Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Гераклит говорил, что в одну реку нельзя войти дважды. Но он не имел в виду то, что река перед второй попыткой могла испариться или замерзнуть (или утечь в космическое пространство). Так же, как река течет по постоянному (по человеческим меркам) руслу, так и жизнь непрерывно обновляется, в то время как ее форма остается неизменной. Живые клетки остаются клетками, даже когда все их части заменяются в ходе непрерывного круговорота веществ. Может ли быть иначе? Я сомневаюсь. В отсутствие информации, задающей структуру – как, логично предположить, было на заре возникновения жизни, до появления способных реплицироваться молекул, – структура могла возникнуть и без этого. Но поддержание ее требовало непрерывного поступления энергии. Поток энергии провоцирует самоорганизацию материи.

Вы, вероятно, знакомы с диссипативными структурами Ильи Пригожина, например конвекционными токами, возникающими в кипящем чайнике, или крутящейся воронкой, которую образует вода над отверстием слива. Никакой информации для возникновения таких структур не требуется. Конвекционные ячейки появляются в результате неравномерного нагрева жидкости, а воронка образуется согласно закону сохранения момента импульса. Диссипативные структуры возникают за счет притока энергии и материи. Ураганы, тайфуны, водовороты – все это примеры диссипативных структур. Множество их возникает в океане и атмосфере (из-за разницы в потоках солнечной энергии на экваторе и на полюсах).

Мощные океанические течения и ветра не обусловлены никакой информацией. Они стабильны и непрерывны, как и поток энергии, которая их питает. Большое красное пятно на Юпитере представляет собой громадный шторм, антициклон, в несколько раз превышающий размер Земли. Он существует минимум несколько столетий. Все диссипативные структуры требуют непрерывного поступления энергии – как конвекционные ячейки существуют до тех пор, пока электрический ток заставляет воду кипеть и испаряться. В общем, они представляют собой зримые проявления неравновесных процессов, в которых поток энергии поддерживает структуру до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие (в случае звезд это миллиарды лет) и структура не коллапсирует. Главная идея: за счет потока энергии могут появляться устойчивые физические структуры предсказуемого строения. К информации это не имеет никакого отношения, но мы увидим, что такие механизмы способны породить условия, благоприятные для возникновения биологической информации, репликации и отбора.

Согласно современным представлениям, основанным на химическом анализе древнейших горных пород и кристаллов циркона, атмосфера древней Земли была относительно нейтральной и состояла в основном из двуокиси углерода, азота и паров воды, подобно вулканическим газам.

Все живые организмы существуют за счет далеких от равновесия условий окружающей среды: мы сами также диссипативные структуры. Непрерывные дыхательные процессы снабжают клетки свободной энергией, необходимой для того, чтобы фиксировать углерод, расти, производить активные интермедиаты, соединять “строительные блоки” в длинноцепочечные полимеры (углеводы, РНК, ДНК, белки и так далее) и поддерживать свое низкоэнтропийное состояние, повышая энтропию окружающей среды. В отсутствие генов или любой другой информации определенные клеточные структуры, например мембраны и полипептиды, будут самопроизвольно формироваться до тех пор, пока будет продолжаться приток реакционноспособных предшественников – активированных аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, пока будет хватать энергии для формирования этих “строительных блоков”. Клеточные структуры существуют лишь в непрерывном потоке энергии и материи. Отдельные части могут заменяться, но общая структура стабильна и будет существовать, пока не иссякнет поток. Непрерывный приток энергии и материи – как раз то, чего не хватает в “первичном бульоне”. В “бульоне” нет ничего, что могло бы вызвать формирование диссипативных структур, которые мы называем клетками. Ничего, что могло бы заставить клетки расти и делиться: в “первичном бульоне” не было ферментов, которые могли бы запускать метаболизм и управлять его процессами. Образование клеток в таких условиях – задача, прямо скажем, не из легких. Существует ли такая среда, которая способна спровоцировать возникновение первых примитивных клеток? Безусловно, она должна была существовать. Но перед тем как мы приступим к ее поискам, обсудим, что требуется для возникновения клетки.

Как изготовить клетку

Что требуется для изготовления живой клетки? Всем клеткам на Земле присущи шесть базовых свойств. Я не хочу, чтобы книга стала похожей на учебник, но все-таки запишем их:

Все прочее (из стандартного набора свойств живых организмов, который школьники заучивают наизусть: движение, чувствительность и т. д.) – например, для бактерий лишь приятные излишества.

Не нужно много размышлять, чтобы прийти к пониманию, что эти шесть свойств глубоко взаимосвязаны и все были необходимы с самого начала. Непрерывное поступление органического углерода, очевидно, критически важно для роста, репликации… в общем, для всего. Даже на примитивном уровне происходила репликация молекул рибонуклеиновой кислоты. РНК – это цепь нуклеотидов. А нуклеотид – органическая молекула, которую нужно где-то взять. Среди исследователей, занимающихся вопросом происхождения жизни, не утихает спор, что возникло прежде: метаболизм или репликация. Но этот спор бессмыслен. Репликация – это удвоение, и расход “строительных блоков” увеличивается в геометрической прогрессии. Если запас “строительных блоков” не восполнять в том же объеме, репликация скоро прекратится.

Можно предположить, что первые репликаторы состояли не из органики, а были глинистыми минералами и т. п. (Эту идею выдвинул Грэм Кернс-Смит.) Но это не очень удачное решение: минералы недостаточно пластичны для того, чтобы кодировать нечто хоть немного приближающееся к РНК по уровню сложности, хотя они и способны быть хорошими катализаторами. Но если минералы не могут выступать репликаторами, нужно найти наиболее короткий и быстрый путь от неорганических молекул до органических, способных выполнять функцию репликаторов, например РНК. Если согласиться с тем, что нуклеотиды были синтезированы из цианамида, бессмысленно рассматривать неизвестные интермедиаты. Лучше сразу перейти к сути и принять, что некоторые среды на древней Земле были способны предоставлять необходимые для репликации органические “строительные блоки” – активированные нуклеотиды[43]. Даже если цианамид не годится на роль отправной точки, тенденция к образованию поразительно сходного набора органических веществ в разных условиях (под действием электрических разрядов в восстановительной атмосфере, в ходе химических процессов на астероидах, в автоклавах под высоким давлением) наводит на мысль, что определенные молекулы (в число которых, возможно, входят нуклеотиды) наиболее предпочтительны с точки зрения термодинамики. В первом приближении, образование органических репликаторов требует непрерывного поступления в среду органического углерода. Поэтому мы не рассматриваем среды с очень низкой температурой: хотя органика при замерзании растворов может концентрироваться между кристаллами льда, нет механизма, который бы работал при низких температурах и мог восполнить запас нужных для продолжения процесса “строительных блоков”.