Энергия и жизнь

1. Развитие многоклеточности и большая специализация функций различных органов многоклеточного организма; особо выделим развитие органов дыхания.

2. Повышение энергетической активности и подвижности и параллельное развитие опорной системы (наружный скелет у членистоногих и внутренний — у позвоночных) .

3. Совершенствование способности к терморегуляции, завершившееся развитием гомойотермии, что позволило теплокровным животным активно развиваться в условиях похолодания и распространиться в холодные зоны.

4. Развитие центральной нервной системы с основным регулирующим центром — мозгом.

5. Появление социальности в ряде ветвей древа животных, что привело в конечном счете к развитию социальной формы движения материи, относящейся лишь к одной из ветвей приматов — человеку.

Последние два пункта тесно связаны с информационным аспектом эволюции жизни, и мы их рассмотрим отдельно в следующем параграфе. Из первых трех пунктов, имеющих функционально-морфологическое значение, наиболее тесно связанным с энергетикой является третий. Он же и наиболее дискуссионный в оценках с различных точек зрения. Например, даже современная термодинамика открытых систем «не разрешила» бы появление и существование избыточного теплорассеяния при гомойотермии, если бы последняя не появилась раньше самой термодинамики. Возникновение гомойотермии — очевидное преимущество с точки зрения энергетики. Конкретные шаги становления теплокровности в эволюции остаются неизвестными. По-видимому, этот процесс во времени носил взрывообразный характер, так как медленное, постепенное развитие его натыкается на ряд запретов.

В эволюции животных очень важным оказалось развитие информационно-управляющих структур. По типу функционирования или, точнее, по месту организма в цепи питания его можно отнести к одному из четырех уровней [Шмальгаузен, 1946 (с добавлениями по энергетике)].

1. Нижний уровень занят организмами с наименьшими адаптивными способностями, у которых единственный способ защиты от хищников — это увеличение скорости размножения. Он характерен для одноклеточных и имеет корни в совершенной биохимии прокариот.

2. Следующий уровень образуют организмы с пассивными способами защиты. Это животные с прочными покровами типа специальных домиков или высшие растения, имеющие биохимическую защиту либо колючки.

3. На третьем уровне — способные к активному перемещению животные, животные-жертвы, спасающиеся от агрессоров благодаря способности к быстрому перемещению (и к активному восприятию и переработке информации).

4. Вершина занята животными, которые сами являются хищниками. На третьем и четвертом уровне очень многое зависит от индивидуальных способностей отдельных животных. Здесь элиминация в отличие от первых двух уровней становится высокоизбирательной. Она очень сильно зависит от адаптационных возможностей каждого отдельного организма, от его умения воспринимать информацию об окружающем мире и быстро реагировать в конкретных ситуациях. Отбор на этих уровнях связан с повышением адаптивности систем.

Что же такое адаптация? Этот термин очень емкий, его можно считать универсальным свойством живого, для организма он означает процесс непрерывного приспособления к меняющимся условиям среды. Сформированные в эволюции генетические программы обеспечивают адаптацию к постоянно действующим факторам среды, основываясь на биохимическом потенциале. Однако реакции, организуемые на основе этих программ, недостаточно гибки, и в эволюции отобрались более или менее универсальные механизмы, регулирующие их работу. Информационный аспект здесь более важен.

Коротко рассмотрим эволюционное развитие цепи обратной связи в одной из главных информационно-управляющих систем: рецептор — глаз; переносчики и переработчики информации—нервная система и мозг; исполнитель — мышца.

На примере развития глаза можно хорошо видеть, как функция «диктовала» свои условия совершенствованию структуры. С позиций только морфофизиологического подхода объяснение существования такого органа высокой степени сложности казалось очень непростым даже самому основателю дарвинизма. В одном из разделов книги «Происхождение видов...» (глава «Затруднения, встречаемые теорией») он писал:

«Предположение, что глаз со всеми его неподражаемыми приспособлениями для изменения фокусного расстояния по мере удаления предмета, для регулирования количества проникающего света, для поправки на сферическую и хроматическую аберрацию мог быть выработан естественным отбором, может показаться, сознаюсь в том откровенно, в высшей степени нелепым». Действительно, великолепное совершенство глаза (а электронная микроскопия в последнее время подтвердила это и для молекулярных структур) интуитивно связывается с его созданием по какому-то специальному предопределению. Тем более, что в живой природе глаз возникал неоднократно! Создается впечатление, что он был запланирован, предопределен ранее (может быть, чтобы жизнь могла увидеть самое себя?!).

Информационно-энергетический подход позволяет и в данном случае преодолеть ограниченность структурного подхода, снять налет телеологичности.

Следует обратить внимание на то, что для глаза, как и для других органов информации, характерно чрезвычайно малое потребление энергии при работе. Наш светоприемник при адаптации способен воспринимать даже отдельные кванты света.

Эволюция глаза как светопринимающего устройства характеризовалась постепенным накоплением усовершенствований. В самом начале на основе фоточувствительных молекул примитивные организмы умели лишь отличать свет от темноты. У некоторых одноклеточных имеется пигментированное светочувствительное пятно, как правило на переднем конце тела. Известна отрицательная реакция инфузорий на видимый свет и особенно на ультрафиолет. Имеющая хлоропласты эвглена, напротив, плывет к свету.

Развитие многоклеточности «позволило» усложнить и строение светопринимающих устройств. Уже у плоских червей имеются примитивные глаза — чашечки со зрительным пигментом родопсином. Примечательно, что функции светочувствительных клеток взяли на себя молекулы родопсина, которые являются ближайшими родственниками древнейшего белка бактериородопсина.

Строение глаза все более усложняется с ростом уровня организации животных. Образуется глазной пузырь с жидкостью и подвижным хрусталиком — линзой. Чувствительность и разрешающая способность глаза еще более возрастает с образованием сетчатки — слоя светочувствительных клеток. В дальнейшем светочувствительные возможности возрастают с увеличением кривизны хрусталика, развитием зрачка, глазной мускулатуры, разделением светочувствительных клеток на колбочки и палочки и т. д.

У членистоногих развился другой тип глаза — фасеточный. Отдельная фасетка имеет ряд светочувствительных клеток и неподвижную линзу. Увеличение числа фасеток в сотни и тысячи раз повышает разрешающую способность такого глаза. Для малых организмов, особенно для летающих форм, по-видимому, было выгоднее варьировать число мелких фасеток, чем создавать единую, довольно крупную структуру с глазным пузырем и хрусталиком.

Таким образом, можно видеть, какой путь прошел глаз в эволюционном развитии под действием естественного отбора на улучшение функции.

Может быть, еще более наглядным примером действия отбора на изменение структуры служит элиминация структур, если они не нужны. И здесь хорошо известны случаи упрощения или даже редукции (потери) глаза в тех условиях, когда он не нужен. Один из самых впечатляющих примеров был описан обозревателем газеты «Комсомольская правда» [6 июля 1985 г., № 18357] В. Песковым. В маленьком пруду (Бабынивский район Калужской области), вырытом 15 лет назад, были обнаружены безглазые караси, наряду с обычными. Имелись и одноглазые формы, и образцы с более выпуклыми глазами. Чем можно объяснить безглазие, развившееся так быстро? Прежде всего, именно этот вид карася имеет нестабильный генетический механизм передачи признаков и широкую вариабельность структур (от него выведены разнообразнейшие по форме и окраске аквариумные рыбки).