Реферат: Возникновение биологической информации

Ароморфоз. Наиболее яркие примеры "больших скачков" - появление фотосинтезирующих организмов в воде и возникновение дышащих организмов на суше. Это свойства обеспечивали очень большие эволюционные преимущества и позволили заселить практически пустые экологические ниши. Однако каждая из новых функций требовала появления сразу нескольких новых белков, т.е. новой белковой системы. При этом каждый из белков системы в отдельности не давал никаких эволюционных преимуществ. Поэтому градуальная (постепенная) реализация "большого скачка" невозможна. С другой стороны, возникновение всей системы в целом "сразу" (за один акт) за счет точечных мутаций тоже крайне маловероятна.

Физическими причинами каждого из упомянутых этапов дивергентной эволюции являются, во-первых, истощение ресурсов питания (продовольственная проблема) и, во-вторых, загрязнение окружающей среды "отходами" биогенной деятельности.

Так, в начальный период (до появления фотосинтезирующих) основными субстратами питания были органические вещества абиогенного происхождения и остатки отмерших организмов. Атмосфера Земли в то время была восстановительной и основным энергетическим процессом являлся гликолиз. Настал момент, когда наши далекие предки все эти продукты съели - наступил продовольственный и энергетический кризис, и темп репродукции сильно уменьшился.

Усвоение энергии света и использование ее для синтеза АТФ позволило решить энергетическую проблему. Возникновение белковой системы фотолиза воды и использование углекислоты для синтеза сахаров (цикл Кальвина) позволили решить продовольственную проблему.

Однако тут же возникла проблема загрязнения окружающей среды. Дело в том, что атмосфера наполнялась кислородом, который, с точки зрения наших анаэробных предков, являлся сильным ядом.

Следующим "большим скачком" было образование дыхательной цепи - белковой системы, способной усваивать кислород, окислять сахара вплоть до углекислоты (цикл Кребса) и синтезировать АТФ за счет энергии окисления (окислительное фосфорилирование). Это позволило превратить ядовитые отходы в полезный субстрат. Одновременно появилась новая экологическая ниша - суша.

Дальнейшие ароморфозы были связаны с образованием многоклеточных и высших организмов.

Из изложенного следует, что биологической эволюцией двигали три главных фактора: стремление сохранить свою информацию, а также голод и загрязнение окружающей среды биологическими отходами.

Механизм образования ароморфозов. Рассмотрим проблему на примере образования белков, способных усваивать и утилизировать свет. Как правило, это мембранные белки. Они отличаются от растворимых в воде белков (протеаз, эстераз и т.д.). Глобулы растворимых белков устроены так, что на поверхности расположены гидрофильные остатки аминокислот. Глобулы мембранных белков с боковых сторон покрыты гидрофобными, а с торцовых сторон - гидрофильными остатками. Поэтому для образования таких белков необходимы новый активный центр и новая глобула. Соответственно, ценную информацию, необходимую и достаточную для функционирования нового белка, можно разделить на две части: одна относится к активному центру, другая - к конструкции глобул.

Вероятность спонтанного возникновения системы из нескольких (хотя бы трех) таких белков, необходимых для функции фотосинтетического фосфорилирования, уже оказывается абсурдно мала.

Именно это обстоятельство лежит в основе проблемы араморфозов, и именно на этом основании делается вывод о невозможности объяснить наблюдаемый (т.е. быстрый) темп эволюции.

Разрешение проблемы в информационном аспекте выглядит достаточно просто. Действительно, в приведенных выше оценках делается неявное предположение о том, что при возникновении новых структур не используется информация, возникшая раньше и содержащаяся в прежних структурах, выполняющих другие функции. Это предположение действительно оправдано, если имеется только механизм точечных мутаций и другие отсутствуют.

Проблема решается, если допустить, что помимо точечных мутаций существует другой механизм - блочные мутации. При этом новый белок собирается из уже имеющихся блоков (деталей) старых белков. Информация, содержащаяся в блоках, не пропадает, а сохраняется и используется уже в новой белковой конструкции, выполняющей новые функции.

Вероятность появления целой белковой системы не мала (в наших масштабах).

В целом создание новых белков из уже имеющихся блоков сходно с детской игрой "конструктор", в которой из одних и тех же деталей можно собрать мост, дом, экипаж и т.д. Поэтому обсуждаемую гипотезу можно условно назвать "конструктор".

Выше мы оперировали блоками, входящими в белки. В действительности перестановки блоков совершаются на уровне генома. На оценку вероятности перестановки блоков это не влияет. Однако с молекулярной точки зрения это важно, ибо в запасе должны храниться не лишние белки, а лишь информация о них. Используя аналогию с эволюцией техники, можно сказать, что при конструировании новой машины инженер использует чертежи прежних машин, хранившиеся в архиве, и выбирает из них чертежи нужных деталей.

Другой пример "большого скачка": возникновение аппарата усвоения кислорода происходило аналогично и закончилось образованием простейших дышащих организмов. Впоследствии в результате симбиоза они внедрились в другие клетки и превратились в органеллы - митохондрии.

Таким образом, проблему скорости биологической эволюции можно считать решенной. Она протекала действительно быстро. Впрочем, тот же вопрос можно было бы поставить и в отношении эволюции техники. Она также осуществлялась достаточно быстро, но была бы гораздо более медленной (или даже невозможной), если бы при создании каждой новой машины приходилось каждую ее деталь изобретать заново. Большую роль при этом играли стандартизация деталей и сохранение в архивах чертежей прежних конструкций.

Список литературы

1. Александров Ю., Захожай В. Существование планетных систем в Галактике и проблемы их поиска/Проблема поиска жизни во Вселенной. М., 1986

2. Кардашев Н. О стратегии поиска внеземных цивилизаций/Астрономия. Методология. Мировоззрение. М., 1979

3. Комаров В. Чтобы лучше познать себя/Вселенная и разум. М., 1988

4. Комаров В. В космическом зеркале. М., 1989

5. Левитан Е., Мамуна В. Наши ближайшие звездные соседи//Наука и жизнь. 1990. № 9

6. Липунов В.М. Научно открываемый Бог//Земля и Вселенная. 1995. № 1

7. Липунов В.М. О вероятности контакта с технологической цивилизацией//Астроном. журнал. 1988. Т. 65

8. Открыты ли, наконец, планеты?//Земля и Вселенная. 1988. № 2

9. Страйжис В. Некоторые астрономические явления как возможный результат деятельности высокоразвитых цивилизаций//Проблема поиска жизни во Вселенной. М., 1986

10. Фейнберг Е.Л. Кибернетика, логика, искусство. М., 1981

11. Циолковский К.Э. Монизм Вселенной//Грезы о Земле и Небе. Тула, 1986