Почему жизнь - это нечто большее, чем кристаллы

Рис.1. Кристаллы кварца. Википедия

Нередко приходится слышать, что жизнь в своём репликационном аспекте может быть уподоблена кристаллам. Я даже слышал красивую сказку о том, что жизнь возникла на кристаллах.

• Подробный критический разбор наиболее популярных натуралистических моделей происхождения жизни: David L Abel: Examining specific life origin models for plausibility ("The First Gene", 2011).

Попытаемся разобраться в том, является ли эта аналогия корректной.

Кристаллы и кристаллизация


Согласно википедии, кристаллы — это твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно (если не учитывать дислокации, или дефекты), образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — регулярную структуру, называемую кристаллической решёткой.

Кристаллизация представляет собой процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры (полиморфные превращения) или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое. Благодаря кристаллизации происходит образование не только минералов и льда, но и частей живых организмов, например, зубной эмали и костей. Ниже мы коснёмся вопроса о том, что необходимо для воспроизведения всего организма как целостной системы.

Рис.2. Зависимость от межатомного расстояния r составляющих потенциальной энергии (отталкивания U_отт и U_пр притяжения), а также полной (U) потенциальной энергии межатомных взаимодействий. Минимум U(r) достигается при межатомном расстоянии r₀, характерном для твердого тела. Источник: В. Игумнов. "Физические основы микроэлектроники. Учебное пособие".

При образовании кристаллов происходит фазовый переход, то есть переход вещества из одной термодинамической фазы в другую. Кристаллизация представляет собой пример реализации принципа минимума полной потенциальной энергии системы. К многочисленным примерам проявления этого принципа относится образование конвекционных ячеек, осмос, поверхностное натяжение, образование мыльных пузырей, деформации упругих тел, интерференция, эффект Муара и пр. Что касается кристаллизации, минимум суммарной потенциальной энергии взаимодействия атомов достигается при достижении состояний устойчивого равновесия при значениях межатомных расстояний, характерных для твёрдых тел (рис.2).
  
Репликация кристаллов происходит послойным ростом по границе кристаллической фазы. Таким образом, в случае кристаллов имеет место матричное копирование засчёт проявления межмолекулярных сил.

А что же происходит в случае репликации живых организмов?

Живые организмы и их размножение

Во-первых, живые организмы, с точки зрения термодинамики, представляют собой автономные неоднородные сильно неравновесные системы. Дж. фон Нейман предложил моделировать репликацию живых организмов так называемыми клеточными автоматами. Клеточный автомат — это математический объект, характеризующийся состоянием. Значения состояний вычисляются по фиксированным правилам из дискретного набора с учетом текущего состояния автомата и его окружения. Теория клеточных автоматов приходит к целому ряду интереснейших теоретических заключений. В частности, фон Нейман показал, что при репликации неоднородных систем необходимо использование памяти, содержащей описание системы, не зависимое от динамики движения её частиц (rate-independent quiescent description). Следовательно, по необходимости, репликация неоднородных систем должна задействовать чтение, запись и обработку информации о том, как воспроизводить систему. Эта информация представлена в виде останавливающейся последовательности инструкций.

• См. мою запись о клеточных автоматах.

Однако этим дело не ограничивается. Для обеспечения автономности самовоспроизводящиеся клеточные автоматы должны уметь воспроизвести самих себя, в том числе и подсистему, которая ответственна за воспроизведение. Поэтому самовоспроизводящиеся автономные неоднородные системы должны обладать свойством семантической (смысловой) замкнутости: инструкции по их воссозданию должны учитывать и воссоздание того, что эти инструкции будет обрабатывать!

Работы Дж. фон Неймана по моделированию живых организмов самовоспроизводящимися клеточными автоматами, исторически предшествовавшие открытию функций ДНК, фактически предсказали транскрипционно-трансляционный дуализм живых систем: клеточный автомат в одном случае должен был копировать ленту с описанием структуры автомата как данные (для последующего копирования уже с дочерней клетки), в другом (для воссоздания самой дочерней клетки) должен был интерпретировать содержимое ленты.

Рис.3. Воспроизведение организмов осуществляется по инструкциям в памяти. При этом память также должна быть воспроизведена. При воссоздании памяти она трактуется системой как данные; при воссоздании организма содержимое памяти интерпретируется как программа.

Репликация живых систем происходит в соответствии с выводами фон Неймана. Генетические инструкции по воспроизводству белковых молекул, записанные на молекулах ДНК, в случае транскрипции воспринимаются системой без интерпретации, то есть как данные, в случае же трансляции фактически тот же материал (только транскрибированный, в форме инфорационной РНК) воспринимается системой как программа. Эта программа должна включать инструкции для воссоздания всего организма, включая саму систему трансляции. Воссоздание организмов, включая и те их подсистемы, которые будут транслировать генетический код, закодировано тем же самым кодом!

Воспроизведение живых организмов несводимо лишь к действию принципа минимума полной потенциальной энергии, как это имеет место в случае кристаллов, но состоит в особой организацией системы репликации, чем обеспечивается существование семиотической тройки: {код, протокол, транслятор}.

Код представлен генетическими инструкциями, записанными на биополимерных носителях (ДНК, иРНК) и интерпретируемыми триплетами (тройками) нуклеотидов, протокол — арсазами (особыми ферментами, нагружающими тРНК соответствующими по генетическому коду пептидами), транслятор — рибосомным адаптером, осуществляющим распознавание тРНК и синтез полипептида в соответствии с генетическими инструкциями.

С точки зрения физики, организация системы трансляции сводится к обеспечению символьных граничных условий на движение частиц материи в системе.

В отличие от кристаллизации, только лишь действием законов природы феномен воспроизведения живого не объяснить в принципе, хотя бы уже только в силу того, что организация граничных условий и само движение, подчиняющееся этим законам, — совершенно разные вещи. Характеристики движения определяются граничными (начальными) условиями, задаваемыми независимо от движения частиц системы.
Воспроизведение биосистем становится возможным благодаря особой (семантически замкнутой) организации живого, позволяющей организмам осуществлять запись, хранение, считывание, интерпретацию и исполнение инструкций по воспроизведению самих себя.

Подробнее см.:

• http://biosemiosis.org: замечательный англоязычный ресурс, посвященный биосемиозису — трансляции знаков в живых организмах.
• http://biosemiotics.livejournal.com: мой русскоязычный блог в Живом Журнале, посвященный биосемиотике в свете дизайна биосферы.