Но процесс конкуренции и отбора эффективно работающих нейронов и синапсов имеет место не только в процессе эмбрионального развития , но и во взрослом мозге. Когда американский ученый Джеральд Эдельман обратил внимание на это обстоятельство, он понял, что отбор групп нейронов, эффективно выполняющих свои функции в мозге, вполне аналогичен отбору антител, способных специфично связываться с антигенами и осуществлять их нейтрализацию. А поскольку клонально-селекционная теория антителообразования была создана по аналогии с дарвиновской теорией естественного отбора, стало ясно, что селекция групп нейронов эквивалентна селекции биологических видов, конкурирующих за определенные ресурсы. Джеральд Эдельман был специалистом в области иммунологии, где он сделал ряд открытий, принесших ему в 1972 г. Нобелевскую премию. Поэтому он был хорошо знаком с теоретическими (дарвиновскими) представлениями Н.Ерне и Ф.Бернета. Осознав аналогию между процессами, происходящими в иммунной системе, и процессами, которые развиваются в мозге (в сетях нейронов), Дж.Эдельман счел возможным перенести в нейробиологию идеи селекции, уже сформулированные в иммунологии. Он предположил, что информационная нагрузка (необходимость постоянно запоминать и обрабатывать информацию) выбирает одни нервные цепи в мозге и делает ненужными другие. Информационные сигналы, поступающие в мозг, когда индивид приобретает опыт, играют роль внешней среды, которая, согласно Ч.Дарвину, отбирает наиболее приспособленные организмы. Дж.Эдельман добавил к своей идее селекции групп нейронов принцип повторной сигнализации (возврата импульсов к местам первоначальных проекций после сравнения новой информации с той, которая уже хранится в памяти). Так возникла его теория, получившая название «нейронного дарвинизма».
Аналогия Дж.Эдельмана рассматривается в значительном числе работ. Так, К.В.Анохин в статье «Когнитом» [11] пишет: «Теория селекции нейронных групп (ТСНГ) - наиболее разносторонняя и детальная из разбираемых здесь теорий. Первоначально она была сформулирована Дж.Эдельманом в виде гипотезы механизма сознания на основе селекции нейронных групп и фазной повторной сигнализации (Edelman, 1978) и затем развита в трилогии монографий (Edelman, 1987, 1988, 1989) и ряде последующих публикаций... В исходной работе Дж.Эдельман предложил принцип соматического отбора нейронных групп в головном мозге, обеспечивающий пластичность мозга при взаимоотношениях организма с окружающей средой (Edelman, 1978). При этом он отметил сходство этой модели с принципами селекции в иммунной системе. В монографии «Neural Darwinism» эта идея была существенно развита и представлена в качестве общей селекционной теории мозга (Edelman, 1987). В основу теории были положены три принципа: (1) отбор в развитии, (2) отбор на основе опыта и (3) сигнализация путем повторного входа. Единицами отбора в мозге, согласно теории, являются нейронные группы - совокупности от сотен до тысяч нейронов, действующих в нервной системе как функциональные единицы (Edelman, 1987)» [11, с.55].
Б.Баарс и Н.Гейдж в 1-ом томе книги «Мозг, познание, разум» [12] отмечают: «...Нейроны образуют и создают связи между собой, основываясь на принципах Дарвина. Во время биологической эволюции виды адаптируются при помощи воспроизведения, мутаций, которые приводят к возникновению различных форм, и селекции из возникающего спектра частично различных организмов. Нейронный дарвинизм предполагает, что мозг развивается сходным образом, как при воспроизведении, изменении и селекции развивающихся нейронов, так и на поздних стадиях селекции синаптических связей. Мозг селектирует, нежели просто следует инструкции, в отличие от программ вычислительного компьютера» [12, с.449]. Авторы добавляют: «Эдельман разработал теоретическую основу для нейронного дарвинизма, которая накладывает принципы селектирования Дарвина на мозг, в отличие от принципов вычислительных компьютеров» [12, с.463].
Сам Дж.Эдельман в книге «Разумный мозг» [13] поясняет, что, будучи знаком с механизмами селекции, рассмотренными в теории эволюции и иммунологии, он целенаправленно искал конкретную форму отбора, пригодную для описания того, как работает наш мозг. В частности, Дж.Эдельман пишет: «.Селекционистические представления в разных формах существуют в эволюционной теории и в иммунологии (Эдельман, 1974) и разработаны более или менее подробно. Но задача, которую я поставил себе здесь, состоит не просто в том, чтобы провести сравнение или аналогии между этими системами, а в том, чтобы выяснить, нельзя ли использовать какую-либо конкретную форму отбора («селекции») как основу для объяснения высших функций мозга» [13, с.72-73].
Манфред Эйген: перенос идей Дарвина в теорию гиперциклов
Немецкий химик Манфред Эйген (Manfried Eigen) - автор трудов, посвященных разработке методов исследования кинетики химических реакций. Он предложил релаксационные методы исследования сверхбыстрых химических реакций. Эти методы предполагают импульсное (однократное или периодическое) воздействие на химическую систему с помощью температуры, давления, электрического поля и других факторов и последующее наблюдение за тем, как указанная система переходит в новое равновесное состояние. Используя подобные методы релаксации, М.Эйген изучил, например, кинетику реакций ионов водорода и гидроксила в водном растворе, кинетику ассоциации карбоновых кислот. Применение методов релаксации к проблемам молекулярной биологии позволило изучить реакции катализа под действием ферментов, а также реакции образования полипептидами (цепочками аминокислот) спиральной структуры. В 1967 г.
М.Эйген удостоен Нобелевской премии по химии с формулировкой «за исследования экстремально быстрых химических реакций, стимулируемых нарушением равновесия с помощью очень коротких импульсов энергии».
В 1970-е годы научные интересы М.Эйгена переместились в сферу проблем зарождения жизни на нашей планете. Ему хотелось понять, как в далеком прошлом происходил процесс самоорганизации индивидуальных нуклеиновых кислот в более сложные структуры, как появились первые (примитивные) гены, способные кодировать синтез белков [14, с.791].
Манфред Эйген, наряду с Ильей Пригожиным, Германом Хакеном и Юрием Климонтовичем, стоял у истоков создания синергетики - науки, изучающей образование и самоорганизацию сложных структур в открытых системах, далеких от термодинамического равновесия [15].
В 70-е годы XX века М.Эйген разработал теорию гиперциклов - абиогенетическую теорию происхождения жизни. Гиперцикл - это способ объединения самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы. Пример такого объединения - нуклеиново-белковый гиперцикл. Гиперциклы (при всей их чисто химической природе) обладают некоторыми признаками живого: круговорот веществ и энергии, воспроизведение с наследованием (сохранением) информации, приспособляемость к изменяющимся условиям.
Как же М.Эйген создал указанную теорию гиперциклов? По аналогии с дарвиновской теорией эволюции биологических видов. Немецкий химик перенес на гиперциклы (автокаталитические макромолекулы, являющиеся объектами добиологической эволюции) такие понятия теории Ч.Дарвина, как случайность наследственных вариаций, конкуренция между организмами, отбор наиболее оптимальных форм. Используя понятие информации, рассмотренное К.Шенноном (1948) в теории связи и аналогичное понятию энтропии Л.Больцмана, М.Эйген несколько модифицировал это понятие. Отметив, что в эволюции важна ценность информации (а не только ее количество), немецкий химик показал, что дарвиновский отбор живых организмов или химических гиперциклов - это отбор ценной информации, т.е. информации, увеличивающей степень адаптации и сложности.
Тот факт, что М.Эйген (1971, 1973) построил теорию гиперциклов по аналогии с дарвиновской концепцией эволюции, освещается во многих источниках. Так, М.В.Волькенштейн и Д.С.Чернавский [16] отмечают: «В книге «Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул» (1973) Эйген впервые сформулировал концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного веществ а на основе матричной репродукции и последующего отбора. Таким образом, принцип Дарвина был применен к проблемам добиологической эволюции и происхождения жизни» [16, с.5].
Тот же М.В.Волькенштейн [17] говорит, что М.Эйген, перенося дарвиновскую идею естественного отбора в теорию гиперциклов, объединил понятие отбора с понятием ценности информации: «Эйген с полной ясностью показывает, что для биологии важна ценность информации, а не ее количество. Информация обретает ценность в реальном физико -химическом процессе, и эта ценность должна быть выражена в измеримых физических величинах. Эйген предлагает теорию отбора и эволюции макромолекул, основанную на ценности информации, определяемой как селективная ценность. Селективная ценность выражается через конкретные кинетические параметры» [17, с.7].
Сам М.Эйген [18] поясняет свой подход: «Введение параметра ценности (который может меняться практически непрерывно), связанного с каждым информационным состоянием, позволяет нам развить общую теорию, которая рассматривает возникновение или самоорганизацию «ценной» информации, объединяя тем самым дарвиновскую теорию эволюции с классической теорией информации, а также... обеспечивая количественную основу для молекулярной биологии» [18, с.188].
Рассматривая конкуренцию гиперциклов (автокаталитических систем) друг с другом как основную причину появления универсального генетического кода и хиральности (асимметричности молекул, открытой еще Луи Пастером), Манфред Эйген [19] излагает основные моменты своей концепции: «Выводы теории селекционного поведения конкурирующих циклов можно суммировать следующим образом. При селекционных ограничениях различные гиперциклы будут конкурировать за отбор. Только одна система выживает; она характеризуется наибольшей функцией ценности, которая имеет очень сложный вид и может быть выражена через параметры качества, а также через средние концентрации участников. Концентрации отдельных участников могут осциллировать, когда система проходит через нелинейную область. Отбор очень резкий и поэтому предполагает единственность кода и хиральности. Когда цикл начинается с выбора определенного кода и механизма трансляции, а он должен это сделать для воспроизведения своих функциональных особенностей, остро селекционное поведение приводит к универсальной утилизации (использованию - Н.Н.Б.) этого частного кода, поскольку новые циклы не могут сосуществовать после образования устойчивого гиперцикла» [19, с.574-575]. иммунология дарвин эмбриональный нервный
Дарвиновский принцип случайности наследственных изменений (мутаций), повышающих степень адаптации и, конечно, степень ценности той информации, которая воплощена в геноме наиболее успешных организмов, по аналогии подсказал М.Эйгену один из ключевых принципов его теории гиперциклов. И не только этой теории, но и концепции самоорганизации открытых систем, в разработке которой он принял участие (наряду с И.Пригожиным и другими учеными). Речь идет о принципе случайных событий, стимулирующих эволюцию открытых систем. В статье «Молекулярная самоорганизация.» [19] М.Эйген перечисляет основные условия (предпосылки) появления самоорганизующихся систем: 1) эволюция должна начинаться со случайных событий; 2) самоорганизация требует инструктивных свойств на молекулярном уровне; 3) информация «порождается» или приобретает ценность в результате отбора; 4) отбор происходит среди особых веществ в особых условиях [19, с.546-547].
Манфред Эйген подчеркивает, что в мире гиперциклов (на стадии добиологической эволюции) конкуренция была более интенсивной и «бескомпромиссной», чем дарвиновская конкуренция между видами: «...Гиперциклы конкурируют даже еще более ожесточенно, чем дарвиновские виды, с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся частью гиперцикла. Далее, они способны устанавливать глобальные формы организации благодаря свойству отбирать «раз и навсегда», которое не допускает сосуществования с другими гиперциклическими системами, если только они не стабилизированы связями более высокого порядка» [20, с.28].
Ч.Дарвин не знал, что наследственные вариации, возникающие случайно, - это ошибки репликации ДНК или РНК, происходящие с определенной частотой при скрещивании организмов. М.Эйген разработал теорию порога ошибки, согласно которой ошибки репликации являются причиной эволюции (поставщиком исходного материала для отбора), но они не должны превышать определенный порог, за которым наступает либо гибель организма, либо значительное уменьшение его жизнеспособности. Евгений Кунин в книге «Логика случая» [21] указывает: «Центральный принцип эволюции может быть сформулирован следующим образом: репликация цифровых носителей информации неизбежно подвержена ошибкам, что влечет за собой эволюцию этих носителей путем естественного отбора. при условии, что уровень ошибок репликации ниже катастрофического порога, имеющего порядок величины от одной до десяти ошибок на геном за один цикл репликации. Назовем это обобщение принципом подверженной ошибкам репликации (ПОР). Этот принцип становится самоочевидным, как только мы осознаем существование и основной механизм репликации. Он был впервые описан математически в теории Манфреда Эйгена (Eigen, 1971), который также ввел понятие концепции порога ошибки.» [21].
Андрей Козлов и другие ученые: перенос идей Дарвина в теорию развития раковых (опухолевых) клеток
В XX веке опухоли или опухолеподобные процессы нашли практически у всех многоклеточных организмов, в том числе у беспозвоночных. Выяснилось, что чем выше организация животных, тем чаще у них возникают опухоли. Например, у насекомых они встречаются чаще, чем у всех более низкоорганизованных беспозвоночных. У позвоночных - чаще, чем у низших хордовых (оболочников и ланцетников), а у костистых рыб чаще, чем у хрящевых. Опухоли могут быть вызваны облучением или патогенами (бактериями и вирусами), но значительную часть раковых опухолей составляют спонтанные новообразования генетической природы. Откуда берутся эти спонтанные новообразования? Почему медицинская наука (несмотря на многолетнее финансирование и множество проведенных исследований) не нашла эффективных средств против рака? Ученые установили, что основная трудность борьбы с раком - мутации, периодически происходящие в генетическом аппарате нормальных клеток. Если работающие в нашем организме системы репарации повреждений ДНК и РНК, устраняющие генетические ошибки, не «замечают» какие -то из этих повреждений, то мутации будут множиться, создавая риск появления бесконтрольно делящихся опухолевых клеток.