ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА

«Гиперцикл» — третья книга М. Эйгена, переведенная на русский язык. В книге «Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул» (М.: Мир, 1973) Эйген впервые сформулировал концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции и последующего отбора. Таким образом, принцип Дарвина был применен к проблемам добиологической эволюции и происхождения жизни. Эта книга вызвала большой интерес и несомненно стимулировала дальнейшие работы в области физико-математического моделирования процессов добиологической и биологической эволюции. В небольшой книге «Игра жизни», написанной Эйгеном вместе с его сотрудницей Рутхильд Винклер (М.: Наука, 1979), те же вопросы рассматриваются популярно — с помощью остроумных игровых моделей.

В предлагаемой вниманию читателей монографии Эйген и Шустер впервые применили аппарат качественной теории динамических систем для анализа ранее развитой концепции. Нужно сказать, что метод «фазовых портретов» очень красив, и это ощущает каждый, кто с ним знакомится. Чувствуется, что и. авторы испытали обаяние качественной теории. Справедливости ради следует отметить, что к проблемам эволюции и даже к вопросу происхождения жизни этот аппарат применялся и ранее. К сожалению, Эйген и Шустер не сопоставляют свои исследования с работами других ученых, в результате книга не полностью отражает современное состояние проблемы.

Математическая модель, разработанная авторами данной монографии, имеет главным образом иллюстративное значение, В действительности этим роль

математического подхода к проблеме возникновения жизни отнюдь не исчерпывается. Качественная теория динамических систем открывает возможности четкой постановки новых принципиально важных проблем и их решения.

Во-первых, основное понятие «отбор» при скрупулезном анализе оказывается неоднозначным. Обычно этот термин употребляется в смысле отбора наилучшего варианта, т. е. как достижение абсолютного оптимума; в этом случае результат отбора предопределен заранее. Однако в ходе эволюции и даже в самом начале ее (т. е. в процессе возникновения жизни) встречаются ситуации, при которых развитие может пойти по нескольким различным путям. Здесь следует говорить не об отборе, а о выборе одного из возможных вариантов; при этом достигается не абсолютный оптимум, а один из приемлемых. Результат процесса заранее не предопределен, он зависит от случайного выбора.

Метод фазового пространства позволяет наиболее четко поставить вопрос «Отбор или выбор» и даже ответить на него в рамках той или иной модели. В случае, если имеется несколько стационарных состояний, отделенных друг от друга сепаратрисами, мы имеем дело с выбором. Если же состояние только одно, то в этом (и только в этом) случае можно говорить об отборе. Вопрос о том, что же имело место в процессе происхождения жизни и дальнейшей эволюции — отбор или выбор — является одним из принципиальных. Ответ на него можно получить путем строгого математического анализа существующих моделей, выводов из них и сопоставления результатов с экспериментом.

Во-вторых, на основе динамической теории может быть четко поставлена и решена проблема возникновения биологической информации, увеличения ее количества и ценности. Отметим, что эта проблема связана с предыдущей, а именно: новая информация возникает в системе, только если происходит случайный выбор (Кастлер), а не отбор наилучшего варианта. В последнем случае можно говорить лишь

о реализации информации, заложенной в систему a priori, т. е. о выделении имеющейся информации из шума.

Из всего сказанного следует, что формулировка проблемы происхождения жизни на основе теории динамических систем открывает двери в новую и весьма интересную область. Авторы предлагаемой книги сделали в этом направлении первые шаги, как всегда в таком случае особенно трудные и важные.

М. В. Волькенштейн Д. С. Чернавский

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основой для этой книги послужила серия статей, опубликованных в журнале "Die Naturwissen-schaften" в 1977-78 гг. Разделение книги на три части отражает ее логическую структуру, которую можно резюмировать в виде трех тезисов.

A. Гиперцикл — это принцип естественной самоорганизации, обусловливающий интеграцию и согласованную эволюцию системы функционально связанных самореплицирующихся единиц.

Б. Гиперциклы — это новый класс нелинейных сетей реакций, обладающих уникальными свойствами и поддающихся унифицированному математическому описанию.

B. Гиперциклы могут возникать в распределении мутантов отдельного дарвиновского квазивида в результате стабилизации его дивергирующих мутантных генов. Зародившись, гиперциклы эволюционируют в сторону усложнения посредством процесса, аналогичного дупликации генов и специализации.

Чтобы пояснить смысл первого утверждения, можно обратиться к другому принципу самоорганизации материи — к дарвиновскому принципу естественного отбора. Этот принцип — как мы представляем его в настоящее время — является единственным понятным нам способом создания информации, будь то программа сложного живого организма, который представляет собой продукт эволюции менее. сложных прародительских форм, или осмысленная последовательность букв, отбор которой можно имитировать в модельных эволюционных играх.

Естественный отбор — здесь акцентируется слово «естественный» — основан на самовоспроизведении.

Иными словами: если дана система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из общего источника, то неизбежно возникает естественный отбор. Соответственно эволюционное поведение, управляемое естественным отбором, основано на самовоспроизведении с «шумом». Наличия этих физических свойств достаточно, чтобы стало возможным закономерное возникновение в высшей степени сложных систем, т. е. генерирование такой информации, как программа живого организма. Однако дарвиновскому механизму естественного отбора присущи количественные ограничения в объеме накапливаемой информации. Здесь-то и выходит на сцену гиперцикл. Гиперцикл — это тоже принцип самоорганизации, но он основан на других предпосылках и поэтому ведет к иным последствиям.

Теория - дарвиновских систем, изложенная в части А, приводит к двум основным результатам.

а. Самовоспроизводящиеся единицы конкурируют в процессе отбора. Эта конкуренция может ослабляться для неродственных видов, уходящих в разные ниши. Тем не менее в пределах каждого распределения мутантов она должна быть достаточно эффективной, чтобы поддерживалась устойчивость дикого типа. Без такой конкурентной стабилизации его информация рассеялась бы.

б. Информационное содержание устойчивого дикого типа ограниченно. Другими словами, количество информации не должно превышать некоего порога, величина которого обратно пропорциональна среднему темпу генерации ошибок (на символ). Далее, этот пороговый уровень зависит от логарифма превосходства дикого типа, т. е. от среднего селективного преимущества по отношению к мутантам суммарного (устойчивого) распределения. Распределение становится неустойчивым всякий раз, когда появляется нарушающий это условие мутант, имеющий преимущество над ранее устойчивым диким типом.

Эти свойства внутренне присущи дарвиновским системам. Они гарантируют эволюционное поведение, для которого характерны отбор и стабильное воспроизведение наиболее адаптированной самовоспроизводящейся единицы, а также замена ее любым мутантом, который адаптирован еще лучше. С другой стороны, эволюция такой системы ограничена определенным уровнем сложности — порогом максимального информационного содержания.

Из-за этого ограничения первыми самореплицирующимися единицами были, вероятно, относительно короткие цепи нуклеиновых кислот. Это единственный класс макромолекул, обладающих способностью к самовоспроизведению. Однако физические силы, определяющие точность саморепликации, имеют ограниченную специфичность. Увеличение точности могло произойти только благодаря наличию катализатора, причем катализатор — чтобы он мог подвергаться эволюционной адаптации — тоже должен был воспроизводиться. На этом этапе эволюции появилась необходимость в трансляции информации, унаследованной воспроизводящимся материалом.

Барьер был колоссальной высоты. Эволюция, по-видимому, фактически остановилась. Требовалась машина, но чтобы создать ее, нужна была все та же машина. Даже примитивный аппарат трансляции должен был содержать, вероятно, не менее четырех адапторов для четырех разных аминокислот плюс соответствующее число ферментов и их мРНК. Количество информации, необходимое для такой системы, сравнимо с количеством информации в вирусе, содержащем одноцепочечную РНК. Однако такие вирусы могут использовать совершенный аппарат трансляции клетки-хозяина. Кроме того, они воспроизводятся с помощью высокоадаптированного ферментативного аппарата — конечного, т. е. оптимального продукта эволюции.

Геном РНК-содержащего фага не превосходит нескольких тысяч нуклеотидов, что как раз достаточно для кодирования небольшого числа (например, четырех) молекул белка. Как показано в части А,

этот предел обусловлен точностью копирования, которая может быть достигнута с помощью хорошо адаптированного фермента репликации. Любое дальнейшее увеличение информационного содержания потребовало бы таких совершенных механизмов, как коррекция с участием экзонуклеазы и лигазы, что стало доступно лишь ДНК-полимеразам на очень поздних стадиях эволюции. Как могла возникнуть даже примитивная система трансляции, если точность воспроизведения определялась исключительно физическими свойствами нуклеиновых кислот, не позволяющими воспроизводимо реплицировать отдельные нуклеотидные цепи длиной более 50— 100 нуклеотидов? Количество информации, необходимое для системы трансляции, без которой не могло произойти увеличения точности, во много раз превышает то количество, которое может содержаться в отдельных самовоспроизводящихся цепях.

Гиперцикл — это средство объединения самовоспроизводящихся единиц ограниченной длины в новую устойчивую систему, способную к согласованной эволюции. Никакой другой способ организации — возникновение компартментов или образование нециклических сетей — не может гарантировать одновременного выполнения трех следующих условий:

— поддерживать конкуренцию в распределениях дикого типа всех самореплицирующих единиц, чтобы сохранить их информацию;

— допускать сосуществование нескольких (в других условиях конкурирующих) единиц и их мутантных распределений и

— объединять эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми членами системы, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.

Наше утверждение логически следует из результатов части А:

Если искать физический механизм, гарантирующий непрерывную эволюцию аппарата трансляции,

то наличие гиперциклической организации является минимальным требованием. Необходимо, чтобы вовлеченные в гиперцикл носители информации были способны к саморепликации — однако одного этого недостаточно. При анализе условий гиперциклической организации сразу же видна эквивалентность этих условий предпосылкам дарвиновского отбора. Последний основан на самовоспроизведении, которое является одним из видов линейного автокатализа. Гиперцикл — это следующий, более высокий уровень в иерархии автокаталитических систем (как показано в части А). Он построен из автокатализаторов, или циклов воспроизведения, которые сочленены посредством циклического катализа, т. е. посредством еще одного автокатализа, наложенного на систему. Таким образом, гиперцикл основан на нелинейном автокатализе (например, второго или более высокого порядка).

Поскольку гиперциклы ведут себя «регулярно», их можно исследовать как конкретный класс сетей реакций. Такой общий анализ проводится в части Б (см. второе утверждение). Они проявляют уникальные физические свойства, которых лишены другие типы связей, и поэтому требуется унифицированное рассмотрение «абстрактного гиперцикла». Этот способ представления предмета сам по себе оправдывает учебную форму изложения.

С другой стороны, гиперцикл никоим образом не является лишь абстрактным продуктом нашего ума. Этот Принцип еще сохраняется в цикле размножения РНК-содержащего фага, хотя здесь он прилагается только к замкнутому миру клетки-хозяина. Фаговый геном после трансляции производит фактор, становящийся субъединицей в репликазном комплексе, другие части которого поставляет клетка-хозяин. Этот фактор, кодируемый фагом, придает ферменту абсолютную фаговую специфичность. Поскольку фагоспецифичный репликазный комплекс отвергает все РНК клетки-хозяина, его наличие равносильно наложению петли обратной связи, автокаталитически усиливающей фаговый геном.

Наше утверждение относительно необходимости гиперциклической организации примитивного аппарата трансляции имеет природу «если — то» и еще не означает, что исторически именно так все и было. На самом деле могли происходить неожиданные экстраординарные события — флуктуации, которые не отражают никакой регулярности природы, но влияют на ход событий. Если мы собираемся показать, что эволюция протекала, подчиняясь определенному физическому принципу, то нам нужно искать этому исторические свидетельства, т. е. следы ранних организационных форм в современных организмах. Это сделано в части В, и наше третье утверждение относится к ней.

Некоторую информацию о своем происхождении дают нам транспортные РНК - ключевые вещества трансляции. По-видимому, они указывают на естественный путь разрешения проблемы инициации нелинейной сети реакций — проблемы нуклеацин. Все члены этой сети являются потомками одной и той же родоначальной копии, тРНК-предшественника. Мутанты квазивидового распределения этого предшественника могли накопиться прежде, чем начал работать организационный принцип гиперцикла. Будучи близкородственными мутантами, все адапторы и молекулы мРНК, а также их продукты трансляции функционируют весьма сходным образом (как мишени и как исполнители). Поэтому они автоматически «вовлекаются» в организацию с многими перекрестными связями, включающую некий цикл. Как показано в части В, этот цнкл может постепенно стабилизироваться путем эволюционного развития специфичности связей, причем все они могут быть типа «репликаза — ее мишень» (такой тип связи все еще используется РНК-содержащими. фагами). Реалистический гиперцикл можно исследовать экспериментально, например, при детальном изучении современного механизма трансляции.

Мы надеемся, что эта книга будет способствовать постановке адекватных вопросов, направленных на изучение проблем эволюции. Теория лишена

абсолютной ценности, если ее выводы нельзя проверить экспериментально. С другой стороны, теория должна давать нечто большее, чем простое объяснение экспериментальных фактов. Как сказал Эйнштейн: «Только теория может указать нам, какие эксперименты осмысленны».

В этом отношении наша книга написана не только для физика, который стремится к единообразному применению физических законов ко всей природе. Она адресована также химику, биохимику и биологу, чтобы подвигнуть их на постановку новых экспериментов, которые способствовали бы более глубокому пониманию жизни как проявления «регулярности природы» и ее происхождения.

Нашу работу в значительной степени стимулировали дискуссии с Фрэнсисом Криком, Стэнли Миллером и Лесли Оргелом; эти дискуссии были равносильны для нас «давлению отбора», заставлявшему искать большую непрерывность в молекулярной эволюции. Особенно полезными были советы и замечания Кристофа Бибрихера, Ирвинга Эпштейна, Бернда Гутте, Дитмара Пёршке, Карла Зигмунда, Пола Вули и Роберта Вольфа. Рутхильд Винклер-Осватич предложила большинство иллюстраций и была всегда терпеливой и критичной собеседницей.

Спасибо им всем за помощь.

Геттинген, Манфред Эйген, 6 ноября 1978 г. Петер Шустер