Биологический каталог




Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул

Автор М.Эйген

MANFRED EIGEN

SELFORGANIZATION OF MATTER ' AND THE EVOLUTION OF BIOLOGICAL MACROMOLECULE

Die Naturwissenschdfien 58. Jahrgangt Oktober 1971, Heft 10

Springer-Verlag

Berlin Heidelberg * New York

М. Эйген Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул

Перевод с английского В. М. АНДРЕЕВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» Москва 1973

Под редакцией и с предисловием чл.-корр, АН СССР М. В. ВОЛЬКЕН

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие к русскому изданию 5

Список литературы 9

Глава I. Введение 10

§ I. 1. «Причина и следствие» 10

§ 1.2. Предпосылки самоорганизации 13

Глава II. Феноменологическая теория отбора 36

§ П. 1. Понятие «информации» 36

§ II. 2. Феноменологические уравнения . 39

§ II. 3. Селекционное ограничение 47

§ 11,4. Селекционное равновесие 55

§ II.5. Фактор качествами распределение ошибок .... 59

§ II. 6. Кинетика отбора 63

Глава III. Стохастический подход к отбору ....... 75

§ III. 1. Ограничения детерминистической теории отбора 75

§ III. 2. Флуктуации вокруг равновесных состояний ... 76

§ III. 3. Флуктуации в стационарном состоянии 78

§, III. 4. Стохастические модели как цепи Маркова ... 84

§ III. 5. Количественное рассмотрение трех прототипов отбора , 88

Глава IV. Самоорганизация, основанная на комплементарном узнавании: нуклеиновые кислоты 96

§ IV. 1. Истинное «самоинструктирование» 96

§ IV. 2. Комплементарное, инструктирование и отбор (теория) 102

§ IV. 3. Комплементарное узнавание оснований (экспериментальные данные) 108

Глава V. Самоорганизация через циклический катализ: белки 124

§ V. L Узнавание и ферментативный катализ 124

§ V. 2. Самоорганизующиеся циклы ферментов (теория) . 128

§ V. 3. Могут ли белки воспроизводить себя? ..... 137

216

Оглавление

Глава VI. Самоупорядочение через закодированные каталитические функции . ..... 143

§ VI. I. Требование кооперации между нуклеиновыми кислотами и белками . . . .- . ' . . 143

§ VI. 2. Самовоспроизводящийся гиперцикл .145

§ VI. 3. О возникновении кода . . . . .160

Глава VII. Экспериментальное исследование эволюции . . . 172

§ VII. 1. Система QP-репликазы . . . 172

§ VII. 2. Дарвиновская эволюция в пробирке 174

§ VII. 3. Количественные' исследования отбора -178

§ VII. 4. Эксперименты, типа «минус один» . . .... ^ 1 183

Глава VIII. Заключение 185

§ VIII. 1. Пределы теории 185

§ VIII. 2. Концепция «ценности» 185

§ VIII. 3. «Диссипация» и «возникновение информации» . 189

§ VIII. 4. Принципы отбора и эволюции . . . , . ..' . 193

§ VIII. 5. «Недетерминированная», но «неизбежная» , . . 197

§ VIII. б. Можно ли объяснить, жизнь на основе современных физических концепций? 201

Глава IX. Резюме 203

Список литературы • • • 219

М. ЭИГЕН

Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул Редактор Н. О. Фомина Художник В. Е. Карпов Художественный редактор Ю. Я- Максимов Технический редактор Е. С. Герасимова Корректор О. Ф. Иванова

Сдано в набор-5/lV 1973 г. Подписано к печати 17/VIII 1973 г Цена 76 коп. Зак. 605.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР», Москва, 1-й Рижский пер.. 2

Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой Союзполнграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли г. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29

УДК 577.21

В книге лауреата Нобелевской премии М. Эйгена излагается созданная им теория эволюции на молекулярном уровне. Эйген впервые строго показал возможность возникновения функциональных биологических макромолекул из хаотической смеси малых молекул. Тем самым сделана попытка раскрыть физическую сущность естественного отбора, и достигнут новый этап в понимании происхождения жизни.

Предназначена "для научных работников самых разных специальностей: биологов, химиков, физиков, математиков, философов, историков науки.

Редакция биологической литературы

Перевод на русский язык, «Мир», 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Возникновение и становление молекулярной биологии, уже решившей ряд важнейших вопросов естествознания, таких, как проблема молекулярного строения и свойств гена, как проблема генетического кода, определили развитие молекулярной биофизики. Предметом молекулярной биофизики являются строение и физические свойства биологически функциональных молекул, прежде всего белков и нуклеиновых кислот. Биофизика, будучи неотъемлемой частью физики, а не вспомогательной биологической дисциплиной, ставит физические задачи, относящиеся к живым телам, т. е. исходит при изучении живой природы из общих законов, описывающих поведение вещества и поля, и из атомно-молекулярных представлений. Решение этих задач может достигаться и не физическими методами, как это было, например, в случае генетического кода.

Однако физика встречается с трудностями при рассмотрении свойственных живой природе процессов развития —как онтогенеза, так и филогенеза. На первый взгляд между обычной физикой и биологией имеются непреодолимые противоречия. Изолированная физическая система эволюционирует к состоянию наименьшей упорядоченности - максимальной энтропией. Напротив, в биологической системе в процессе ее развития создается все больший порядок —дарвиновская эволюция прослеживается от "одноклеточных микроорганизмов до Homo sapiens с его мыслящим мозгом. Биологическое описание развития имеет зачастую финалистический характер — задается вопрос «для чего?», в то "время как обычная физика каузальна — она ставит вопрос «почему?», по каким причинам реализуется то или иное явление, Эти противоречия приводят к неовиталистическим концепциям, согласно которым современная физика не в состоянии объяснить биологические явления, имеющие специальный «биотонный» характер [1, 2], и делается вывод о необходимости создания некой принципиально новой физики.

Противоречия эти кажущиеся. Физические законы также могут формулироваться финалистически, если они исходят из вариационных принципов. Достаточно сослаться на принцип Гамильтона, Мопертюи, Ферма, Ле Шателье, на правило Ленца и т. д. Противоречие между биологией и термодинамикой снимается, так как живое тело — всегда Открытая, а не изолированная система. Но физические подходы к рассмотрению таких систем весьма нетривиальны и физические проблемы, относящиеся к процессам развития, еще далеки от" своего решения.

Манфред Эйген, удостоенный в 1967 г. Нобелевской премии по химии за создание и теоретическое обоснование новых релаксационных методов химической кинетики, написал работу, принципиальное значение которой как раз и состоит в физическом рассмотрении биологических процессов — отбора и эволюции. Эйген ограничивается моделированием добиологической эволюции макромолекул, но развитые им идеи и методы имеют и более общее, принципиальное значение.

Естественно, что теоретико-физическое исследование биологических проблем начинается с феноменологического рассмотрения, основанного на неравновесной термодинамике и теории информации. Опираясь на работы Пригожина и его школы [3, 4], Эйген четко показывает, что рассмотрение процессов развития принципиально невозможно в рамках линейной термодинамики, т. е. вблизи состояния равновесия. Модели Эйгена относятся к стационарному состоянию, удаленному от равновесия.

Применению теории информации в биологии посвящено множество работ. В этих работах, как правило, применялось лишь понятие количества информации. Оно оказывается ""полезным: даже простой перевод биологических закономерностей на язык теории информации весьма "информативен. Такринформационные аспекты эволюционной теории были раскрыты в очень важных и содержательных работах И. И. Шмальгау-зена [5, 6].

Однако постепенно становилось ясно, что понятие количества информации мало что дает. Эйген справедливо подчеркивает в этой связи, что, будучи комплементарным энтропии, количество информации только ее и характеризует. В монографии Аптера [7] отмечается, что для биологии существенно не количество информации, а программа последующего развития. О том же писал Моно [8], который ввел понятие «теле^н^жии^ выражающее план развития, наличествующий в зиготе, в эволюционирующей популяции, в биосфере. Впрочем, Моно_ игнорирует основные особенности живых открытых систем, утверждая, что отличие живого организма от кристалла сводится лишь к количеству "информации. Тем самым он никак не раскрывает физическое и философское содержание телеономии, и предложенная им натурфилософская конструкция повисает в воздухе.

Эйген с полной ясностью показывает, что для биологии важна ценность информации, а не ее количество. Информация обретает ценность в реальном физико-химическом процессе, и эта ценность должна быть выражена в измеримых физических величинах. Эйген предлагает теорию отбора и эволюции макромолекул, основанную на ценности информации, определяемой как селективная ценность. Селективная ценность выражается через конкретные кинетические параметры.

Внимательный анализ проблемы, проведенный Эйге-ном, показывает, что для обеспечения селекции и эволюции необходима ^вто1гаталитичес^ая_ система, которая была бы действительно подобна реально существующим нуклеиново-белковым гиперциклам. Ни нуклеиновые кислоты, ни белки, взятые по отдельности, не могут подвергаться отбору и эволюционировать. Может показаться, что Эйген не открыл здесь ничего нового. Но в действительности раскрыто физическое содержание процессов редупликации и синтеза биологических информационных макромолекул.

Общий методологический смысл работы Эйгена состоит в убедительной демонстрации неограниченных возможностей физики в трактовке процессов добиологического и биологического развития. Тем самым сделан важный шаг на пути проникновения в наиболее актуальную область современной биологии. После установления основных закономерностей молекулярной биологии естествознание обращается к проблемам дифференцировки, эмбриогенеза и канцерогенеза. Их изучени

страница 1
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Скачать книгу "Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул" (2.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.05.2017)