ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Игровые модели и информационные аспекты самоорганизации из "Биофизика" Самоорганизация п селекция возможны, еслп абиогенная молекулярная система характеризуется метаболизмом, самовоспроизведением и мутабильностью. Это три необходимых условия. Метаболизм означает, что систедМа является открытой, в ней происходит полимеризация и распад полимеров. Так как система далека от равновесия, эти два процесса не связаны условием микроскопической обратимости. Для поддержания метаболизма необходим приток вещества, обладающего избытком свободной энергии — в случае нуклеиновых кислот это нуклеозидтрифосфаты. Самовоспроизведение — матричное копирование полимера — означает автокаталитический процесс. Как было показано в главах 15 и 16, автокатализ может обеспечить самоорганизацию. Наконец, мутагенез необходим для создания повой информации. [c.538] Такая система может быть названа дарвиновской, если на нее наложены определенные ограничивающие условия, скажем, условие постоянной организации, т. е. постоянной суммарной концентрации энергизованных мономеров и суммарной концентрации полимеров всех сортов. Для такого постоянства должны быть подобраны надлежащие потоки мономеров и полимеров. [c.538] Против теории эволюции Дарвина выдвигалось возражение, казавшееся веским естественный отбор означает выживание цаиболее приспособленных. Но критерием приспособленности, адаптации, является выживание. Следовательно, теория Дарвина — порочный круг, тавтология — она говорит якобы о выживании выживающих. [c.538] В действительности критерии адаптации, которым отвечает наибольшее выживание потомства, вполне объективны, они определяются условиями среды. Так, например, обтекаемая форма тела акулы, дельфина или тюленя определяется адаптацией к водной среде. Этим, в свою очередь, создаются условия, обеспечивающие выживание и размножение. Роль внешних условий играют ограничения в модели Эйгена — условие постоянной организации илп, в другом варианте, условие постоянных потоков. [c.538] Очевидно, что каждая мутация, ведущая к росту селективной ценности, отвечает отрицательной флуктуации производства энтропии — возрастанию упорядоченности, возрастанию информации. Это указывает па неустойчивость существующего стационарного состояния. [c.540] кинетические уравнения написаны, (17.5), надо пх решить. Постараемся прежде всего понять качественно смысл модели Эпгеиа. [c.540] Основная проблема, решаемая модельной теорией Эйгена,— это проблема возникновения упорядоченной структуры из исходного хаоса, проблема возникновения информации. Как мы видели, появление упорядоченности и ее отбор и поддержание возможны в открытой автокаталитической (матричной) системе, находящейся вдали от равновесия. [c.541] Случайную самоорганизацию хаоса и возникновение необратимой эволюции трудно себе представить. В самом деле, число различных полинуклеотидных цепей длиною в V = 100 звеньев, построенных из четырех нуклеотидов, равно 4 и 10 . Случайный выбор цепи с определенной первичной структурой имеет ничтожную вероятность и, следовательно, не реализуем. [c.541] Не учитывая матричного автокопирования, даже очень крупные физики (Вигнер) приходили к выводу о невозможности добиологической самоорганизации, о ее противоречии основным положениям физики. Мы видим, что противоречие это кажущееся. В модельной системе Эйгена самоорганизация возможна. Поясним возникновение порядка из беспорядка с помощью игровых моделей. [c.542] Рассмотрим модель Эрепфестов (1907). Имеется шахматная доска, на которой произвольным образом расположены черные ге белые шашки, заполняющие все клетки. Имеем две октаэдрические кости, на одной из них указаны номера горизонтальных рядов 1. 8, на другой — буквы, указывающие вертикали, а. к. Правило игры состоит в том, что, бросив обе кости,, мы заменяем шашку, координаты которой получены при бросании, шашкой другого цвета. Результат игры не зависнт от начального распределения на доске через достаточное число бросаний будет примерно поровну черных и белых шашек. Число это, соответствующее одному поколению, равно 64. Игра Эренфестов моделирует установление равновесия. Распределение вероятностей оказывается гауссовым, с максимумом при N/2 = 64/2. В этой пгре ярк проявляется ограничение флуктуаций. Еслп возникает отклонение от равновесного распределения, вероятность уменьшения этого отклонения возрастает пропорционально отклонению. Система является саморегулируемой в смысле возвращения к угло -чивому равновесию. Это — общий закон поведения системы вблизи равновесия. [c.542] Изменим теперь правила игры шашка, определяемая бросанием костей, не заменяется на шашку другого цвета, но удваивается за счет любой шашки другого цвета. В этом случае равномерное распределение неустойчиво — еслп начальному состоянию отвечали 32 белых и 32 черных шатки, то после примерно 64 бросаний на доске останутся шашки одного цвета. Случайной отклонение от равномерного распределения усиливается и определяет судьбу, системы. В этой игре упорядоченность возникает из неупорядоченности, но не вследствие селекционного преимущества для одного из двух цветов, а вследствие случайного избытка популяции. Игра моделирует выживание выживающих , но не дарвиновскую эволюцию (см. с. 538). [c.542] Третья игра моделирует поведение, промежуточное между устойчивым и неустойчивым. Это игра в беспорядочное блуждание . На этот раз бросаем не кости, а монету. Если выходит герб — заменяем произвольную черную шашку на белую, если решка — наоборот. Неопределенность эле.ментарного события может прямо повлиять на макроскопическое распределение. Система будет беспорядочно колебаться между крайними случаями (все шашки черные или все шашки белые). [c.542] В этих играх нет условий для отбора метаболизма, самовоспроизведения (автокатализа) и мутаций. Эйген предлагает модельную игру в бисерь для пояснения предложенной им теории. [c.543] Выявленная и созданная информация остается в системе — система эту информацию запоминает)), Запомицапие информации есть процесс неравновесный и необратимый. Мы видим, что развивающаяся система является и создателем, и рецептором информации — запоминание производится рецептором (см. 17.9). Запоминавие есть свойство диссипативной системы. Система, близкая к равновесию, не помнит случайные от пего отклонения, флуктуации. Напротив, диссипативная система может обладать памятью именно в том смысле, что опа способна запоминать случайный выбор — создавать и воспринимать информацию. [c.544] Теория при этом не изменяется. [c.544] Двойная мутация, конечно, маловероятна. Единичная замена звена меняет но при большом числе звеньев V это изменение очень мало. Относительное изменение скорости матричного синтеза при замене одного звена имеет порядок величины V . Допустим, что в результате замены селективная ценность увеличилась на соответствующую малую величину. Отбор требует времени. Если за время преимущественного выживания главных копий появится вторая мутация, возвращающая к прежнему значению, то новая главная копия не возникнет. Следовательно, величина Ж,- ве выражает истинную ценность информации в случае простой или комплементарной репродукции. [c.545] Для эволюции макромолекул необходима автокаталитическая система, использующая информацию цепи, т. е. репродуцируемая путем узпавания не отдельных единиц, но первичной структуры цепи в целом или значительной ее части. [c.545] Вернуться к основной статье