В той первой капле в подкипящем состоянии (250 – 200 оС и 50 атм.) первая тетрамерная спиральная цепочка связанной с жестким силикатным субстратом воды, совершенно случайно оказалось левовращающей (с той же вероятностью она могла быть и правовращающей). На ней была синтезирована первая аминокислота, которая уже не случайно получилась левовращающей. К первой тетрамерной цепочке присоединилась вторая, тоже левая, как и синтезированная на ней аминокислота, то есть все последующие аминокислоты становились левовращающими. И так последовательно заработал водно-матричный механизм синтеза сразу хирально-чистой аминокислотной органики.
Однако одновременно с левовращающими «разворачивались» и правовращающие тетрамерные цепочки связанной воды, на которых позднее начался синтез менее термостойких сахаров – основы нуклеиновых кислот. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов неумолимо вел к образованию сложных нуклеопротеидных комплексов с записью в их примитивной РНК однозначного генетического кода.
Итак, главным фактором хирального очищения органики и возникновения генетического кода живого вещества Земли могло быть лишь одно из необычайных свойств воды, а именно ее собственная рацемичность. Следует отметить также, что в принятых сейчас сценариях биопоэза синтез рацемичной предбиологической органики происходил в уже существовавшем океане, в котором позднее произошла хиральная катастрофа.
В интерпретации же Ю. А. Колясникова все началось с самой первой капли, и далее шла стремительная экспансия бульонной пленки с синтезом в ней сразу хирально-чистой органики, что исключает маловероятную хиральную катастрофу. В результате на поверхности планеты образовался первобытный Солярис, огромная сеть бульонной пленки состоящей из предбиологического органического вещества.
С появлением в первом вулканическом катаклизме 4 млрд. лет назад на поверхности планеты свободной воды, уцелевшие фрагменты первобытного Соляриса дезинтегрировались в плазмиды, прионы и наноразмерные нуклеопротеидные комплексы. Избегая прямого контакта с чуждой им объемной политетрамерной водой, последние сворачивались, формируя белковые капсулы с РНК внутри них. Следовательно, вторым этапом биопоэза можно считать образование в первичной гидросфере бесчисленного множества разнообразных протовирусов, вироидов и прочих.
Позднее появились мембраны разного состава, а на их основе возникли первые клетки как вполне автономные истинно живые системы. Но и те, и другие продолжали использовать в своей жизнедеятельности первичную водную матрицу, обеспечивающую ускоренный синтез их биополимеров.
В настоящее время большинство ученых придерживается традиционных представлений о зарождении жизни в древнем теплом океане. Однако ряд открытий сделанных в последние одно-два десятилетия, главным образом крупнейшими микробиологами мира указывает на несколько иной порядок вещей. К. Везе, обобщая данные по эволюции микроорганизмов, расположил данную группу в основании бактериального филогенетического дерева. Таким образом, все прокариоты разделились на две группы - архебактерий и эубактерий. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что архебактерии и эубактерии являются параллельными ветвями, развившимися из общей гипотетичной предковой формы - Прогенота. Реконструирование главных характеристик Прогенота, проведенное К. Везе, привело к вполне определенному выводу: наш общий предок существовал при температуре кипения воды, т. е. был гипертермофилом. Однако кроме проблемы температуры среды, в которой зародилась жизнь, существует и другая, более важная проблема: проблема понимания существа и причинности процессов, приводящих к возникновению простейших форм жизни.
Путь к решению данной проблемы на взгляд автора пролегает через комплекс идей и концепций, рассматривающих явления самоорганизации природных систем. В основании этого направления лежит сформулированная в рамках неравновесной термодинамики теория диссипативных структур. К классу диссипативных структур относятся все без исключения биологические и социальные системы, а также некоторые химические и физические системы, в которых существуют незатухающие динамические явления. Фактически в рамках теории диссипативных структур сформулирован целый ряд универсальных законов появления, развития и отмирания природных систем, которые справедливы в частности и для широкого класса биологических систем.
Кратким итогом сказанного выше являются три основных требования к среде, в которой зародилась жизнь:
1. Среда должна быть высокотемпературной;
2. В ней должны были происходить сильные колебания термодинамических и физико-химических параметров.
3. Среда должна быть жидкой.
Рассмотрим на основе этих критериев возможные среды, в которых могла возникнуть жизнь.
На планете Земля известны две жидкие глобальные геологические системы - гидросфера, объединяющая приповерхностные воды, главная масса которых сконцентрирована в океане и гидротермальные системы, представляющие обычно высокотемпературные глубинные потоки растворов, составленные из ювенильных и вадозных вод. Общее сопоставление химического состава планетарного океана и усредненного состава гидротермальных источников показывает наличие большого сходства. Эта особенность является естественной, поскольку океан формировался за счет мощных гидротермальных излияний в ходе геологического развития Земли.
Переходя ко второму критерию среды возникновения жизни - ее высокотемпературности - следует сделать выбор из этих двух сред в пользу гидротермальных систем. Хотя следует отметить, что критерий высокотемпературности не позволяет сделать окончательный выбор между океаном и гидротермальными системами, так как в случае исходно горячей Земли первичный океан тоже должен быть достаточно горячим.
Третье требование к среде - сильная неравновесность - является ключевым. Требования сильной неравновесности среды, необходимой для спонтанного возникновения явлений самоорганизации, означает наличие в среде сильных флуктуаций. Амплитуда флуктуаций должна быть велика для преодоления критического рубежа, за которым начинаются процессы самоорганизации. При небольших колебаниях параметров относительно средних равновесных значений никакой самоорганизации не происходит, последняя возникает только вдали от состояния равновесия. Оценивая с этих позиций степень возможных флуктуаций в океане можно сказать, пользуясь терминологией неравновесной термодинамики, что океан находится в состоянии аттракции, или относительно (подвижного) равновесия, которое характеризуется небольшими колебаниями параметров вокруг равновесных значений.
Принципиально иными в рассматриваемом аспекте являются гидротермальные системы. Кардинальное отличие гидротермальных систем от океана заключается в том, что они обладают собственной мощной энергетикой. Вследствие избытка свободной энергии в системе периодически происходит накопление напряжений, выражающееся в возрастании интенсивных параметров (температуры и давления). Так же периодически накопленные разряжаются, приводя к увеличению экстенсивных параметров – объема преобразованного растворами минерального вещества. Такая внутренняя активность гидротермальных систем и вызывает постоянные и различные по амплитуде флуктуации, поддерживающие состояние неравновесности.
Таким образом, наиболее вероятной средой для возникновения жизни являются глубокие области гидротермальных систем (от глубин в несколько километров до поверхности). Эта область характеризуется:
1. наличием высокотемпературной жидкой, существенно водной среды;
2. существованием в ней мощных динамических возмущений, и флуктуаций термодинамических и физико-химических параметров;
3. присутствием разнообразного растворенного и дисперсного органического вещества.
Эту зону автор рассматривает как своеобразный природный инкубатор, в котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни.
В процессе гравитационного коллапса звезд гравитационная энергия превращается в тепло и энергию световых квантов, инициируя реакцию слияния протонов в a-частицы. Дальнейшее сжатие и сопровождающий его разогрев звезды создают условия для синтеза из a-частиц ядер углерода. В этих процессах высвобождается громадное количество энергии – намного больше чем при изменении гравитационной энергии. Это происходит за счет превращения вещества в энергию в реакциях нуклеосинтеза.
В CN-цикле протоны сливаются в a-частицы, при этом углерод выступает в роли катализатора. Кроме того, a-частицы могут и непосредственно взаимодействовать с ядрами кислорода, порождая ядра неона, магния, кремния и серы. В процессе фоторасщепления ядер энергия электромагнитного излучения инициирует образование и более тяжелых ядер вплоть до ядер железа.
Таким образом, в образовании химических элементов участвуют источники энергии четырех типов: гравитационной, тепловой, ядерной и энергии световых квантов.
Химические элементы образовавшиеся в ходе звездного нуклеосинтеза, объединяются друг с другом при относительно низких температурах на поверхности твердой коры планеты и образуют широкий спектр малых молекул. Под действием потоков энергии (молнии, УФ-излучение, вулканическое тепло) наиболее стабильные молекулы (СО2, N2, Н2О) превращаются в более сложные соединения (сахара, и аминокислоты) которые становятся «строительными блоками» жизни.
Простые молекулы-предшественники под действием потоков энергии различной природы соединяются с образованием мономеров. Моделируя в лаборатории условия, существовавшие на примитивной Земле, и используя в качестве простых молекул СН4, СН2О, Н2О и NH3 удалось получить аминокислоты, сахара и азотистые основания (составляющие ДНК и РНК).
Смешанные олигомеры – биологически важные молекулы – образующиеся из мономеров в ходе реакции конденсации. Этот механизм формирования более крупных молекул является универсальным в биологии.
Для создания любого полимера организм должен затратить энергию. Связано это с тем что биологические полимеры находятся в водной среде, где весьма вероятен их гидролиз. Живые организмы получают необходимую им энергию за счет каталитически активных ферментов.
Это и есть суть проблемы Уробороса[1]: создание полимеров требует наличия полимеров. Иными словами: для того чтобы получить энергию, необходимую для синтеза полимеров, необходимо затратить энергию.
Рассматривая энергетически метаболизм и процессы полимеризации активированных мономеров, мы сталкиваемся с одним интересным моментом: продукты этих процессов, полимеры, являются очень важными компонентами молекулярного аппарата, при помощи которого сами эти полимеры образуются.
В этом смысле полимеры представляют собой самозарождающиеся объекты. Их синтез служит иллюстрацией головоломки Уробороса на молекулярном уровне, и разгадка этой головоломки аналогична решению проблемы самозарождения механизма синтеза полимеров.
На примитивной Земле протекали различные химические процессы, но особую роль играли те из них, в основе которых лежит фосфор. В конечном счете именно с помощью энергии фосфатной связи появилась возможность направлять энергию геофизических окислительно-восстановительных реакций на инициацию процессов в органическом веществе, существовавшем на ранней Земле. Благодаря превращению энергии окислительно-восстановительных реакций в энергию фосфатных связей произошла энергетическая инициация полимеризации мономеров.
Подойти к решению проблемы перехода от неживой материи к живой позволяет изучение механизмов, используемых современными организмами для генерации энергии фосфатных связей и синтеза полимеров. Это помогает также выявить те компоненты и механизмы, которыми должен был обладать примитивный Уроборос, чтобы считаться «живым».
Живая клетка использует белки в различных целях. Большинство видов белков является ферментами, катализирующими множество реакций, включая те из них, которые обеспечивают энергетический метаболизм, синтез мономеров и полинуклеотидов.
Полинуклеотиды используются клетками, прежде всего в процессе синтеза белков. Комплиментарность нуклеотидов четко контролирует аминокислотную последовательность синтезируемых белков и гарантирует правильность нуклеотидной последовательности в полинуклеотидах, образующихся в процессе репликации при размножении организма.
Пытаясь построить модель примитивного Уробороса, мы все время должны помнить, что все события происходили в геологическом масштабе времени. Относительно простой, примитивный Уроборос не мог возникнуть мгновенно даже после того, как на первобытной Земле были созданы условия, благоприятные для зарождения жизни.
Протеиноиды – термические белки. Образуются при самопроизвольном синтезе аминокислотных цепей. Длина и состав протеиноидов зависит от состава исходной аминокислоты, температуры и других условий.
Биохимики обнаружили, что при растворении протеиноидов в воде они спонтанно образуют сферы диаметром примерно 1 мкм. Такие объекты получили название микросфер.
Поскольку существовали микросферы, способные к синтезу РНК и, следовательно, небольших белков, то определенные последовательности РНК могли случайным образом кодировать короткие белки, способные катализировать копирование РНК (т. е. белки, обеспечивающие полимеризацию нуклеотидов на существующей молекуле РНК). Вторая копия этой РНК была бы идентична исходной РНК. Таким образом, эта модельная РНК могла функционировать как способный к воспроизведению ген, т. е. могла возникать самовоспроизводящаяся система – Уроборос.
Очень важной особенностью предложенной примитивной модели является ее эволюционные возможности: неточная репликация трансляция гена создает основу той самой мутабильности, которая может привести к отбору систем, обладающих наиболее совершенными механизмами энергетического сопряжения и использования энергии.
Зарождение жизни - точка отсчета для развития всего живого мира на Земле. Именно в этот момент начали функционировать фундаментальные законы существования живых организмов, которые с ходом поступательного развития жизни становились только более многоуровневыми и дифференцированными. Не поняв существа этих базисных законов, мы лишаем себя возможности осмыслить целый ряд важнейших аспектов в эволюционной биологии, цитологии, микробиологии, экологии, учении о биосфере и других науках, включая медицину и валеологию[2]. Можно сказать, что понимание причины и механизма возникновения первичных живых форм является тем ключом, который облегчит проникновение в тайны существования растений, животных и человека, и поможет найти оптимальные подходы к их гармоничному, или органичному, сосуществованию. Именно поэтому "ориджинология[3]" - должна занять достойное место в ряду других наук.
Кроме познавательного аспекта, ориджинология имеет важнейшее практическое значение. В настоящее время на планете быстрыми темпами развиваются глобальные изменения, связанные, прежде всего с ухудшением состояния экосистем и здоровья населения планеты. Многие ученые сходятся во мнении, что главным резервом, на который человечество может опираться в своем дальнейшем существовании, является системный ресурс биосферы. Другим резервом, является системный ресурс самого человека, его огромные потенциальные возможности, которые могут развертываться в трудных ситуациях. В решении обоих этих проблем могут быть использованы знания, накопленные учеными в ходе исследований, посвященных возникновению жизни на Земле.
Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.
Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из "органических" соединений, созданных в результате неорганических процессов.. эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни. Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.
1. Бернал Дж. Возникновение жизни. Москва: «Мир» 1969. 391 с.
2. Калвин В. Химическая эволюция. М.: Наука, 1971 - 190 с.;
3. Камшилов М. М. Эволюция биосферы. Москва: «Наука» 1974. 254 с.
4. Колясников Ю. А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.
5. Компаниченко В. Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996, 105 с.
6. Руттен М. происхождение жизни (естественным путем). Пер. с англ./ Перевод Фролова Ю. М.; Под ред. и с предисл. Опарина А. И. – М.: Мир, 1973 – 415 с. с ил.
7. Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле: Пер. с англ. – М.: Мир, 1992. – 216с., ил.
8. Фолсом К. Происхождение жизни: Маленький теплый водоем. Пер. с англ./ Перевод Кирпотина Д. Б.; Под ред. и с предисл. Деборина Г. А. – М.: Мир, 1982 – 160 с. с ил.
[1] Уроборос – мифологический змей, символизирующий идею самозарождения.
[2] Валеология - наука о профилактическом укреплении здоровья.
[3] Ориджинология (originology) - наука о происхождении жизни, располагающаяся на стыке геологии, биологии, химии и неравновесной термодинамики. Этот термин предлагается автором в данной работе впервые.
Страницы: 1, 2
