ИНТЕГРАТИЗМ - ПУТЬ ОТ ПРОСТОГО К СЛОЖНОМУ
В. ЭНГЕЛЬГАРДТ, АКАД.
В науках о природе часто возникают острейшие «проблемные ситуации», вызванные открытием неожиданных явлений, истолкование которых требует выхода за рамки существующей системы знания. Разрешение таких проблемных ситуаций на основе шаблонного применения уже известных принципов, и методов в большинстве случаев оказывается невозможным. А перестройка системы естественнонаучного знания с целью включения в нее принципиально новых понятий и теорий, создания естественнонаучной картины мира, основанной на современных достижениях наук о природе, в свою очередь, ставит большое число теоретико-познавательных, методологических, и мировоззренческих проблем.
Если в исследованиях еще сравнительно недавнего прошлого основное внимание уделялось философскому анализу уже созданных теорий (квантовой механики, теории относительности и др.), то сейчас на первый план выступают проблемы научного поиска, и методологического анализа новых, только возникающих разделов естествознания. Вехой, ознаменовавшей поворот к этим проблемам, явилось Второе Всесоюзное совещание по философским вопросам современного естествознания, посвященное 100-летию со дня рождения В. И. Ленина. В основу статьи академика В. А. Энгельгардта положен его доклад, произнесенный на этом совещании.
Задачу данной статьи я вижу в том, чтобы попытаться обрисовать некоторые гносеологические тенденции современного подхода к изучению объектов живого мира. К этой попытке побуждает все современное развитие биологического исследования, та ситуация революционизирующих сдвигов, под знаком которой стремительно развивается новая линия современного естествознания. Это та линия, которая привела к возникновению на наших глазах, на протяжении одного-двух десятилетий, целой новой дисциплины - молекулярной биологии.
Нет никакой надобности аргументировать здесь утверждение о том, что молекулярная биология стала одной из ведущих областей современного естествознания, что она вывела науку о живом мире в один ряд с важнейшими разделами точных наук - физики, химии, космологии. Об этом достаточно часто и много говорилось. Есть даже угроза, что это утверждение, еще на наших глазах воспринимавшееся с недоверием, возражением, отрицанием, становится общим местом, трюизмом, истиной, которая уже навязла в зубах.
Я не стану поэтому перечислять многообразие достигнутых успехов. Вместо этого приведу лишь слова одного из наиболее выдающихся научных авторитетов нашего времени, президента Английского королевского общества, крупнейшего физика, Блэккетта. Он сказал, что «молекулярная биология в такой же мере революционизировала науку о живом мире, как квантовая теория революционизировала ядерную физику сорок лет тому назад»
Мы стоим перед лицом огромного расширения фактических сведений, затрагивающих важнейшие стороны существования живого мира. Естественным следствием этого является в наши дни заметно усиливающееся стремление к более широкому обобщению фундаментальных концепций. Число биологических проблем, ждущих своего теоретического осмысливания, и философского освещения, весьма значительно. Их удельный вес, их познавательная ценность будут от случая к случаю весьма различны. Но едва ли можно сомневаться в том, что к числу самых коренных вопросов этого рода принадлежит вопрос о том, в, какой мере правомочным является тот ведущий принцип исследования, на котором основывается вся современная молекулярная биология. Я уже не раз подчеркивал эту ситуацию и позволю себе снова повторить свою формулировку, которая гласит «Молекулярная биология ставит своей задачей изучение явлений жизни, оперируя объектами неживыми, 1 лишенными жизни»
Такая формулировка, если ее принять, сразу ставит нас лицом к лицу с необходимостью дать ответ на вопрос первостепенной принципиальной важности в, какой мере правомочны, и обоснованы попытки сводить явления жизни к явлениям, протекающим и наблюдаемым на уровне молекул? Другими словами, можно ли ожидать расширения наших познаний о проявлениях жизнедеятельности путем сведения тех сложных явлений, с, какими мы имеем дело в биологии, к элементарным уровням физики, и химии. Это одна из коренных гносеологических проблем, и в данном случае трудности усугубляются тем, что «сведению» подлежит самое сложное, самое тонкое, и совершенное из всего, что нам известно, - явления жизни. И мы хотим сводить эту наивысшую сложность почти, что к самому простому из всего, что знаем, - к поведению, и свойствам молекул. По этому поводу еще в недалеком прошлом разгорались самые острые, ожесточенные споры.
В наши дни спор о правомочности «сведения» как основного пути изучения сложных явлений, и прежде всего в области живого мира, полностью снят с очереди всем ходом фактического прогресса научного исследования. Уже никакому здравомыслящему человеку не приходит в голову оспаривать тот факт, что молекулярная биология составляет основу познания живого мира совершенно так же, как физика элементарных частиц закладывает фундамент познания законов природы в более широком, всеобъемлющем аспекте.
В биологических кругах идет теперь лишь обсуждение вопроса о правильном соотношении двух течений научной мысли в изучении живого мира. Эти течения получили наименование «редукционизма» и «органицизма»
Редукционизм обозначает принцип исследования, основанный на убеждении, что путь к познанию сложного лежит через расчленение этого сложного на все более, и более простые составные части, и изучение их природы, и свойств. Предполагается, что, сводя сложное к совокупности или сумме его частей, мы, изучив последние, получим сведения и о свойствах исходного целого.
Органицизм, наоборот, заранее постулирует невозможность сведения сложного к простому, и объектом своего исследования согласен принимать лишь ту или иную степень целостности, тот уровень организации, который адекватен характеру изучаемых функций и свойств.
Позиции органицизма основываются на постулате, формулирование которого некоторыми приписывается еще Платону, и согласно которому целое есть нечто большее, чем простая сумма его частей. В полушутливой форме это выразил Берталанффи, один из крупнейших современных биологов с выраженным устремлением к теоретическим аспектам. Он сказал так «Зная все о том, что такое «один», и зная, что один и один составляют два, мы еще не знаем всего о том, что такое два, ибо тут добавляется еще, какое-то «И», и надо знать, что этот элемент «И» вносит с собою»
Это может звучать смешно, но есть основания полагать, что поиски именно этого «И» должны будут составить предмет значительных усилий будущего периода развития биологического исследования, отправляющегося от тех самых низких, молекулярных уровней, на которых на наших глазах достигаются все более поражающие нас успехи.
Прямым детищем редукционизма является молекулярная биология, на' долю которой выпали все те эпохальные успехи и достижения, которые составляют сущность нынешней биологической революции. В настоящее время проблема «сводимости» должна быть поставлена с головы на ноги. Иначе говоря, главенствующим должен стать вопрос, каким образом возникает сложное из простого, какие силы тут вступают в действие, каковы закономерности этого процесса, как создаются новые качества в результате прогрессирующего усложнения, с переходом к новым, более высоким уровням организации.
Разумеется, было бы ошибочным полагать, что редукционизм, как методологическая основа биологического исследования может претендовать на монополию в области изучения живого мира. За органицизмом остается своя, достаточно обширная сфера исследования. Задача сейчас в значительной степени должна состоять не в противопоставлении двух методологических подходов, а в поисках путей их синтеза или по крайней мере взаимного дополнения, тех или иных форм комплементарное™ - этого взаимоотношения частей сложных целостностей, которое особенно настойчиво выдвигалось Бором в качестве одного из ведущих начал в нашей современной картине мироздания, начала наиболее глубоко проникающего, обладающего особенно широким характером универсальности.
Даже представители органицизма ныне приходят к тому выводу, что вся надежда на успешное раскрытие секретов живой природы, проявляющихся на более высоких уровнях организации, должна возлагаться «на атаку снизу», то есть на атаку с тех низших уровней, на которых оперирует так называемая «редукционистская» молекулярная биология.
Однако было бы ошибочным абсолютизировать нынешнюю тенденцию, господствующую в молекулярной биологии. Существенно, важную, принципиально отличную методологическую значимость надлежит признать за такой ориентацией научного поиска, которая бы от наиболее примитивных, элементарных, в основном молекулярных уровней, где господствует современный редукционизм, вела бы в обратном направлении, к уровням все более возрастающей сложности организации, к системам, приобретающим новые свойства, и функции.
Основная сущность этого направления состоит в познании того; каким образом происходит включение, интеграция элементов более примитивных в новые целостности, стоящие на более высокой ступени организационной иерархии, с иными степенями упорядоченности. Основной чертой при этом переходе от простого к сложному является именно его интегративный характер. Соответственно этому для данного научно-познавательного направления может быть предложено наименование интегратизм.
ц то же вкладывается в понятие «интегратизм»? К ответу на этот вопрос придется подойти несколько издалека, вернувшись все к тому же, центральному пункту - о взаимоотношении части и целого, сложного, и простого.
Взаимоотношения части и целого прежде всего характеризуются наличием определенных, твердо фиксированных, многосторонних воздействий между частями в составе целого, воздействий, обладающих характером связей. Совершенно ясно, что без наличия связей между частями никакая целостность не могла бы существовать, она неизбежно распалась бы.
Именно связи составляют то новое, скрытое слагаемое, которое отличает целое от суммы частей. Это они, эти связи, и представляют собою то «И» в шутливой формулировке Берталанффи, которая приведена выше. То, что могло бы оказаться в составе целого, не образуя связей с прочими частями, было бы не частью целого, а посторонним телом.
Возникновение системы связей при образовании целого из его свободных, разрозненных частей должно рассматриваться, как самое коренное, первичное условие интеграции, то есть возникновение новой целостности. А это значит, что те части, из которых должно образоваться целое, имеют определенную сумму свойств, дающих возможность этим связям возникнуть. Такие свойства можно бы назвать десмогенными (от греч. «десмос» - связь).
Итак, образование сети взаимных связей между частями, входящими в состав возникающей целостности, - непременное условие для образования целостности. А каковы последствия образования этих связей, объединяющих множество в единство? Эти следствия затрагивают, как часть, так и целое, ибо образование новых связей влечет за собою определенные изменения свойств. Часть, входящая в состав нового, более сложного единства, утрачивает некоторую долю свойств, как бы жертвует ими ради приобретаемых преимуществ, например, уменьшения свободной энергии системы. Свойства части в той или иной мере снимаются, поглощаются свойствами целого, преобразуются в свойства этого последнего. С другой стороны, возникновение новой целостности сопровождается появлением у нее новых свойств, отнюдь не тождественных тем, которые «утратила» составная часть, а определяемых в основном связями, которые возникли при вхождении части в возникающее целое.
Так мы имеем три элемента, совокупностью которых характеризуются взаимоотношения целого, и части, во-первых, возникновение взаимодействующей системы связей между частями целого; во-вторых, утрата некоторых свойств части при вхождении в состав целого; в-третьих, появление у возникающей новой целостности новых свойств, обусловленных, как свойствами составных частей, так и возникновением новых систем меж частичных связей. К этому нужно добавить еще четвертое упорядоченность частей, детерминированность их пространственного, и функционального взаимоотношения.
Результатом указанной совокупности событий, из которых складывается возникновение целого из частей, является то, что часть, ранее бывшая самостоятельной, становится компонентом интегрального целого, внутренне объединенного. Этот результат мы и обозначаем термином интеграция. Нечто, ранее бывшее, перестает существовать, как таковое, и возникает нечто новое, ранее не существовавшее, с новыми, ему свойственными качествами.
Познание сущности явлений интеграции, ее закономерностей и ее движущих сил, и их источников является магистральным путем для проникновения в природу биологической организации. Задача работы в этом направлении - это переход от редукционизма, в основе которого лежит расчленение сложного, к познанию закономерностей биологической организации. Удачно, в несколько парадоксальной форме это было выражено академиком А. А. Баевым, сказавшим, что «интегратизм - это не, что иное, как движение вперед (от редукционизма), шагая в обратном направлении»
Непреложным принципом здесь является то, что интегратизм должен развиваться из редукционизма, отправляясь от его результатов. Одновременно, разумеется, следует отдавать себе отчет в том, что путь от простого к сложному намного труднее, чем путь от сложного к простому, то есть тот путь, который составляет основу редукционизма. Однако эту трудность отнюдь не следует рассматривать, как неодолимую. Реальность этого пути подтверждается непрерывно накапливающимся материалом обширного круга экспериментальных исследований последнего времени.
Понятие информации внесло совершенно новую, принципиально специфичную категорию в сферу познавательного комплекса, которым мы оперируем в изучении живых объектов и систем. Иные авторы даже не останавливаются перед тем, чтобы считать, что «наука к таким «атомам» мироздания, как вещество, и энергия, добавила информацию». И я думаю, что наряду с термином «интегратизм» целесообразно использовать понятие об интегративной информации, как направляющем факторе на всех уровнях интеграции. Под понятием интегративной информации здесь будет подразумеваться совокупность тех свойств, которые необходимы для обеспечения возможности интеграции в каждом отдельном случае.
Каковы эти свойства? Это прежде всего те свойства, которые позволяют части, входящей в состав новой целостности, вступить во взаимодействие с прочими компонентами последней. Взаимодействие, как уже говорилось, предполагает возникновение связей, а связи, в свою очередь, - наличие тех или иных сил. Мы приходим к заключению, что интегративная информация складывается из совокупности тех свойств, которые обеспечивают появление сил межкомпонентных связей. Самый процесс интеграции в таком случае состоит в проявлении действия этих сил. И центральной задачей интегратизма становится выяснение природы сил, участвующих в интегративной информации, закономерностей их действия, источников их возникновения, пространственной локализации, и т. д.
Понятие интеграции неразрывно связано с представлением о наличии системного начала, поскольку всякая целостность построена на системе связей. Изучение закономерностей, которым подчиняются свойства, и поведение систем, в настоящее время является областью, привлекающей особенно большое внимание. Не случайно, что сама концепция «теории систем» была сформулирована выдающимся биологом-теоретиком Берталанффи. В познании живого мира принципы системного подхода приобретают совершенно исключительное значение. Не будет удивительным, если теория систем в недалеком будущем станет играть такую же важную роль, какая на наших глазах выпала на долю теории информации.
При интеграции мы неизменно имеем дело с возрастанием упорядоченности. Интеграция с полным успехом может происходить в замкнутой системе. Казалось бы, возрастание упорядоченности, при этом происходящее, вступает в конфликт со вторым началом термодинамики, ибо энтропия системы, как бы уменьшается. На самом деле это противоречие чисто кажущееся интеграция неукоснительно идет в направлении снижения свободной энергии системы, и это снижение всегда несравненно более значительно, чем негэнтропия возрастающей упорядоченности. Возьмем простейший пример - общеизвестный опыт Плато если мы имеем две несмешивающиеся жидкости одинакового удельного веса, то имеющаяся в меньшем количестве стремится принять форму шара. Но ведь шар - это несравненно более упорядоченная система, чем та же масса жидкости, свободно меняющая свою форму под действием беспорядочных сил теплового движения ее молекул! Дело объясняется очень просто шар обладает минимумом поверхности при данном объеме. Следовательно, тут в минимуме будут силы поверхностного натяжения, и выигрыш на его свободной энергии в огромном избытке превосходит негэнтропию ограничения свободы движения молекул.
Без представления о целостности утрачивает свой смысл и понятие интеграции, поскольку последняя оказалась бы отождествленной с простой суммацией, без возникновения качественных изменений. А целостность, в свою очередь, с необходимостью предполагает наличие элемента порядка, фиксированных взаимоотношений частей, в противоположность неупорядоченной смеси.
Проблема порядка, как неотъемлемого атрибута живых систем издавна приковывала к себе внимание ученых - экспериментаторов, и теоретиков. Она приобрела новый оттенок в свете представлений термодинамики, с жесткими требованиями ее второго начала. Этой проблеме посвящают свои труды выдающиеся современные исследователи. Заслуживает упоминания книга Дж. Нидэма «Порядок и жизнь», в которой автор подчеркивает всю важность глубокого изучения «интегративных иерархий, никогда не встречающихся в мире неживой природы». Нидэм развивает мысль о том, что «биологический порядок, и организация не являются аксиоматическими категориями, а, напротив того, предъявляют к исследователям требование фундаментальной важности - дать этим понятиям научное истолкование». Подлинное осмысливание внутренних закономерностей, лежащих в основе живого мира, по мнению Нидэма, сможет быть достигнуто лишь после того, как удастся понять, каким образом последовательные «интегративные уровни» связаны между собою.
Трактовка начала упорядоченности биологических систем с позиций термодинамики была заложена Шредингером в его ставшей классической книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?» Этот подход в самое последнее время был развит в блестящей и увлекательной форме нобелевским лауреатом в области молекулярной биологии французским ученым А. Львовым. Он кратко подытожил развиваемые им взгляды, охарактеризовав энтропию (речь идет об энтропии с отрицательным знаком, то есть о негэнтропии), и порядок, как «подлинное» горючее, за счет которого поддерживается жизнь. Типическая черта живого усматривается в том, что в силу порядка, присущего живому, оно способно само создавать порядок «Единственным источником биологического порядка является сам биологический порядок»
Простейший случай интеграции мы, конечно, имеем в реакциях биосинтеза полимерных молекул из мономеров. Здесь ситуация предельно проста. Интегрирование совершается путем образования главновалентных связей. Следовательно, интегративная информация в этом случае в первую очередь сосредоточена в тех группировках протомера, которые участвуют в образовании указанных связей.
Участие главновалентных сил химического сродства о явлениях биологической интеграции ограничивается в основном только процессами образования биополимеров. Практически говоря, во всех прочих случаях главенствующая роль в интеграции приходится на долю так называемых слабых сил межмолекулярных взаимодействий. Именно эти силы мы должны рассматривать, как фактор решающего значения в явлениях интеграции.
Силы главновалентного сродства имеют в принципе единый характер, определяемый электронной структурой атомов, участвующих в образовании таких связей. Последние обладают значительной прочностью. В отличие от этого силы межмолекулярных взаимодействий весьма многообразны по своим формам и значительно слабее главновалентных. По этой причине они несравненно более подвижны, в значительной степени подвержены влиянию среды, часто обнаруживают явления кооперативности. Это водородные связи, электростатические силы, силы Ван-дер-Ваальса-Лондона, диполь-дипольные взаимодействия, дисперсионные силы, силы, связанные с переносом заряда, гидрофобные взаимодействия, и т. д. Надо сказать, что они во многих отношениях значительно менее охарактеризованы, чем главновалентные силы сродства, и их изучение в настоящее время привлекает большое внимание. Но нас вопрос об их природе, и детальные сведения об их свойствах сейчас не интересуют, и достаточно ограничиться простым перечислением их. Они нам важны потому, что именно они-то в совершенно преобладающей степени являются носителями той интегративной информации, о которой идет речь.
Один из мощных механизмов интегративной информации мы имеем в явлениях матричного синтеза. Они лежат в основе биосинтеза, как нуклеиновых кислот, так, и белков. Роль матрицы выполняют линейные цепи ДНК и РНК.
Сама матрица, содержащая интегративную информацию в виде химической, структурной записи, в порядке расположения нуклеотидов, не входит в состав конечного продукта, возникшего под руководящим воздействием матрицы «Мавр сделал свое дело, мавр может уйти». Это экзогенный тип интегративной информации (его можно бы назвать директивным, направляющим типом).
Участие матричного механизма обеспечивает решение, быть может, самой сложной из всех задач биологической интеграции. Из полнейшего термодинамического беспорядка, из хаоса, каким является пестрая смесь разнородных протомеров - четырех или пяти нуклеотидов, в одном случае, двух десятков аминокислот, в другом, - должно быть обеспечено получение строжайше заданного, и нерушимо соблюдаемого порядка - химической структуры молекулы соответствующего полимера, насчитывающей от сотен до сотен тысяч отдельных звеньев.
Нам ничего не известно, в, какой мере подобного рода механизмы, вносящие интегративную информацию извне, принимают участие на других ступенях иерархической градации биологических систем. Это долгий путь от уровней современного редукционизма в направлении к системам возрастающей усложненности. Он может казаться неизмеримо длинным, если конечной целью видеть организм высшего животного. Но ведь не менее длинным казался бы в начале нашего века путь к химическому синтезу белковой молекулы, к синтезу фермента или гена, или к видению воочию носителя наследственных свойств, изолированного гена!
Отдавая себе отчет в том, что впереди для интегратизма лежит долгий и трудный путь, все же большую дозу оптимизма мы можем почерпнуть, окидывая взглядом уже пройденный участок пути. Он не так мал, и накапливающиеся познания вселяют уверенность в правильности и обоснованности намеченного пути поиска.
Чтобы избежать упреков в декларативности, целесообразно напомнить хотя бы о некоторых успехах интегратизма.
Эффект интеграции проявляется в том, что возникающая новая целостность обладает качественными признаками, которых не было у включенных в ее состав частей-протомеров, но которые в определенной мере предопределены свойствами последних. Простейшие, и очень важные примеры мы имеем уже на самых первых этапах усложнения биологических образований - в процессах построения молекул биополимеров. Замечательно, что первичный продукт интеграции, возникшая линейная, то есть одномерная, структура, выраженная в последовательности расположения протомеров (аминокислот или нуклеотидов), теперь содержит в себе информацию нового типа - конформационную, - которая предопределяет собою строго заданное пространственное расположение частей молекулы в трех измерениях.
Это можно рассматривать, как интеграцию особого характера, происходящую не в результате включения новых компонентов в систему, а в результате детерминированного взаимно го расположения частей системы в трехмерном пространстве. Обширные сведения в этом направлении известны в настоящее время и для белков, и для нуклеиновых кислот.
Для белковой молекулы элемент, обладавший одним измерением, полипептидная цепь линейного строения, превращается в трехмерное тело, притом строго определенной формы, а не в беспорядочный клубок, который мы получили бы, скомкивая нить. Чем задается эта форма, какая интегративная информация определяет ее очертания? Ответ точно известен третичная, объемная структура однозначно определена, детерминирована первичной химической структурой полипептидной цепи, иначе говоря, характером и порядком расположения аминокислотных остатков в этой цепи.
Обстоятельством первостепенной важности здесь является то, что трехмерная структура белковой молекулы, возникшая на основе информации, содержащейся в первичной структуре, в свою очередь, тоже оказывается наделенной информацией, но уже совершенно нового типа, а именно функциональной. Возникшая структура оказывает решающее влияние на свойства белковой молекулы. Например, у гемоглобина это - способность к взаимодействию с кислородом; у ферментов - каталитические свойства. Это, так сказать, интрамолекулярная интеграция.
Мы рассмотрели явления интеграции, разыгрывающиеся на уровне построения макромолекул биополимеров, и их конформационных изменений. Следующий уровень усложнения - это полимолекулярные системы, в возникновении которых интеграция проявляется на основе явлений ассоциации, то есть в результате межмолекулярных взаимодействий. Переходом к, так сказать, классическим явлениям полимолекуляр-ных ассоциаций, давно известным, мы вправе считать те своеобразные явления направленной интеграции, которые были обнаружены в последнее время в лаборатории А. А. Баева и А. Д. Мирзабекова в Институте молекулярной биологии АН СССР. Сущность опытов состоит в следующем если макромолекулу - речь идет о молекулах транспортных РНК - путем строго отрегулированного ферментативного воздействия расчленить, «разрезать» на несколько крупных частей, то эти фрагменты, взятые порознь, оказываются полностью лишенными своей характерной биологической функции - способности связывать соответствующую аминокислоту. Но если эти фрагменты смешать, то при благоприятных условиях эта смесь вновь приобретает свое специфическое биологическое свойство (рис. 1).
Совершенно ясно, что речь тут не может идти о подлинном восстановлении исходной молекулы - разорванные действием фермента главновалентные связи не могут самопроизвольно восстановиться. Дело сводится к тому, что фрагменты, выступающие в данной ситуации в роли протомеров, ассоциируются между собою за счет сил межмолекулярных взаимодействий, и самособираются в ассоциат, настолько полно воспроизводящий структуру исходной молекулы, что он способен быть «узнанным» тем ферментом, который катализирует реакцию присоединения аминокислоты.
Это явление представляет большой интерес для рассматриваемого нами вопроса о закономерностях интегративной информации. Мы имели дело со сложной целостностью, макромолекулой нуклеиновой кислоты. Для выполнения своих функций она должна удовлетворять чрезвычайно строгим требованиям в отношении своей первичной химической структуры. Части этого целого, в отдельности взятые, лишены этих свойств. Но эти части содержат в себе настолько исчерпывающую и точную интегративную информацию, что она обеспечивает им при их взаимодействии столь же прецизионное взаиморасположение, какое в нормальных природных условиях требовало строго заданного наличия главновалентных связей. Этим доказывается также наличие строжайшей локализации интегративных сил в пределах частицы протомера, однозначно предрешающей характер той упорядоченности, которая должна возникнуть при происшедшей интеграции.
Упоминанием об этих экспериментах мы подведены к той широкой области, в пределах которой в настоящее время накапливаются наиболее разнообразные, и важные сведения относительно основ биологической интеграции. Это так называемая самосборка, то есть самопроизвольно протекающий процесс образования сложных целостностей из смеси их компонентов. Имеются все основания полагать, что именно здесь будет в реальных формах проявлять себя принцип интегратизма в развитии биологии ближайшего будущего.
Явления самопроизвольной ассоциации молекул, которые лежат в основе самосборки, привлекают в настоящее время пристальное внимание.
Наклонность к межмолекулярной ассоциации широко представлена у белков. Классическим примером служит молекула гемоглобина, представляющая собою тетрамер, то есть комплекс, ассоциат из четырех протомеров - двух альфа-полипептидных цепей и двух бета-цепей.
Явление самосборки впервые было обнаружено у вируса табачной мозаики. Молекула этого вируса состоит из нити РНК. На эту спираль, как бы нанизаны субъединицы белка, числом 2130 на молекулу. Соответствующими приемами удается разъединить белок, и нуклеиновую кислоту, получить каждый из компонентов в виде индивидуального химического препарата. Однако смешивание обоих компонентов дает полную регенерацию исходной вирусной частицы - восстанавливаются все физические параметры, восстанавливается специфическое биологическое свойство - инфективная способность вируса. Происходит полная регенерация из двух раздельных компонентов возникает нечто совершенно новое - полноценная вирусная частица (рис. 2)
Легко представить себе, как велико должно быть совершенство интегративной информации, записанной в свойствах молекул белка и молекул нуклеиновой кислоты для того, чтобы обеспечить подобную точность реконструкции. Невольно поражаешься, каким-то загадочным образом записано указание, что процесс самосборки должен остановиться в тот момент, когда к цепи РНК присоединятся именно 2 130 белковых субъединиц, а не 2 129 или 2140!
Та же необычайно высокая степень надежности интегративной информации проявляется, и во всех прочих случаях, когда удавалось установить явления самосборки у разнообразнейших вирусов.
Приведенный пример с самосборкой вируса табачной мозаики, как я уже сказал, - самый ранний из ставших известными случаев проявления интегративной информации в процессе самосборки. Вирус этот принадлежит к числу очень крупных по своим размерам. Самое последнее время принесло сведения о явлениях самосборки, проявляющихся на одном из вирусов из числа самых малых по размерам, именно на бактериофагах очень простого строения. Они имеют однонитчатую молекулу РНК, содержащую всего лишь три гена. Эти гены обеспечивают синтез трех белков. Один из них - белок, образующий чехол вирусной частицы. Второй - белок со свойствами фермента, РНК-репликаза, который осуществляет самовоспроизведение РНК при размножении вируса. Третий белок имеет специальное назначение он управляет самосборкой вирусной частицы из смеси ее компонентов. Известен даже порядок расположения этих генов в цепи РНК они стоят в таком порядке «самосборочный» белок, за ним белок чехла, затем ферментный белок, репликаза. Если в пробирке смешать РНК и указанные три белка, то эти компоненты сами, спонтанно, собираются, и образуют ту высокоспецифичную структуру, которая соответствует полноценной частице вируса.
Чрезвычайно демонстративный пример самопроизвольного формирования очень сложных структур из их отдельных компонентов мы имеем в случае бактериофагов, обладающих более высокой морфологической организацией. Их частички состоят из целого ряда разнородных элементов, таких, как головка, заключенная в ней ДНК, хвост с белковым чехлом и внутренним полым стержнем, концевая пластинка, хвостовые нити, и т. д. Искусным подбором мутантов удается получить препараты, содержащие одни из этих частей, но лишенные других. При смешении таких фрагментов может происходить образование полноценных инфекционных вирусных частиц. Это схематически представлено на рис. 3 и 4. Легко себе представить, как обширна, сложна, и совершенна должна быть интегративная информация, присущая каждой из обособленных частей, для того, чтобы путем спонтанной интеграции из них могла возникать биологическая целостность высокой степени сложности и функциональной активности.
Исключительный интерес, с точки зрения явлений интеграции, и роли интегративной информации, представляют рибосомы, эти молекулярные фабрики биосинтеза белка. Как теперь известно, рибосома состоит из двух половинок - легкой и тяжелой. Их химический состав - по одной молекуле нуклеиновой кислоты очень высокого молекулярного веса в каждой из половинок, и большое число белков. Число индивидуальных полипептидных цепей достигает порядка сотни, число различных белков - нескольких десятков (рис. 5). Несмотря на чрезвычайную сложность и высокую упорядоченность строения, оказалось возможным расчленить рибосомы на их составные части, из которых в результате самосборки снова воссоздается сложнейшая структура.
Это было показано академиком А. С. Спириным в отношении диссоциации рибосом на их половинки, и ступенчатого удаления различных количеств белка, после чего при создании благоприятных условий могла происходить самосборка, вплоть до образования нормальных, полноценных рибосом.
По уровню сложности образующегося здесь биологического целостного единства эти результаты являются на сегодняшний день наиболее выдающимся достижением на путях познания биологической интеграции.
Интегратизм - это не цель, а путь. Правильное сочетание целесообразного соотношения редукционизма и интегратизма - это основа стратегии научного поиска в области познания явлений жизни на ближайшее время, а вернее, для всего будущего развития биологии, как точной науки. Руководящим принципом при этом должно быть стремление строить схемы, и понятия интегратизма, отправляясь от данных, получаемых на путях редукционизма, то есть исходя из наиболее простых условий, шаг за шагом подниматься по восходящим ступеням иерархической градации, переходя ко все возрастающим степеням усложненности исследуемых систем.
Читайте в любое время
