Энергия и жизнь

Если оценивать возраст Земли в 4,6 млрд лет, что общепринято, и учесть, что о первом миллиарде лет почти ничего не известно (нет геологических свидетельств), то уже практически в первых сохранившихся отложениях осадочных пород обнаруживаются микроокаменелости, напоминающие бактерии. По крайней мере разрыв не превышает 0,3 млрд лет. Отсюда понятна и точка зрения тех исследователей, которые полагают, что жизнь была занесена на нашу планету извне. Однако прибегать к теории панспермии, да еще направленной, нет особой необходимости, так как большинство этапов абиогенного синтеза в настоящее время имеют естественно-научное объяснение, а целый ряд их может быть воспроизведен экспериментально.

Сама проблема происхождения жизни может быть разбита на пять отдельных вопросов: 1) образование планеты с атмосферой и гидросферой, где имеется «сырье» для возникновения жизни; 2) синтез биологических мономеров, исходных кирпичиков жизни, например аминокислот, Сахаров и органических оснований; 3) синтез биологических полимеров типа белковых и нуклеиновокислотных цепей; 4) вычленение отдельных частиц типа капель бульона по Холдейну, микросфер по Фоксу, коацерватов по Опарину, их превращение в пробионты с собственным химизмом; 5) возникновение репродуктивного аппарата, передающего дочерним клеткам химические и метаболические потенции родителей. Кратко это формулируется как проблемы исходного сырья, образования мономеров, полимеров, изоляции и репродукции.

Чтобы не остаться в рамках только субстратного подхода к изучению жизни, мы должны обратить внимание на «движущие силы» химической эволюции, а именно на источники энергии для химических синтезов в примитивной атмосфере Земли. И еще раз вспомним о вызываемых ими циклах реакций: синтеза — ре-синтеза, образования — разрушения. Каковы же были эти источники энергии? Основным источником, как и теперь, было Солнце, спектральный состав излучения которого не изменился. Однако свет проходил через атмосферу иного состава. Кислорода, который имеет биогенное происхождение, не было, а следовательно, не было и озонового экрана, который поглощает теперь почти все коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Тогда большая часть этого высокоэнергетического излучения достигала земной поверхности. Следовательно, большие количества активной фотохимической энергии были доступны для взаимодействия с веществом. Может быть, с учетом этого высокая скорость химической эволюции и не покажется столь удивительной. Кроме того, возможно, что и электрические разряды были более мощными, так как для первобытной земной поверхности была характерна высокая вулканическая активность. Жар лавовых потоков, сильные ливни создавали самые разнообразные условия для протекания химических реакций. Например, выпадение вулканического пепла могло служить в локальных водоемах хорошим временным экраном от разящих УФ-лучей.

К настоящему времени проведено множество модельных экспериментов по химической эволюции. Было обнаружено, что при воздействии разных видов энергии на газообразный углерод, азот, воду, водород, входящие в состав примитивной атмосферы, вначале образуются реакционноспособные промежуточные продукты. А они затем дают множество биологических или близких к биологическим мономеров и некоторые полимеры. Как подчеркивает К. Фолсом, автор книги «Происхождение жизни» [М., 1982], для суждения о процессах на примитивной Земле необходимо рассматривать не отдельно взятый эксперимент, а всю их совокупность. Первые циклы могли иметь такую структуру:

Направление реакций определялось притоком энергии в зависимости от места и времени (например, времени суток). Можно считать, что проблема синтеза мономеров не заключает в себе каких-либо фундаментальных трудностей или трудностей философского характера.

При синтезе полимеров необходимы одновременно приток энергии и отщепление воды. Как и при синтезе мономеров, проблема небиологического синтеза полимеров не имеет принципиальных трудностей для понимания, хотя некоторые затруднения здесь имеются (к примеру, для конденсации лучше всего подходят безводные условия, в которых очень сложно представить ход эволюции живых систем).

Следующий этап химической эволюции — развитие фазово-обособленных систем. И здесь модельные эксперименты дают нам большое разнообразие возможных вариантов. Это — коацерватные капли Бунгенберг-де-Йонга и Опарина, пузырьки Голдейкра, микросферы Фокса и т. д. Отметим очень важное свойство фазовой обособленности или наличия границ в замкнутой системе. Полимеры, возникающие в растворах, не могут достичь высоких концентраций, в частности, из-за протекания обратных реакций. А полимеризация в ограниченном, выделенном объеме снижает в нем концентрацию мономеров и, соответственно, понижает осмотическое давление. Такое снижение приводит к перекачке мономеров из окружающей среды. И таким образом пробионты способны «высасывать» органику из первичного бульона, а значит, расти и почковаться или делиться. По образному выражению профессора Б. М. Медникова, [1980, с. 425], «не жизнь породила клетку, а клетка возникла раньше самой жизни».

Действительно, можно выделить ряд свойств пробионтов, чтобы они могли стать прародителями первичных живых клеток: способность к обмену с окружающей средой (проницаемая мембрана); способность к росту, увеличению объема; способность к делению и почкованию. Особого внимания заслуживает способность пробионтов к первичному метаболизму, т. е. к протеканию специфических синтетических и биохимических реакций. Это приводит к тому, что локальные условия в них сильно отличаются от условий внешней среды. Например, коацерваты Опарина, состоящие из полинуклеотида и белка, при добавлении полинуклеотид-фосфорилазы в присутствии АДФ способны синтезировать полинуклеотид-полиадениловую кислоту. При этом капли растут в размере и способны к механическому разделению.

В экспериментах Фокса в результате нагрева смеси аминокислот, с последующим охлаждением и переносом в воду, образовывались протеиноподобные микросферы. Они также характеризовались определенной каталитической активностью и были способны к почкованию или делению, как и большинство бактерий.

В модели Бернала полимеры сорбировались на глинистых минералах, и предполагалось, что далее они самоорганизуются в протоклетки с метаболизмом и отбором.

Эксперименты Опарина, Фокса и других — всего лишь демонстрация того, как работают физико-химические фазово-обособленные системы. Но они показывают аналогии жизненных процессов в простых системах и позволяют проиллюстрировать идеи выживания и отбора на уровне химических систем. Из этих экспериментов следует, что образование коацерватных капель и микросфер — это типичное поведение полимеров в растворах. Шансы таких капель на выживание повышаются, если они способны к каталитической активности, в результате которой могут расти в размерах. Те из них, которые обладали повышенной скоростью «высасывания» мономеров из окружающей среды, развивались быстрее и побеждали в конкурентной борьбе.

Таким образом, можно себе представить, что на протяжении целых геологических эр действовал мощный химический отбор. Он приводил к ускорению химических процессов. Механизм этого действия практически очевиден.

Согласно принципу максимальных скоростей реакций в случае нескольких открытых химических систем с общей внешней средой основной поток вещества идет через систему, которая обеспечивает наибольшую скорость химических превращений. Такие пробионтные системы в «первичном бульоне» получали преимущество перед соседними и начинали вытеснять более медленные (менее приспособленные) формы. Под воздействием внешних механических сил, таких как ветер и волны, происходило дробление (деление) капель. Запасы готовых органических веществ, пригодных для прямого использования, естественно, были ограниченны, что приводило к конкуренции за субстрат и, таким способом, к возникновению «предбиологического естественного отбора». Применение термина «естественный отбор» к эволюции коацерватов-пробионтов представляется вполне допустимым, так как никаких специфических отличий между популяциями протобионтов и современных микроорганизмов с точки зрения действия отбора не имеется. В том и другом случае отбор приводит к увеличению приспособленности популяции, что выражается через изменение действующих скоростей роста. А характер и направление отбора определяются условиями среды.