Помоги проекту - поделись книгой:
Симметрия между этими волнами может быть нарушена только в результате случайной флуктуации, предсказание которой выходит за пределы наших возможностей, т. е. окончательный выбор одного из нескольких кандидатов происходит по воле случая. Однако наряду с этими сильнейшими модами существует еще множество других, о дальнейшей судьбе которых мы можем судить со всей определенностью: они не выживут.
Благодаря исследованиям в области динамики лазера, мы располагаем моделью, с помощью которой можно осуществить дополнительное физическое и математическое моделирование положений дарвинизма, очень быстро получающих в ходе экспериментов исчерпывающее подтверждение.
Электромагнитные колебания в лазере возникают и существуют за счет возбуждения атомов; этот процесс вполне можно перенести и на мир живой природы. Допустим, что существует несколько различных видов, питающихся одинаковой пищей; действительно, в результате конкурентной борьбы выживет только самый «толковый» — например тот, кто добывает пищу быстрее остальных.
Конкуренция между биомолекулами
Аналогия между процессами отбора в живой и неживой природе не ограничивается описанными выше колебаниями в лазере. Еще один мостик между «живым» и «неживым» обнаруживается в очень схожей по смыслу теории эволюции Эйгена. Основан этот мостик на том, что наследственные признаки определенных «биологических» молекул (о которых мы непременно поговорим подробнее чуть позже, в главе 9) в прямом смысле слова наследуются. Для нас в данном случае важно, что эти молекулы могут размножаться путем автокатализа (подобно модам в лазере!), а затем вступать в конкурентную борьбу. Впрочем, в начальной редакции теории Эйгена уравнения, описывающие размножение биомолекул, имели точно такую же форму, что и описывающие «размножение» волн в лазере. Совпадение такого рода в двух совершенно разных областях у авторов, получивших свои уравнения независимо друг от друга, едва ли можно счесть случайным; оно, скорее, указывает на существование универсальных принципов, которые мы действительно постоянно встречаем в этой книге.
Особенно привлекательно в этой теории эволюции, конечно, то, что она устанавливает связь между неживой и живой природой и в определенном смысле выявляет устойчивый переход от «неживого» к «живому», наблюдаемый в процессах мутации и селекции. Несомненно, именно в области биохимии предстоит еще большая исследовательская работа в этом направлении, однако многообещающее начало уже положено.
Ради полноты картины сделаем еще несколько замечаний. В семидесятые годы Манфред Эйген и Петер Шустер уточнили представление об автокаталитическом размножении биомолекул.
Рис. 7.1. Гиперциклы Эйгена.
В простейшем случае мы имеем дело с молекулами двух типов — скажем, типа А и типа Б. Молекулы каждого из этих типов размножаются путем автокатализа. Однако при этом молекулы типа А выступают в роли катализатора при размножении молекул типа Б, а молекулы типа Б точно так же участвуют в роли катализатора в реакции размножения молекул типа А. Схематически этот случай показан на рис. 7.1 слева. Схему можно расширить, увеличив количество различных типов молекул, участвующих в процессе. Справа на рис. 7.1 показан случай с тремя типами молекул: А, Б и В. Все три типа размножаются автокаталитически, но при этом молекулы типа А в роли катализатора помогают молекулам типа Б, молекулы типа Б в роли катализатора помогают молекулам типа В, ну а молекулы типа В, в свою очередь, являются катализатором в процессе размножения молекул типа А. Изображенные на рисунке круги были названы Эйгеном и Шустером «гиперциклами». Гиперциклы могут подвергаться мутациям, а также вступать в конкурентную борьбу между собой.
Итак, неважно, имеем мы дело с лазерными модами, или с биомолекулами и гиперциклами, или с животным и растительным миром — мы вновь и вновь сталкиваемся с проявлениями принципов дарвинизма.
То, что принципы дарвинизма в равной степени относятся и к миру живой, и к миру неживой материи, указывает на чрезвычайную важность этих принципов. Они имеют непосредственное значение и для социологии, занимающейся проблемами, связанными с конкурентной борьбой в разных сферах человеческой деятельности. Такая точка зрения подразумевает, что, допустим, разные фирмы, производящие одинаковый товар, но по разной цене, на основе конкурентной борьбы за рынок будут подвергаться отбору до тех пор, пока не останется только одна из них — она и завладеет рынком. Является ли такой ход вещей, ведущий в конце концов к возникновению одного огромного концерна, естественным? Действительно ли в такой жесткой конкурентной борьбе выживает самый лучший? Природа дает нам ответы и на эти вопросы — именно им и посвящена следующая глава.
Глава 8 КАК ВЫЖИТЬ, НЕ БУДУЧИ СИЛЬНЕЙШИМ? — СОЗДАЙ СОБСТВЕННУЮ ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ НИШУ
При ближайшем рассмотрении тезис «выживает сильнейший» скрывает в себе целый ряд очень глубоких проблем. Принимая этот тезис на веру, остается только удивляться огромному разнообразию существующих на свете видов. Должно быть, все они оказались в свое время лучшими? По-видимому, придется заняться вопросом выживания более основательно.
В действительности, решив провернуть трюк с «выживанием сильнейших», Природа прибегла к множеству уловок. Во-первых, конкурентная борьба возможна лишь в том случае, когда различные конкурирующие между собой виды существуют в одном и том же окружении. Естественно, не может идти и речи ни о какой конкурентной борьбе между сухопутными животными, проживающими на разных материках и разделенными океаном. Так, скажем, в Австралии развился совершенно иной животный мир, чем на других континентах, — например, уникальные сумчатые, одним из представителей которых является кенгуру.
Но даже и в том случае, когда разные виды живут вблизи друг от друга, им часто удается создать свое собственное жизненное пространство. Вспомним, к примеру, о птицах, которые благодаря разнообразию форм клюва освоили различные источники питания (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Различие форм птичьих клювов (на примере разных пород вьюрков), свидетельствующее о высокой степени специализации. Рядом схематически показано, чем питается каждый вид. На островах, отрезанных от внешнего мира, возникли породы вьюрков с особенными формами клюва. Породы — но не виды: эти птицы по-прежнему остаются вьюрками! Первым их описал еще Дарвин. 1. Насекомоядные выорки; 2-6. Выорки, предпочитающие питаться насекомыми, но способные добывать и растительную пищу; 7-12. Выорки, питающиеся преимущественно растительной пищей; 13. Растительноядные выорки.
Обустроив, таким образом, для себя собственную «экологическую нишу», птицы избежали жесткой конкурентной борьбы между видами. В этом отношении, естественно, можно сказать, что каждый из этих видов стал лучшим — в своей нише, ведь каждый обладает своими специфическими способностями, единственными и неповторимыми. Экологическая ниша — это в некотором смысле резервация, заповедник, безопасная зона, где определенный вид может беспрепятственно жить и развиваться. Наш пример, касающийся источников питания, показывает, что экологические ниши — это ни в коем случае не просто пространственное разделение, хотя оно, безусловно, ограничивает экологическую нишу вернее всего.
Впрочем, сосуществование, обеспечиваемое узкой специализацией, никоим образом не ограничивается рамками живой природы. Нечто подобное имеет место и в лазере: различные световые волны могут появляться одновременно и не вступать в борьбу между собой, если они получают свою энергию от разных атомов. Вопросы конкурентной борьбы играют решающую роль и в экономической жизни; к этому мы еще вернемся несколько позднее.
Интересно, что в природе существуют примеры выживания не только благодаря специализации, но также и благодаря генерализации, которая заключается в том, что некий вид принимает по возможности наиболее обширную «программу питания»; именно так поступили, к примеру, дикие кабаны.
Но наиболее интересный способ выжить в жесткой конкурентной борьбе — это, пожалуй, симбиоз. Симбиотические отношения подразумевают взаимную поддержку друг друга представителями совершенно различных видов; а порой симбиоз становится не просто подспорьем для выживания, но основой самого существования входящих в симбиотические отношения видов. Природа представляет нам целую палитру ярких примеров симбиоза: здесь и пчелы, питающиеся цветочным нектаром и при этом одновременно заботящиеся об опылении — а значит и о размножении — своих кормильцев; и птицы, залетающие в разинутые пасти крокодилов в поисках пропитания для себя — но и в то же время помогая крокодилу содержать зубы в чистоте и порядке; и муравьи, использующие тлей в качестве «молочных коров». Дерево кальвария находится под угрозой вымирания (во всяком случае так считалось до последнего времени) из-за того, что только дронты — вид птиц, исчезнувший в нынешнем столетии, а до тех пор живший на этих деревьях — в силу особенностей своего пищеварения были способны распространять их семена таким образом, чтобы они могли затем взойти. (Согласно последним сообщениям, биологи обнаружили, что заботу о выживании этого дерева могут взять на себя индюки, сумевшие «помочь» взойти семенам кальварии, которым было более ста лет.)
Однако рассмотрение частных случаев не должно помешать нам увидеть всю картину в целом. Не следует думать, что только два или три вида находятся в состоянии конкурентной борьбы или живут в симбиозе; как раз наоборот: все процессы, протекающие в природе, бесконечно тесно связаны между собой. Природа в этом смысле представляет собой синергетическую систему высочайшей сложности.
Фундаментальное значение имеет также вопрос о том, возможно ли привести отдельные взаимосвязанные природные процессы в равновесие. Много и охотно говорится об экологическом равновесии, все сильнее нарушаемом вмешательством человека в дела Природы. Современные исследования, однако, убеждают в том, что и без человеческого вмешательства экологическое или биологическое равновесие не настолько совершенно, как нам представлялось долгие годы. Причем думали мы, в общем-то, о статистическом равновесии, при котором размер популяции какого-то определенного вида, скажем, птиц, с течением времени практически не изменяется.
Однако в природе все обстоит иначе. Всем нам хорошо известно, что угрожающие равновесию изменения могут быть вызваны самыми заурядными природными катаклизмами: скажем, слишком суровой зимой, или жарким, засушливым летом, или заморозками, из-за которых погибают, например, цветы, и пчелы остаются без пищи. Некоторые ученые объясняют вымирание динозавров падением на Землю гигантского метеорита, т. е. событием, которое трагическим образом сказалось на климатических — а значит, и на жизненных — условиях этих животных. Еще один пример того, как может нарушиться равновесие в природе, — это беспрестанно повторяющиеся опустошительные нашествия грызунов или насекомых, оказывающие влияние и на другие сферы жизни. Рассмотрим это подробнее.
Даже после природных катастроф, подобных описанным, мы воспринимаем восстановление прежнего равновесия как нечто само собой разумеющееся. В дальнейшем мы увидим, что и тезис о свободном развитии рыночной экономики основан на аналогичном представлении.
Однако действительно ли Природа настолько стабильна? Существует множество примеров, доказывающих, что в природе отнюдь не царит статическое равновесие. К началу XX века рыбаками, промышлявшими на Адриатике, было установлено, что их уловы колеблются в определенном ритме. Очень скоро они обнаружили, что этот ритм основан на ритмических же колебаниях популяции рыб (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Периодические колебания численности рыб
В двадцатые годы объяснение этого явления удалось независимо друг от друга дать двум выдающимся математикам — А. Лотке и В. Вольтерра (1860-1940). Оказалось, что оно возникает вследствие существования двух видов рыб, один из которых — хищники, а второй — их добыча. Механизм же колебаний популяций таков: сначала хищников относительно немного, и в этот период их «жертвы» могут беспрепятственно размножаться, давая тем самым своим природным врагам возможность лучше питаться, а значит, и быстрее размножаться, пока наконец численность хищников не увеличивается настолько, что их питание катастрофически сокращает размер второй популяции (рыб-жертв), что, в свою очередь, отрицательно сказывается на питании хищников и сокращает уже их численность. Затем все начинается сначала.
В рамках математической модели возможен следующий вариант развития событий: однажды хищники случайно съедят всех представителей второй популяции и тем самым обрекут себя на вымирание. Природа препятствует такому исходу, подготавливая заранее укромные убежища, где рыба-жертва может скрыться от преследований распоясавшихся хищников.
Похожий цикл был обнаружен и в Канаде: хищниками здесь выступают рыси, а жертвами — зайцы (рис. 8.3). Поскольку рождаемость и смертность подвержены и разным другим влияниям, описанные нами модельные представления уязвимы для критики, и все же они убедительно показывают, что статическое равновесие природе глубоко чуждо.
Рис. 8.3. Периодические колебания численности популяций зайцев и рысей
Еще более выразительные примеры подобного поведения можно обнаружить при исследовании популяций некоторых насекомых, чья численность колеблется совершенно хаотично (рис. 8.4). В дальнейшем мы обсудим доступные на сегодняшний день математические модели, позволяющие ученым строго обрабатывать даже абсолютно нерегулярные процессы (см. главы 12 и 13).
Рис. 8.4. Временные колебания численности популяций насекомых
Приведенные примеры показывают, насколько наивна идея статического равновесия в биологических системах. С другой стороны, никогда не следует забывать о том, что реальное природное равновесие в высшей степени чувствительно, и это его свойство вновь возвращает нас к основному принципу синергетики.
В предыдущих главах мы на ряде примеров из физики и химии показали, что в определенных критических точках даже минимальные изменения
внешних условий могут вызвать серьезные изменения на макроскопическом уровне. В ходе рассмотрения приведенных примеров мы постоянно сталкивались с такого рода изменениями внешних условий, вследствие чего системы достигали более высокого уровня упорядоченности. Естественно, все эти процессы можно рассматривать и с другой стороны, в другом направлении, т. е. имея в виду то, что минимальные изменения внешних условий могут, помимо прочего, и полностью разрушить существующий в системе порядок.
Многие из процессов, протекающих внутри популяций в животном мире, могут быть описаны с привлечением математики, так что мы имеем возможность использовать для решения подобных проблем математические методы синергетики. На математическом уровне вновь обнаруживаются далеко идущие аналогии между происходящим в живой и неживой природе. Результаты можно изложить в нескольких словах. Небольшие изменения внешних условий и в живой природе могут приводить к возникновению состояния упорядоченности, полностью отличного от предыдущего состояния системы, т. е. к новому распределению различных видов. Это становится очевидным, стоит лишь рассмотреть, к примеру, распределение всевозможных растений в горах. Здесь часто имеется очень строгое разделение по высоте, определяющее границы различных растительных поясов, или зон, схожих с хорошо всем известными климатическими зонами Земли. На этом примере отчетливо видно, что в конкурентной борьбе победителями могут оказаться совершенно не похожие друг на друга растения, и оказаться практически внезапно, если, к примеру, совсем незначительно изменить среднегодовую температуру в регионе. Того же следует ожидать и при изменении условий окружающей среды в результате вмешательства человека. Скажем, если мы спустим в реку сточные воды и повысим тем самым уровень загрязнения воды, скажем, на десять процентов, то с нашей стороны будет, по меньшей мере, наивно ожидать, что и численность обитающих в такой воде рыб сократится на те же десять процентов. В действительности же при приближении к критическим значениям достаточно минимального повышения уровня загрязненности, чтобы это изменение привело к полному вымиранию той или иной популяции или, другими словами, к разрушению равновесия, существовавшего в водной системе до этого. Здесь основной принцип синергетики, уже в который раз упоминаемый на этих страницах, проявляется особенно ярко: в определенных точках неустойчивого равновесия даже малейшие изменения внешних условий могут иметь для системы самые трагические последствия.
В последние годы стало ясно, насколько актуальными оказались наблюдения, сделанные мной еще в первом издании этой книги. В этой связи следует еще упомянуть об озоновой дыре и климатической катастрофе. В первом случае относительно небольшие количества определенных газов (хлорфторуглеводороды, CFC) приводят к разрастанию озоновой дыры, вследствие чего уже сейчас в южном полушарии — приблизительно в районе Австралии — уровень проникающего сквозь атмосферу излучения становится угрожающе высок. Когда говорят о климатической катастрофе, имеется в виду прежде всего распространившийся на всю планету эффект глобального потепления, вызванный, в частности, выбросами в атмосферу больших количеств углекислого газа. Однако, на мой взгляд, остается открытым вопрос о том, достиг ли уже климат благодаря произведенному человечеством воздействию («антропогенный эффект») критической — именно в синергетическом смысле этого слова — точки или же биосфера еще в состоянии поддерживать существующие контрольные механизмы для стабилизации климата. Земле, в конце концов, довольно долго (сотни миллионов лет) удавалось сохранять благоприятные для жизни условия в очень узких рамках. Сказанное мною ни в коем случае не означает, что мы можем легкомысленно относиться к загазованности атмосферы и т.п., однако следует остерегаться поспешных и сеющих панику выводов.
В заключение вернемся еще раз к самой Природе. В природе также происходят изменения: например, вследствие изменения климата изменяются условия окружающей среды. С особой явственностью из всего вышесказанного вытекает, что даже незначительные климатические изменения оказываются способны запустить принципиально новые селективные процессы, призванные «форсировать» темпы развития.
Однако такое «ускорение развития» вовсе не означает, что вновь возникшие при этом виды должны оказаться объективно лучше вытесненных прежних видов — они всего лишь будут лучше приспособлены к новым условиям жизни. К тому же не исключено возникновение таких изменений, которые можно будет рассматривать как обратное развитие: например, высокоорганизованные организмы могут быть вытеснены более простыми. Это может происходить уже на уровне биомолекул, которые под влиянием новых условий жизни отбросят ту часть наследственной информации, без которой они не просто сумеют теперь обойтись, но еще и получат возможность быстрее размножаться. Подобные эксперименты проводились Солом Шпигельманом: речь идет о молекулах РНК определенных фагов.
Хотя в живой природе мы имеем дело с явлениями и сущностями, ничуть не похожими на те, что мы обсуждали в ходе рассмотрения химических реакций или процессов, протекающих в лазере или в жидкости, все же и там, и здесь действуют одни и те же фундаментальные принципы. В роли параметра порядка теперь выступают те или иные биологические виды, но и такие параметры порядка оказываются способны конкурировать друг с другом, кооперироваться между собой или просто сосуществовать.
Небольшие изменения внешних условий могут привести к возникновению совершенно нового параметра порядка или целой системы таких параметров. Необходимым при этом является соблюдение одного-единственного условия: каждый новый параметр порядка — а в нашем случае это новый биологический вид — должен сначала каким-то образом возникнуть. В лазере это было спонтанное возникновение световой волны, в жидкости — небольшое изменение температуры, в химических реакциях — начальная реакция или спонтанное возникновение молекулы нового типа. Перед нами снова проявление взаимодействия необходимости и случайности. Вследствие внешних изменений создаются условия, в которых возникает новое состояние упорядоченности, предписанное соответствующим параметром порядка; но сначала благодаря случайности — в биологии эту роль берет на себя мутация — должен возникнуть новый вид, или же вид, существовавший до сих пор только в ограниченном количестве (например в узкой экологической нише), должен получить возможность к беспрепятственному размножению и стать господствующим.
Во всех предыдущих случаях мы уже видели, что существует своеобразная связь между параметром порядка и элементом системы, индивидуумом; рассмотрим еще один пример такой связи. В ряде случаев параметру порядка можно присвоить некоторое простое математическое значение; в нашем примере это будет численность представителей одного биологического вида. Временные изменения этой величины можно проследить по данным относительно численности видов в какой-то определенной местности или в отдельных случаях воспользоваться результатами предварительных расчетов. За всеми этими цифрами скрывается огромное множество индивидуальных судеб, определяемых параметром порядка — общей численностью популяции — с неумолимой твердостью. Если в распоряжении какой-нибудь слаборазвитой страны в определенный период времени окажется меньше средств для поддержания жизнедеятельности, чем необходимо ее жителям, то их численность сократится — параметр порядка уменьшится; однако кого именно постигнет эта ужасная участь, остается неизвестным. Нечто подобное происходит и в политической, и в экономической жизни. Относительно параметра порядка возможны предположения общего характера, но нельзя сделать никаких предсказаний, касающихся отдельных индивидуумов — к этому факту мы еще неоднократно вернемся в дальнейшем.
Глава 9 ФОРМИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНИЗМОВ
Передача наследственной информации
В предыдущей главе мы занимались живой природой в целом и динамикой взаимодействия различных живых организмов; теперь же мы обратимся к живому организму как таковому. Живая природа поражает нас многообразием форм, но отдельные биологические виды отличаются постоянством формы, воспроизводя ее снова и снова в неизменном виде. Это значит, что возникновение формы должно быть подчинено строгим правилам. Но каким, собственно, образом вообще возникает форма, и как становится возможным упорядочивание этого возникновения? Простейшим ответом на эти вопросы будет ссылка на наследственность. Ведь нам прекрасно известно, что телесные — и, несомненно, духовные — свойства и качества передаются по наследству, а значит, должен существовать какой-то материальный носитель этих свойств, какое-то химическое вещество. Химики наградили этот носитель сложным именем «дезоксирибонуклеиновая кислота», сокращаемым обычно до ДНК. Молекула ДНК представляет собой две молекулярные цепочки, закрученные одна вокруг другой в спираль, за что и называется иногда двойной спиралью (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Образующие двойную спираль молекулярные цепочки ДНК. Вверху схематически показан продольный разрез, внизу — объемная модель
В каждой цепочке, как в нитке бус, состоящей из разноцветных жемчужин, выстроены друг за другом в порядке, кажущемся совершенно произвольным, химические соединения четырех различных типов (рис. 9.2). Полные названия этих четырех соединений большинству из нас мало что скажут; здесь мы назовем их по первым буквам их кратких названий: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин). (Сами названия нам больше не понадобятся, поэтому запоминать их не обязательно.) Для усиления аналогии с цветными бусами присвоим каждому типу соединений определенный цвет.
Рис. 9.2. В каждой цепочке элементы молекулы следуют друг за другом, подобно жемчужинам в бусах
Молекула ДНК «воспроизводится» в клетке подобно тому, как на фотографии воспроизводится негатив. При этом посредством определенной химической реакции возникает молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК). Каждый отдельный элемент ДНК (А, Ц, Г или Т) переходит при этом в соединение нового типа:
Элементы молекулярной цепочки группируются по три, например: ГАУ, ЦЦУ, ГЦУ, УУУ
Последовательность элементов в группах представляет собой своего рода код, определяющий порядок выстраивания в молекуле белка отдельных аминокислот (рис. 9.3).
Рис. 9.3. Кодоны, или триплеты молекулы РНК
Наличие в определенной цепочке РНК последовательности, допустим, ГАУ-ЦЦУ-ГЦУ-УУУ является своего рода письменным приказом для клетки, звучащим приблизительно так: «строй белок (протеин), и на первое место поставь аминокислоту аспарагин, на второе — аланин и т. д.» Таким образом, РНК руководит внутриклеточным синтезом, множество интереснейших подробностей которого нам приходится опустить — слишком далеко уведут они нас от главной темы этой книги. Каждый триплет из оснований А, Ц, Г и У представляет собой отдельную единицу информации, некое кодовое слово, или кодон. Молекулы ДНК и РНК содержат (в зависимости от того, о каком биологическом организме идет речь) от нескольких десятков до многих миллионов таких кодонов: ими можно заполнить не только целую страницу (рис. 9.4), но и целую книгу (запись ДНК человека). Напрашивается идея о том, что с помощью ДНК от организма к организму передается некое руководство к действию (или даже что-то вроде строительного плана). Или, используя другую метафору, ДНК — это магнитная лента, которая сохраняет и впоследствии воспроизводит какую-либо мелодию.
Рис. 9.4. Пример последовательности оснований в молекуле ДНК вируса
При ближайшем рассмотрении подобного представления о наследственности вновь возникают определенные проблемы. Составляя действительный строительный план, невозможно обойтись без огромного количества разнообразных инструкций и предписаний. К примеру, в них должно быть точно указано, где именно в развивающемся организме положено находиться каждой клетке и какими именно характеристиками каждая из этих клеток должна быть наделена. А теперь попытайтесь мысленно представить, какое количество подобных предписаний — или, как выражаются специалисты, какой объем информации — необходимо иметь для того, чтобы «выстроить» живой организм: очень скоро вы доберетесь до числа, соответствующего такому количеству информации, которое не способна в себя вместить никакая молекула ДНК. Возвращаясь к сравнению ДНК с книгой, можно сказать, что для «строительства», например, человека потребовалась бы колоссальная библиотека. Следовательно, Природа должна была разработать методы, позволявшие реализовать «планы» любой сложности, обходясь при этом куда меньшими объемами информации. Должен, очевидно, существовать некий закон, согласно которому из имеющейся структуры ДНК развивается соответствующий организм.
Возвращаясь к вышеприведенной аналогии, можно сказать, что если молекула ДНК — это магнитная лента, предназначенная для сохранения и воспроизведения определенных сигналов, то должно наличествовать что-то, что выполняло бы функции собственно магнитофона, преобразующего эти сигналы в мелодию с одним, правда, существенным отличием: все указывает на то, что Природа преобразует сигналы ДНК немыслимо хитроумным способом, «диктуя» в некотором смысле только музыкальную тему и предоставляя детальную разработку этой темы «магнитофону», т. е. развивающемуся организму. В этом свете высказанное выше положение о содержании в ДНК совершенно определенной информации начинает выглядеть несколько сомнительным. Содержание ДНК определяется окружающей средой, в которой молекулам ДНК (или РНК) приходится «воспроизводить» свою тему. Возьмем для примера крайний случай: если поместить ДНК или РНК в кучу сахарного песка, то не произойдет ровным счетом ничего. Зато некоторые молекулы этих веществ уже могут «поработить», подчинить себе определенные бактерии, принудив их производить инсулин.
Образование биологических форм
Прежде чем заняться этим вопросом вплотную, обратимся к экспериментам, которые помогут нам разобраться в механизмах образования форм организмов (и отдельных органов). Для таких целей в биологии — так же, как и в других науках — обычно применяется какая-либо «модельная система», отличающаяся относительной простотой и потому удобная для изучения. Наибольшую известность приобрели две таких модельных системы: миксомицеты и гидры.
Миксомицеты (или слизевики) — грибообразные организмы, обитающие в верхних слоях почвы и в обычном состоянии представляющие собой скопление клеток, сходных по форме с амебами. Если питание отдельных клеток оскудевает, то происходит следующее: клетки — словно повинуясь тайному приказу — внезапно скапливаются в одном месте и образуют так называемые ножку и спороноситель (рис. 9.5).
Рис. 9.5. Здесь схематично представлены «стадии» развития миксомицета от отдельных клеток-амеб до образования гриба
Впрочем, миксомицеты и после этого остаются способны к передвижению, которое напоминает движение змей (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Миксомицеты, или слизевики
Уже первая фаза — сосредоточение в одном месте — в высшей степени интересна. Откуда отдельным клеткам становится известно место сбора? Каким образом они вообще узнают о том, что должны где-то собраться? Биологи обнаружили, что клетки способны производить особую субстанцию — так называемый циклический аденозинмонофосфат, или ц-АМФ, — и обмениваться ею. Как только клетка получает от одной из соседних клеток порцию ц-АМФ, она усиливает и собственное выделение этого вещества; взаимодействие такого эффекта усиления и диффузии порождает структуру, аналогичную химическим волнам или спиралям (рис. 9.7). Отдельные клетки способны «регистрировать» градиент плотности возникающих в процессе волн ц-АМФ и движутся в направлении, противоположном направлению распространения этих волн. Для передвижения клетки используют крошечные псевдоподии.
Рис. 9.7. Спиралевидные волны п-АМФ
Приведенный пример наглядно показывает, что образование таких структур, как спирали или концентрические круги, может совершенно аналогично протекать как в неживой (в ходе химических реакций), так и в живой природе. Фундаментальная причина этого сходства заключается в том, что в основе подобных процессов лежат всегда одни и те же закономерности изменения параметра порядка, определяющие макроскопическое поведение наблюдаемых структур.
После того как отдельные — причем совершенно одинаковые — клетки соберутся в одном месте, начинается новый процесс, легко поддающийся наблюдению; причины происходящего, однако, еще не до конца ясны. Клетки скапливаются в одном месте, при этом происходит их дифференциация: часть скопления преобразуется в ножку гриба, остальные же становятся его шляпкой. Возможно, ц-АМФ играет решающую роль и в процессе дифференциации клеток; впрочем, соответствующие исследования еще не завершены. Все же приведенный пример дает весьма наглядное представление о том, каким образом отдельные клетки «договариваются» между собой при помощи особого химического вещества. Этот результат пригодится нам в дальнейшем, когда мы займемся непосредственно образованием структур. Пожалуй, наиболее широко известным примером модельной системы в биологии может служить гидра. Речь идет о пресноводном полипе размером всего в несколько миллиметров; среди нескольких сотен тысяч клеток, из которых состоит гидра, можно выделить чуть больше дюжины типов. У гидры имеется подошва и голова (т. е. противоположный подошве конец, на котором расположено ротовое отверстие). Интересует нас прежде всего следующий вопрос: откуда недифференцированные изначально группы клеток узнают, где должно быть образовано ротовое отверстие, а где — подошва? В духе обсуждавшейся ранее идеи о существующем заранее «строительном плане» можно предположить, что каждая клетка к началу «строительства» оказывается уже проинструктирована насчет того, чем именно ей предстоит стать.
Рис. 9.8. Регенерация гидры. Слева схематично изображено нетронутое тело гидры, в середине — рассеченное на две половины, а справа — уже две новые гидры, и у каждой из них имеется и ротовое отверстие, и подошва
Гидру можно использовать для проведения очень интересного эксперимента (рис. 9.8). Разрезав гидру посередине, мы получим две новые гидры: недостающая часть каждой половины быстро регенерируется. Это означает, что совершенно одинаковые клетки могут развиться в абсолютно различные органы, т. е. клетки должны каким-то образом получить инструкции, которые определят их местоположение и укажут назначение. Другими словами, клетки должны суметь сохранить информацию о своем положении. О задействованных в этом механизмах дают представление следующие эксперименты.
Головную часть одной гидры пересаживают в среднюю часть другой гидры. Если пересаженная часть оказывается близко к голове гидры-реципиента, то рост новой головы подавляется, если же удаление это достаточно велико, то из пересаженной части образуется совершенно новая голова. Очевидно, клетки каким-то образом сообщаются между собой в том смысле, что существующая голова оказывается способна позаботиться о том, чтобы рядом с ней не выросла вторая.
Микроскопические структуры на молекулярной основе
На примере миксомицетов мы увидели, что сообщение между отдельными клетками на расстоянии может осуществляться благодаря диффузии химических веществ. Модели же для объяснения процесса дифференцирования клеток были предложены математиками (в частности, Аланом М. Тьюрингом) еще раньше. Чтобы разобраться в этом вопросе, рассмотрим две первоначально отделенные друг от друга клетки, в которых протекают одни и те же химические реакции (рис. 9.9).
Рис. 9.9. В одинаковых, но не связанных между собой клетках образуется одинаковая концентрация химического вещества
Поделиться книгой: