Українська (найновіша версія) / Русский язык (обновление прекращено)
2.12. (дополнение) Возникновение жизни. Предживые системы
Мифологическое сознание рассматривало возникновение жизни как результат работы различных творцов. Различные религии развили эти представления, которые можно назвать креационизмом — учением о сотворении жизни Творцом. В то же время в античности и средневековье казалось, что самозарождение живых организмов — обычное дело. С развитием биологии трудами Ф. Реди (середина XVII в.) и Л. Пастера (середина XIX в.) было показано, что живые организмы возникают только от себе подобных. Возникли представления, что неорганические и органические вещества разделяет пропасть, для преодоления которой необходимо действие «vis vitalis» — жизненной силы. Искусственный синтез мочевины, который осуществил в 1828 г. Ф. Велер, положил начало опровержению таких взглядов.
В XX веке развитие получили научные (отличающиеся от наивных, характерных для древности) представления о возможности возникновения органических веществ из неорганических. Они легли в основу различных теорий абиогенеза, рассматривающих возможные пути возникновения первых живых организмов из неживого вещества. К сожалению, среди широкой публики и даже среди специалистов в других отраслях биологии распространились неверные представления о том, что жизнь возникла благодаря невероятной случайности.
В возникновении жизни важна роль случайных событий, однако это не означает, что из неживой материи может случайно возникнуть живая. Вероятность такого события астрономически мала. Чтобы случайность могла привести к самоорганизации, нужен механизм отбора определенных случайных отклонений. Представим себе мяч (например, футбольный), который подпрыгивает на месте, используя энергию из какого-то источника. Его перемещения — аналог случайных изменений развивающихся систем. Можно ли в результате небольших прыжков в случайном направлении оказаться на крыше 16-ти этажного дома? Напрашивается ответ «нет», однако он не верен. В один прыжок взлететь на крышу невозможно. Однако если на крышу ведет лестница, состоящая из множества небольших ступенек, такой подъем становится возможным. Но, заскочив на одну ступеньку, мяч может спуститься с нее! Значит, нужен механизм, «фильтрующий» изменения, ведущие в определенном направлении. Такой фильтрующий механизм — естественный отбор.
С помощью использованной метафоры мы можем заключить, что для возникновения жизни необходимы и достаточны три условия. Это:
— возможность полного спектра переходных состояний между неживыми и живыми системами;
— возможность самопроизвольных переходов из одних состояний в другие, соседние;
— действие отбора, преимущественно сохраняющего и воспроизводящего «более живые» системы.
Насколько можно судить на основании современных научных данных, все три эти условия выполняются. Разговор о случайном возникновении жизни относится к области научной мифологии; сейчас следует исследовать возможность перехода химической эволюции в биологическую.
Одна из важных с этой точки зрения проблем — выяснение механизма синтеза органических веществ. Не вдаваясь в излишние детали, укажем, что разнообразные органические молекулы появляются естественным путем в условиях, соответствующих ранней Земле и даже открытому космосу!
Земля — планета, обладающая активными и подвижными оболочками: литосферой, гидросферой и атмосферой. Совокупно с деятельностью живых организмов их активность поддерживает биогеохимические циклы в биосфере. Может показаться, что эти циклы — результат существования жизни, хотя на самом деле они являются ее причиной.
Температура открытого космоса на 4 К (кельвина) выше абсолютного ноля, а поверхности такой звезды, как Солнце — 6 000 К. Планеты находятся в потоке энергии, рассеиваемой центральным светилом. Из-за формы планет их поверхность нагревается неравномерно; если они вращаются, это приводит к циклическим изменениям количества энергии, падающего на их участки. Если на планете есть атмосфера или гидросфера, неравномерность нагрева приводит к их циркуляции. Если диапазон изменений температур таков, что при нем происходят агрегатные переходы распространенных веществ (как воды на Земле или метана на Титане, спутнике Юпитера), круговороты на поверхности такого небесного тела становятся особенно сложными. Движение атмосферы и гидросферы вовлекает в себя поверхность литосферы. На крупных планетах, имеющих горячее ядро, мантию и кору, процессы в литосфере усложняются благодаря тектонике плит.
Кроме перемещения веществ, на поверхности таких планет начинают идти разнообразные химические реакции. Их предпосылка — химическая сложность планетарной поверхности, наличие на ней органических соединений. Циклическая смена условий обеспечивает циклический характер химических реакций. Одни и те же превращения веществ могут обеспечиваться различными конкурирующими реакциями. Те из реакций, которые оказываются самыми эффективными и устойчивыми (например, благодаря автокаталитическому эффекту), преобразуют большую часть имеющихся ресурсов и вытесняют менее эффективные реакции. Так еще на уровне химических реакций включается механизм естественного отбора.
Благодаря естественному отбору на уровне автокаталитических химических реакций происходило их совершенствование, появление механизмов запасания энергии.
В ходе возникновения жизни на Земле или на другой планете должны были существовать системы, носящие промежуточный характер между живыми и неживыми. По мере появления более эффективных механизмов преобразования вещества и энергии и, в конце концов, современной жизни, такие системы должны были исчезать. Наши сегодняшние знания о них носят в большой мере гипотетический характер, но постоянно пополняются благодаря изучению способности неживых систем к самоорганизации.
Например, можно предположить, что современной биосфере предшествовал так называемый «Мир РНК». Как известно, белки (благодаря ферментативной активности) выполняют все основные биологические функции, за исключением кодирования наследственной информации — функции ДНК. В известных нам организмах эти два класса полимеров (ДНК и белки) неразрывно связаны друг с другом. Однако полимер, обеспечивающий их взаимодействие (РНК), способен выполнять обе функции. Каталитический центр рибосом, отвечающий за синтез белка, полностью построен из РНК. Сейчас известно немало молекул РНК, обладающих ферментативной активностью — рибозимов. В то же время в растворе, содержащем необходимые нуклеотиды, копии РНК могут образовываться и при отсутствии белков. Это дает основания предполагать, что одним из этапов возникновения жизни был «Мир РНК» — мир примитивных живых (или предживых) систем, основой которых была РНК. Если жизнь возникла на Земле, «Мир РНК» существовал на ней, а если занесена на Землю из космоса, — где-то в другом месте. По мере совершенствования предживых систем «Мира РНК» каталитические функции могли переходить к белкам, а функции хранения генетической информации — к ДНК, более устойчивому и менее химически активному полимеру.
Дополнительные материалы:
Колонка: Добиологический отбор