Словом, в настоящее время в естествознании осуществлена переборка множества вариантов необходимых условий для химической эволюции.

Помимо усилий по выявлению необходимых благоприятных условий для химической эволюции, создаются теории, в которых объясняются варианты химической эволюции при возможных неблагоприятных условиях.

В современной биосфере, можно сказать, имеются два фактора, препятствующие началу нового эволюционного процесса от молекулярного уровня: химический (окислительный) и биологический (обусловленный активной минерализацией органического вещества в природе живыми организмами). Второй фактор относится только к частной проблеме — обоснованию невозможности повторного начала эволюционного пути при наличии в окружающей среде живых организмов.

Надо заметить, что современные исследования белков находятся в состоянии взаимообогащения знаний с эволюционными представлениями в пограничных областях химии, физики и биологии. О роли структурных исследований белков в этом плане сообщается, например, следующее: “Сравнение первичных структур белков, выполняющих одинаковые функции в разных организмах, приводит к следующим интересным выводам. Во-первых, различие первичных структур в целом тем больше, чем дальше отстоят эволюционно организмы-хозяева; для белков, выполняющих эволюционно новые функции, различия больше, чем для старых. Во-вторых, даже в пределах одного вида существуют индивидуальные различия первичных структур белков; некоторые из них практически не отражаются на процессе функционирования, другие отражаются заметно”.

Взаимосвязь эволюционных, временных изменений в белковых компонентах живых организмов с их структурой позволяет обогатить методологический арсенал современной эволюционной теории. Так, “фактическое число аминокислотных различий между двумя видами может служить мерой времени, прошедшего после дивергенции их от общего предка”.

Характерный пример попытки объяснить эволюционный процесс, начиная хотя бы с макромолекул, — представления М.Эйгена об объединении самовоспроизводящихся молекулярных образований ограниченных размеров в новую более сложную устойчивую систему, способную к эволюционным изменениям на новом уровне. Такой принцип прогрессивной самоорганизации Эйген назвал “гиперцикл”. В данном случае мы имеем дело с гипотезой, в которой делается попытка объяснить один из этапов предбиологической эволюции постулированием “все той же” самоорганизации. “Все той же” в том смысле, что слово “самоорганизация”, относимое к естественным природным процессам, означает не более чем слово “эволюция”, т.е. констатирует нечто и мало что объясняет.

В связи с дальнейшими исследованиями информационных процессов в живых системах с участием ДНК и РНК обсуждаются возможности происхождения жизни с участием первичных ДНК с их саморепликацией и дарвиновским естественным отбором. Однако и для таких более поздних этапов химической эволюции, когда необходимо предположить функционирование предбиологических систем с участием макромолекул типа биокатализаторов и информационно-регуляционных макромолекул типа нуклеиновых кислот, всегда вставала проблема малой вероятности образования таких систем. Для решения этой проблемы М.Кальвин, Ф.Крик, Л.Оргелл и М.Эйген стали выдвигать новые гипотезы о том, что “жизнь началась с простых автокаталитических, т.е. самовоспроизводящихся молекул” и что “именно нуклеиновые кислоты, а не белки способны выполнять эту роль”. Эти подходы в последнее время нашли дополнительные научные основания, поскольку совсем недавно было показано, что биокатализаторами могут быть не только белки-ферменты, но и интронные участки РНК (в процессе перевода РНК в активную форму происходят вырезание интронные участков и сшивка содержащих генетическую информацию экзонных участков).

Однако и здесь важно повторить замечание, что во всех гипотезах мы встречаем дополнительные основания к возможности химической эволюции, но никак не достоверные обоснования ее необходимости. Так же обстоит дело и с приложением к решению проблемы предбиологической (химической, молекулярной) эволюции термодинамических знаний. Принципиальный термодинамический запрет, вытекающий из второго начала равновесной термодинамики, был преодолен благодаря исследованиям в области термодинамики неравновесных процессов. В работах И.Р.Пригожина и его школы сформировалось новое научное направление — “синергетика”, основанное на нелинейной неравновесной термодинамике. В сфере неравновесной термодинамики теоретически и экспериментально была обоснована возможность существования при некоторых условиях естественных процессов, в результате которых образуются высокоорганизованные системы.

До этого в экспериментальных работах показывалась только возможность образования в естественных системах биомолекул — характерных химических соединений, входящих в состав живых организмов. Такие биомолекулы, по существовавшим представлениям, в естественных условиях могли образовываться только случайно, что и подтверждалось в физико-химических экспериментах, например, по образованию аминокислот при облучении простейших соединений УФ-светом.

Например, наиболее замечательная в этом отношении осциллирующая химическая реакция Белоусова—Жаботинского (возникновение упорядоченности в реакционной среде при явлении самопроизвольного циклического взаимоперехода продуктов реакции в реагенты, и наоборот) без вмешательства извне происходит в пробирке ограниченное время (около 30 мин), а затем “умирает”, окончательно возвращаясь к состоянию равновесия и однородному распределению вещества.

Это происходит вследствие того, что пробирка является в известном смысле замкнутой системой. Таким образом, “реакция Белоусова—Жаботинского” возможна только при условии, что в ее предыстории пробирка (реакционный объем) была более открытой системой и, что самое важное, в “запуске” реакции участвовали Б.П.Белоусов и А.М.Жаботинский.
  1   2   3
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации