Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

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:

1) Непрерывное поступление активных форм углерода для синтеза новой органики;

2) Приток свободной энергии, необходимой для биохимических процессов – образования новых белков, ДНК и т. д.;

3) Катализаторы, чтобы ускорять и направлять эти метаболические реакции;

4) Выделение отходов, чтобы процессы в клетке соответствовали второму началу термодинамики и можно было обеспечить прохождение химических реакций в нужном направлении;

5) Компартментализация, чтобы отделить внутреннюю среду от внешней, необходимы ячеистые структуры – оболочки клеток;

6) Наследственный материал – РНК, ДНК или их эквивалент, – который в деталях бы определял строение и функции биомолекул.

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”.

Также необходима энергия. Для того чтобы “строительные блоки” (аминокислоты или нуклеотиды) объединились и сформировали длинноцепочечный полимер (белок или РНК), нужно их активировать. Это, в свою очередь, требует источника энергии, например АТФ или похожего. Возможно, даже очень