Естественные технологии биологических систем - Александр Уголев

Заканчивая эти размышления, следует подчеркнуть, что антропоцентризм не способствует превращению биосферы в ноосферу, а напротив, затрудняет такую возможность. Для формирования ноосферы (помимо многих других условий) требуется: 1) совершенное знание естественных технологий на всех уровнях их организации; 2) сохранение и совершенствование этих технологий. Биосфера в нынешнем виде, нарушенная техникой, скорее может быть названа технобиосферой или больной биосферой — патобиосферой. Другими словами, сегодня задача формирования ноосферы в некоторых отношениях является проблемой не менее трудной, чем во времена В. И. Вернадского.

Следует иметь в виду, что глубокий анализ фундаментальных проблем биосферы на пути ее превращения в ноосферу — дело будущего. Эти проблемы сложны и противоречивы, о чем свидетельствуют современные попытки представить структуру ноосферы Земли в виде очень упрощенных схем.

К сожалению, в данной книге нет возможности сколько-нибудь подробно рассмотреть эволюцию живых организмов от их возникновения до современных форм, так же как структуру и эволюцию биосферы в целом. Общая схема развития органического мира представлена на рис. 46.

При характеристике эволюции подчеркивалось, что функция, структура и эффект взаимодействуют и всегда существуют как триада. Ее понимание на разных уровнях организации жизненных процессов особенно существенно для рассмотрения жизни и естественных процессов вообще и в эволюционном аспекте особенно. Следует отметить, что взаимоотношения членов триады относятся к проблемам современного функционализма.

В науке часто применяются вспомогательные (часто временные) понятия и термины. К их числу относится термин «современный функционализм». Под функционализмом подразумевается вся совокупность сведений о функциональных свойствах живых систем, функциональных подходах к этим системам и, наконец, взаимоотношения различных фундаментальных характеристик. Функционализм является одной из наиболее важных проблем не только физиологии, но и всех областей биологии, начиная с таких традиционных, кап зоология и ботаника, и кончая такими, как молекулярная биология, биоорганическая химия, биофизика и медицина. Современный функционализм не является только частью классического функционализма, связанного с расцветом физиологии. Следует надеяться, что подобно тому как в свое время функционализм XVII— XIX вв. внес неоценимый вклад в развитие науки о живом, так и современный функционализм станет одним из краеугольных камней всего комплекса биологических наук сегодняшнего и завтрашнего дней. Это существенно для наук, в которых рассматривается происхождение и развитие жизни, а также жизнь в ее различных проявлениях. С этой точки зрения понятны обоснованность, а также плодотворность современного функционализма, возрожденного в результате новой революции в биологии.

Особенность современного функционализма заключается в более глубоком понимании жизни как системы, где организация структур и функций взаимообусловлены. Вместе с тем жизнь — понятие динамическое, в связи с чем функциональные подходы к пониманию ее сущности особенно важны. Я хотел бы подчеркнуть, что современный функционализм технологичен в том смысле, что он рассматривает жизнь на всех уровнях как сложно организованный процесс, имеющий ряд особенностей. К числу таковых относятся полезные эффекты, сформировавшиеся в ходе эволюции, побочные эффекты, служащие материалом дальнейших эволюционных трансформаций, и т.д.

Начиная с Фрэнсиса Бэкона, сравнение отдельных органов с машинами получило широкое распространение. Различные типы машин, в особенности механических, стали привычными моделями для анализа структуры и функции различных органов живых существ. По мере развития химии для этой цели стали привлекаться химические устройства и процессы. Во многих случаях это было грубым упрощением биологического процесса, иногда облегчавшим, а иногда и затруднявшим его понимание. Однако анализ даже простых механических моделей позволял нарисовать картину, близкую к истинной. В качестве примера можно привести представление о движении крови в той форме, в какой оно было представлено В. Гарвеем.

Рис. 46. Схема развития органического мира. (По: Соколов В. с. Биосфера: понятие, структура, эволюция // В. В. Вернадский и современность. М., Наука, 1984. с. 98—122).

Эра экспериментальной биологии и медицины была одновременно и эрой естествознания, где естественные объекты интерпретировались в виде сложноустроенных машин. Нельзя исключить, что на смену таким представлениям сейчас приходит более глубокое понимание биологических процессов, где на первое место выйдут технологические идеи.

Следует еще раз сказать несколько слов о физиологической эволюции. По-видимому, в эволюционной физиологии существуют тесно связанные и не противоречащие друг другу направления, которые могут быть обозначены так функциональная эволюция и физиологическая эволюция. Функциональная эволюция связана с исследованием законов эволюции функций, Физиологическая эволюция изучает общие закономерности эволюционного процесса. Понятие физиологической эволюции включает в себя следующие положения.

1.    Однотипность процессов — отражение одного из фундаментальных принципов жизни как планетарного явления. Такой подход соответствует взглядам В. И. Вернадского о биосфере. Единство жизни на уровне биосферы обусловлено биотическими круговоротами, основанными на трофических связях, т.е. на функциональных взаимодействиях определенного типа. Такое единство возможно лишь при универсальности по крайней мере на двух уровнях: на уровне строительных блоков — мономеров (биохимический уровень) и на уровне функциональных блоков (физиологический уровень). Таким образом, первая и важнейшая закономерность, которую постулирует физиология, вступая в противоречие с другими науками, — это представление о жизни как планетарном процессе. Такой подход объясняет также и асимметрию жизни. Это не отрицает идеи, получившей широкое признание в нашей стране и за рубежом и заключающейся в том, что асимметрия жизни могла возникнуть в добиологический период в результате вероятностной флуктуации. Однако физиологическая эволюция свидетельствует, что такая асимметрия поддерживается вследствие гомеостатирования биотического круговорота.

2.    Стабилизация касается функционально значимых элементов, участвующих в выполнении элементарных функций, и не затрагивает других структур, где проявляются закономерности, чаще всего фигурирующие под названием нейтральной эволюции.

3. Все разнообразие функций и структур базируется на некотором количестве универсальных функциональных блоков, т.е. структур, реализующих элементарные функции. Эти структуры образуют специализированные системы, отличающиеся разнообразием за счет их сложного комбинирования. Следовательно, эволюция идет преимущественно по пути комбинирования универсальных функциональных блоков. При этом мутирующие гены относятся преимущественно не к структурным, а к регуляторным генам. Таким образом, в ходе эволюции увеличивается роль мутаций в регуляторных генах, причем у эукариотов этот тип мутаций является основным. Такая мысль одновременно и независимо была высказана и другими исследователями.

Стабильность некоторых свойств определенных систем в течение длительных интервалов эволюции и вместе с тем использование одних и тех же функциональных блоков можно проиллюстрировать двумя примерами. Первый пример был приведен мною выше и касается стабильности амилаз животных различных видов, а также амилаз, выделенных из различных органов одного и того же организма. Я не смог обнаружить признаков эволюции и совершенствования этих молекулярных машин в ходе эволюции. В последние годы такое заключение получило подтверждение. При изучении первичной структуры генов амилазы и самой амилазы бактерий, дрожжей, а также амилазы слюнных и поджелудочной желез млекопитающих оказалось, что принципиальных изменений в первичной структуре фермента не произошло. Более того, все те части, которые связаны с ферментативным катализом, остались неизменными. Замещение аминокислот происходило в так называемых индифферентных частях молекулы.

Второй пример относится к собственно кишечным мембранным ферментам. В нашей лаборатории было показано, что во многих случаях меняется не каталитический домен, а регуляторная субъединица фермента. Иными словами, каталитическая субъединица отличается большой стабильностью.

Таким образом, физиология и физиологическая эволюция способны объяснить ряд общих закономерностей эволюции, которые до сих пор не были ясны и не могли получить интерпретации.