Эволюция для всех, или Путь кентавра

Да, поначалу жизнь могла быть и такой, и мы не сразу поняли бы, что это жизнь, случись нам где-нибудь в космосе с ней встретиться. Может быть, миллионы лет существовала на нашей планете — или на какой-то другой планете в космосе — такая жизнь, жизнь без организмов. Медленно, не спеша, вершились круги замкнутых химических реакций, множество таких кругов. Но эти по-разному идущие процессы шли не без помех, рядом происходили другие химические процессы, иногда разные реакции — начало одной и конец другой — объединялись и порождали новые вещества, например, такие, которые могли бы стать катализаторами, ускорителями всего этого «кипения» в целом. Об этом медленном усовершенствовании химической, доорганизменной жизни ученые говорят так: путь от химической к биологической эволюции шел через процессы самоупорядочения и самоорганизации.

БИОКРИСТАЛЛ

Зима. Мороз градусов 30. Окна в домах, автобусах и троллейбусах покрываются изнутри удивительным узором. Пятьдесят лет наблюдал морозные узоры мудрый профессор из Ульяновска А. А. Любищев. Он был биолог, а точнее — энтомолог, насекомых изучал, но находил время задумываться об интересных явлениях природы, даже если они на первый взгляд и не имели отношения к его основной профессии.

Вглядись и ты в эти узоры…

Вот тропический лес. Деревья с пышными кронами, похожие то на пальмы, то на папоротники. Лианы, переплетение ветвей. Можно разглядеть растения, очень похожие на настоящие, особенно древние, уже вымершие. Иногда в древних горных породах геологи натыкаются на отпечатки древних морозных узоров, и не всегда легко отличить эту подделку природы от настоящего отпечатка древнего растения.

^{Скелет одноклеточных радиолярий и многоклеточных губок образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 20–30 процентов из органики, а в остальном из минерального кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации — замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены. Когда-то под высоким давлением в раскаленной сухой среде этот же процесс был обращен другую сторону. И когда поверхность планеты несколько остыла и появились лужи и моря, в них уже плавали и растворялись множество таких первых кентавров, полукристаллов-полуорганизмов — биокристаллов, готовых стать жизнью… И дальнейшая эволюция живого шла в огромной степени под действием законов кристаллографии. Жидкие кристаллы сегодня работают в дисплеях портативных компьютеров и телевизоров. Но оказывается, весь мир живого, задолго до рождения современных высоких технологий, природа построила по этим высоким технологиям…}

^{Прямо или косвенно законы биокристаллографии управляют не только живой природой, но и высшим ее проявлением, эстетической сферой человеческой культуры. Внизу — проект входа на Всемирную выставку 1900 года. Архитектор Бине придумал его под впечатлением трудов дарвиниста Э. Геккеля с зарисовками скелетов радиолярий.}

На самом же деле перед нами в тысяче обличий просто кристаллы воды.

Но кристаллизация на стекле (а также на тротуаре, на камнях) происходит в усложненных и не всегда в одинаковых условиях. Пар из воздуха то медленно и неохотно оседает на гладкой поверхности (при низкой влажности), то обильно. Часть льда порой тут же стремится испариться обратно — особенно если ветер дует. Люди на стекло дышат — опять же совсем другие условия кристаллизации. На стекле есть и выявляются при кристаллизации тончайшие царапинки от шлифовки. И все это порождает свои особенности рисунков Деда Мороза. Но при всем этом разнообразии в «стиле» всех морозных пейзажей есть нечто общее. Морозные узоры трудно спутать с нарастанием других кристаллов. «Стиль» Деда Мороза-художника определяется кристаллизационными свойствами молекул воды.

Ученые не раз задумывались, а не могли ли процессы кристаллизации, упорядоченного соединения молекул веществ сыграть свою очень важную роль в начале жизни и позже, уже в ходе эволюции? Уже знакомый нам биолог, философ и добрый мудрый человек Дж. Бернал в последние годы жизни писал о будущей большой науке, куда войдут в рамках общих законов и биология, и кристаллография, и эту будущую науку Бернал называл обобщенной кристаллографией. Дальше я постараюсь рассказать о некоторых «мостиках» между кристаллами и миром живого, но не удивляйся, что мостиков этих будет мало. Для науки это довольно новая область, и здесь когда-нибудь будут совершены большие открытия.

Но какое же отношение имеют свойства самоорганизации, заложенные в любом сложном химическом растворе, к проблеме зарождения жизни?

Давай порассуждаем. Допустим, никакой самоорганизации нет. И аминокислоты соединяются в том опыте профессора Сиднея Фокса — с выпеканием полимера на вулканической лаве — как попало. Оказывается, даже если у нас есть запас аминокислот размером с земной шар, при беспорядочном соединении бусинок-аминокислот у нас во всей массе получившихся молекул почти наверняка не будет ни одной пары одинаковых! Это будет смесь, лишенная свойств белка, ибо каждая молекула во всей этой массе будет обладать каким-то своим свойством, а соседняя — другим, противоположным, а смесь в целом будет пассивной — никакой! Да, у профессора Фокса не вышло настоящего моновещества, истинного белка. Но это была смесь нескольких белковоподобных веществ (а не бесконечного числа разных молекул). А потому эта смесь обладала важными свойствами белка. Ее могли есть микробы, и даже крысы не брезговали. А самое главное, полимер Фокса мог ускорять некоторые важные для жизни химические реакции. Не в сотни тысяч раз, как настоящие белки-ферменты, а просто в сотни раз, но для начала жизни и это было неплохо.

Таково могущество сил самоорганизации! Если не торопиться (а время в запасе у нарождающейся жизни было) и достаточно долго и терпеливо заставлять взаимодействовать между собой аминокислоты-буквы в густой смеси, да еще строго выдерживать некоторые условия — температуру, а еще — размер мелких частиц глины или пепла, видимо участвовавших когда-то в процессе самозарождения жизни, то буквы начнут сцепляться между собой не наобум, а «слогами» и даже «словами». Среди растущих обрывков цепи можно узнать такие, что и сейчас играют важную роль в настоящих фразах-белках, причем в самых важных. Получается, что нынешняя живая клетка, как хороший завод, быстро и умело выполняет работу, которая медленно и неуклюже, но сама налаживалась в теплых лужах еще безжизненной планеты. Фразы росли сами по себе и как бы «знали», какая буква должна быть следующей, и если эта «буква» оказывалась рядом, выбиралась она, а не любая другая «буква»-аминокислота. Естественный отбор на молекулярном уровне!

Да, это похоже на рост кристалла в насыщенном растворе соли, на рост сверкающего дерева на замороженном стекле.

Лет тридцать назад геолог В. В. Чернобровкин обратил внимание своего коллеги кристаллографа Э. Я. Костецкого на одно удивительное совпадение. В двойной спиралевидной нити молекулы ДНК расстояние между ближайшими звеньями, основаниями — неважно, чья это ДНК, комара или человека, всегда одно и то же и измеряется оно в 3,4 ангстрема. В мире кристаллов эта величина известна. Это размер элементарной ячейки кристалла апатита, одного из распространеннейших в природе минералов. И еще одно совпадение: апатит — один из немногих природных минералов, участвующих, наряду с белками, в строительстве многих живых организмов. Есть он и в наших с тобой костях и зубах. На этих двух совпадениях ученые начали разрабатывать свой вариант теории зарождения жизни, первичного синтеза прамолекул ДНК на естественной кристаллической матрице.

Оказалось, у апатита есть своего рода сродство с еще тремя минералами, участвующими или участвовавшими на разных этапах эволюции в строительстве скелета множества организмов — кальцитом, арагонитом, кварцем. Ученые поставили множество экспериментов. При температуре примерно в двести градусов и при повышенном давлении — а в начальной истории Земли был этап именно с такими «венерианскими» условиями — в смеси этих кристаллов молекулы аммиака, метана, окиси углерода не просто спекались в белковоподобные вещества, но и, встраиваясь в кристаллическую структуру апатита и минералов-«родственников», как на первичной матрице, строили высокоупорядоченные молекулы, весьма похожие на ДНК. Вспомнили о биоминералогии. Среди ископаемых и ныне живущих одноклеточных организмов — водорослей, радиолярий, фораминифер и многоклеточных — например, губок — есть такие, чей скелет образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 20–30 процентов из органики, а в остальном из кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации — замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены. Сейчас уже ясно, что когда-то под высоким давлением в раскаленной сухой среде мог преобладать jtot же процесс, только обращенный в другую сторону. Да, да. Преджизнь на каком-то этапе прошла через горячую безводную фазу первичного синтеза… И когда поверхность планеты несколько остыла и появились лужи и моря, в них уже плавали и растворялись множество таких первых кентавров, полукристаллов-полуорганизмов — биокристаллов, готовых стать жизнью… Сегодня Э. Я. Костецкий настаивает на том, что и дальнейшая эволюция живого шла в огромной степени под действием законов кристаллографии. Сама клеточная плазма, по современным воззрениям, это так называемый жидкий кристалл. Жидкие кристаллы сегодня работают в дисплеях портативных компьютеров и телевизоров, там они заняты чисто технической порученной им работой. Но оказывается, весь мир живого, задолго до рождения современных высоких технологий, природа построила по этим высоким технологиям… И мы с тобой «сконструированы» тоже в известном смысле как кентавры из органической и неорганической материи — биокристаллы.