Станислав Лем - Собрание сочинений в 10 томах. Том 13. Сумма технологии

Мы говорим об этом, потому что «кембрийский перелом» мог быть вызван какой-то «биохимической находкой» эволюции. Но если такая «находка» и была сделана эволюцией, это все же не изменило исходного фундаментального принципа всей архитектуры, в основе которого лежит использование клеточных кирпичиков.

Эволюции жизни, несомненно, предшествовала эволюция химических реакций; праклеткам не приходилось, таким образом, питаться мертвой материей как источником порядка. Они не смогли бы, кстати, решить сразу и одну из труднейших задач — задачу синтеза органических соединений из простых веществ (вроде двуокиси углерода) с использованием энергии солнечных фотонов [236]. Этот шедевр синтеза осуществили лишь растения, овладев искусством образования хлорофилла и целым аппаратом ферментов, улавливающих лучистые кванты. К счастью, с самого начала праорганизмы располагали, по-видимому, органическими веществами, которые они могли легко усваивать. Это были остатки прежнего изобилия органических веществ, которое появилось в ходе таких процессов, как, скажем, электрические разряды в атмосфере аммиака, азота и водорода [237].

Вернемся, однако, к основной динамической проблеме элементарной клетки. Клетка должна управлять существенными параметрами своих изменений так, чтобы из области еще обратимых флуктуации они не ускользнули за пределы обратимости — не привели к разложению и, следовательно, к смерти. В жидкой коллоидной среде подобный контроль может осуществляться лишь с ограниченной скоростью, поэтому флуктуации, вызванные статистической природой молекулярных движений, должны происходить не быстрее общеклеточного обмена информацией. В противном случае центральный регулятор — ядро — утратил бы власть над процессами, происходящими локально, информация о необходимости вмешательства поступала бы тогда, как правило, слишком поздно. Это было бы уже началом необратимых изменений. Итак, размеры клетки диктуются в конечной инстанции двумя параметрами — скоростью передачи информации из произвольного места клетки к регуляторам и скоростью локально происходящих химических процессов. На ранних стадиях эволюция, должно быть, создавала клетки, иной раз существенно различавшиеся размерами. Невозможна, однако, клетка величиной с тыкву или слона. Это вытекает из упомянутых выше ограничений.

Следует заметить, что для человека-технолога клетка является устройством по меньшей мере необыкновенным, которым можно скорее восхищаться, чем понять его. Организм столь «простой», как кишечная палочка (бактерия), делится через каждые 20 минут. В это время бактерия производит белок со скоростью 1000 молекул в секунду. Поскольку молекула белка состоит приблизительно из 1000 аминокислот, каждая из которых должна быть соответственно «расположена» в пространстве и «подогнана» к возникающей молекулярной конфигурации, это не столь уж легкая задача. Примерная, самая осторожная оценка показывает, что бактерия перерабатывает не менее 1000 битов информации в секунду. Это число станет особенно наглядным, если сопоставить его с количеством информации, с каким в состоянии справиться человеческий ум, — около 25 битов в секунду [238]. Печатная страница текста с небольшой информационной избыточностью содержит около 10 000 битов. Мы видим, что наибольшим информационным потенциалом клетка обладает в своих внутренних процессах, служащих продолжению ее динамического существования. Клетка является «фабрикой», в которой «сырье» расположено повсюду: оно и рядом, и выше, и ниже «производящих машин» — клеточных органелл, рибосом, митохондрий и подобных им микроструктур, которые на шкале величин находятся между клеткой и химической молекулой. Эти микроструктуры состоят из упорядоченных сложных химических структур с «прикрепленными» к ним обрабатывающими инструментами типа ферментов. Похоже, что «сырье» подается к «машинам» и их «инструментам» не какими-то специальными направленными силами, притягивающими нужное сырье и отталкивающими лишнее или непригодное для «обработки», а просто обычными тепловыми движениями молекул. Таким образом, «машины» как бы бомбардируются потоками танцующих в ожидании своей «очереди» молекул и только благодаря своей специфичности и избирательности выхватывают «надлежащие» элементы из этого кажущегося хаоса. Поскольку все эти процессы без исключения имеют статистическую природу, общие соображения термодинамики склоняют нас к выводу, что в ходе таких изменений должны случаться ошибки (например, введение «ложных» аминокислот в возникающую молекулярную спираль белка). Такие ошибки должны быть, однако, редкостью, по крайней мере в норме: ведь «ложно синтезированных» клеткой белков обнаружить не удается. За последние годы кинетике химических реакций живого был посвящен ряд исследований. Эти реакции исследовались не как жестко повторяющиеся циклические процессы, а как некое пластическое целое, которое можно не только поддерживать в его неустанном беге, но направлять быстро и эффективно к достижению важных в данный момент целей. После переработки «выходных параметров» моделируемой клетки большая вычислительная машина в течение 30 часов вычисляла наивыгоднейшее сочетание скоростей реакций в целом и отдельных звеньев этих реакций в клетке.

Вот к чему приводит необходимая сегодня в науке формализация задачи: те же проблемы бактериальная клетка решает в долю секунды и, разумеется, без мозга — электронного или нейронного.

Однородность клетки является подлинной, но вместе с тем и кажущейся. Подлинной — в том смысле, что ее плазма — коллоидный раствор крупномолекулярных протеидов, белков и липидов, то есть «хаос» молекул, погруженных в жидкую среду. Кажущейся — поскольку прозрачность клетки глумится над попытками подметить ее динамические микроструктуры, а их срез и фиксирование красителями вызывают изменения, уничтожающие первоначальную организацию. Клетка, как показали трудные и хлопотные исследования, не является даже метафорической «фабрикой» из приведенного выше образного сравнения. Процессы диффузии и осмоса между ядром и протоплазмой происходят не просто под действием физического механизма, по градиенту осмотического давления, сами эти градиенты находятся под контролем прежде всего ядра. В клетке можно различить микротоки, молекулярные микропотоки (как бы миниатюрные эквиваленты кровообращения), органеллы же служат узловыми точками этих токов, представляя собой «универсальные автоматы», которые оснащены комплексами ферментов, распределенных в пространстве нужным образом. В то же время органеллы — аккумуляторы энергии, посылаемой в соответствующие моменты в надлежащем направлении.