Фундаментальные основы современной биологии. 1

Моим дорогим тётушкам:
Капитолине Михайловне Чистяковой
и Валентине Михайловне Парфеновой
(Чистяковой) —хранительницам семейных
Традиций и примерам истинной
сестринской любви посвящаю.

Часть первая.
Теория эволюции Чарльза Дарвина - наиболее значимое открытие IX века. Аксиомы биологии и биологические константы

It is not the strongest of the species t
hat survives, nor the most intelligent,
but the one most responsive to change.
 Charles Darwin

Выживает не самый сильный из
видов и не самый умный, а тот, кто
наиболее восприимчив к переменам.
 Чарльз Дарвин

Теория эволюции Чарльза Дарвина -наиболее значимое открытие IX века.
Теория эволюции Чарльза Дарвина — наиболее значимое открытие XIX века, и лучше, чем сказал об этом наш замечательный учёный-физик Юрий Львович Климонтович, не скажешь.
«Людвиг Больцман назвал XIX столетие веком Дарвина. Он полагал тем самым, что теория эволюции Дарвина, основанная на принципе естественного отбора, является наиболее значительным открытием XIX века.
Такой вывод может показаться неожиданным. Действительно, XIX век был богат великими открытиями в естествознании, в частности в физике. Ведь XIX век – это век термодинамики, созданной в значительной мере трудами Сади Карно, Рудольфа Клаузиуса и Вильяма Томсона. Это век электромагнитной теории Майкла Фарадея и Джеймса Максвелла. В XIX веке были заложены и основы современной молекулярно-кинетической теории материи. Одним из ее основателей, наряду с Джеймсом Максвеллом, был сам Людвиг Больцман. Именно он предложил первое кинетическое уравнение для описания необратимых процессов в газах. Оно описывает, в частности, установление равновесного состояния в газе. При этом Больцман фактически радикально изменил модель макроскопической среды – разреженного газа. Вместо модели частиц газа, движение которых описывается системой обратимых уравнений Гамильтона, он использовал модель сплошной среды в шестимерном фазовом пространстве координат и компонент импульса. Больцман также ввел впервые и статистическое определение одной из основных характеристик термодинамики – энтропии. Он доказал знаменитую
H-теорему Больцмана о возрастании энтропии во внешне замкнутой системе. Переоценить заслуги Больцмана просто невозможно. И все же именно Больцман определил ХIХ век как век Дарвина. Тем самым на первое место он поставил теорию биологической эволюции.
 В чем же дело?
Во времена Больцмана не существовало каких-либо математических моделей биологической эволюции. Больцман, однако, был уверен, что развитая им теория временной эволюции газа будет обобщена и на открытые системы. Теория эволюции Дарвина была первым шагом в теории эволюции открытых систем. Больцман был одним из немногих, кто понял важность этого «первого шага». Это и определило его оценку теории Дарвина как величайшего открытия XIX века. Таким образом, уже на пороге XX столетия стало ясно, что задача развития теории неравновесных процессов в физических и биологических системах является одной из важнейших в естествознании. Оказалось, однако, что от понимания важности проблемы до ее даже далеко неполного решения потребовалось почти целое столетие» [1].

Климонтович Юрий Львович (28 сентября 1924, Москва — 27 ноября 2002, Москва) — советский и российский учёный-физик, специалист в области статистической физики, физики плазмы. Лауреат Государственной премии РФ.
В 1947 году окончил физический факультет МГУ. В 1951 году защитил кандидатскую диссертацию на тему «Некоторые вопросы теории неоднородной неизотермической плазмы», а в 1962 докторскую на тему «Некоторые вопросы статистической теории неравновесных процессов в плазме». C 1964 года и до конца своей жизни работал в МГУ в должности профессора, заведующего лабораторией синергетики.
Автор работ по теории флуктуаций, теории плазмы. Разработал метод вторичного квантования в фазовом пространстве. Автор университетского учебника по статистической физике и монографии по физике открытых систем.

Основной труд Чарльза Дарвина — «Происхождение видов путём естественного отбора, или Выживание наиболее приспособленных в борьбе за существование» (англ. On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life)» вышел в свет 24 ноября 1859 года.
Характерно, что начало генетики, как науки о наследственности (работа «Опыты над растительными гибридами».) опубликовано было Грегором Иоганном Менделем только в 1866году.

Чарльз Роберт Дарвин (12.02.1809 – 19.04.1882) – английский натуралист и путешественник, одним из первых пришедший к выводу и обосновавший идею о том, что все виды живых организмов эволюционируют во времени и происходят от общих предков. В своей теории, развёрнутое изложение которой было опубликовано в 1859 г. в книге «Происхождение видов», основным механизмом эволюции Дарвин назвал естественный отбор. Позднее развивал теорию полового отбора. Ему также принадлежит одно из первых обобщающих исследований о происхождении человека. Генетика, как наука, тогда еще не существовала.

Грегор Иоганн Мендель (20.07.1822 – 06.01.1884) – австрийский биолог и ботаник, монах-августинец, аббат. Основоположник учения о наследственности, позже названного по его имени менделизмом. Открытие им закономерностей наследования моногенных признаков (эти закономерности известны теперь как законы Менделя) стало первым шагом на пути к современной генетике.

Важнейшим аргументом креационистов является утверждение о невозможности самопроизвольного развития сложных структур из простых на основе случайных изменений. Часто при этом приводят второе начало термодинамики, согласно которому невозможен самопроизвольный рост упорядоченности, а сам собой возрастает только хаос. Подобные рассуждения изобилуют логическими ошибками: аналогии не соответствуют объясняемому феномену, а физические законы привлекаются не к месту, то есть делается попытка применить их за пределами установленной для них области применимости. Дело в том, что второе начало термодинамики справедливо только для изолированных систем, которые не получают энергии из внешней среды. Живые организмы, напротив, всегда получают энергию извне и, расходуя часть этой энергии на повышение упорядоченности внутри себя, создают при этом упорядоченный хаос снаружи. Поэтому никакого противоречия между развитием жизни и вторым началом термодинамики просто не существует. О возможности самоорганизации – самопроизвольного рождения порядка из хаоса мы уже говорили в [2] Там же было приведено и теоретическое обоснование самого явления самоорганизации для самых разных типов открытых неравновесных систем.
Кроме того, говоря о «случайности», якобы лежащей в основе предполагаемых механизмов эволюции, креационисты занимаются откровенным передергиванием. Они спекулируют на многозначности и расплывчатости термина «случайность». В действительности эволюция основана не на случайностях, а на вполне строгих закономерностях (о которых мы еще будем говорить). Тем, кто интересуется случайностью и закономерностью, советуем прочитать [3].
Даже мутации, которые до недавнего времени действительно было принято считать случайными, на самом деле далеко не всегда таковы [4], но об этом мы скажем несколько позже.
Дарвиновский механизм естественного отбора сам по себе вполне достаточен для того, чтобы придать эволюционному процессу упорядоченность. Пусть даже первичные изменения (мутации) происходят случайно – благодаря действию отбора запоминание системой произошедших изменений происходит уже не случайно, а строго закономерно. Это избирательное запоминание и производит новую информацию и новую сложность. Математикам и физикам хорошо известна S - теорема Ю.Л. Климонтовича [1], представляющая собой строгое математическое доказательство того, что новая информация (или «отрицательная энтропия», упорядоченность) порождается сочетанием случайного изменения состояния системы с последующим необходимым (избирательным) запоминанием результатов изменения. Эволюционный механизм, предложенный Дарвиным, является совершенно адекватным и достаточным объяснением самопроизвольного усложнения живых систем в ходе эволюции. Это справедливо, как с точки зрения биологии, так и с точки зрения физики и математики. Таким образом, Дарвин и Клаузиус оказались правыми одновременно [5].


Неудивительно, что случай
 имеет над нами такую огромную
 власть; ведь то, что мы живем,
-тоже случайность.
 Сенека. «Письма», 72

Не то, что мните вы, природа:
Не слепок, не бездушный лик…
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык…
Ф.И.Тютчев

Аксиомы биологии и биологические константы
Основная задача биологии состоит в том, чтобы понять все явления живой природы исходя из научных законов, учитывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, его составляющих. Как это ни странно, но мы не можем пока дать строгого определения жизни и не можем сказать, как и когда она возникла. Максимум того, что пока возможно – это перечислить и описать те признаки, которые отличают ее от неживой материи и высказать научные гипотезы о ее происхождении и эволюции. Перечислим некоторые основные признаки живых систем: питание, дыхание, раздражимость, подвижность, выделение, размножение, рост изнутри (кристаллы растут, но с поверхности). Перечисленные признаки – лишь наблюдаемые проявления главных свойств живой материи, то есть ее способность извлекать, превращать и использовать энергию, получаемую извне. Они известны из курса школьной биологии и не нуждаются в комментариях. Кроме них существуют, конечно, и другие, не менее «главные».

Вот как об этом пишет в [4] А.В.Марков.
 «Общепринятого определения жизни не существует (в биологии вообще с определениями трудно – обычно, чем строже определение, тем хуже оно работает). Одни ученые полагают, что жизнь – скорее процесс, чем структура, и определяют ее, например, как «процесс сохранения неравновесного состояния органической системы извлечением энергии из среды». Такому определению могут соответствовать и системы, не имеющие четких пространственных границ, – автокаталитические циклы, «живые растворы». Другие подчеркивают обязательную дискретность живых объектов и считают, что понятие «жизнь» неотделимо от понятия «организм». Третьи подчеркивают информационную природу жизни и определяют ее как способность некого фрагмента информации («репликатора») к самокопированию с использованием ресурсов внешней среды. Под это определение подходят не только биологические вирусы, но и компьютерные и даже распространяющиеся в обществе слухи, верования и т.п. Но это, пожалуй, чересчур широкий взгляд на жизнь».

Нам известна(пока) только одна жизнь – земная, и мы не знаем, какие из ее свойств являются обязательными для любой жизни вообще. Рискнем, однако, несколько таких свойств все-таки назвать. Ниже они будут сформулированы в виде аксиом.
Сформулируем предварительно два основных положения, которые (рискнем опять предположить) являются общими для любого варианта жизни.
 Это, во-первых, наличие наследственной информации. Во-вторых – активное осуществление функций, направленных на самоподдержание и размножение, а также на получение энергии, необходимой для выполнения всей этой работы.
Все живое на Земле справляется с перечисленными задачами при помощи трех классов сложных органических соединений: ДНК, РНК и белков.
 
ДНК взяла на себя первую задачу – хранение наследственной информации. ДНК не совершает активной работы.
Белки отвечают за вторую: они выполняют все виды активных «работ». Белки не хранят наследственную информацию.
Разделение труда у ДНК и Белков очень строгое.
В биологии, в отличие от физики, где почти не бывает правил без исключений, исключения есть, и весьма порой важные.

N.B. Полезно знать, откуда взято употребление фразы «Исключение подтверждает правило». Эту фразу, которая, очевидно, нелогична, применяют совершенно неверно. Выражение это образовалась как парафраз из речи Цицерона в защиту Луция Корнелия Бальба старшего. Обвиняли его в том, будто бы он получил римское гражданство незаконно. Дело слушалось в 56 г. до н.э. Бальб был уроженцем Гадеса (совр. название Кадис), служил под началом Помпея, с которым сошелся и был дружен; Помпей и был спонсором его гражданства. Подоплека обвинения была, как и в большинстве тогдашних громких дел, политической. Хоть сам Бальб был активен политически, но удар, безусловно, направлялся на триумвиров Первого триумвирата (Цезаря, Красса и Помпея).В защиту Бальба выступали не только Цицерон, но и Помпей и Красс. Дело было выиграно. В своей речи Цицерон приводит такой аргумент. В некоторых межгосударственных соглашениях о взаимном признании Рима с соседними странами был пункт, явно исключающий двойное гражданство: жители тех стран не могли стать римскими гражданами, не отказавшись сперва от своего. Гражданство Бальба было двойным; это и была формальная сторона обвинения. Цицерон указал, что, поскольку в некоторых соглашениях такое исключение есть, то те соглашения, в которых его нет, подчиняются противоположному правилу, а именно позволяют двойное гражданство. Иными словами, если существует исключение, то должно быть и правило, из которого это исключение сделано, даже если это правило явно никогда не формулировалось.
«(XIV, 32) Но ведь существуют договоры, такие, как договор с ценоманами, с инсубрами, с гельветами, с япидами и с некоторыми варварами опять-таки из Галлии29; в этих договорах прием лиц из этих народов в число наших граждан исключен. Но если оговорка это запрещает, то в случаях, когда оговорки нет, это безусловно дозволяется. Где же в союзном договоре с гадитанцами говорится, что римский народ не должен даровать права римского гражданства ни одному гадитанцу? Нигде. А если бы это где-нибудь и говорилось, то это было бы отменено Геллиевым и Корнелиевым законом, который с определенностью предоставил Помпею власть даровать права гражданства..»
(XIV, 32)Речи
Речь в защиту Луция Корнелия Бальба.Цицерон М.Т.
Таким образом, существование исключений подтверждает существование правила, из которого эти исключения делаются. Т.е., не исключения подтверждают правило, а существование исключений подтверждает существование правила!

Вернемся к нашим баранам.
РНК - Молекулы третьего класса веществ служат посредниками между ДНК и белками, обеспечивая считывание наследственной информации. При помощи РНК осуществляется синтез белков в соответствии с записанными в молекуле ДНК «инструкциями». Некоторые из функций, выполняемых РНК, очень похожи на функции белков (активная работа по прочтению генетического кода и синтезу белка), другие напоминают функции ДНК (хранение и передача информации). И все это РНК делает не в одиночку, а при активном содействии со стороны белков.
На первый взгляд, РНК кажется «третьей лишней». В принципе нетрудно представить себе организм, в котором РНК вовсе нет, а все ее функции поделили между собой ДНК и белки. Правда, таких организмов в природе не существует.
Тем, кто совсем позабыл школьный курс биологии и напрочь не помнит, что такое транскрипция, трансляция, рибосомы, каково химическое строение белков и к какому классу биополимеров относится словосочетание «двойная спираль», могут посмотреть необходимую информацию, например, вот здесь [4]

Тем, кто интересуется Происхождением человека и Эволюционными теориями советуем посмотреть видео с А. Марковым (https://ya.ru/video/preview/7340799981357699322), или читать его замечательные книги-Эволюция человека. В 2 книгах[6].

Обоснуем теперь фундаментальный постулат, который мы называем „нулевой аксиомой биологии». Нулевой, потому, что в свое время Б.М. Медников предложил биологическую аксиоматику, состоящую из четырех аксиом [7]. Эти аксиомы мы изложим позже «нулевой».
НУЛЕВАЯ АКСИОМА -критерий живых систем. Киральная симметрия основных носителей.
В 1847 г. Луи Пастер сделал фундаментальное открытие, которое долгое время не находило объяснения и по достоинству было оценено фактически в последние годы.

Луи Пастер (27.12.1822 – 28.09.1895) – французский микробиолог и химик, член Французской академии (1881). Пастер, показав микробиологическую сущность брожения и многих болезней человека, стал одним из основоположников микробиологии и иммунологии. Его работы в области строения кристаллов и явления поляризации легли в основу стереохимии. Также Пастер поставил точку в многовековом споре о самозарождении некоторых форм жизни в настоящее время, опытным путём доказав невозможность этого (см. Зарождение жизни на Земле). Его имя широко известно в ненаучных кругах благодаря созданной им и названной позже в его честь технологии пастеризации.

Так вот, Луи Пастер обнаружил, что в живых организмах аминокислоты и сахара являются оптически активными. То есть, они вращают плоскость поляризации (двойку векторов напряженности электрического E и магнитного H полей вокруг вектора скорости v) падающего на них оптического излучения. Удивительным оказался при этом следующий факт. Все природные аминокислоты – левосторонние стереоизомеры, т.е. плоскость EH вращается влево. Все природные сахара – правосторонние стереоизомеры, т.е. плоскость EH вращается вправо. При искусственном синтезе этих биохимических соединений образуются смеси оптически неактивные (в них равное количество лево- и правовращающих молекул), что является, с термодинамической точки зрения, наиболее выгодным состоянием. Поэтому открытие Л. Пастера представляет собой не только один из важных признаков, отличающих живое от неживого, но и требует объяснения указанной асимметрии.
Другими словами, любая научная гипотеза, делающая попытки объяснить происхождение жизни, должна включать в себя объяснение условий, при которых из первоначально симметричной системы возникла киральная система – система с нарушенной симметрией. (Мы употребляем слово «киральность» - от англ. chirality, в отличие от химиков, те используют слово «хиральность» - от др.-греч.  -«рука».)
 Одно из таких первых объяснений (версий) принадлежала Л.Л. Морозову[8] и было сделано в начале 80-х годов XX века. Вкратце выводы Л.Л. Морозова следующие. Он считал, что нет никаких механизмов (вообще-то это не совсем так!), в результате которых кирально чистые системы могли сформироваться эволюционным путем. Тогда, остается еще возможность формирования системы с нарушенной (пониженной) симметрией в результате бифуркации при самоорганизации. Такая вот, хоть и не совсем и не во всем корректная, но первая историческая попытка была сделана. Таким образом, возникновение жизни можно рассматривать как «благоприятную» катастрофу, происшедшую в точке бифуркации. Ясно, что при таком подходе теория объяснения жизни должна перейти в область физики конденсированного состояния и кооперативных явлений. Кроме того, самовоспроизведение на молекулярном уровне кирально чистых систем, являясь проблемой физической теории, становится еще одним признаком живого. Позже появились другие серьезные научные версии [9,10]. Наиболее блестящая принадлежит выдающемуся нашему ученому Д.С.Чернавскому [10]. В настоящее время эволюционные теории происхождения жизни заменяются теориями скачка, основанными на теории бифуркаций и катастроф. Тем самым появляется, в принципе, возможность рассчитать время происхождения жизни. Совокупность указанных представлений сформировала представление о «биологическом взрыве».

Чернавский Дмитрий Сергеевич (24.02.1926 – 19.06.2016) –выдающийся российский биофизик. Главный научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. Действительный член РАЕН (1991 г.). Член Научных советов РАН по биофизике (1980 г.) и влиянию физических полей на человека (1991 г.). Победитель конкурса «На лучшее объяснение ключевых вопросов строения мира» (2004 г.) программы Александра Гордона (с призовым фондом 1 млн евро). Полученную премию поделил поровну между 191 участником программы Гордона. Если интересно. Посмотрите два видео записанные В. Г. Будановым для Фонда «Устная история». https://ru.wikipedia.org/wiki/
Основные направления научных исследований и научные достижения Биофизика. В 1966 г. сформулировал концепцию о функционировании белков-ферментов, известную сейчас под названием белок-машина. В середине 70-х гг. ХХ века разработал теорию туннельного электронного транспорта в биологических системах, получившую в дальнейшем широкое признание. В 1975 г. предложил модель возникновения ценной биологической информации на примере единого биологического кода. Синергетика. Теория информации. Теория развивающихся (физических, биологических, экономических и социальных) систем, клиодинамика. Концептуальные основы квантовой механики, необратимость.

Посмотрите видеоматериал «Добиологическая эволюция» доктора биологических наук, профессора Александра Владимировича Маркова[11]. В нём учёный рассказывает о том, как развивались представления о появлении жизни на Земле, каковы основные этапы абиогенеза, при каких условиях возможен синтез органических соединений и как учёные смогли синтезировать рибонуклеотиды.

Последующее изложение базируется на материалах наших публикаций [1,12,13] с mutatis mutandis, не меняющими смыслового содержания.
Сформулируем теперь нулевую аксиому в следующем виде [14].
НУЛЕВАЯ АКСИОМА. Естественное происхождение жизни связано с появлением киральной асимметрии ее основных носителей, что проявляется в отборе определенных форм киральных носителей.
 В такой формулировке утверждение аксиомы функционально, т.е. не зависит от того, на основе каких носителей устроена жизнь (это может быть и не наша земная жизнь). Важно следующее. Если жизнь возникла в процессе самоорганизации, то с необходимостью возникает отбор определенных форм (левых или правых) киральных носителей. При искусственном возникновении этого могло и не быть, если, конечно, не предположить, что те, кто создавал нашу с вами жизнь, специально нарушил соотношение между правыми и левыми киральными формами, дабы мы, созрев до нынешнего понимания самоорганизации, так и не могли бы решить вопрос о том, как и кем все-таки она создана.
Перейдем теперь к формулировке остальных аксиом биологии, впервые сформулированных нашим выдающимся ученым Борисом Михайловичем  Медниковым [7].

Медников Борис Михайлович (1932–2001) – советский, российский биолог, доктор биологических наук, популяризатор науки. Профессор биологического факультета МГУ. Один из основателей нового направления в систематике – геносистематики, активно занимался проблемами создания теоретической биологии и теорией эволюции, создал впервые систему аксиом биологии, много внимания уделил закону гомологических рядов, исследовал проблемы эволюции генома, микроэволюции и видообразования на молекулярном уровне. Самым известным трудом ученого являются сформулированные им аксиомы биологии, озвученные в одноимённой книге [7],которые впервые были представлены широкому кругу читателей на страницах журнала «Наука и жизнь»в1980г. 

ПЕРВАЯ АКСИОМА - единство генотипа и фенотипа. Дж. фон Нейман, опираясь на результаты работ Н. Винера по кибернетике и К. Шенона по теории информации, поставил в свое время следующую задачу. Возможно ли построить такую машину, которая, следуя заложенной в ней инструкции, сама создала бы точную копию самой себя? Иными словами, возможно ли построить саморазмножающийся автомат? Задача была решена, и при этом выяснилось следующее. Во-первых, создать такую машину можно, но существует определенный порог сложности, ниже которого она не может воспроизвести себе подобную. Предельная сложность, кстати, оказалась не столь уж и большой, порядка миллиона бит, т.е. машина должна состоять не меньше чем из 10000 элементов. Сразу же возникают и другие вопросы. Что это за элементы, как их скомпоновать и т.д. Но важнее, как мы увидим, иное обстоятельство. Казалось, все просто на пути «биологического» размножения аппаратов. Но оказалось, что не все так просто на пути «биологического» размножения аппаратов. Из решения задачи, получалось, что «дочерняя» машина будет бесплодной, ибо в ней нет уже программы для воспроизводства следующего поколения. Поэтому, для появления третьего поколения, в «материнской» машине надо предусмотреть копирующее устройство, передающее по наследству еще и копию программы. Таким образом, согласно Дж. фон Нейману, для воспроизводства последующих поколений по наследству должна передаваться не только структура, но описание структуры и инструкция по ее изготовлению. В итоге, весь процесс размножения состоит из двух различных операций: копирования программы, называемой генотипом, и конструирования собственно организма – фенотипа. В итоге первую аксиому можно сформулировать в следующем виде.

ПЕРВАЯ АКСИОМА. Все живые организмы должны быть единством фенотипа и генотипа (программы для построения фенотипа), передающегося по наследству от поколения к поколению.

В такой формулировке эта аксиома также функциональна. Она не связана с какими-либо конкретными химическими веществами, обусловливающими жизнь. В земных условиях основа фенотипа – белки, основа генотипа – нуклеиновые кислоты. Здесь мы не останавливаемся на открытой недавно особой форме наследственности. Так называемые прионные белки способны передавать информацию о своей пространственной форме от одного белка к другому без участия ДНК. В другой галактике или планетной системе жизнь может быть построена на другой структурной основе, но по единому для всей Вселенной принципу аксиомы 1. То есть принцип раздельного копирования фенотипа и генотипа остается незыблемым. Жизнь же на основе только одного фенотипа или одного генотипа невозможна, так при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения самой структуры, ни ее самоподдержания.

Джон фон Нейман (28.12.1903 – 8.02.1957) – венгеро-американский математик еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки. Наиболее известен как человек, с именем которого связывают архитектуру большинства современных компьютеров (так называемая архитектура фон Неймана), применение теории операторов к квантовой механике (алгебра фон Неймана), а также как участник Манхэттенского проекта и как создатель теории игр и концепции клеточных автоматов. Посмотрите краткий фильм. Гениальный Джон фон Нейман этого стоит. https://www.youtube.com/watch?v=El21GUAUgrQ

Норберт Винер (26.11.1894 – 18.03.1964) – американский учёный, выдающийся математик и философ, основоположник кибернетики и теории искусственного интеллекта.

Клод Элвуд Шеннон (30.04.1916 – 24.02.2001) – американский инженер, криптоаналитик и математик. Считается «отцом информационного века». Является основателем теории информации, нашедшей применение в современных высокотехнологических системах связи. Предоставил фундаментальные понятия, идеи и их математические формулировки, которые в настоящее время формируют основу для современных коммуникационных технологий. В 1948 г. предложил использовать слово «бит» для обозначения наименьшей единицы информации (в статье «Математическая теория связи»). Кроме того, понятие энтропии было важной особенностью теории Шеннона. Он продемонстрировал, что введённая им энтропия эквивалентна мере неопределённости информации в передаваемом сообщении. Статьи Шеннона «Математическая теория связи» и «Теория связи в секретных системах» считаются основополагающими для теории информации и криптографии. Клод Шеннон был одним из первых, кто подошёл к криптографии с научной точки зрения, он первым сформулировал её теоретические основы и ввёл в рассмотрение многие основные понятия. Шеннон внёс ключевой вклад в теорию вероятностных схем, теорию игр, теорию автоматов и теорию систем управления – области наук, и входящие в понятие «кибернетика». Фильм. https://okko.tv/movie/the-bit-player?ysclid=loitd9gb8u430094819

ВТОРАЯ АКСИОМА – принцип матричного копирования Н.К.Кольцова В 1927 г. на
III Всесоюзном съезде зоологов, анатомов и гистологов в Ленинграде выдающимся биологом Н.К. Кольцовым фактически была четко сформулирована вторая аксиома биологии. Этот принцип остается до сих пор незыблемым, хотя с тех пор представления о природе наследственных молекул кардинально изменились. Сформулируем ее также в функциональном виде.

ВТОРАЯ АКСИОМА. «Наследственные молекулы» синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения.

В 50-х годах XX века структура «наследственной молекулы» была расшифрована будущими Нобелевскими лауреатами Ф. Криком и Дж. Уотсоном, которые также показали, что в ней самой заложена способность к матричному копированию. Веществом наследственности для нашей жизни оказались дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), а для некоторых вирусов – рибонуклеиновая кислота (РНК). Таким образом, вторая аксиома постулирует, что жизнь (в своей статике) – это матричное копирование с последующей самосборкой копий. Сам принцип матричного копирования основан на свойстве комплементарности нуклеотидных остатков. Комплементарность же обусловлена определенным видом химической связи, так называемой водородной связи. РНК – полимер, состоящий из множества похожих «кирпичиков» – рибонуклеотидов, каждый из которых, в свою очередь, собран из трех частей. Первая из них – фосфорная кислота (фосфат), неорганическое вещество, которого довольно много в земной коре и океанах. Вторая – азотистое основание. В состав РНК входят четыре азотистых основания: А (аденин), У (урацил), Г (гуанин) и Ц (цитозин); соответственно, существует четыре вида рибонуклеотидов. Четыре составных блока молекулы РНК – нуклеотиды аденозин (аденин + рибоза), гуанозин (гуанин + рибоза), уридин (урацил + рибоза) и цитидин (цитозин + рибоза), к каждому из которых присоединено по одному остатку фосфорной кислоты. АТФ (главная энергетическая молекула живой клетки) представляет собой аденозин с тремя фосфатами. В молекуле ДНК урацила нет, вместо него там Т (тимин) причем, взаимно комплементарны А–Т и Г–Ц. Таким образом, молекулы ДНК (как и РНК) способны к самокопированию, правда, для этого нужны катализаторы – белки или рибозимы. Наследственная информация, хранящаяся в ДНК в виде последовательности нуклеотидов, может «переписываться» на РНК (так создаются матричные РНК, мРНК) и обратно. Точность копирования обеспечивается в значительной мере автоматически – благодаря особому свойству нуклеотидов, которое называют свойством комплементарности: против каждого нуклеотида исходной молекулы (матрицы) в синтезируемой копии (реплике) может встать только один, строго определенный нуклеотид из четырех возможных. Напротив гуанина (Г всегда становится цитозин (Ц), напротив урацила (У) или замещающего его в молекуле ДНК тимина (Т) – только аденин (А). Когда на этой реплике синтезируется новая реплика, она окажется точной копией исходной молекулы. Пары Г–Ц более прочные, они удерживаются вместе тремя водородными связями, а пары А–Т – только двумя. Генетический код – это универсальный для всех живых существ способ, посредством которого первичная структура белковой молекулы (последовательность аминокислот) «кодируется» в молекуле ДНК (или РНК). Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (кодоном, или триплетом).
Нуклеотидов в ДНК всего 4, поэтому они могут образовывать 4^3 = 64 разных триплета. Аминокислот в белках всего 20, поэтому генетический код «избыточен»: многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими взаимозаменяемыми кодонами. Считывание генетической информации происходит в два этапа. Сначала информация «переписывается» с ДНК на РНК  (транскрипция). Эту операцию осуществляет специальный фермент – ДНК-зависимая РНКполимераза. Полученная в результате транскрипции молекула РНК, содержащая «инструкцию» по синтезу белка, называется матричной РНК (мРНК). Выполнение этой «инструкции», то есть синтез белка (трансляция), осуществляется рибосомами. Подробнее это можно прочитать в книге Маркова А.В. [4].

Николай Константинович Кольцов (3(15).07.1872 – 02.12.1940) основатель русской советской школы экспериментальной биологии, автор основополагающей идеи матричного синтеза хромосом. Член-корреспондент Петербургской академии наук с 1916 г. (Академии наук СССР – с 1925 г.), академик ВАСХНИЛ (1935 г.). Заслуженный деятель науки РСФСР. Известные ученики: И.А. Рапопорт, Н.В. Тимофеев-Ресовский, В.П. Эфроимсон, Н.П. Дубинин.
 
Джеймс Дьюи Уотсон (род. 6.04.1928) – американский биолог. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 г. – совместно с Фрэнсисом Криком и Морисом Х.Ф. Уилкинсом за открытие структуры молекулы ДНК.В 1952 г. Уотсон и Крик стали работать над моделированием структуры ДНК. Используя правила Чаргаффа и рентгенограммы Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса – они построили двухспиральную модель. Результаты работы опубликовали 30 мая 1953 года в журнале Nature.
 
Фрэнсис Крик (08.06.1916 – 28.07.2004) – британский молекулярный биолог, биофизик и нейробиолог. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 г. – совместно с Джеймсом Д. Уотсоном и Морисом Х.Ф. Уилкинсом с формулировкой «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах» Фильм.Ф.Крик.Двойная спираль. https://www.youtube.com/watch?v=ery0VnX8x Lk или https://youtu.be/ery0VnX8xLk
Мо;рис Хью Фре;дерик У;илкинс (15.12.1916 – 05.10.2004) – английский физик и молекулярный биолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 г. (совместно с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком) «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живой материи». Внёс вклад в такие области научного знания, как фосфоресценция, разделение изотопов, оптическая микроскопия и рентгеновская дифракция, а также усовершенствовал радар. Морис Уилкинс широко известен благодаря работе по определению структуры ДНК в Королевском колледже Лондонского университета (King's College London).

Розалинд Франклин (25.07.1920 – 16.04.1958) –английский биофизик и учёный-рентгенограф. Она известна в большей степени своей работой над получением рентгенограмм структуры ДНК. Сделанные ею снимки отличались особой чёткостью и послужили основанием для выводов о структуре ДНК, сделанных и опубликованных впоследствии в журнале «Nature» сотрудниками Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Д.Уотсоном и Ф. Криком. После завершения работы над своей частью исследования ДНК Франклин начала первую в своём роде работу по исследованию вирусов табачной мозаики и полиомиелита.Скончалась от рака в 1958 г., за четыре года до вручения Нобелевской премии за исследование нуклеиновых кислот.

N.B. Георгий Антонович Гамов (англ. George Gamow; 20 февраля (4 марта) 1904, Одесса – 19 августа 1968, Боулдер) – советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 г покинул СССР, став «невозвращенцем». В 1940 г. получил гражданство США. Член-корреспондент АН СССР (с 1932 по 1938 гг., восстановлен посмертно в 1990 г.). Член Национальной академии наук США (1953 г.). Гамов известен своими работами по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии. Он является автором первой количественной теории альфараспада, одним из основоположников теории «горячей Вселенной» и одним из пионеров применения ядерной физики к вопросам эволюции звёзд. Широкую известность Гамову принесли его научно-популярные произведения, в которых живым и доступным языком рассказывается о современных научных представлениях.
Но в данном случае нас интересует следующее. Он впервые чётко сформулировал проблему генетического кода!
В 1954 году, через год после открытия двуспиральной структуры молекул ДНК, Гамов оказался первым, кто предположил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов. Он впервые поставил проблему генетического кода и его расшифровки: «При сочетании четырёх нуклеотидов тройками получаются 64 различных комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации».
 
ТРЕТЬЯ АКСИОМА – случайные и не случайные мутации. Биологические константы.
Установлено, чтобы вызвать единичную мутацию – наследственное изменение nгенетической программы – требуется подвести к ДНК минимальную энергию Emin ~ 2,5 ; 3 эВ. Средняя же энергия теплового движения молекул, окружающих ДНК при обычных для живого организма температурах, составляет примерно Еср =0,025 эВ. То есть, при физиологических температурах ДНК оказывается достаточно стабильной. Но проблема не так проста, как кажется на первый взгляд. Как вы уже знаете, скорости молекул при хаотическом движении неодинаковы даже в состоянии термодинамического равновесия. Они подчиняются распределению Максвелла.
Функция распределения Максвелла для частиц, движущихся только в одном направлении, представляет собой нормальное распределение –распределение Гаусса f(v)dv=[(m/2(pi)kT)^3/2] exp{-(mv^2)/2kT}dv,
где m-масса частицы, k- постоянная Больцмана, T- температура,  (pi)- число Пи (;) — математическая постоянная, которая обозначает отношение длины окружности к её диаметру.
Распределение Максвелла показывает,что всегда существуют молекулы с такими скоростями, энергия которых достаточна для того, чтобы нарушить структуру гена и вызвать мутацию (важно, что это результат того, что Еср > Emin). Такие изменения генетических программ (и это фактически следствие распределения Максвелла) обладают следующими свойствами. Они случайны, непредсказуемы и не направлены. Поэтому эти мутации только случайно могут оказаться адаптированными, приспособительными. Но не температура играет доминирующую роль в процессе мутагенеза. Гораздо большее значение имеют кванты жесткого излучения (ультрафиолет, рентгеновские лучи, гамма-кванты), быстрые элементарные частицы и молекулы веществ, способные реагировать с ДНК (химические мутагены).  В том случае, когда мутацию вызывает квант или частица, начинает проявлять себя принцип неопределенности Гейзенберга. Дело здесь в том, что так называемый радиус эффективного обмена (размер области, до которой необходимо довести энергию для мутации гена), впервые измеренный Н.В. Тимофеевым–Ресовским и К. Циммерманом, составляет Reff = 10^-7 см. Поскольку размеры области известны (это микромир), то импульс известен лишь с неопределенностью порядка константы ;, следовательно, процесс мутагенеза и в этом случае также вероятностен. Аналогичная вероятностная картина возникает и при рассмотрении других мутагенов. Подводя итог, можем сформулировать следующий принцип.

ТРЕТЬЯ АКСИОМА. В процессе передачи от поколения к поколению генетические программы, в результате многих причин, изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными.

Как вы видели, эта аксиома основана на важнейших принципах статистической физики и принципе неопределенности В. Гейзенберга. Получается, что третья аксиома напрямую зависит от физических принципов, и ее существование обусловлено наличием двух характерных параметров Emin и Reff, которые являются своеобразными фундаментальными БИОЛОГИЧЕСКИМИ КОНСТАНТАМИ  [14]. Здесь важно понять, что эти параметры являются фундаментальными константами, и притом не численными, а смысловыми. То есть, для осуществления случайного и ненаправленного изменения генетических программ важно не их численное значение (для жизни не на основе ДНК, а на какой-либо другой основе численные значения этих констант наверняка другие), а смысловое: «минимальная энергия для осуществления мутации» и «эффективное расстояние для осуществления мутации». Представим себе, что Emin = 0. Тогда мутации происходят от любой частицы со сколь угодно малой энергией, т.е. идут слишком быстро, и данный организм не способен размножаться. Аналогичный вывод получим, если
Reff= 0. Если же Emin =  бесконечности(что аналогично если Reff = бесконечности), то мутации вообще невозможны, а значит, вид не сможет измениться и приспособится к возможным изменениям среды. В обоих случаях жизнь не сможет существовать.
Мы уже говорили, что в биологии весьма часто бывают исключения из правила. Сформулированная выше третья аксиома справедлива в первом приближении. Остановимся на некотором исключении из этого правила. Пожалуй, лучше всего привести блистательный текст А.В. Маркова из его книги «Рождение сложности» (см. главу «Управляемые мутации») [4].

«Произошло это лишь в последние 10–20 лет, и многие биологи даже не успели еще вполне осознать этот факт. До сих пор и в популярных текстах, и даже в учебниках, и научных статьях продолжают встречаться ссылки на «случайность всех мутаций» как на что-то общеизвестное и не подлежащее сомнению. Однако на сегодняшний день твердо установлено, что живая клетка располагает большим арсеналом средств, позволяющих ей контролировать изменения своего генома. Вообще-то этого следовало ожидать. Ведь мутации – изменения нуклеотидной последовательности ДНК – являются важным фактором, влияющим на жизнеспособность организмов. И это влияние проявляется не когда-то в отдаленном будущем, а здесь и сейчас – у самого организма или его непосредственных потомков. Если организмы в ходе эволюции могут выработать приспособления, например, для защиты от хищников или болезнетворных микробов или для контроля температуры тела, то почему они не имеют права выработать также и приспособления, позволяющие им контролировать мутации? Никакого теоретического запрета на такие приспособления вроде бы нет, однако биологи-теоретики почему-то довольно долго считали их запрещенными. Наверное, дело тут в том, что в большинстве ситуаций единственное, чего хочет добиться организм от мутационного процесса, – это чтобы он шел как можно медленнее или не шел вовсе. В стабильных благоприятных условиях это вполне разумно. Зачем менять свою наследственность, если все и так хорошо? Однако сама жизнь не позволяет долго существовать, совершенно не меняясь. Не идти вперед – значит идти назад. Если мы всерьез задумаемся над этими вопросами, то поймем, что было бы крайне удивительно, если бы живая клетка за 4 миллиарда лет эволюции так и не выработала никаких механизмов управления мутационным процессом. Ведь такие механизмы, во-первых, вполне возможны, во-вторых, могли бы оказаться очень полезными. Впрочем, нет повода сомневаться в том, что значительная часть мутаций действительно возникает случайно – просто потому, что никакое копировальное устройство не может работать с абсолютной точностью. Кроме того, мутации могут происходить и без репликации, пока ДНК находится в двухцепочечном состоянии, – например, нуклеотиды могут претерпевать химические изменения под воздействием радиации, ультрафиолета или свободных радикалов, возникающих в ходе клеточного дыхания. Большинство ошибок в цепях ДНК будет замечено и исправлено, но какую-то небольшую их часть пропустит, не заметит даже самый строгий молекулярный «корректор». Но мутации возникают не только потому, что невозможно копировать ДНК с абсолютной точностью. Мы привыкли думать, что мутации – это всегда некое нарушение, неправильность, ошибка, то есть что-то нежелательное, «мешающее нормально жить». В действительности это не всегда так. Изменение наследственной информации – неотъемлемая и необходимая часть жизни. Если бы геномы не менялись, на нашей планете, возможно, до сих пор жил бы только один вид очень примитивных микробов, хотя если бы молекулы РНК копировались с абсолютной точностью на этапе «преджизни», то и он бы никогда не появился. Об этом, между прочим, свидетельствуют результаты экспериментов, проводимых исследователями РНК-мира. Для того чтобы в сообществе размножающихся молекул РНК зародилось что-то новое и полезное, совершенно необходимо, чтобы отдельные короткие молекулы, соединяясь в более длинные, могли обмениваться друг с другом своими участками (обмен участками между разными молекулами ДНК или РНК называется рекомбинацией). Рекомбинация – важнейший источник наследственной изменчивости наряду с «обычными» мутациями. В опытах с колониями РНК рекомбинация происходит сама собой, бесконтрольно, но в живой клетке она находится под контролем разнообразных и сложных регуляторных систем. Очень важно понять, что изменения наследственной информации нужны всему живому не только в геологическом масштабе времени, чтобы постепенно совершенствоваться в течение миллионов лет. Естественный отбор не может «заглянуть» так далеко, поэтому и специальные механизмы для достижения столь отдаленных целей не могут развиться.»

ЧЕТВЁРТАЯ АКСИОМА -принцип усиления Н.Тимофеева-Ресовского

Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (07(20).09.1900 – 28.03.1981) – русский советский биолог, генетик. Основные направления исследований: радиационная генетика, популяционная генетика, проблемы микроэволюции. Действительный член (академик) Германской академии естествоиспытателей в Галле (ГДР) – Леопольдина. Почётный член Американской академии искусств и наук в Бостоне (США). Почётный член Итальянского общества экспериментальной биологии (Италия).Почётный член Менделевского общества в Лунде (Швеция).Почётный член Британского генетического общества в Лидсе (Великобритания). Почётный член и член-учредитель Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (СССР). Научный член Общества Макса Планка (ФРГ). Действительный член Московского общества испытателей природы, Всесоюзного географического общества, Всесоюзного ботанического общества. Лауреат медалей и премий Ладзаро Спалланцани (Италия), Дарвиновской (ГДР), Менделевской (ЧССР и ГДР), Кимберовской (США). Действительный член Лондонского Линнеевского общества (избрание произошло 28 мая 1981 г., то есть через 2 месяца после смерти Н.В. Тимофеева-Ресовского). Николай Тимофеев-Ресовский и Леля Фидлер. Больше, чем любовь https://www.youtube.com/watch?v=K_QASWz5nl0 "Я ПРОЖИЛ СЧАСТЛИВУЮ ЖИЗНЬ" К 90-летию со дня рождения Н. В. Тимофеева-Ресовского

Эта аксиома обязана своим происхождением выдающемуся генетику Н.В. Тимофееву-Ресовскому и носит название принципа усиления. Понять этот принцип легче всего из примера, приведенного в свое время В.А. Ратнером. Пусть существует оплодотворенная яйцеклетка – носительница мутации гена, кодирующего важный для жизни функциональный носитель – фермент, без которого живой  организм не может выжить. В процессе роста и развития организма яйцеклетка превратилась в 10^15 клеток, соответственно, умножились и гены. Каждый ген продуцирует 100 молекул m-РНК, на каждой из которых синтезируется 100 молекул фермента. Каждая молекула фермента осуществляет 10^4 актов своей (важной для жизни организма) реакции. В итоге имеем 10^15·10^2·10^2·10^4 = 10^23, т.е. число, сопоставимое с числом Авогадро, а значит, это уже макроуровень. Вот на какую величину усилились результаты одного квантового скачка, одной мутации, существующей на микроуровне. С макроуровнем уже может работать естественный отбор. Важно именно то, что он действует не прямо на генетические программы, а на фенотип, в котором каждое изменение усилено в 10^23 раз. Таким образом, можно сформулировать принцип усиления следующим образом.

ЧЕТВЁРТАЯ АКСИОМА. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды.

Следует заметить, что из-за усиления в фенотипах именно случайных изменений, эволюция живой природы принципиально непредсказуема. Единственно, что можно сказать, – отбор размножит потомков тех особей, которые наилучшим образом будут адаптированы к окружающим условиям. Но вот как они будут приспособлены, об этом можно только гадать.
В связи с форматом публикации в тексте отсутствуют портреты учёных, краткие биографии которых мы представили. Все фотографии представлены в нашей книге [13].

Литература
1.Климонтович Ю.Л. Введение в физику открытых систем. – М.: Янус-К, 2002.– 284 с.
2.Хапачев.Ю.П.Эволюция открытых неравновесных систем– Проза.ру.© Copyright:
Юрий Хапачев, 2025.Свидетельство о публикации №225101300561
3.Хапачев.Ю.П. Случайность - закономерность– Проза.ру.© Copyright: Юрий Хапачев, 2025.Свидетельство о публикации №225083100472.
4.Марков А.В. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня. Неожиданные открытия и новые вопросы. – М.: Астрель, Corpus, 2015.
5.Борисов Н.М. Эволюция, случайность, энтропия. http://evolbiol.ru/evidence10.htm#borisov1
6.Марков А Эволюция человека. В 2 книгах. Издатель.АСТ, Corpus .Книга 1. Обезьяны, кости и гены. 2014. 464с. (I том), Книга 2. Обезьяны нейроны и душа. 2018. 512 (II том). Происхождение человека и Эволюционные теории https://ya.ru/video/preview/7340799981357699322
7.Медников Б.М. Аксиомы биологии. – М.: Знание, 1982. – 136 с.
8.Морозов Л.Л. Поможет ли физика понять,как возникла жизнь?// Природа,1984.№12.
9.Аветисов В.А., Гольданский В.И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира // УФН. – 1996. – Т. 166, № 8. С. 873–891.
10.Чернавский Д.С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики. Успехи физических наук, 2000, том 170, № 2, С.157–183.
11.Марков А.В. «Добиологическая эволюция».
12.Yurii Khapachev, Arthur Dyshekov, Tatyana Oranova and Tatyana Shustova. The Modern Natural Science Picture of the World.2020.P.113-115. Cambridge Scholars Publishing.
13.Хапачев Ю.П., Дышеков А.А., ОрановаТ.И., ШустоваТ.И. Панорама современного естествознания. https://www.khapachev.com/. © Copyright: Юрий Хапачев, 2024
Свидетельство о публикации №224041801307
14.Хапачев Ю.П. Фундаментальные константы химии и биологии // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). – 2000. – Т. 44. – Вып. 3. – С. 3–6.