Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул - Эйген М.
Скачать (прямая ссылка):
Пригожин [50] считает, что эти структуры были важны для создания функциональной упорядоченности в эволюции жизни. Они, несомненно, играли важную роль везде, где имелись благоприятные условия для их появления. Они могли оказывать некоторое влияние на ранний морфогенез, но я не думаю, что макроскопические пространственные структуры дают ключ к пониманию первых этапов биологической самоорганизации. Эти этапы могли происходить даже в бесструктурном «бульоне» при непременном участии функциональных макромолекулярных структур, таких, как нуклеиновые кислоты и белки. Тип организации, который необходим вначале,— это не столько организация в физическом (т. е. геометрическом) пространстве, сколько функциональная упорядоченность в невероятном разнообразии химических соединений, возможно находящихся в гомогенной фазе. Нам нужна организация в другом «пространстве», которое может быть названо «информационным пространством». Эта упорядоченность тоже будет основана на принципе Пригожина — Глансдорфа, которому я придаю большое значение, но его использование потребует новых параметров и может вывести нас за пределы современной термодинамической теории.
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОТБОРА
§ II.1. Понятие «информации»
Упорядоченность в сложной системе реакций, происходящих с участием множества различных химических соединений, требует образования самовоспроизводяще-гося «функционального кода». Термин «функциональный код» означает наличие двух свойств: исполнительного и законодательного. Для проявления исполнительного свойства необходим аппарат, способный контролировать все реакции, идущие в системе; это может быть ансамбль взаимодействующих и саморегулирующихся катализаторов, состоящих предпочтительно из одного и того же материала, но имеющих практически неограниченные функциональные способности. Независимо от того, содержит ли первичная структура этого исполнительного аппарата инструкцию для его воспроизведения, или же она должна транслироваться из другого, законодательного источника, самоорганизация и дальнейшая эволюция коррелированного и воспроизводимого функционального поведения должна начинаться на уровне самовоспроизводящегося молекулярного кода.
Введем теперь понятие носителей кода. Тот факт, что мы знаем о существовании таких носителей кода, т. е. о нуклеиновых кислотах и белках, поможет нам создать полезную концепцию.
Введем множество, состоящее из носителей информации:
= 1,2, (п. 1)
которые представляют собой последовательности из v единиц с базисом % (например, К = 4 для нуклеиновых кислот или X = 20 для белков). Для простоты мы часто
будем иметь дело с таким однородным классом носителей информации, т. е. с последовательностями, имеющими одинаковую длину v единиц.
/ А / ~(N+n) / в /
N+n 4- ¦V N-n
/ / ~(N-n) / /
Рис. 3. «Информационный ящик».
Предполагается, что верхний ящик имеет полупроницаемые стенкн, через которые могут втекать и вытекать высоко- и низкоэнергетические мономерные единицы. Внутри ящика происходят сборка и распад последовательностей (полимеров), представляющих собой «информацию». Как матричная сборка, так и распад могут катализироваться ферментами. Стационарное состояние может поддерживаться регулированием потоков (</>j ... </>^; </у ... Фхг) или концентраций (nij ... ... jcjv), которые контролируются потоком разбавления </>Qi
Для сравнения изображена равновесная система, распределенная между двумя ящиками Л и В: N^-Ng; ±.п — флуктуации (обсуждение эренфестовской модели см. в § III. 2).
В классической теории информации «количество информации» в определенной последовательности tv< выражается числом битов:
/v= v In X/ln 2 [битов]. (П. 2)
Тогда Wv представляет собой «структурную емкость» класса v, т. е. число всех различных последовательностей с длиной v и с базисом К:
(II. 3)
Если последовательности могут иметь любую длину, ограниченную верхним пределом v единиц, то мы получим
различных последовательностей. Это число может оказаться очень важным, если мы рассматриваем системы независимых конкурентов (с любой длиной от 1 до v), где различные последовательности представляют собой определенные сообщения (с различными «селективными ценностями», см. ниже).
Система носителей информации может находиться внутри «ящика» конечного объема, имеющего проницаемые стенки, через которые могут втекать и выте-кать высоко- и низкоэнергетические мономерные единицы (рис. 3). В ящике может находиться по xvi экземпляров каждого вида носителей информации (на единицу объема), и общая численность каждого класса составляет
Для большинства из Nv возможных носителей ivh их концентрации xvh будут равны нулю. Концентрации неорганизованных высокоэнергетических мономерных единиц 1, ..., X в ящике равны ть т%, а их потоки в ящик —
Число всех единиц — организованных и неорганизованных — составляет
