Жизнь появилась только однажды (часть 1)

Теория эволюции рассматривает собственно процессы эволюции живых организмов, закономерности этого процесса и его вариации. Собственно, иного было бы странно ожидать от нее. Когда к эволюционной теории предъявляют претензию по поводу неспособности объяснить само происхождение живой материи, эволюционисты могут вполне законно развести руками. Они, по сути своей работы, не обязаны этого знать. Это - не вопрос собственно биологии. Ответ на такой вопрос должны давать две ветви разных науки: биохимия и химия высокомолекулярных соединений. Не случайно этап до появления живой материи называют химической эволюцией. Что же это за этап такой, который при сегодняшнем уровне знаний можно только моделировать?
Мы все знаем, что между органической и неорганической химией есть одно существенное различие: органическая химия рассматривает только те соединения, которые содержат углеродные цепочки. Сейчас следует сделать лирическое отступление и поговорить вот о чем: неуглеродной жизни, судя по-всему, быть не может. Конечно, это заявление перечеркивает все надежды писателей-фантастов на встречу с какими-то иными формами жизни (кремниевой, борной и т. д.). Почему? Из всех элементов более или менее стабильные цепочки атомов могут образовывать углерод, кремний и бор. Конечно, мне могут возразить химики, что еще это умеет делать сера, у которой есть даже аллотропная модификация (т. н. пластическая сера), которая полностью состоит из длинных цепочек атомов. Но это все лирика. Кроме возможности образовывать цепочки, для образования биополимеров (т. е. тех, что лежат в основе жизни) требуется соответствовать еще как минимум четырем критериям:
1. Возможность образовывать гетероатомные цепочки и гетероциклы (если помните, то в основе рибонуклеотидов лежат пуриновые и пиримидиновые основания, которые являются гетероциклическими соединениями).
2. Возможность существования цепочки в различных конформациях (ферменты, напомню, являются прекрасным примером того, как разные конформации могут приводить к совершенно разным свойствам).
3. Возможность образования ковалентных связей с другими атомами (опять же, в основе жизни лежат аминокислоты - компоненты любого белка).
4. Последнее и, пожалуй, самое главное условие - это термодинамическая устойчивость. Т. е. соединения должны быть стабильными настолько, насколько это необходимо для образования и поддержания структуры.
Конечно, биополимер не может соответствовать только части из этих критериев. Все эти свойства должны проявляться в совокупности. Иначе толку от него мало. Вот, например, бор. Он существует в виде цепочек и даже циклов. Но соединения бора, подобные углеродным, не обладают устойчивостью. Кроме того атомы бора в цепочке могут образовывать только одну связь с другим атомом. О сере и говорить не стоит. Она прямо на глазах теряет пластические свойства и становится моноклинной. Т. е. цепочечная структура разрушается. Чтобы получить пластическую серу снова, необходимо ее расплавить и резко охладить. Согласитесь, неприемлемо для живого организма.
Остается кремний, как альтернатива углероду. В химии хорошо разработан раздел кремнийорганических соединений. Но справедливости ради нужно сказать, что кремниевые цепочки не обладают какой-либо удовлетворительной термодинамической устойчивостью. Стабильны непосредственно сами кремнийорганические соединения, где кроме кремния присутствует еще и углерод. Т. е. в чистом виде кремниевых аналогов углеродных соединений нет. Остается только сам углерод. Вот на этом и остановимся. Только он способен образовывать термодинамически устойчивые соединения, среди которых есть еще более устойчивые гомоциклические и гетероциклические. Цепочки углерода могут пребывать в различных конформациях и образуют устойчивые ковалентные связи с другими атомами. Все условия выполнены. Лирическое отступление закончено простым и естественным выводом: жизнь возможна только на основе углерода.
Но и тут стоит оговориться. Вот в чем дело: мы не можем утверждать, что вероятность отсутствия неуглеродной жизни равна 100%. Мы только говорим, что в условиях, близких к земным, такой жизни нет. Всегда имеется хоть небольшая, но вероятность несоответствия этому заключению. Скажем так: теоретически это возможно. Вопрос за практикой. А пока примем как факт отсутствие неуглеродной жизни и закончим на этом лирическое отступление и данный пост. Перейдем к следующему, чтобы не потеряться в многобуквии.

Жизнь появилась только однажды (часть 2)

 Итак, с условием, что обсуждаем только углеродную жизнь, едем дальше. Как уже упоминалось, этапу собственно биологической эволюции предшествовал длительный этап эволюции химической. А вы спросите меня, правомерно ли говорить об эволюции в отношении химических соединений? В какой-то степени вы правы. Какая эволюция может идти в растворе поваренной соли? Никакой, очевидно. То же применимо ко многим другим соединениям. Смесь веществ никуда не движется, кроме как в сторону термодинамического равновесия, а эволюция идет против второго закона термодинамики. Тут нужен какой-то качественный переход. И вот тут возникает парадокс, который является следствием определения понятия "эволюция". Сам эволюционный процесс имеет место при одном условии - наличие конкуренции. А конкуренция подразумевает выбраковку тех, кто "не успел". И вот в чем парадокс: чтобы химические соединения эволюционировали, они должны были "гибнуть".
До сих пор нет единого мнения о том, какой была предбиологическая стадия, что происходило в это время, но одно известно точно: в какой-то момент произошел столь ожидаемый качественный скачок - появились соединения, способные к саморепликации. Т. е. такие, которые могли создавать свои копии. Это обеспечило им подавляющее превосходство над другими соединениями, пусть и органическими, но весьма далекими от живого. Каким путем появились эти самореплицирующиеся соединения - другой вопрос. Кто-то считает, что матрицей им были простейшие полипептиды (предшественники белков), другие полагают, что сборка таких молекул происходила на развитой поверхности алюмосиликатов (да, на глине), а кто-то полагает, что свойство к соединению имеется у нуклеотидов заочно, как у магнитов есть свойство притягиваться друг к другу.
В последнее время идея о первичности белков отходит на второй план по простой причине - а как реплицировались до этого полипептиды? Хотя, им репликация ни к чему. Но на вопрос о том, как природа пришла от простой органики к протобионтам, эта модель не дает. Масла в огонь подливает еще один факт, от которого в свое время было не по-себе многим учены.
Возраст земной коры, как известно, составляет примерно 4,5 миллиарда лет. А вот первые находки микрофоссилий датированы 3,5 миллиардами лет. Т. е. собственно на подготовку у жизни был всего-то миллиард лет. И это по самым оптимистичным оценкам. Есть все основания полагать, что на всю химическую эволюцию было затрачено всего 500 миллионов лет. Вроде бы достаточно времени (за 500 миллионов лет на Земле был пройден путь от трилобитов до высших млекопитающих). Но стоит учесть, что речь идет о появлении жизни, а не о ее эволюции. Пропасть между первым органическим соединением и простейшей прокариотической клеткой куда больше, чем между этой клеткой и человеком. Т. е. за 500 миллионов лет "бульон" должен был родить бактерию. Препятствий на этом пути была масса. Как частных, так и принципиальных, которые до сих пор обсуждаются.
Главное препятствие мы уже обсудили - это возникновение молекул, способных к саморепликации. Но даже тут есть выходы, как мы увидели. Второе препятствие, которое нужно было преодолеть (точнее, хронологически оно первое) - это приобретение термодинамической устойчивости. Второе начало термодинамики запрещает образование более сложных систем. Энтропия в системе всегда растет. Следовательно, путь к макромолекулам закрыт. Тем более - к системам высшего порядка, которые образуют клетку. И здесь барьер кажется непреодолимым. Но этот барьер строит классическая термодинамика, которая рассматривает закрытые системы. Ранее мы уже говорили о самоорганизации, как о фундаментальном свойстве материи. Теперь можно применить этот же принцип в отношении первичных систем, которые могли образоваться на промежуточных стадиях химической эволюции.
Немецкий ученый (физическая химия) Манфред Эйген занимался этой проблемой и разработал теорию гиперцикла - системы самореплицирующийхся соединений, которые объединены в автокаталитические циклы. Что это значит? Это значит, что внутри такого цикла возникает интересное явление - цикл поддерживает сам себя за счет того, что каждая следующая стадия становится возможной, благодаря продукту предыдущей. Такой цикл весьма устойчив, т. к. каталитический процесс протекает с огромной скоростью, что позволяет перепрыгнуть через термодинамический барьер многих реакций, которые без катализа не могли бы протекать. Автокаталитический цикл - это уже почти самостоятельная система, которая обладает набором качеств, признаков, если угодно. Это открытая система, которая уже умеет ассимилировать вещество и энергию, поступающую извне. Вариантов таких циклов множество и все они могли существовать. Но это - лишь "верхушка айсберга". Другим поразительным явлением, которое имело место в мире гиперциклов, была конкуренция.
Да, самая настоящая конкуренция, о которой речь шла в самом начале. Модель гиперцикла сделала возможным следующий качественный скачок - переход к эволюции сложных систем. Если до этого момента "выживали" те соединения, которые были просто устойчивы, то теперь "выживали" те, кто наиболее эффективно ассимилировал вещество и энергию. Ведь второй закон никуда не делся и система должна деградировать, если не "научится" "пропускать" сквозь себя избыточную энергию, рассеивать излишек, чтобы он не разрушил систему. Этот процесс называется диссипацией. А системы - диссипативными.
В мире гиперциклов, по всей вероятности, "выживали" те циклы, которые сумели организовать эффективную ассимилияцию и стали "самыми диссипативными системами". Теперь такие системы могли позволить себе усложнение.
Но даже теперь 500 миллионов лет, отведенные химической эволюции, представляются слишком коротким промежутком, чтобы дать возможность простейшим системам вырасти в простейшие организмы. Осталась самая простая часть, которую нужно вынести в следующий пост, чтобы не перемешалось все в голове.