§3 Генетическая информация – основа биологического воспроизводства видов и их эволюции.

Попытки объяснить существование «лестницы живых существ» привели к созданию эволюционной теории – основополагающей идеи, пронизывающей все биологические науки. В XIX – XX вв. в физике и биологии эволюционные концепции базировались на противоположных идеях. Эволюция неживых изолированных систем, по представлениям Клаузиуса, на основе II начала термодинамики вела к необратимому разрушению этих систем и возрастанию энтропии. Изучение же ископаемых и живых организмов ясно показывало возможность их усложнения и совершенствования в процессе исторического развития жизни на Земле.

Только в 70-80 гг. XX в. естествознание приблизилось к пониманию самопроизвольного формирования структур в открытых системах, способных к разделению энтропии с окружающей средой. Теория биологической эволюции должна объяснить следующие аспекты развития жизни:

-целесообразную адаптацию организмов к среде;

-разнообразие видов;

-движущие силы эволюционного изменения видов (механизмы видообразования).

Относительно происхождения жизни на Земле существуют три основные и не взаимоисключающие друг друга теории:

-креационизм (акт Божественного творения);

-панспермия (космическое происхождение жизни);

-самопроизвольное зарождение на основе случайных процессов.

Строго говоря, доказать справедливость ни одной из теорий не возможно; следовательно, правильнее назвать их гипотезами. Воспроизвести истинный путь эволюции каждой живой формы и тем более весь процесс исторического развития земной жизни также трудно. Однако современная наука имеет неоспоримые свидетельства родства организмов, особенно в пределах каждого царства, а также единства организации всех живых систем (см. § 1 и § 2).

История эволюционных учений характеризуется сменой различных представлений о факторах, способствующих адаптации и целесообразности устройства организмов. Ламарк выдвигал на первый план направленные приспособления к прямым влияниям среды и предполагал, что они наследуются, что не подтвердились в отношении морфологических признаков. Дарвин и независимо от него Уоллес (1858-1859) обосновали принцип естественного отбора наиболее приспособленных особей и представления о борьбе за существование как механизма этого отбора. Основаниями этого принципа были явления наследственности и изменчивости - фундаментальные свойства всего живого.

Дальнейшее развитие идей Дарвина привело в XX в. к «синтетической теории эволюции» (Хаксли, Симпсон и др.), базирующейся на достижениях классической генетики (Мендель), молекулярной генетики и генетики популяций. При этом эволюция рассматривается как следствие действия следующих факторов:

-непрерывного спонтанного или наведенного средой появления наследственных отклонений (в результате кроссинговера (перетасовки генетического материала и мутаций);

-отбора по фенотипу, осуществляемого факторами среды (дифференциального размножения наиболее приспособленных особей);

-нарушения генетического равновесия в популяции (дрейф генов) - в этом случае возможности образования нового вида (аллотропическое видообразование).

Обсуждается также путь видообразования за счет быстрого изменения кариотипа (симпатическое видообразование). Онтогенез (индивидуальное развитие) организмов при этом является важнейшим для эволюции процессом реализации генетической информации в фенотипе (признаках организма).

Дарвин в своих трудах не пытался объяснить возникновение жизни на Земле. Экспериментальные работы, показывающие возможность образования простейших органических молекул и их комплексов из органического вещества в условиях высоких температур, электрических разрядов и насыщения среды СО₂ и NH₄, были представлены Холдейном и Опариным (1920-30г.г.).

Современные исследователи вычислили, что вероятность случайного возникновения в «первичном бульоне» первичного гиперцикла, то есть системы ДНК – белок, примерно 10^-330. Также чрезвычайно низка вероятность спонтанного образования генетического кода, возникновения ферментных систем, затем – первых клеток (протобионтов), их разнообразия, затем таких ароморфозов (крупные эволюционные преобразования) как фотосинтез, образования структуры трофических уровней, наконец, появления мыслящих существ. Всё это показывает, что на биологическую эволюцию на основе случайных событий не хватает всего времени существования Вселенной.

Тогда возникают предположения о коэволюции (взаимоусиливающейся совместной и сопряженной эволюций связанных в систему форм), а также о направленной эволюции, в конечном счете, зависимой от информационной подпитки со стороны Творческого Начала Вселенной. Целенаправленность эволюции рассматривают теории номогенеза (Л.Берг), цефализации (Дана), увеличения свободной энергии, внешней работы и общей устойчивости биосистем (Э.Бауэр). Те же предположения высказывали и виталисты XVII-XIX вв., в том числе великий естествоиспытатель Ж.-Б. Ламарк. О возможности существования и эволюции внутри видов говорит явление гомологических рядов наследственной изменчивости, открытое Н.И. Вавиловым.

Отметим также, что в историческом развитии живого можно отметить периоды обострения динамики эволюционного процесса, «катастроф», взрывной дивергенции и быстрого подвидообразования посредством повышения уровня организации (ароморфозы). Эти периоды обычно связывают с изменением климатических условий на Земле, а потом – с развитием техногенных влияний. Эти дивергентные фазы эволюции сменяются конвергентными, когда заселяются новые возникшие экологические ниши, и видообразование идет путем мелких приспособительных изменений (идиоадаптации). Эволюция – это необратимый биологический процесс.

Структурные элементы в течение жизни каждого организма не только беспрерывно обновляются, но и безошибочно воспроизводятся в новых поколениях при размножении. Каждый вид организмов содержит информационную программу воспроизведения своей структуры, содержащуюся в геноме в структуре ДНК. Генетическая информация несет сведения о структуре белков, характерных для данного организма, закодированную в последовательностях нуклеотидов в составе ДНК и воспроизводимую при ее матричном синтезе (репликации). Этот код одинаков у всех организмов, что указывает на единство всего живого. Ключом кода является соответствие триплета нуклеотидов (сочетание трех из четырех возможных нуклеотидов в составе ДНК) одной аминокислоте в составе белка. Декодирование происходит в процессе биосинтеза белка на рибосомах с участием специальных дешифраторов – молекул (так же, как и ДНК, являющихся полимерами, состоящими из мономерных звеньев нуклеотидов), которые воспроизводятся путем другого матричного синтеза – транскрипции. Таким образом, нуклеиновые кислоты являются информационными макромолекулами.

Признаки организма возникают в его развитии и определяются различными типами молекул или клеточных структур, однако ключевым моментом в начале образования признака является синтез специфического структурного белка или фермента. Этот механизм является основой передачи видовых свойств от поколения к поколению всех живых существ.

Этот процесс исключает межвидовую эволюцию: каждый вид уникален и возник в результате декодирования своей ДНК. Другими словами, генетика ставит крест на эволюционной теории Дарвина, допуская разве что внутривидовую эволюцию.

Другой пример необратимых процессов дает нам онтогенез – история индивидуальной жизни организма.

Фундаментальное свойство всего живого – самовоспроизведение – реализуется на уровне организма репродуктивной системой и процессом размножения. Понятие «воспроизведение организмов» включает также многочисленные и разнообразные процессы развития, приводящие к завершению жизненного цикла, т.е. к появлению нового поколения организмов, готовых к репродукции (размножению). Однако однократным рождением потомства не завершается жизнь каждой особи. Всю историю индивидуальной жизни, от рождения до смерти, называют онтогенезом или процессом индивидуального развития.

Развитие зародышей у животных, относящихся к одному типу, во многом сходно. Так, у всех хордовых животных закладывается хорда, а над ней – нервная трубка на спинной стороне, в переднем отделе глотки образуются жаберные щели. Эта закономерность сформулирована К.Бэром: «Эмбрионы обнаруживают, начиная с самых ранних стадий, общее сходство в пределах типа». Сходство зародышей разных систематических групп свидетельствует об общности их происхождения и позволяет по онтогенезу вида отчасти судить о его филогенезе (историческом развитии).

Индивидуальное развитие демонстрирует нам, как в результате трех категорий необратимых событий – клеточного деления, дифференцировки (специализации клеток в результате дифференцированной активности их генов), морфогенеза (формообразования, протекающего при взаимодействии клеток разных зачатков) из одной клетки – оплодотворенного яйца – в короткий срок образуется организм, состоящий из органов определенной формы и объединяющий сотни типов клеток.

Явления эмбриогенеза часто описывают на языке теории самоорганизации, так как оплодотворенное яйцо включает в себя и всю генетическую программу (в геноме) развития признаков организма (фенотипа). Вопрос о соотношении элементов программы и самоорганизации в эмбриональном развитии может считаться глубокой философской проблемой. С давних пор по этому поводу спорят сторонники теорий преформизма (полностью запрограммированного развития) и эпигенеза (представление о развитии как новообразовании).

Современная наука дает блестящие примеры расшифровки и взаимовлияния генетической программы, взаимодействия ядра и цитоплазмы, отношений между клетками и зачатками органов зародыша, влияния внешней среды в едином процессе развития. В целом эмбриогенез можно разделить на фазы устойчивого запрограммированного развития (например, ход дробления, ход гаструляционных перемещений клеток, терминальная дифференцировка органов) и «критические» стадии неустойчивости, перестроек, перепрограммирования, когда возрастает роль внешних воздействий (инициация дробления и гаструляции, детерминация зачатков органов). Эти периоды можно сравнить с дивергентными и конвергентными фазами эволюции. У разных групп организмов степени жесткости наследственной программы онтогенеза различны.

Параллельно с появлением и усложнением структур органов и тканей в зародыше в нем созревают биологические часы – система биохимических осцилляторов – циклических метаболических реакций, которые лягут в основу системы измерения астрономического времени – биоритмов. Вначале она связана с околочасовыми митотическими циклами быстро делящегося на дочерние бластомеры яйца. Индивидуальное время организма (по И.Пригожину – «внутреннее время системы») – биологический возраст определяется скоростями необратимых процессов развития – оста, дифференцировки, морфогенеза. Становление в зародыше многоуровневой структурной иерархии органов и тканей совпадает с формированием циркадной (околосуточной) полигармоничной ритмики, служащей механизмом подстройки внутреннего времени организма к биосферным ритмам и космическим циклам.

Ограничение индивидуальной жизни осуществляется несколькими механизмами: в генетической программе заложены «большие биологические часы» – видовое время жизни. На уровне организма процессы старения вызываются десинхронизацией и ошибками в работе метаболических систем, декоординацией и старением управляющих систем организма. На уровне взаимодействий организма со средой старению предшествуют снижение адаптационных возможностей, истощение ресурсов, снижение скорости регенерации, устойчивости к стрессам и болезням. Завершение индивидуальной жизни обычно связано с различными дегенеративными процессами. Биологический смысл смерти состоит, таким образом, в реализации изменчивости организмов (дети отличаются от родителей), уничтожении «отобранных» элементов сомы (тела) и возвращении этих элементов после разложения в великий планетарный круговорот вещества, из которого ежесекундно рождаются новые индивидуальные жизни. Вместе с тем старению, смерти особи предшествует передача наследственной информации потоками, т.е. осуществляется бессмертие вида.