13. Три этапа космической эволюции в сторону жизни. Часть 1
Линейная доминанта
в понимании природы живой материи,
происхождения и сущности жизни
«Я хочу узнать, как Господь создал этот мир. Мне неинтересно отдельно то или иное явление, спектр того или иного элемента; я хочу знать Его мысли. Всё остальное - детали».
(А. Эйнштейн)
Исторически сложилось так, что научная мысль, в своих попытках раскрыть сущность жизни, сосредоточилась главным образом на функциональных аспектах этого природного феномена, а с некоторых пор - и на возможности его описания мерой абстрактной сложности, безотносительно уже к какому-либо конкретному материальному субстрату. Развитию именно такой, отвлеченной и умозрительной тенденции в значительной мере способствовали математики (А.Н Колмогоров, А.А. Ляпунов), кибернетики (Н. Винер, А.А. Берг) и астрофизики (Ф. Дайсон, Ф. Хойл).
«Жизнь есть скорее процесс, чем структура», - утверждал создатель общей теории систем Л. Берталанфи. «Химическим аспектам возникновения жизни я придаю большее значение, нежели физической форме», - подчеркивал в своих трудах выдающийся физик-кристаллограф Дж. Бернал. «Сущность жизни связана с организацией, а не с субстанцией», - вторил им позднее Ф. Дайсон. Этот могучий лейтмотив, заданный в свое время столь крупными научными авторитетами, настойчиво повторяется и ныне в различных публикациях, особенно философского характера.
Попробуем, однако, отойти от сложившихся стереотипов и посмотреть на столь многосложный предмет иначе, под другим углом зрения, опираясь при этом на строгие и выверенные научные факты. По традиции, идущей от Э. Шрёдингера, вновь зададимся вопросом: «что же такое жизнь?». Но теперь уже, с точки зрения структуры.
Верхний ряд: А.Н. Коломогоров, А.А. Ляпунов, Н. Винер, Ф. Дайсон
Нижний ряд: Ф. Хойл, Л. Берталанфи, Дж. Бернал, Э. Шрёдингер
Условимся сразу, что всякого рода произвольные постулаты, абстрактные и запредельные метафизические представления о жизни останутся за рамками нашего исследования. Ограничимся той реально наблюдаемой, вещественной формой жизни, которая существует на Земле около четырех миллиардов лет и таит в себе столько неразрешенных загадок, что их вполне хватит еще на многие поколения исследователей.
Первый этап:
ассоциация идентичных молекулярных образований
в одномерном (линейном) порядке
В природе наблюдается удивительная закономерность: однородные элементы (материальные образования как носители идентичных свойств и качеств) стремятся к объединению и обособлению. Подобное притягивается подобным, однородности имеют склонность к плотной упаковке.
(Этот тезис не следует расценивать так, что разнородные элементы не могут объединяться в единую, качественно новую систему. Напротив, такого рода объединения не только существуют, но имеют очень большое значение в природе. Но это уже, как говорится, другая сторона одной медали.)
Пути к достижению такого эффекта бывают разные. Движущие силы и механизмы реализации этой тенденции могут сильно отличаться друг от друга в зависимости от происхождения и специфики конкретного объекта. Но результат в принципе всегда один и, более того, - он вполне очевиден.
Вот некоторые примеры. Относительное содержание химического элемента золота составляет на Земле ничтожно малую величину - 0,0000005%. Казалось бы, в чистом виде он не должен существовать в природе. Тем не менее, известна не только высокая концентрация этого металла в некоторых рудах. Встречаются довольно увесистые самородки золота, которые представляют собой средоточие огромного количества однородных атомов. В котлах тепловых электростанций, во избежание накипи, применяют, как известно, наиболее чистую воду. Атомы меди составляют в такой воде миллионные доли процента. Тем не менее, на стенках котлов с течением времени вырастают в процессе эксплуатации обособленные комки (агломераты) чистой меди массой до нескольких килограммов.
Если говорить строго научным языком, оба примера являются отражением широко распространенного и очень значимого класса физических явлений и процессов, называемых кристаллизацией.
(О том, насколько широко и масштабно распространена кристаллизация в природе, свидетельствует твёрдая часть Земли (литосфера), представляющая собой мощный кристаллический панцирь, охватывающий всю планету слоем, толщиной в десятки и сотни километров.)
Но обратимся к объектам живой природы. Если растереть в однородную кашицу ткани печени и почки, то сохранившие жизнеспособность клетки будут активно выделяться из общей массы и фракционироваться («кристаллизоваться») посортно. Живые клетки ведут себя в данной ситуации по принципу «возьмёмся за руки, друзья!».
(Возможно, нечто подобное (то есть объединение и обособление группы однородных клеток), а не деление клетки, которое почему-то не дошло до конца (как это традиционно принято считать в биологической науке), породило когда-то в скоплениях одноклеточных организмов сначала колониальные формы, а затем привело к образованию в процессе эволюции настоящих многоклеточных организмов.)
Это только внешне кажется, что разные живые существа (скажем, травянистые растения), совместно обитающие на одной и той же территории, хаотически и безучастно перемешаны друг с другом. На самом же деле особи каждого биологического вида, характеризующиеся общностью морфологических, физиологических и генетических признаков, объединены незримыми связями в отдельные группировки, так называемые популяции. Впрочем, когда подвижные животные (насекомые, рыбы, птицы, млекопитающие и др.) собираются в стада или стаи, реальность этих связей становится вполне очевидной.
Еще больше стремятся к объединению в группы люди, особенно если их связывают общие интересы. Отсюда происходят кружки, клубы, общины, политические партии, профессиональные, национальные и религиозные организации и тому подобные формы социальной упаковки. Безграничные и качественно новые возможности для реализации этой тенденции открыл ныне Интернет, позволивший создавать различного рода социальные сети.
Вернёмся, однако, к упомянутому выше физическому явлению кристаллизации как частному, хотя и чрезвычайно широкому, случаю рассматриваемой тенденции. Тут мы должны особо выделить два крайне важных (для грядущей жизни) обстоятельства. Во-первых, атомы разных химических элементов способны иногда в процессе кристаллизации замещать друг друга, если только они имеют близкие характеристики (размеры, форму, заряд, химическое сродство). А это значит, что в принципе объединяться в кристаллы могут совместно не только совершенно идентичные, но и квазиидентичные частицы. Во-вторых, наиболее часто кристаллизация порождает в природе объёмные, трехмерные структуры (в соответствии с трехмерной кристаллической решеткой). Но бывает и так, что рост кристалла идет только в одном направлении. Строительные элементы выстраиваются в цепь (словно «взявшись за руки»), в результате чего возникают одномерные, линейно организованные образования (нити), длина которых на порядки превышает их поперечные размеры.
Наше представление о нитях преимущественно связано с органическими линейными полимерами (натуральными или синтетическими). Однако нити широко распространены и в неорганической природе. Более того, минеральные линейные образования первичны по своему происхождению. Они стали появляться вслед за образованием твердой земной коры из горячего расплава.
Во всех классах неорганических минералов встречаются ныне нитевидные (одномерные, линейно организованные) кристаллы. Известны самородные волокнистые кристаллы упомянутого золота, а также серебра, меди, олова, свинца, селена, серы, имеющие нередко значительную длину. Так, тончайшие нити самородного серебра достигают в длину до 0,5 м. Они обычно сильно изгибаются, скручиваются и спутываются в клубки. Тончайшие нити карбоната кальция и гипса, образующиеся в пещерах, способны в силу своей гибкости наматываться и завязываться узлом. Природные нитевидные кристаллы часто срастаются в различного рода агрегаты (гипс, самородное серебро). Широко распространены, например, параллельно-волокнистые (асбесты) и спутанно-волокнистые (нефриты, пилорические асбесты) агрегаты. В форме нитей и волокон в природе кристаллизуется множество силикатов, сульфидов, фосфатов, галогенидов, окислов и гидроокислов, боратов, карбонатов и многих других химических соединений.
Линейные минералы не только предшествовали природным органическим полимерам. Они создали условия для их образования и дальнейшего усложнения. Суть в том, что в результате химической эволюции Земли (которая последовательно шла от геологического к биологическому, от минерального - к органическому) на ее арену с течением времени вышли простые поначалу производные углерода. Возможность абиогенного синтеза органических соединений типа аминокислот, пуринов, пиримидинов, сахаров и многих других в условиях древнейшей Земли была подтверждена экспериментально еще в 50 - 60-х годах прошлого столетия. Довольно сложные органические молекулы найдены затем и в околозвездном пространстве. В общем, образование подобных соединений в условиях космоса и ранней Земли нисколько не противоречит законам физики и химии.
Особую эволюционную перспективу при всем этом приобрели два класса соединений - с одной стороны, нуклеотиды, основу которых образует углевод пентоза (рибоза или дезоксирибоза) с присоединёнными к нему азотистым основанием (производное пурина или пиримидина) и остатком фосфорной кислоты, а с другой, - упомянутые аминокислоты.
Специалисты подчеркивают, что в условиях водной среды, с которой ученые чаще всего связывают зарождение жизни, линейная кристаллизация (полимеризация, поликонденсация) как тех, так и других мономеров весьма затруднительна. Для этого требуются внешний источник энергии и присутствие катализаторов. Однако в природе уже существовала, как мы только что видели, линейно организованная силикатная проматрица, способная аккумулировать солнечную энергию и обладающая к тому же каталитической активностью. Весьма вероятно поэтому, что именно силикаты инициировали на границе гидросферы и литосферы линейный матричный синтез («по образу и подобию») первых органических молекул - сравнительно коротких поначалу РНК-овых молекул, а возможно, и полипептидов. И, стало быть, кремний как химический элемент (содержание которого в современной земной коре составляет, кстати, 29,5% от её массы против 2,3∙10-2 % углерода), выполнил тем самым свою великую историческую миссию в качестве предшественника главному элементу жизни - углероду.
При всем этом, как и в случае с минеральными кристаллами, выстраиваться и объединяться в одну молекулярную цепь с равным успехом и в различном (практически неограниченном по числу вариантов) сочетании смогли не только совершенно идентичные, но и квазиидентичные органические мономеры (то есть разные аминокислоты и разные нуклеотиды)! По этой причине в природе возник совершенно новый прецедент: была запущена первая строка литерного текста, набранная различными по своей форме молекулярными буквами. И, стало быть, в принципе открылась потенциальная возможность созидания (путем комбинаторики на линии мономеров-букв) определенных «слов», а затем «фраз» и других смыслонесущих конструкций, закрепляемых в процессе естественного отбора. Более того, открылась возможность «работы» над текстом, связанной с обогащением его семантикой, «редактированием» и «корректированием». Разумеется, при наличии соответствующих молекулярных механизмов распознавания текста, а также считывания и воспроизведения закодированной в нём информации.
(Не будем упускать из виду также, что помимо нуклеотидмонофосфатов, образующих генетическую нить, огромное значение в судьбе жизни имели существующие в свободном состоянии макроэргические нуклеотиддифосфаты и нуклеотидтрифосфаты. Особенно важную роль приобрела аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - универсальный аккумулятор энергии и непосредственный её источник для всех процессов жизнедеятельности. Запасённая в макроэргических связях (P-O-P) потенциальная энергия освобождается при гидролитическом отщеплении одной фосфатной группы и превращении АТФ в АДФ. Более того, эти соединения явились непосредственными предшественниками (исходным субстратом) для биосинтеза нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Образование и гидролиз АТФ происходят ныне во всех типах живых клеток непрерывно.).
Продолжение следует