миллиарда лет. Меня самого еще учили, что жизнь на Земле существует
несколько сот миллионов лет. Ныне известны остатки органических веществ,
принадлежавших некогда живым существам, которые насчитывают два миллиарда
семьсот миллионов лет. 90% всего времени всей прошедшей до нынешнего дня
эволюции истекло, прежде чем 350 с лишним миллионов лет назад возникли
первые позвоночные - костистые рыбы. Еще через 150 миллионов лет их
потомки вышли на сушу и завладели воздухом, и, наконец, после
млекопитающих, которым 50 миллионов лет, около миллиона лет назад появился
человек.
Легко жонглировать миллиардами. Очень трудно представить себе
конструкторское значение таких цифр, таких гигантских эпох. Мы видим, что
сокращение промежутков между следующими друг за другом очередными
решениями характерно не для одной лишь технической эволюции. Прогресс
ускоряется не только с накоплением теоретических знаний в обществе, он
ускоряется и с накоплением генетической информации в наследственном
веществе.
Более двух с половиной миллиардов лет жизнь развивалась исключительно
в водах океанов. Воздух и суша в те эпохи были мертвы. Известно около 500
ископаемых видов организмов кембрийского периода (более полумиллиарда лет
назад). В докембрии же, несмотря на почти столетние поиски, удалось
обнаружить лишь отдельные виды. Причины этого поразительного пробела по
сей день неясны. Похоже на то, что количество живых форм серьезно возросло
за относительно короткое время - порядка миллионов лет. Докембрийские
формы - это почти исключительно растения (водоросли); животные почти
полностью отсутствуют, их можно перечесть по пальцам. В кембрии, однако,
они появляются в большом количестве. Некоторые ученые склоняются к
гипотезе о каком-то радикальном, глобальном изменении земных условий.
Может быть, это был скачок интенсивности космических лучей, согласно
упоминавшейся гипотезе Шкловского. Но как бы то ни было, неизвестный
фактор должен был действовать в масштабе всей планеты, ибо докембрийский
пробел относится ко всей совокупности палеонтологических данных. С другой
стороны, не следует думать, что до начала нижнего кембрия океанские воды
по неизвестным причинам содержали сравнительно небольшое количество живых
организмов вообще и что появлению в кембрии многочисленных новых видов
предшествовал резкий рост численности предыдущих форм. Живых организмов
было много уже и в археозое; геологические данные говорят о том, что
отношение кислорода к азоту в атмосфере было близким к современному уже
задолго до кембрия. Поскольку же кислород воздуха является продуктом
деятельности живых организмов, их общая масса была, должно быть, ненамного
меньше, чем сейчас. Отсутствие ископаемых форм вызвано, хотя бы частично,
их нестойкостью: докембрийские формы были лишены минеральных скелетов. Что
именно привело к такой "реконструкции" в кембрии, мы не знаем. Возможно,
что эту проблему так никогда и не удастся решить. Однако, углубив наше
знание биохимической кинетики, мы, возможно, сумеем раскрыть эту загадку,
если нам удастся, исходя из современной структуры белкового гомеостаза,
выяснить, какие более примитивные формы могли ему с наибольшей
вероятностью предшествовать. Конечно, мы сможем решить эту загадку, лишь
если ее решение связано с внутренней структурой организмов, а не с
какой-то уникальной цепью космических, геологических или климатических
изменений на рубеже кембрия.
Мы говорим об этом, потому что "кембрийский перелом" мог быть вызван
какой-то "биохимической находкой" эволюции. Но если такая "находка" и была
сделана эволюцией, это все же не изменило исходного фундаментального
принципа всей архитектуры, в основе которого лежит использование клеточных
кирпичиков,
Эволюции жизни, несомненно, предшествовала эволюция химических
реакций; праклеткам не приходилось, таким образом, питаться мертвой
материей как источником порядка. Они не смогли бы, кстати, решить сразу и
одну из труднейших задач - задачу синтеза органических соединений из
простых веществ (вроде двуокиси углерода) с использованием энергии
солнечных фотонов. Этот шедевр синтеза осуществили лишь растения, овладев
искусством образования хлорофилла и целым аппаратом ферментов,
улавливающих лучистые кванты. К счастью, с самого начала праорганизмы
располагали, по-видимому, органическими веществами, которые они могли
легко усваивать. Это были остатки прежнего изобилия органических веществ,
которое появилось в ходе таких процессов, как, скажем, электрические
разряды в атмосфере аммиака, азота и водорода.
Вернемся, однако, к основной динамической проблеме элементарной
клетки. Клетка должна управлять существенными параметрами своих изменений
так, чтобы из области еще обратимых флуктуаций они не ускользнули за
пределы обратимости - не привели к разложению и, следовательно, к смерти.
В жидкой коллоидной среде подобный контроль может осуществляться лишь с
ограниченной скоростью, поэтому флуктуация, вызванные статистической
природой молекулярных движений, должны происходить не быстрее
общеклеточного обмена информацией. В противном случае центральный
регулятор - ядро - утратил бы власть над процессами, происходящими
локально, информация о необходимости вмешательства поступала бы тогда, как
правило, слишком поздно. Это было бы уже началом необратимых изменений.
Итак, размеры клетки диктуются в конечной инстанции двумя параметрами -
скоростью передачи информации из произвольного места клетки к регуляторам
и скоростью локально происходящих химических процессов. На ранних стадиях
эволюция, должно быть, создавала клетки, иной раз существенно
различавшиеся размерами. Невозможна, однако, клетка величиной с тыкву или
слона. Это вытекает из упомянутых выше ограничений.
Следует заметить, что для человека-технолога клетка является
устройством по меньшей мере необыкновенным, которым можно скорее
восхищаться, чем понять его. Организм столь "простой", как кишечная
палочка (бактерия), делится через каждые 20 минут. В это время бактерия
производит белок со скоростью 1000 молекул в секунду. Поскольку молекула
белка состоит приблизительно из 1000 аминокислот, каждая из которых должна
быть соответственно "расположена" в пространстве и "подогнана" к
возникающей молекулярной конфигурации, это не столь уж легкая задача.
Примерная, самая осторожная оценка показывает, что бактерия перерабатывает
не менее 1000 битов информации в секунду. Это число станет особенно
наглядным, если сопоставить его с количеством информации, с каким в
состоянии справиться человеческий ум, - около 25 битов в секунду. Печатная
страница текста с н_е_б_о_л_ь_ш_о_й информационной избыточностью содержит
около 10000 битов. Мы видим, что наибольшим информационным потенциалом
клетка обладает в своих внутренних процессах, служащих продолжению ее
динамического существования. Клетка является "фабрикой", в которой "сырье"
расположено повсюду: оно и рядом, и выше, и ниже "производящих машин" -
клеточных органелл, рибосом, митохондрий и подобных им микроструктур,
которые на шкале величин находятся между клеткой и химической молекулой.
Эти микроструктуры состоят из упорядоченных сложных химических структур с
"прикрепленными" к ним обрабатывающими инструментами типа ферментов.
Похоже, что "сырье" подается к "машинам" и их "инструментам" не какими-то
специальными направленными силами, притягивающими нужное сырье и
отталкивающими лишнее или непригодное для "обработки", а просто обычными
тепловыми движениями молекул. Таким образом, "машины" как бы
бомбардируются потоками танцующих в ожидании своей "очереди" молекул и
только благодаря своей специфичности и избирательности выхватывают
"надлежащие" элементы из этого кажущегося хаоса. Поскольку все эти
процессы без исключения имеют статистическую природу, общие соображения
термодинамики склоняют нас к выводу, что в ходе таких изменений должны
случаться ошибки (например, введение "ложных" аминокислот в возникающую
молекулярную спираль белка). Такие ошибки должны быть, однако, редкостью,
по крайней мере в норме: ведь "ложно синтезированных" клеткой белков
обнаружить не удается. За последние годы кинетике химических реакций
живого был посвящен ряд исследований. Эти реакции исследовались не как
жестко повторяющиеся циклические процессы, а как некое пластическое целое,
которое можно не только поддерживать в его неустанном беге, но направлять
быстро и эффективно к достижению важных в данный момент целей. После
переработки "выходных параметров" моделируемой клетки большая
вычислительная машина в течение 30 часов вычисляла наивыгоднейшее
сочетание скоростей реакций в целом и отдельных звеньев этих реакций в
клетке.
Вот к чему приводит необходимая сегодня в науке формализация задачи:
те же проблемы бактериальная клетка решает в долю секунды и, разумеется,
без мозга - электронного или нейронного.
Однородность клетки является подлинной, но вместе с тем и кажущейся.
Подлинной - в том смысле, что ее плазма - коллоидный раствор
крупномолекулярных протеидов, белков и липидов, то есть "хаос" молекул,
погруженных в жидкую среду. Кажущейся - поскольку прозрачность клетки
глумится над попытками подметить ее динамические микроструктуры, а их срез
и фиксирование красителями вызывают изменения, уничтожающие первоначальную
организацию. Клетка, как показали трудные и хлопотные исследования, не
является даже метафорической "фабрикой" из приведенного выше образного
сравнения. Процессы диффузии и осмоса между ядром и протоплазмой
происходят не просто под действием физического механизма, по градиенту
осмотического давления; сами эти градиенты находятся под контролем прежде
всего ядра. В клетке можно различить микротоки, молекулярные микропотоки
(как бы миниатюрные эквиваленты кровообращения), органеллы же служат
узловыми точками этих токов, представляя собой "универсальные автоматы",
которые оснащены комплексами ферментов, распределенных в пространстве
нужным образом. В то же время органеллы - аккумуляторы энергии, посылаемой
в соответствующие моменты в надлежащем направлении.
Если и можно еще как-то представить себе фабрику, состоящую из машин
и сырья, плавающих друг подле друга, то трудно понять, как сконструировать
фабрику, которая непрестанно меняет свой вид, взаимное сопряжение
производственных агрегатов, их специализацию и т.д. Клетка является
системой водных коллоидов со многими потоками принудительной циркуляции,
со структурой, которая не только подвижна функционально, но и меняется
беспорядочно (так что можно даже перемешать протоплазму - лишь бы при этом
не повредить некоторых основных структур, - а клетка будет по-прежнему
функционировать, то есть жить), непрерывно потрясаемая броуновским
движением, с беспрестанными отклонениями от устойчивости. Определенное
управление всей совокупностью клеточных процессов возможно только
статистически, с использованием немедленных регулирующих воздействий на
основе вероятностной тактики. Процессы окисления идут в клетке в виде
переноса электронов сквозь "псевдокристаллический жидкий полупроводник".
При этом обнаруживаются определенные ритмы, вызванные именно беспрестанным
регулирующим воздействием. Это касается и других процессов, например
энергетических циклов с аккумулированием энергии в аденозинтрифосфорной
