Эволюция природных систем

Эволюция природных систем.

 Рис.5Космологическая стадия.

Усложнение природных систем происходило в результате эволюции, в которой каждая предшествующая стадия готовила элементную базу для последующей. Можно выделить три основные последовательные стадии эволюции: космологическую, химическую, биологическую(рис.5-7).

"Сложность" структуры - это количество атомов для объектов неживой природы или длина генома (число атомов в молекулах РНК и ДНК) для биологических объектов.

"Сложность" атома, по определению, равна единице. Время появления первых атомов во Вселенной - около 106 лет после Большого взрыва. Именно тогда произошло отделение вещества от излучения. Граничные точки космологической стадии: атом и молекула. "Сложность" молекулы уже на порядок выше, т. е. равна 10 (наиболее сложные молекулы, обнаруженные в межзвездной среде, состоят всего из 13 атомов). Время возникновения первых молекул отождествлено со временем появления самых первых звезд во Вселенной (4,5 ( 109 лет от Большого взрыва).

 

 Рис.6 Химическая стадия

 

Химическая стадия протекала главным образом в космосе. На этой стадии можно выделить два объекта. Первый - это группа атомов, составляющих так называемый твердотельный кластер. Число атомов в нем (его сложность) - примерно сто. Это то минимальное количество атомов, при котором начинают проявляться макроскопические свойства вещества (теплопроводность, электропроводность и т.д.). Такие кластеры (зародыши будущих межзвездных пылинок), образующие уже поверхность твердого тела, оказываются весьма эффективными катализаторами химической реакции - даже в практически безводных условиях. Время появления кластеров - около 12,8 ( 109 лет от Большого взрыва. (Возраст Вселенной уточняется, но для последовательности событий уменьшение временного масштаба не принципиально.) Можно предположить, что ускоряющийся ход эволюции материи в той или иной степени был обязан возникновению твердых тел (межзвездных пылинок) и развитию на их поверхности автокаталитических химических реакций. Это, по-видимому, и дало начало химической эволюции во Вселенной.

Второй объект на химической "ветви" эволюции - макромолекула (полимер), содержащая уже от нескольких сотен тысяч до миллиона атомов. Полимеры обнаруживаются в метеоритах, попадающих на Землю. Поскольку, как считают, метеориты, а также глинистые минералы (катализаторы) и органические вещества в метеоритах образовывались в протосолнечной газопылевой туманности, время, когда макрополимеры появились впервые, отождествляется со временем образования самой туманности. Космология оценивает его в 15,2 ( 109 лет.)

Рис.7Биологическая стадия

Биологическая стадия, протекавшая уже на Земле (последовательность такого рода строилась К.Саганом, А.Бондом и др.), включает: одноклеточные микроорганизмы, водоросли, хордовые, рыбы и млекопитающие (человек) - биологические объекты, которые появились в определенной последовательности на Земле и отличаются длиной генома (числом атомов в нем). Время появления каждого из этих объектов дает палеонтология: для микроорганизма - 17 ( 109 лет, водорослей - 18,9 * 109 лет, хордовых - 19,4 * 109 лет, рыб - 19,6 * 109 лет, для человека - "сегодня" (по современным данным человек появился 3-5 млн. лет назад и в принятом масштабе времени это почти то же самое, что сегодня).

На графике, отражающем полную эволюционную кривую, отчетливо видно, что эволюция материи при переходе от космологической  к химической и биологической стадиям резко ускоряется. Одна из причин этого - автокаталитические химические реакции на твердых поверхностях межзвездных пылинок.

Рис.8 Эволюционные стадии Вселенной

   Исследование эволюции систем различных уровней организации позволяет поставить вопрос о возможности существования общих для всех уровней природы закономерностей эволюционного процесса. Кроме того, возможно выявить монотонный характер изменения в процессе прогрессивной эволюции ряда параметров (количества структурной информации, энергии связи, относительной массы и т. д.), основных структурных единиц последовательных уровней организации вещества во Вселенной. Имеется также определенное сходство в организации основных структурных единиц эволюции материи: ядер атомов, атомов, низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, прокариотов, одноклеточных и многоклеточных эукариотов. Так Дж.Бернал обратил внимание на повторяемость однородных субъединиц в различных структурах: мономеров в полимерных молекулах, с одной стороны, и субклеточных структур (рибосом, митохондрий) в клетке, клеток в тканях и т.д. с другой.

Схема 3.

Взаимосвязь основных единиц предбиологической и биологической эволюции. Подобие уровней организации по (И.Ю.Микляеву).

 

Эволюционный переход от 1-го подуровня ко 2-му самый незначительный, поскольку в структурных единицах 2-го подуровня, состоящих из ядра и оболочки, ядро практически полностью определяет структуру и свойства этой системы. В качестве "ядра" жизнедеятельности прокариотов можно рассматривать набор нуклеиновых кислот (информационно-стабилизирующие структуры прокариотов) и набор белков, осуществляющих в своей совокупности не только все обменные процессы, но и контролирующих и реализующих передачу наследственной информации; в качестве "оболочки" - совокупность метаболитов и их взаимопревращений.

Образование структур следующего подуровня организации - 3-го ("скелетного") - связано со стабилизацией "оболочки". У некоторых структурных единиц "скелетного" подуровня могут появиться как бы зачатки полимерности например, гомологическая разность - CH2 в углеводородах или множественность рибосом у прокариотов, но главная особенность структур 4-го ("полимерного") подуровня заключается не столько в повторяемости однородных элементов, сколько в возможности их дифференциации.

Переход от 3-го к 4-му подуровню связан с появлением новых свойств, приводящих в конечном итоге к возможности перехода на качественно новый уровень организации: от сложных химических структур (вещества) к простейшим живым системам.

Общие черты организации и эволюции основных структурных единиц природных систем свидетельствуют в пользу существования общих закономерностей эволюции материи во Вселенной. Распространенность одинаковых химических элементов в космосе и в живых системах, обнаружение на различных космических объектах широкого спектра биологически значимых соединений, а также данные модельных экспериментов свидетельствуют: земная жизнь не должна быть уникальным явлением в нашей Галактике.

По мере возрастания сложности (увеличения разнообразия) системы становятся все более "рыхлыми" (энергия связи убывает).   

В процессе эволюции материи, кроме всего прочего, происходит накопление информации. На каждом этапе эта информация (специфическая для каждого этапа) запоминается и сохраняется в структуре рассматриваемых упорядоченных систем - от элементарных частиц до биополимеров в геноме человека.

Можно сформулировать ряд положений о кодировании информации живым веществом:

 1) Первичный код мог быть двухбуквенным с запятой; точность кодирования аминокислот могла быть ниже, чем у современных организмов, причем кодироваться могли не индивидуальные аминокислоты, а их группы, состоящие из родственных по своим химическим свойствам аминокислот.

 2) В основе кода может лежать белково-нуклеиновое узнавание, являющееся частным случаем избирательности, характерной для взаимодействия макромолекул.

 3) На всех стадиях биосинтеза белков и нуклеиновых кислот белки выполняют не только каталитическую и регуляторную функцию, но и непосредственно участвуют в процессах передачи информации, обеспечивая правильность ее считывания в допустимом интервале изменения параметров микроокружения.