БИОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
Акт создания. Дл'я живых систем характерна высокая упорядоченность, значительно более высокая, чем у любых известных нам неживых систем. Даже простейшие живые организмы чрезвычайно сложны. Обращаясь к масштабу упорядоченных структур, мы убеждаемся в том, что дистанция между бактерией и человеком значительно меньше, чем, например, между бактерией и гигантским электронным мозгом. При обычном течении событий упорядоченность имеет тенденцию к уменьшению, и поэтому нелегко понять, как живое могло возникнуть из неживых предшественников. Было предложено несколько объяснений этому, но не все они могут служить предметом научного исследования Среди тех гипотез, которые заслуживают научного обсуждения, наиболее привлекательно предположение о том, что неживые компоненты приняли конфигурации, совместимые с жизнью, в результате какого-то счастливого случая.
Для того чтобы какая-то конфигурация оказалась совместимой с жизнью, в ней должна сочетаться способность к метаболической активности с устойчивостью и даже с приспособляемостью. Кроме того, она должна обладать способностью воспроизводить себя из отдельных компонентов, имеющихся в окружающей среде. Это трудно выполнимые требования. Чтобы должным образом оценить их значение, займемся исследованием того, что представляется нам критическим этапом в возникновении жизни. Пусть у нас (Имеется «густой, теплый, соленый бульон», содержаний различные органические молекулы — аминокислоты, сахара, полифосфаты,
пиримидины, пурины и т. д. Какова вероятность наступления такого события, при котором какая-то случайная конфигурация из этих молекул окажется совместимой с жизнью? Для оценки этой вероятности нужно знать две величины: вероятность того, что любая данная конфигурация совместима с жизнью, и число случаев, при которых могут возникать конфигурации.
Объем информации в живой системе Множество молекул, необходимых для создания живого организма, способно образовывать огромное число возможных конфигураций. Только ничтожная часть последних, по-види- мому, совместима с жизнью. Число альтернатив при отборе из всех возможных конфигураций тех конфигураций, которые совместимы с жизнью, можно выразить через объем информации. Обозначим через Н объем информации какой-либо структуры, связанный с упорядоченностью одного из ее компонентов. Тогда вероятность того, что при случайном отборе из совокупности всех возможных структур данного типа мы выберем одну, удовлетворяющую сформулированному выше условию, равна 2~н. Таким образом, мы можем выражать вероятность того, что любая молекулярная конфигурация совместима с жизнью, через количество информации, содержащееся в живых организмах. Было осуществлено несколько попыток определить или, вернее, приблизительно оценить объем информации живых систем. В данном случае мы будем рассматривать относительно простой организм, обладающий, однако, всем, что ему нужно для самостоятельного существования, например бактериальную клетку. Такой выбор объекта исследований отражает нашу уверенность в следующем: для того чтобы подобная клетка, коль скоро она уже возникла, могла породить весь разнообразнейший мир живых организмов, существующих в наши дни, необходим лишь про- цес эволюции, действующий в течение двух миллиардов лет.
Линшиц [17] произвел оценку изменения энтропии, происходящего при превращении простых предшественников в органические молекулы, из которых построена бактерия. Перевод энтропии в вероятность, а вероятности— в эквивалентное число двоичных выборов дал для объема информации величину, равную 1013 бит. При этой оценке не учитывалась спецификация макромоле- кулярных и клеточных структур. Вместе с тем лишь небольшая часть изменения энтропии, связанного с созданием «строительных блоков», из которых состоит клетка, проявляется в виде образования соответствующих структур, хотя в биологическом отношении этот последний эффект значительно важнее первого. Поэтому приведенная выше оценка завышена.
Моровиц [21] подошел к оценке объема информации, руководствуясь структурными соображениями. Как известно, температуру Escherichia coli можно понизить почти до абсолютного нуля, и при последующем нагревании биологическая активность организма целиком восстановится. Отсюда можно заключить, что информация, обеспечивающая биологическую активность организма, должна полностью определяться структурой; любая динамическая программа оказалась бы уничтоженной при этой температуре. Оценка информации, необходимой для спецификации этой структуры, производится по органическим молекулам. Для каждой из них информация сводится к выбору вида молекулы и расположения этой молекулы относительно шести соседних, причем число возможных положений молекулы ограничено действием химических сил. Рассчитанный таким образом объем информации примерно равен 1012 бит, что довольно хорошо согласуется с оценкой Линшица. Так же как и эта последняя, оценка Моровица завышена, поскольку, несомненно, многие детали размещения молекул в клетке никак не влияют на нормальную жизнедеятельность клетки.
Данков и Кастлер [5] произвели несколько оценок объема информации в клетке, исходя из структурных соображений. Объем информации в любой системе не может превышать количество информации, необходимое для спецификации природы и размещения всех ее компонентов. Считая простейшим компонентом системы атом, эти авторы нашли количество информации, требуемое для отбора одного атома из всего набора атомов, входящих в состав живой системы, и для задания его положения с точностью, определяемой тепловыми колебаниями
при температуре тела. Достаточный для этих целей объем информации в расчете на один атом оказался равным 24,5 бит. Клетка Е. coli содержит примерно 2 • 10й атомов, и поэтому рассчитанный таким способом объем информации равен 5- 1012 бит. Это верхний предел. При расчете пренебрегали всеми ограничениями или связями, возникающими вследствие того, что атомы объединены в молекулы. Если учесть эти ограничения, то мы получим, что количество структурной информации в расчете на одну бактерию равно 1 • 1010 бит '.
Все оценки объема информации, основанные на структурных соображениях, по-видимому, завышены. Далеко не вся структура живого организма необходима ему, и, безусловно, значительную ее часть можно изменить без явного нарушения функций. Трудно оценить, какая именно часть структуры избыточна. Грубую оценку количества существенной (необходимой) информации можно произвести, считая, что целый ряд свойств организма обусловливается определенной организацией только одной его части, а именно генома. Объем структурной информации генома можно считать равным 2 бит на одну пару нуклеотидов; если говорить о бактерии, дезоксирибонуклеиновая цепь которой состоит примерно из 107пар нуклеотидов, то мы получим объем структурной информации, достигающий приблизительно 2-107 бит. Такую оценку нельзя считать нижним пределом, так как часть цепи ДНК может оказаться избыточной, а часть — «бессмысленной». Нижнее предельное значение объема [2] информации устанавливается по функциональной генетической изменчивости в пределах вида. В случае бактерий для этого требуется никак не меньше 1000 бит. Отсюда мы находим нижний предел объема информации для бактерии, равный 103 бит. Полученные таким способом пределы (103—-1013 бит) чрезвычайно широки, но, безусловно, истинная величина лежит между ними. Сокращение этого интервала представляется совсем нетрудным, но для наших целей оно сейчас не нужно.
Объем информации, равный 103 бит, соответствует 1000 последовательно произведенных двоичных выборов, или одному выбору из 21000 возможностей. Вероятность сделать такой выбор случайно равна 10-301. Для объема 1013 бит эта вероятность составляет Ю-3'10'2.
Число случаев, благоприятных для возникновения жизни. Общее число случаев, при которых в результате созидательных актов может возникнуть жизнь, равно произведению числа различных пригодных для этого участков на число случаев, когда это событие могло бы произойти. Число участков равно отношению общего пригодного объема к объему, которым должны удовлетвориться компоненты будущих структур (перекрыванием компонентов мы здесь пренебрегаем). Верхним пределом общего объема будем считать всю поверхность Земли (5-1018 см2), покрытую слоем воды толщиной 1 м, т. е. 5 • 1020 см3. Разумеется, минимальный объем совокупности компонентов не должен быть меньше объема бактерии, т. е. 1 • 10-12 см3. Таким образом, число пригодных участков не может превышать 5 - 1032. Для получения нижнего предела допустим, что поверхностью раздела, на которой может происходить упорядочение, служит только берег океана. Пусть береговая линия имеет длину 5-1010 см, т. е. может примерно 10 раз обвиться вокруг земного шара. Допустим, что размеры элементарного объема ни в одном направлении не превышают 1 см; вряд ли эта величина может быть намного больше, если компоненты будущей системы должны достаточно быстро встретиться друг с другом вследствие диффузии. Получающееся при этом число участков равно 5- 1010. Таким образом, мы находим, что число участков, пригодных для случайного образования живых структур, лежит между 5-1010 и 5 - 1032. Данная оценка весьма груба, и, вероятно, без особого труда этот интервал удастся заметно сузить.
Промежуток времени, в течение которого в «густом, теплом, соленом бульоне», содержащем сколько угодно потенциально пригодных «строительных блоков», могла бы возникнуть жизнь, следует оценить примерно в 2-109 лет, или 2-1013 час. Время, отведеннное для одного «акта создания», ограничено, с одной стороны, скоростью образования макромолекул и более сложных структур, а с другой — тем, как долго незаконченная структура может существовать, ожидая возможного завершения. Это минимальное время, разумеется, никак не меньше одного часа, т. е. времени, требующегося для того, чтобы при умеренно благоприятных условиях из одной бактерии образовалась другая. Верхним пределом можно считать время, превышающее указанное в 1010 раз, что совпадает с грубой оценкой отношения скорости реакции при наличии ферментного катализа к ее скорости в отсутствие такого катализа [13]. Отсюда следует, что в каждом пригодном участке число случаев, благоприятных для акта создания (в результате которого могла бы возникнуть некая система, обладающая основными признаками живого), варьирует от 2- 103 до 2-1013.
Умножая число участков (от 5-1010 до 5-1032) на число случаев (от 2 • 103 до 2 • 1013), получаем, что общее число случаев, которые могли бы привести к возникновению жизни, лежит между 10й (произведение двух нижних оценок) и 1046 (произведение двух верхних оценок) с точностью для каждой границы интервала в несколько порядков величин. По-видимому, задача сужения этого огромного интервала, простирающегося более чем на 30 порядков, не должна наталкиваться на серьезные затруднения; однако для наших целей решать ее не обязательно. Достаточно сказать, что любое событие того типа, о котором идет речь, должно произойти, если его вероятность больше Ю-10, и не должно наступить (или наступит не более чем один раз), если его вероятность меньше 10-50.
Выводы. Значительно завышенная оценка числа случаев, при которых «строительные блоки» (органические молекулы) могли бы соединиться и образовать живую структуру, равна 1048. Весьма заниженная оценка объема существенной информации в простом живом организме, рассматриваемом как упорядоченная система тех же блоков, составляет 1000 бит, что соответствует вероятности, равной 10~301. Следовательно, вероятность возникновения жизни в результате случайного наступления какого-либо одного из этих Ю46 событий, приблизительно равна 10-255. Если мы воспользуемся более высокой оценкой объема информации, то искомая вероятность соответственно уменьшится. Из чрезвычайной малости этой величины вытекает фактическая невозможность появления жизни в результате случайного соединения молекул. Предположение о том, что живая структура могла бы возникнуть в одном акте вследствие случайного соединения молекул, следует отвергнуть. Конечно, даже практически невозможное событие может произойти однажды, но более чем один раз оно не произойдет. Отсюда следует, что если бы жизнь возникла таким чрезвычайно невероятным способом, то, безусловно, ни на Земле, ни где-либо в космическом пространстве не могла бы существовать какая-то иная жизнь, другого происхождения. Если на Марсе будет найдена жизнь внеземного происхождения, то тем самым будет опровергнута гипотеза возникновения жизни в результате случайного соединения молекул. Во всяком случае, представляется более перспективным искать такой механизм, который не предусматривает столь чудовищно маловероятных происшествий ’. [3]
Источник: Г. Касмлер, «ВОЗНИКНОВЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ» 1967