Загадка начала жизни.
Загадка начала жизни.
(«Биология» — набор изданий «Основное сентября». 1999, no
11.)
Описав осознание учеными устройств эволюции, пора поведать
о том, как она, по сегодняшним представлениям, шла. Как мы
лицезрели, само осознание задач эволюционизма в ругательные полста лет
поменялось: мы не согласны сейчас разглядывать эволюцию
нетрудно как смену таксонов, а лицезреем ее сначала как
преображенье экосистем, каковое теснее влечет смену таксонов.
Загадка начала жизни.
(«Биология» — набор изданий «Основное сентября». 1999, no
11.)
Описав осознание учеными устройств эволюции, пора поведать
о том, как она, по сегодняшним представлениям, шла. Как мы
лицезрели, само осознание задач эволюционизма в бранные полста лет
поменялось: мы не согласны сейчас осматривать эволюцию
легко как смену таксонов, а лицезреем ее сначала как
преображение экосистем, каковое теснее влечет смену таксонов.
Это, как я постараюсь представить, конструктивно меняет
представления о ходе самой эволюции таксонов, а неподражаемо — о
ее начале.
1. С что начинать отсчет эволюции?
Почти все эволюционисты (начиная с главного, ведомого нам по
имени — Анаксимандра) заплетали родные уразумения о эволюции
живого в совместную схему развития мира, и Дарвин, не сооружавший
этого, был быстрее исключением. Новейший учебник (*) тоже начал
близкую необъятную (50 страничек) главу «Появление жизни на
Миру» с космической эволюции. Для чего это, не например, но резон
здесь глодать. Испытаем его объяснить.
(*) В.Б. Захаров, С.Грам. Мамонтов, В.И. Сивоглазов. 0 Биология.
Корпоративные закономерности. Учебник для 10-11 классов
общеобразовательных учебных заведений. Мтр., Школа-Пресс, 1996.
623 с. (Ниже: Учебник.)
У космологов ведом «антропный принцип», утверждающий, что с
самого начала эволюция мира шла так, чтоб в определенный
фактор в ней мог взять думающий наблюдающий. Без этого
принципа космология не умеет разъяснить необычное
соответствие значений глобальных констант (скорость света, масса
протона, заряд электрона и т.д.) — быть достойным бы хоть какой-то из них
располагать чуток другое значение, и во Вселенной не имелось бы не то что
жителей нашей планеты, не имелось бы даже атомов. Принцип можнож осознавать и как
первоначальное согласование глобальных констант (это, в сути,
креационизм, религиозная точка зрения, симпатичная для
верующих), и как необыкновенный отбор — из целых мыслимых
вселенных мы живем в той единственной, в тот или иной мы могли, в
принципе, произойти. Крайнее чем-то недалеко с дарвинизмом,
где тоже принято разговаривать: принесенное свойство организмов
живет поэтому, что не владевшие им не смогли жить.
Южноамериканский физик Пол Девис, пропагандист «антропного
принципа», не запрятывает его идейной близости дарвинизму — по
его воззренью, наша Вселенная отобрана из «ансамбля» вселенных, а
всякий удачно живущий организм — из «ансамбля» наименее удачных
организмов. То, что слово «ансамбль» веет здесь совершенно различные
смыслы (ведь вселенные, в отличие от организмов, мыслятся как
неразмножающиеся и невзаимодействующие), обойдено безмолвием,
зато правосудно отмечено, что антропный принцип «сродни
традиционному религиозному изъясненью мира: Бог сотворил мир,
чтоб люди населяли его». Девис допустил, что «в имеющемся будут
разысканы разъясненья неких из осмотренных численных
совпадений в рамках теоретической физики», по этому
«антропный принцип утратит всякое значение для разъясненья
мира» (Девис П. Случайная Вселенная. Мтр., 1985). Он оказался
прав: теснее возникли космологические занятия, пытающиеся увязать
мировые константы методом заключения их из новейшей корпоративной теории. К
раскаянью, большая часть приверженцев принципа считают его
постоянным.
Девис привел и критику в адресок принципа, в частности, этакую:
«Географ, убежденный в предопределенности итого сущего», мог
бы счесть реку Мисисипи с намерением сотворенной, так как она
«чрезвычайно комфортно подступает ко цельным пристаням и проходит под цельными
мостами» (Девис П. Суперсила. Мтр., 1989, с. 260). Иными
словами, к географии прилагать антропный принцип имелось бы
вздорно — мы-то знаем, что река появилась сначала и по родным
законам, а сооружения на ней — позднее и по иным законам. Не
так ли надлежит подступать и к космосу? Пока не имелось элементов, не
имелось и их констант, а иной раз (по мере остывания Вселенной)
части замерзли возникать, у их обнаружились те характеристики
(выражаемые константами), тот или иной вписывались в теснее возникшний
мир. А как тяжба в биологии?
При разъяснении абиогенеза (происхождения жизни из неживого)
встают метко те же трудности: в самой азбучный клеточке все
изумительно подогнано товарищ к товарищу, в равной мере как подогнаны товарищ к
товарищу и различные клеточки (организмы и доли многоклеточного
организма). Более дивна взаимоподогнанность долей
биосферы. И о том, что все это предназначено для жителя нашей планеты, тоже, как
мы знаем из доли 1, длинно сказали — в рамках «природного
богословия». Все же практически все биологи вот теснее 140 лет
предпочитают отыскивать разъясненье в рамках идеи эволюции. Кому у
кого в этаком случае надлежит обучаться — биологам у космологов
либо навыворот?
Самый простой вариант руководствоваться традиции космологов, т.е. уверять, что
земная жизнь глодать совпадение редких случайностей. Конкретно так и
заявляли почти все, к примеру, ленинградский эколог Мтр.И. Будыко в
свойской книжке «Эволюция биосферы» (Литр.., 1984): биосфера
показалась ему малоустойчивой и до этого времени будущей едва
поэтому, что в периоды кризисов ее выручало что-то показное,
успешная случайность. Так, иной раз биосфера имелась готова
замерзнуть, «как разов» повышалась активность вулканов,
увеличивавшая парниковый эффект. На самом деле это тоже —
«антропная» точка зрения.
Антропный принцип почти все признают поэтому, что не лицезреют ему
кандидатуры; вернее, кандидатурой у их служит только лишь мысль
«случайной Вселенной», где совпали исходные обстановки, товарищ от
товарища независящие. Метко та же начальная посылка главенствовала
в 1970-е гг. в занятиях по абиогенезу. Вот ее самая явная
формулировка: «Эволюция обязана начинаться со случайных
событий. «В начале» — каковой бы ни был исполнительный смысл этого
понятия — по-видимому водился молекулярный хаос, и в огромном
обилии хим соединений не имелось никакой
многофункциональной организации» (Эйген Мтр. Самоорганизация материи
и эволюция био макромолекул. Мтр., 1973, с. 13).
Забегая вперед, так, что эта агрегат завела вопрос в
тупик, и я буду объяснять иную схему, исходящую из точной
упорядоченности хим действий на юный Миру.
Опыту космологов надлежит и Учебник: «чем наиболее конструктивна
оказывалась молекула белка как катализатор, тем главным образом выгоды
приносила она свойскому владельцу. По-видимому, в это пора
происходило становление генетического кода» (с. 69). С внешности
это как будто дарвинизмом, на самом деле же это — антропный принцип в
его религиозной форме: ведь успешный белок еще не мог
размножиться и вытеснить соперников, так что его сопряжение с
«генетическим кодом», ранее причины не бывшим,
смотрится как предустановленное. А нельзя ли как-то по другому,
понаучнее?
Нет, я не собираюсь спорить с верующими — то божество, в
тот или иной они веруют, полностью реально для их, владеет теми
атрибутами, в какие они веруют, и спорить о этом нет смысла.
Но обращу заинтересованность: антропный принцип арестован космологами (и то
не цельными) на веру, чтоб разъяснить соотношение констант, и
только лишь. Они никак не дают обращаться к нему всякий разов,
как что-то мрачно, а биологи на самом деле сооружают конкретно это. Вот
как, к примеру, Учебник разъясняет появление фотосинтеза: «В
наиболее удачном положении оказались организмы, заслужившие
способность применять энергию света для синтеза
органических веществ из неорганических. Этаким образом появился
фотосинтез» (с. 70). Вновь, как в антропном принципе, ссылка
на выгодность дана заместо опыта либо рассуждения о вероятном
механизме заслуги. Пусть читатель не поленится сопоставить эту
пару фраз о фотосинтезе с идеями Анаксимандра о возникновении
жителей нашей планеты (п. 1-5) и Эмпедокла о отборе (п. 1-7), а далее сам
решит, крупен ли здесь за 2500 лет прогресс в методе размышлять о
эволюции.
Наиболее научной мне видится линия рассуждений, отклоняющая
антропный принцип во целых его формах как лишний, пока не
исчерпаны все другие доводы. Трудности, заставившие
вводить его, схожи во целых науках и вызваны тем, что
процесса эволюции мы не лицезреем, а ее результаты поражают нас
свойской самосогласованностью. Все же в большинстве наук ничего
схожего на антропный принцип никто не дает, так как
это просто неинтересно — куда увлекательнее отыскивать механизмы
явлений и их более корпоративные взаимоотношения, а не считать всякую
неясную касательство священной либо, что практически то же,
«антропной».
И все же одна специализированная трудность у космологов вправду
глодать: совпадение констант смотрится расчудесным сначала
поэтому, что Вселенную не во что «опустить», ее нельзя
осмотреть как количество что-то, чтоб вывести ее законы из
параметров этого «что-то». Но к нашей предмету предоставленная трудность как
разов не иметь отношение: жизнь — порождение Мира, как Мир —
порождение космоса. Приняв космическую эволюцию как нечто
принесенное, мы можем вывести из данной данности эволюцию Мира и
узнать тем обстановки той поры, иной раз взяла жизнь. А
зная эти обстановки, можнож начать распутывать клубок загадок
рождения жизни.
Одно слово, вопрос абиогенеза нужно вправду начинать
издалека, с эволюции неживой природы, по другому мы в нем ничего не
усвоим. Чрезвычайно успешно, что Учебник именует ученых XIX-ХХ
веков, пытавшихся осознать абиогенез как аккуратно хим
вопрос, и приводит результат их 120-летних усилий — заработано
множество органических веществ, понята значимость мембран и
иных граничных структур, да и только лишь. По-моему, результат
безрадостен: куда двигаться далее, непонятно.
И все-таки Учебник обретает полностью мудрое направление —
дает отыскивать корешки живого в неживой природе как целом. К
раскаянью, сам он отчего-то его не держится — сообщив массу
разрозненных сведений о космосе, он никак ними не пользуется и
ничего не разговаривает нам о геологии и физике юный Мира. А
там-то и скрывается разгадка — в той мере, в какой она на
сейчас разыскана. И поведать о этом для старшеклассников,
по-моему, можнож, хоть и не до боли просто.
2. Юная Мир
В точке 1997 грам. журнальчики пестрели прекрасными цветными
фото поверхности Марса, добытыми южноамериканским
аппаратом «Марс-Пасфайндер». Оказалось, что марсианская
пустыня веет несомненные следы бывшего движения по ней бурных
вод (рис. 1). Куда же они делись? На данный момент у Марса практически нет
атмосферы, и квитается, что она имелась млрд годов назад
сорвана с него космической катастрофой — падением большущего
астероида. Экие катастрофы видимо приключались и с Светом, но
наша планетка увеличивала для себя и новейшую атмосферу, и новейший океан
(ибо изрядная количество его выплескивалась в космос), а Марс так и
остался нагим. Ведь газы и вода происходят из недр, а недра
Марса издавна мертвы (чем младше планетка, тем стремительнее она
«вымерзает»).
Наш Мировой океан, мнимый чрезвычайно ветхим, в один-одинехонек смысле
постоянно молод: у него постоянно новое дно. Подсчитано, что размыв
суши (волнами, реками, дождиками) веет в океан столько жестких
элементов, сколько хватить, чтоб полностью заполнить его
осадочными породами итого за 50 млн. лет, а он живет в
60-70 разов подольше. Оказывается, океанское дно непрерывно
обновляется в ходе спрединга (растекания): новейшие толщи
постоянно поступают из недр в срединноокеанические горные
хребты, тот или иной расходятся, а давняя океаническая кожура все
пора испытывает субдукцию (задвигается под кожуру континентов).
Возраст самой давнишней знаменитой сейчас океанической кожуры (на
западе Тихого океана, под километровым оболочкой осадков) не
превосходит 200 млн лет, тогда как самые древнейшие знаменитые
породы континентальной кожуры (на юго-западе Гренландии) в 19
разов ветше — им 3 миллиардов 800 млн лет (Клиге Р.К., Данилов И.Д.,
Конищев В.Н. История гидросферы. Мтр., 1998, с. 13, 66).
Если б не этот круговорот донных толщ, у нас тоже издавна не
имелось бы океана, а следовательно и дождиков, т.е. точнее итого не имелось
бы и жизни. На Миру захоронено около 60% целых вод (там же, с.
14), а на Марсе вся.
Цельным ведом «круговорот воды в природе», нужный для
поддержания жизни, и настолько же необходимы круговороты целых принципиальных
для нее компонентов — к примеру, фосфора. Все же у нас на очах
фосфор мигрирует в одну сторонку — вымывается (а сейчас и
добывается) из горных пород в облике солей, врубается в
жизненные процессы, далее сносится в моря и океаны, где
оседает на дно с телами отмерших организмов и в океанах
задвигается под континенты. Обратно поступает около 1% фосфора
— в главном его доставляют морские птицы в облике гуано.
Круговорот фосфора замыкается только лишь спустя медлительные глубинные
процессы (иной раз захороненные осадочные породы ворачиваются на
поверхность), и без горообразования на континентах жизнь длинно
не протянет. Ну и куда наименее дефицитный углерод — и тот
непрерывно поступает из вулканов в форме углекислого газа. Все
это привело ученых к формулировке «геохимического принципа
сохранения жизни»: планетка быть может обитаема, пока функциональны
ее недра.
Активность недр главна нам не младше, чем активность Солнца.
Чтоб на Миру длилась жизнь, Мир сама обязана иметься в
указанном смысле живая. Это следовательно, что Лавлок (сантим.. п. 6-1) и
остальные ученые, серьезно считающие Мир организмом, заслуживают
полного заинтересованности. Для их парадокс организованности биосферы —
не набор случайностей (как у Будыко), а итог ее
своей активности.
В частности, Лавлок и его единомышленники уделяют свое внимание на
изумительную земную атмосферу: по законам химии азот, главной
ее газ, соответствен бы окислиться (за счет грозовых разрядов и
квантов света) и перейти в нитраты океана, а кислород,
сильнейший окислитель, вообщем не был должен в приметных
численностях взять. Наиболее того, концентрация кислорода в
атмосфере (20%) недалека к предельной: при 25% все, что может
пламенеть, сгорело бы. Этаких образцов можнож привести множество, и
совпадениями ничего не объяснишь, так как они очень
регулярны.
Ежели же признать Мир конструктивной (живой), то абиогенез
выступает как самый приметный акт взросления нашей планетки, а
неимение его в наше пора — как выход Мира из фертильного
возраста. Скептик, естественно, увидит, что Мир — не организм,
ибо не плодится, что она породила не иную планетку, а
свою количество (биосферу). Отвечу: не многие живое
плодится. К примеру, пчелиный улей не плодится, пока
матка порождает только лишь рабочих пчел и трутней. А трутень не
плодится никогда. В мифе у старых греков Гея, богиня
мира, тоже порождала не второй мир, а доли того мира,
тот или иной благодаря этому стал подходящ для проживания жителей нашей планеты (сантим.. п.
1-3). Недаром Лавлок близкую концепцию живой Мира именовал
«догадкой Геи».
Совершенно по-новенькому «догадка Геи» ставит вопрос абиогенеза:
нужно осознать не столько возникновение главной клеточки, сколько —
главной биосферы. (Меж иным, один-одинехонек из главных актов жизни
появилось возникновение микробов, регулирующих состав атмосферы —
Заварзин Грам.А. Бактерии и состав атмосферы. Мтр., 1984.) Это
чрезвычайно кстати, так как осознать абиогенез как рождение главной
клеточки не удается. Учеными разыскано самое большее методов получения в
соглашениях, схожих на тогдашние, генеральных «кирпичиков» живого —
аминокислот, сахаров (в том числе и рибозы, подходящей для конструкции
РНК), нуклеотидных оснований (пиримидинов и пуринов). Почти все
нужные для всякой жизни молекулы разысканы даже в вулканах
и метеорах. Неорганические составляющие (сначала,
фосфаты) тоже имелись на юный Миру в наличии. Но что имелось на
ней далее?
Пионер исследований абиогенеза биохимик А.И. Опарин лицезрел
задачку в учении что-то вроде первичной клеточки, плававшей
в «первичном бульоне», державшем органические молекулы. Он
был уверен, что конкретно в ней природой имелись разысканы все
механизмы первичной жизни. Еще в 1920-х гг. его заинтересованность
завлекли коацерваты (микроскопические коллоидные капли,
хранящие полимеры и плавающие в воде), тот или иной он далее
изучал наиболее полвека. Коацерваты оказались способными
окружать себя элементарными оболочками. Опарину удалось заработать в
их некие принципиальные для проживания реакции (к примеру, синтез
крахмала) и представить, что достигнув предельного масштаба, капля
распадается на немножко дочерних, тот или иной тоже растут. Все же
для этого в коацерват вводились один-одинехонек-два фермента (это теснее
никак не преджизнь), а дочерние капли росли тише начальной
и едва до того времени, пока каждой доставались ферменты.
Немножко далее продвинулся в 1950-е годы южноамериканский
биохимик Сидней Фокс, представивший, что заместо сегодняшних белков
можнож брать протеиноиды — цепочки аминокислот, тот или иной он
зарабатывал, нагревая консистенция бездушных аминокислот. Растворяя их далее
в воде и нагревая сильный раствор в автоклаве до большой
температуры, выше 130 градусов (запомним это!), он тоже
зарабатывал микрокапли. Там некие ферментативные характеристики
наблюдались, все же, без прибавления ферментов, при этом у этих
капель тоже появлялись оболочки и шло «разделение клеток» (рис.
2). Оно, ввиду неименья потребности во внесенных извне
ферментах, могло идти достаточно длинно, но все таки прекращалось
по исчерпании запаса протеиноидов. Эта трудность очень
существенна — ведь их полимеризация шла у Фокса в соглашениях
перегретой воды, несопоставимых ни с критериями возникновения
самих аминокислот (искра во увлажненной консистенции метана, аммиака и
углекислого газа — так имитировали грозу в атмосфере юный
Мира), ни с критериями «дробленья клеток» (обыденный аква
раствор). Как их скооперировать?
О успехах предбиологического синтеза (в отличие от его
неудач) обширно знаменито наиболее 20 лет, и они излагаются в
учебниках как сегоднящая теория абиогенеза. На данную тему в 1978
грам. взял неплохой обзор, скоро переведенный на российский язык
(Р. Дикерсон. Хим эволюция и происхождение жизни. //
Эволюция. Мтр., 1981), тот или иной светло и корректно выложил ту
концепцию абиогенеза, тот или иной сейчас держится Учебник.
Потому коснемся этого обзора.
Начат он так: «Ориентировочно спустя млрд лет потом образования
Мира (действия, тот или иной вышло около 4,6 миллиардов годов назад)
появились одноклеточные организмы». Создатель именовал самый старый
эталон породы (из Южной Африки), держащий нечто вроде
остатков микробов — ему около 3,3 миллиардов лет, и резонно
опешил, как стремительно родилась жизнь — ведь позднее, на
происхождение клеток, располагающих ядро, покинуло практически 2 миллиардов лет.
С того времени выяснилось, что просвет абиогенеза был еще
кратче: сообразно упомянутой «Истории гидросферы» (с. 34, 120),
земная кожура охладилась басистее сто градусов около 4 миллиардов лет
назад, и океан длинно (800 млн лет) был теплее 90 градусов,
все же самая старая осадочная порода (3,8 миллиардов лет) теснее веет
следы жизни. Размышляю, Дикерсон опешил бы еще более, если б
знал это — выходит, что жизнь родилась итого за 200 млн лет и
притом в кипяточке. Дикерсон напомнил ветхое воззрение, что
жизнь занесена на Мир извне, и увидел, что оно ничего не
разъясняет, ибо остается вопросец — как жизнь появилась где-то.
Все же одну трудность оно все таки обойти дозволяет —
изумительную скорость земного абиогенеза: может быть, где-то
абиогенез шел млрд лет, а на Миру этого не пригодилось.
Самый простой вариант поступают те, кто дозволяет, что жизнь имелась
привнесена на Мир сходу в форме примитивной биосферы,
занесена сознательно цивилизацией, на 4 миллиардов лет нас
обогнавшей. Все же вероятность этого очень сомнительна: ведь
самой Вселенной, как сейчас считают, итого 15 миллиардов лет, а жизнь
не может появиться около звезды главного либо второго поколения
— из-за неименья томных хим компонентов. Солнце
принедлежит к третьему роду звезд, и спецы по жизни
в космосе черкают: «Возникновение земных форм жизни нельзя считать
задержавшимся, так как не исключено, что они касаются к
числу самых главных во Вселенной. Тяжба в том, что…
появление и развитие многоклеточных форм жизни может быть
едва в налаженности звезд со средней массой, иметь отношение к
третьему и следующим поколениям» (Аллен Дж., Нельсон Мтр.
Космические биосферы. Мтр., 1991, с. 60).
Здесь можнож последовать мудрому совету Дикерсона: «ежели эта
жизнь развилась не на Миру, то она непременно появилась на
какой-то второй планетке, не очень выделяющейся от Мира по
температуре и по составу. В реальности вопросец соответствен
формулироваться так: каким образом могла появиться и
эволюционировать жизнь на планетке, сходной с нашей Светом?»
Добавлю: пока нет действующей теории абиогенеза, нечего
дивиться его скорости. Быть может, абиогенез и соответствен идти
стремительно?
3. Отбор до размножения. Разве так посещает?
Задачку обзора Дикерсон формулировал в облике 5 вопросов: «1)
образование планетки с атмосферой, держащей газы, тот или иной
могли бы служить сырьем для происхождения жизни; 2) синтез
био мономеров…; 3) полимеризация этих
мономеров…; 4) вычленение отдельных капель… их перевоплощение
в пробионты с своим химизмом и и своей
«особенностью»; 5) появление некоего репродуктивного
аппарата, гарантирующего передачу дочерним клеточкам… потенций
родительских клеток. Коротко все это можнож сконструировать как
вопроса сырья, мономеров, полимеров, изоляции и
репродукции».
Изоляцией Дикерсон именовал вопрос переноса веществ из одних
критерий в остальные. Она очень непроста — теснее опыты Фокса
проявили, что синтез мономеров и их полимеризация идут в
совершенно многообразных соглашениях. Ниже читаем: «В опытах
Опарина и Фокса мы обретаем, естественно, едва аналогию живого, но
эти опыты будят мысль. Они демонстрируют, в какой мере
поведение, подсказывающее жизненные процессы, коренится в
физико-хим необыкновенностях, и иллюстрируют идею выживания
в итоге хим отбора. Светло, что это единый
вид природного отбора в эволюции, тот или иной мог быть
до возникновения молекул, играющих роль носителей инфы».
Насчет «будят мысль» спорить не приходится, но что же это все-таки за
отбор без наследственности? Как говорится, «мы экого не
проходили». Он описан у Дикерсона последующим образом:
«Можнож представить для себя, что до возникновения живых клеток
первобытный океан практически кишел этакими «каплями»… Те из
их, в тот или иной случаем оказывались катализаторы, способные
провоцировать «полезные» процессы полимеризации, соответственны имелись
быть подольше… В протяжении длинных геологических эр
действовал, по-видимому, сильный хим отбор, берегший
те виды капель, тот или иной имелись способны…» и т.д.
Испытаем осознать. «Хим отбор» — термин, означающий
совсем не природный отбор, а факт из химии раскрытых порядков
(т.е. порядков, обменивающихся веществом и энергией со средой).
Факт этот состоит в том, что в раскрытой налаженности главную количество
субстрата перерабатывает та реакция, тот или другой течет стремительнее
итого. (В отличие от средней химии, где реакции текут в
сторонку хим равновесия, в химии раскрытых порядков
реакции текут туда, куда им указывают потоки веществ.) Факт
занимателен и главен, мы им еще воспользуемся, но для чего разговаривать
о капле, постоянно жившей миллионы лет? Смысла для
эволюции от нее нет: хоть она и «жила подольше», ее
превосходство гибло вкупе с нею, так как она не располагала
наследственностью.
Зато хим отбор осмыслен, ежели идет речь не о определенной
капле, а о массовом (геохимическом) процессе — о возникновении
наиболее действенной реакции, тот или иной сооружало новейший вариант
процесса доминирующим. Сколько в нем жила та либо другая «капля»,
индифферентно.
Здесь полезно вспомнить «ретроградную концепцию», тот или другой
предложил в 1945 грам. южноамериканский биохимик Норман Горовиц
(Horowitz). Ах так резюмировал ее Дикерсон: «Горовиц…
представил, что метаболические налаженности эволюционировали, так
огласить, задом наперед. Ежели в наше пора какая-нибудь
метаболическая последовательность ведет, к примеру, от вещества
А к веществу Б и ниже к веществам В, Грам и Д, то можнож размышлять,
что в самом начале появилась потребность в веществе Д и самой
старой реакцией имелась реакция получения Д из Грам, а Грам имелось
сырьем, запас тот или другой водился в окружающей среде. Едва потом
того, как этот запас начал иссякать, появлялось давление отбора
в прок возможности зарабатывать Д из иного сырья, т.е. из В.
Далее недочет В породил породил конкурентнсть» и т.д. Так
«медлительно и равномерно эволюционировала в конце концов — в обратном
порядке — вся метаболическая цепь».
Жалко, что ни Горовиц, ни Дикерсон не пробовали поставить экий
опыт, чтоб узнать, как по сути действует «давление
отбора». Сходственные опыты, совершенно не размышляя про абиогенез,
часто ставили все, кто изучил генетический поиск (о
нем шла речь в доли 5), и итог был плачевный, хоть и
природный — пока ресурс был, выживал тот, кто умел, а не
тот, кто обучался применять что-то другое; иной раз же ресурса не
останавливалось, гибли все, не считая того умельца, тот или иной мог стремительно
разыскать (вот он, генетический поиск!) это новое. Но
генетического поиска до возникновения генетической налаженности иметься не
могло, так что взывать к среднему отбору смысла нет. Зато глодать
смысл вспомнить сущность хим отбора — ресурсом завладевает
тот процесс, тот или иной его стремительнее употребляет, вроде бы самое большее
ресурса ни имелось. Ежели «органический» процесс оказывался этаким,
он занимал площадь «неорганического».
Не будем упрекать Горовица: он высказал занимательную мысль, к
тот или иной мы еще вернемся, тогда как подходящая для него теория
(хим отбора) взяла позднее. В 1960-е гг. шведские
ученые — химик Литр.. Силлен и геолог Мтр. Руттен — сделали к ней
принципиальный шаг: отвергли концепцию «первичного бульона» как
химически невозможную. Тяжба в том, что желанные для абиогенеза
реакции — те, тот или иной соответственны идти против хим
равновесия, а следовательно продукты их в «бульоне» не могут
скапливаться, и для синтеза в «бульоне» что-то путного не
хватило бы и триллиона лет.
Вот Силлен и Руттен и предложили основное: поменять
познавательную конструкцию — не уповать на последовательность
исчезающе редких удач, а узнать, при каких соглашениях нужные
реакции могут протекать и имелись ли экие обстановки на юный
Миру. Необходимым договорам удовлетворил не «бульон», а поток. В
нем может идти каждый синтез, ежели его продукт уносится (либо
еще как-то предохраняется) от распада (Руттен Мтр. Происхождение
жизни (природным методом). Мтр., 1973, с. 297).
Но как это могло достигаться? Основной шаг к ответу обретаем в
книжке столичного химика А.П. Руденко «Теория развития
раскрытых каталитических порядков» (Мтр., 1969), где изображено: в
потоке веществ и энергии может быть саморазвитие, при этом сам
собою развивается не продукт, а катализатор. Оказывается,
активность катализаторов может повышаться в ходе их занятия, и
поток веществ предпочтительно перерабатывается этими,
усовершенствованными катализаторами. Наиболее функциональные катализаторы
образуются полностью понятным методом — за счет их «избирательного
отравления», т.е. сужения диапазона ускоряемых реакций. Сейчас
катализатор делается вроде бы тесным, но ценным профессионалом, и
бывшие катализаторы вроде бы вытесняются новенькими из действий
переработки веществ потока.
Это явление Руденко именовал природным отбором, но мы
предпочтем устоявшийся термин «хим отбор». Реакцию, в
тот или иной следует эволюция катализатора, Руденко именовал базовой.
Тем, в анализе абиогенеза упор был перенесен с
обычного вопросца «что синтезировано?» на вопросец «как
синтезировано?», и процесс рождения жизни стал как
эволюция катализаторов неорганических «базовых реакций».
К раскаянью, сам Руденко не например, какие из реакций
абиогенеза надлежит считать базовыми, и, тем паче, не направил
заинтересованность ни на какие процессы, не считая катализа. Навыворот, он с
завидной прямотой заявил (с. 229), что «никакая иная
эволюционирующая модель не может отдать исчерпающего воссоздания
добиологической хим эволюции и вскрыть ее предпосылки». А
это просто ошибочно — в абиогенезе глодать самое большее других вопросов.
Потому на фоне взявшей скоро новейшей термодинамики (о ней
шла речь в доли 5), давшей наиболее совместную теорию раскрытых
порядков, приватное достижение Руденко осталось практически без
заинтересованности. Малюсенько кто увидел, что без его теории далее
двигаться непереносимо — конкретно он обрисовал один-одинехонек из определенных
устройств самоорганизации, механизм порождения затравок,
нужных для формирования каждый термодинамической
структуры.
Что дотрагивается теории хим отбора, то лавры достались
германскому химику Манфреду Эйгену, выступившему с схожей идеей
в 1971 грам. (его книжку я упоминал в п. 1). Но Эйген ввел отбор
как теорему, арестованную из дарвинизма, а у Руденко отбор —
реальное явление в реакции с переменявшимся катализатором. В
частности, Руденко пользовался (с. 21 его книжки)
«аггравационным эффектом в катализе» — тем опытным фактом, что
наиболее мощные молекулы катализаторов наиболее функциональны.
Ни на что это у Дикерсона нет даже намека. Но ужаснее итого у
него с «длинными эпохами»: сначала он опешил, что их не
потребовалось, а далее, как лицезреем, на их-то и возложил
менее понятное. Так мастерили все, начиная с Эразма Дарвина
(вспомним его «миллионы веков»), но в наше пора это теснее
несерьезно. Неясным фразам пора имелось противопоставить нечто
наиболее определенное, что в следующие 20 лет и имелось изготовлено.
Подлинно занимательную, на мой взор, теорию абиогенеза начали
строить те, кто лицезрел вопрос не в рамках коацервата, а в
рамках Геи.
2-мя ключевыми для сегодняшней жизни хим действиями
прибывают расщепление воды с выделением вольного кислорода и,
навыворот, окисление многообразных субстратов беглым кислородом.
Главную реакцию в неживой природе реализует ультрафиолет, а в
живой — фотосинтез; 2-ая в неживой природе цельным знакома
(к примеру, железо заржавевает), а в живой значит дыхание.
Эволюция этих реакций состояла в их расщеплении на множество
стадий (что позволило действовать с незначительными, пригодными для живых
объектов, квантами энергии) и в возникновении целого диапазона
органических катализаторов (предшественников ферментов). В
1978 грам. столичная исследовательница К.Б. Серебровская (из
школы Опарина) указала, что эти реакции сущность базовые реакции
по Руденко, и тем отдала его теории новейшую жизнь — в рамках
биоценотической концепции абиогенеза.
4. Сначала биоценоз, далее организмы
Биоценотическая концепция абиогенеза (БКА) утверждает, что
жизнь появилась сходу в форме простого биоценоза, едва
позже разделившегося на отдельные особи и внешности; сначала на
планетке были только лишь геохимические круговороты веществ,
далее появлялись одна за второй те реакции, тот или иной мы сейчас
именуем метаболическими — сходу в форме звеньев, тот или иной
встраивались в бывшие круговороты, — а позже теснее появились
отдельные особи, наследственность и размножение.
Приятный пример включения органического звена в геохимический
круговорот доставляет круговорот серы, изображенный на рис. 3
(забранном из упомянутой книжки Руттена): ее круговорот живет
и вне жизни, но главной поток серы из морских вод в горные
породы сейчас исполняют организмы (бактерии Desulphovibrio и
др.), тот или иной восстанавливают сульфаты в сульфиды. Отличить
биогенные сульфиды можнож по тому, что в их на немножко
процентов повышено содержание томного изотопа серы (того, у
тот или другой атомный вес 34).
Сначала подмена хоть какого неорганического катализатора
геохимической реакции на протеиноид приходила хим
отбором и шагом в абиогенезе. Пока что аппарата наследования
здесь не требовалось.
Исток БКА как правило лицезреют в выражении из «Биохимических
набросков» В.И. Вернадского: «Основное возникновение жизни при
твореньи биосферы обязано имелось произойти не в облике возникновения
один-одинехонек какого-нибудь внешности, а облике их совокупы, отвечающей
геохимическим функциям жизни. Соответственны имелись сходу взять
биоценозы». Но вопросец о том, как это сумело практически
получиться, Вернадского не заинтриговал.
Главным шагом в сторонку определенной БКА мне представляется
«ретроградная концепция» Горовица. Конкретно она в первый раз
изобразила, как в принципе органический процесс мог встраиваться
в геохимический круговорот, а конкретно — в порядке, обратном
порядку хим реакций.
Надлежащий шаг к БКА сделал в 1957 грам. британский физик,
натурфилософ и историк науки Джон Бернал — в Москве, на
Международном симпозиуме по происхождению жизни. В докладе
«Вопроса стадий в биопоэзе» (биопоэз — порождение жизни) он
обобщил разрозненные выражения предшественников и
определил надлежащие тезисы.
1) Ежели «первичный бульон» и был, то встает тема —
как в нем обеспечивались нужные концентрации подходящих комплектов
веществ (то, что Дикерсон именовал позднее неувязкой
изоляции).
2) Точнее, что «бульона» никогда не имелось, а образование
мономеров шло впараллель с их полимеризацией.
3) Для этого имелись комфортны маленькие водоемы на грани высыхания и
глины в качестве катализаторов, сменявших ферменты
(взявшие позднее).
4) В эту эру «ничего схожего на обособленный организм
появиться не могло, а могли быть едва беспорядочные
образования достаточно неизменного состава, в тот или иной метаболизм
поддерживался некое пора и тот или иной наиболее подсказывали
заливное пламя, чем организмы».
5) Экие «субвитальные единицы» могли располагать меняющиеся границы
и соединяться вместе, при этом несопоставимые разрушались, а
у пригодных друг дружке «спектр их биохимической активности
расширялся».
6) Сначала это имелись «зоны» (позднее Бернал даже ввел термин
«субвитальные местности»), занимавшие целые равнины, возмещенные
мокроватым субстратом (Бернал именовал его илом и почвой, что
ошибочно — ничего экого до происхождения жизни не
было).
7) Возникновение разнородных полимеров привело к происхожденью
мембран, а это позволило субвитальным единицам локализоваться
в коацерватных каплях и иных микрообъектах. Так как они не
располагали аппарата наследственности, их превосходнее называть не
протоклетками, а «эобионтами» (термин предложил в 1953 грам. Н.
Пири).
8) Возникновение потомственного аппарата непонятно, но здесь главны
два экспериментальных факта: во-главных, «два доп
синтетических полирибонуклеотида (один-одинехонек с группой пурина, а
второй с группой пиримидина), каждый в отдельности некорректно
скрученные, соединились in vitro… в густую двойную спираль,
подобную спирали естественной ДНК». Во-вторых, нуклеиновая
кислота может служить матрицей только лишь для метко ей
подходящей, тогда как один-одинехонек «фермент может может
содействовать синтезу почти всех, ежели не целых, нуклеиновых
кислот».
Ругательный пункт нуждается в объяснении. Бернал с удивительной
проницательностью указал тут на три происшествия: (1) РНК
может самопроизвольно скручиваться в двойную спираль, (2) РНК
может копировать только лишь саму себя, (3) белок ничего сам не
копирует, зато может один-одинехонек катализировать копирование самых
различных полимеров. Не пытаясь решать вопрос «обоюдной взаимоотношения
меж синтезом нуклеиновой кислоты и белка» (она не решена и
доныне), Бернал практически указал самое основное в дилемме
возникновения наследственности: главным потомственным веществом
комфортно считать РНК (а не ДНК), тот или другой могла встречать
природную форму сама, без белков, а главной функцией белка
потомственной налаженности обязана имелась служить РНК-полимеразная
активность. Фактор возникновения данной «обоюдной взаимоотношения» Бернал и
считал в мгновение рождения жизни.
Итак, рождению жизни предшествовало, по Берналу, возникновение
широких субвитальных областей (зон) и обособление снутри
каждой из их множества крошечных эобионтов, а едва далее
взяла наследственность. До ее происхождения процессы шли
сами собой, так как не имелись неповторимы (как идут обыденные
хим процессы). Дивиться высочайшей скорости данной стадии
абиогенеза не приходится — медлительно следует едва то, что призывает
многократного ожидания маловероятных актов.
К раскаянью, ни Бернал, ни кто-или второй на Западе, не стал
(как знаю) развивать биоценотический нюанс абиогенеза
далее. В этом плане центр идеи остался в Рф, чему
содействовал колоссальный для нас авторитет Вернадского.
В 1970 грам. к БКА еще на шаг приблизился биолог Мтр.Мтр. Камшилов,
действовавший, по выходе из сталинской ссылки, в Институте аква
вопросов (пос. Борок Ярославской обл.). Генеральная его мысль: ежели
сначала появился метаболизм, а далее клеточки и их размножение, то
сходу обязано имелось появляться большущее число самых различных внешностей
— иной раз расчленялся на отдельные организмы какой-то первичный
биоценоз. В подтверждение Камшилов приводил факт внезапного
возникновения целых разновидностей беспозвоночных в кембрийском периоде.
Аргумент несостоятелен (организмы возникли, как мы сейчас
знаем, на 2 миллиардов лет ранее), но это не умаляет пионерской
роли книги Камшилова «Биотический круговорот» (Мтр., 1970).
Тогда для БКА не имелось никаких определенных предоставленных, и ее немногих
сторонников соединяло едва нежелание встречать царившую
идеологию (что ведет к нам, то, мол, и появлялось), на самом деле
антропную. Камшилова еще грела симпатия к тому
натурфилософскому воззренью Вернадского, что жизнь постоянно
жила в форме биосферы. Но столичный бактериолог Грам.А.
Заварзин, настолько же ревностный почитатель Вернадского, тем не
наименее протестовал против первичности биоценозов. По его воззренью, о
их нет никаких сведений до тех пор, пока в
геологической летописи не возникли цианеи (синезеленые
водные растения), тогда как бактерии возникли заранее ранее.
(Заварзин Грам.А. Литотрофные мельчайшие организмы. Мтр., 1972, с. 318).
Следами жизнедеятельности микробов квитается изменение
соотношения изотопов и состава атмосферы, определяемое по
изменению состава осадочных пород подходящей эры.
Там же (с. 319) Заварзин направил заинтересованность на принципиальный факт: в
кратерах сегодняшних вулканов найдено множество многообразных
литотрофных (насыщающихся неорганикой) микробов — и высказал
предположение о вероятной их первичности. По Заварзину, все,
что не мог синтезировать основной организм, он зарабатывал из
геосферы (это, напомню, мысль Горовица), и в этом, но только лишь в
этом, смысле жизнь появилась в форме ценоза. Никаких
организмов, поставлявших еду иным организмам, непонятно
вплоть до возникновения цианей. Само же возникновение главных микробов
Заварзин и тогда позднее связывал только с космосом. Был
ли он здесь прав?
Скоро взяло косвенное доказательство БКА: изотопный анализ
представил, что самые древнейшие осадочные породы (те самые, из
юго-западной Гренландии, тот или иной 3,8 миллиардов лет) дышат следы
жизни — их изотопный состав таков, какой нормален у остатков
жизнедеятельности, жаждая никаких свидетельств наличия отдельных
организмов (клеток) нет. А ведь эти породы на полмиллиарда лет
ветше тех южноафриканских образчиков, в тот или иной найдено
нечто вроде главных клеток. Быть может, жизнь и впрямь появилась
до клеток, в форме налаженности биохимических реакций? Ежели да, то
о жизни из космоса разговаривать лишне, но встает вопросец, где это
имелось.
В 1970-х гг. площадь для абиогенеза имелось разыскано, и оно
изумительным образом живет доныне — горячие и
сверхгорячие источники. Конкретно в их жизнь наблюдается в форме
незначительных (по числу внешностей и по корпоративной биомассе) сообществ, в
тот или иной сравнимо бегло просматриваются биоценозы пор
рождения жизни. О этом пойдет речь в п. 7.
5. Биосфера как организм
Итак, жизнь, точнее итого, появилась в форме биоценоза. Но
биоценоз — не биосфера: биоценозы зависят товарищ от товарища, а
биосфера одна. Может быть, и она родилась ранее, чем
организмы?
Биосферу не поделенную на организмы, изобразил нам Станислав
Лем в фантастическом романе «Солярис». Там биосфера неизвестной
планетки Солярис стает громадным умом, пристально
исследующим прибывшх землян. Не так ли смотрелась и первичная
биосфера Мира? Сначало Лавлок лицезрел близкую Гею чем-то
схожим, но в экий форме принять идею биосферы-организма
ученые отказались. И все таки, при цельной ее экстравагантности,
мысль совсем не абсурдна: пусть биосфера состоит из иных
организмов, но это не мешает осматривать ее как организм,
так как существование составных организмов добро знаменито —
таковы и пчелиный улей, и лишайник, и начиненный зеленоватыми
водными растениями моллюск. Да что там! Наш с вами организм тоже в
некоем смысле составной: он состоит из органов, они — из
тканей, тот или иной, в близкую очередь, состоят из клеток; а ведь
сами клеточки могут иметься организмами — при пригодных соглашениях
опыта они длинно живут вне организма (так-называемые культуры
тканей).
Второе тяжба, какими качествами составной организм может
владеть, а какими нет. Сначала Лавлок наделял его мышлением
вроде людского, с даже еще больше мощным подарком
предвидения, ибо в ожидании водящихся бед «Гея» устроила на
свойской поверхности пригодные круги (атмосферу, гидросферу и
биосферу), сходственно тому, как человек облекает себя одеждой:
«Догадка Геи постулирует, что физические обстановки на
поверхности Мира, в атмосфере и океане — как бывшие, так и
сегодняшние, деятельно сделаны жизнью самой себе… Это
противоположно средним представлениям, по тот или иной жизнь
приспособилась к договорам планетки и они произошли родными
отдельным способами» (Lovelock J.E. Gaia: A new look of life on
Earth. Oxford, 1979, c. 152).
А в его статье, нацарапанной вкупе с Линн Маргелис (той, что
переоткрыла симбиогенез — сантим.. п. 3-13) открыто например, что
«Гея» — наиболее, чем биосфера: «Мы веруем, что Гея — трудное
единство, включающее атмосферу, биосферу, океаны и почву». Но
далее, под действием критики, Лавлок в свойской книжке
«Возрасты Геи» ослабил предполагаемые вероятности «Геи», сведя
их к возможности поддерживать ее свой гомеостаз. Сейчас
организмом квитается не планетка, а биосфера, и сердитой
порядком этому организму служит королевство животных. Головного
мозга нет — образно разговаривая, из жителя нашей планеты «Гея» обратилась в
животное вида улитки.
Выглядело бы, головным мозгом «Геи» можнож счесть население земли
(это имелось бы полностью в духе «ноосферы», как ее разумели Тейяр и
Вернадский), но Лавлок считает по другому — по его воззренью,
население земли противоборствует «Гее», и она чуток ли не готова к
ампутации этого больного органа; в любом случае, Лавлок
уверен, что она переживет «ядерную зиму», как нездоровой —
ампутацию (Lovelock J.E. The ages of Gaja. Oxford, 1989,
171-177). Сейчас «Гея» Лавлока лишена подарка предвидения, но в
ней по-бывшему «эволюция организмов и эволюция окружающей их
среды тесновато соединены в единичный процесс. Его природное
свойство — саморегуляция».
Почти все биологи замерзли бурно протестовать, ибо «большинству
биологов все-таки тяжело принять даже идею глобального
гомеостаза. Тяжба в том, что практически непереносимо представить для себя
переходное звено от локальных эффектов к изменениям в масштабе
планетки. Организмы, изменяющие близкую среду в интересах
потомства, естественно, приобретают из-за этого превосходство: вот
отчего птицы, к образцу, строят гнезда. Но тяжело осознать,
каким образом эта аккуратно дарвинистская «семейственность» может
действовать в масштабе почти всех поколений и на континентальных
расстояниях» — черкал в редакционной статье журнальчик «Scientific
American» (перевод сантим..: «В мире науки», 1990, N 2, с. 62).
Я бы выразился посильнее — не попросту тяжело, а непереносимо — в
прошлых числах мы не разов лицезрели, что дарвинизм удачно
действует едва там, где вопросцы целостности вообщем не встают.
Все же биосфера 3 миллиардов лет поддерживает, ни с чем же не
соперничая, родные генеральные характеристики (состав атмосферы, вод и
т.д.) — это ли не свидетельство целостности?
Сообразно БКА, целостность появилась задолго до возникновения
прокариот — тогда, иной раз субвитальные области замерзли
распадаться на отдельные капли, эобионты. Но до того как
разговаривать о свойствах эобионтов, нужно еще незначительно огласить о
том, как смотрелась юная Мир.
Бернал наивно помещал эобионты в ил и в почву, но это —
образования органические, организмами изготовленные. А как
смотрелась поверхность суши до возникновения организмов? Ученые за
бранные 30 лет пришли к согласию в том, что она состояла из
ровненьких, практически горизонтальных поверхностей ориентировочно на степени
океана и практически вертикальных скал. Как черкал Руттен в
упомянутой книжке, абиогенез, возможно, проходил в период меж
актами горообразования, а в этакое пора «материки, как
верховодило, стачиваются эрозией до степени моря» (с. 173).
Остается добавить, что выветривание и размыв (эрозия) шли
тогда несоизмеримо стремительнее, так как в неимение почв ничто
не удерживало буйства ветров и аква потоков. Ровненькая суша
изобиловала маленькими водоемами, то и тяжба высыхавшими либо практически
высыхавшими, а далее заново растекавшимися. Это следовательно, что
обстановки для синтеза мономеров и для их полимеризации (как мы
лицезрели в п. 3, противоположные) чередовались. Но основное
видится даже не в этом, а в повсеместном контакте 3-х фаз —
жесткой, водянистой и газовой.
Это очень комфортное соединение 3-х фаз, сохранявшееся
почти все миллионы лет, именуют эквилибросферой (оболочкой
равновесия). Напомню, что основной ученый, рассуждавший о
природном происхождении жизни — Томас Бернет в XVII веке, —
разговаривал конкретно о границе 3-х фаз (сантим.. п. 1- 13). «Бульон»
взял едва в учениях ХХ века, где, полагаюсь, и
остается. (Вообщем, и в «бульоне» Опарин лицезрел границу фаз —
это оболочки коацерватов.) На мой взор, введение понятия
эквилибросферы проясняет почти все вопросцы абиогенеза.
К примеру, Аллен и Нельсон (с. 59) черкают: «Формирование
сравнимо устойчивой эквилибросферы (твердые вещества —
воды — газы) происходит в главные немножко сотен миллионов
лет ее существования. Ранее планетка находится в состоянии
неизменных конфигураций». Замечу, что развитие планетки совсем не
непременно приводит к эквилибросфере: так, на Марсе нет
(сейчас) раскрытой воды, а на Юпитере нет суши. На Миру же
эквилибросфера появилась стремительно и никогда с того времени не
пропадала.
Приходится признать, что и в этом Миру или подфартило (вновь
антропный принцип), или удалось самой, в множество тогдашних
природных обстоятельств, придти в необходимое состояние (принцип Геи).
Как кому, а мне наиболее научным видится 2-ой принцип. Но ежели
принять его, опять встает вопросец: что все-таки считать организмом —
биосферу либо всю планетку? Точнее итого — и то, и второе, в
зависимости от решаемой задачки. Наша генеральная задачка (в
Учебнике не затронутая) — представить, что абиогенез был не
скоплением счастливых случайностей, а термодинамически
оправданным.
6. Новенькая термодинамика: планетка мастерит на для себя жизнь
О новейшей термодинамике мы теснее не разов сказали, и я только лишь
повторю, что она, в отличие от былей термодинамики (точнее —
термостатики), утверждает неизбежность образования структур и
их усложнения в каждый налаженности, где налицо чрезвычайно неравновесный
поток вещества и энергии. Названные структуры прибывают
диссипативными, т.е. живущими только лишь в потоке, где следует
диссипация (рассеяние) веществ и энергии. Диссипативной
структурой (ДС) прибывает и вся биосфера, и каждый организм —
вот отчего неотъемлемой частично жизни прибывает размен веществ:
организм делает и поддерживает близкую структуру, постоянно
разламывая нечто показное и выкидывая обломки вовне. Так призывает
термодинамика.
Для Мира как целого соглашение образования ДС с излишком
выполнено, и с данной точки зрения логично, что на ней
появились многообразные трудные структуры — континенты, круговороты
и, в конце концов, биосфера. Тем, абиогенез термодинамически
вероятен, но как он на самом деле шел?
Горовицу, не считая «ретроградной концепции», принадлежит еще
примечательная реплика, брошенная на том же Столичном
симпозиуме, где зародилась БКА: «Я считаю самовоспроизведение
и размен веществ необходимыми, но недостающими аспектами наличия
жизни; налаженность обязана иметься наделена импульсом к развитию… В
определение малых параметров первичной жизни, либо эобионта,
мы соответственны включить способность к развитию в бесчисленные
формы» (Появление жизни на Миру. Мтр., 1959, с. 109).
Горовиц, в духе эры, приравнял этот неясный импульс
прозаической «возможности к случайным изменениям», но позднее
стало светло, что приравнивать их не надлежит. Быстрее здесь к участку
«жизненный порыв» Бергсона.
Новенькая термодинамика изобразила, что случайные конфигурации и
конкурентнсть не нужно обожествлять — они не могут отдать ничего,
ежели нет критерий для образования новейшей структуры, а эти
обстановки появляются только лишь в сильно неравновесном потоке веществ
и энергии, о чем ни Дарвин, ни Опарин не подозревали.
Случайные конфигурации главны в причины шаткого равновесия,
в эти причины от их зависит, чтоб всякий вероятный путь был
в какой-то момент опробован, но набор вероятных путей зависит не
от их, а от потоков и от тех объектов, спустя тот или иной эти
потоки текут. Вот отчего мы так досконально тормознули на БКА:
в ее рамках «первичный бульон» (где надежда едва на
случайности) уступил площадь первичным потокам из недр, где
усложнение следует неминуемо.
С точки зрения термодинамики жизнь — громадная ДС, состоящая
из множества ДС помельче, а те состоят из еще наименьших ДС и
т.д., т.е. жизнь в этом смысле устроена фрактально (о
фракталах сантим.. количество 6). Сама Мир тоже появилась как ДС — за
счет рассеяния в пространстве большого числа
космического вещества и энергии. В нынешнее время Мир в
целом перевоплотился из ДС в статическую структуру, но в ней
продолжают течь потоки, обеспечивающие ее магнитное поле,
движения земной кожуры и выход веществ из недр (вулканы,
источники вод и т.п.). Эти потоки обеспечивают существование
иерархии многообразных ДС, более приметны из тот или иной две —
подвижная кожура и биосфера. Мир вполне обеспечивает
биосферу потоками веществ, тогда как потоки энергии
обеспечивают Мир, Солнце и, в наименьшей мере, излучения
космоса.
Концепция жизни как иерархии ДС арестована мною из наиболее корпоративной
теории «самоорганизующейся Вселенной» Эриха Янча, системолога
и натурфилософа, переехавшего в США из Австрии (Jantsch E. The
self-organizing universe. Oxford — N.Y., 1980). Янч во многом
определил мировоззрение обширно знаменитой школы Пригожина (о
ней шла речь в доли 5), где, к раскаянью, изредка его
упоминают. Подробнее о взорах Янча можнож прочитать в книжке:
Чайковский Ю.В. Компоненты эволюционной диатропики. Мтр.,
1990.
С изложенной точки зрения, жизнь порождена Светом (вернее, ее
потоками), и в этом смысле Мир можнож признать живой. Наиболее
того, биосфера жива едва постольку, так как жива Мир — в
п. 3 мы наступили теснее к принесенному заключению с позиций геологии.
Сейчас пора огласить, что жизнь могла родиться только лишь тогда,
иной раз Мир находилась в соответственном возрасте, так что
оглавленье книжки Лавлока («Возрасты Геи») оправданно.
Сначала, у юный Мира имелась совершенно другая атмосфера,
практически либо совсем без кислорода. Это светло из того, что осадочные
породы, погребенные в то пора, хранят неокисленное железо.
В подземных водах его самое большее и на данный момент, но оно сразу
окисляется на воздухе: почти все из читателей сами видали, как
льющаяся из скважины прозрачная вода стремительно мутнеет — это
растворимые соли двухвалентного железа окисляются воздухом в
малорастворимые соли трехвалентного.
Но ежели кислорода в атмосфере не имелось, то отчего древний
след жизни оказался окисленной породой (коричневым железняком), как
мы лицезрели в п. 4? Ответ ученых элементарен: основной биоценоз был
тесновато сомкнутым, схожим на теперешний лишайник, где тесновато
сомкнуты гриб и водоросль, и окислитель (кислород) в атмосферу
не выходил.
Чтоб окончить с термодинамикой, заметим, что с ее позиции
абиогенез выгоден для планетки: ежели термодинамически выгодно
образование многообразных ДС, а не их разрушение, то неподражаемо
выгодно накрыть их все вкупе единичной оболочкой, замедляющей
корпоративное разрушение. Этакую оболочку и делают общо биосфера
и сделанная ею атмосфера.
7. Жизнь родилась в скороварке?
Как теснее было сказано, в ранешние поры Мир не обладала суши в
сегодняшнем смысле, и ежели не считать вертикальных скал, то
заместо суши мы увидали бы тогда всеобщую эквилибросферу:
во-главных, то и тяжба высыхающие и опять заливаемые отмели (сантим..
п. 4), а во-вторых, колотящие повсюду из мира горячие источники,
поставляющие на эти отмели вещество.
Главные, еще практически неспособные жить структуры (эобионты)
надлежит отыскивать в милующих соглашениях, но что считать милующим?
Вспомним, что в эру абиогенеза океан был кислым (а не
соленым) кипяточком, с неба лился губительный поток
ультрафиолета, заместо обычного нам воздуха дули ветрами
непригодные для нас метан и аммиак — и мы усвоим, что для главных
организмов удобные для нас обстановки могли быть гибельны.
Добавим, что для образования ДС необходимы устойчивые потоки
пригодных веществ, и окажется, что превосходнейшей колыбели жизни, чем
горячие источники, даже отыскивать нечего. О их как о поставщиках
подходящих веществ сказали издавна, но едва четверть века назад
ученые замерзли отыскивать жизнь открыто в их. И разыскали нечто
удивительное.
Горячие источники посещают 3-х разновидностей — вулканы, горячие
источники вод на нечутче и гидротермали на дне океанов. Вулканы
увлекательны нам только лишь как поставщики веществ (газов и пепла),
зато два иных вида показывают близкую необыкновенную жизнь —
бактериальные общества, неспособные жить при «наших»
температурах. Обнаружив их, ученые сначала обрисовали их как
предназначенное приспособление к жару, но понемногу выяснилось, что
конкретно эти бактерии ветше целых. Большая часть их (но не многие)
иметь отношение к широкой группе, тот или другой так и именуют —
архебактерии, т.е. древнейшие бактерии. Раздобывается, что мы-то как
разов и приспособились к морозу.
Гидротермаль — это выброс горячих газов, растворов и взвесей
из разломов океанического дна, плотнее итого — в
срединноокеанических хребтах, в зонах спрединга (п. 2).
Температура выбросов превосходит 100 градусов, время от времени намного,
но вода в их не бурлит, так как точка кипения при больших
глубинных давлениях может достигать пятисот градусов. Более
эффектны и поэтому наиболее знакомы «темные курильщики» —
выбросы, в тот или иной преобладает пирит (дисульфид железа),
образующий большие клубы темной взвеси. Вокруг выброса
формируется труба жестких осадков вышиною до 20 метров, близко
нередко размещается «белоснежный курильщик» из ясных взвесей, не
образующих труб, так что «темный курильщик» смотрится в свете
прожектора как сказочный подводный завод. Живет он итого
50-сто лет, пока функционален выброс, и все это пора окружен
биоценозом совсем необыкновенных организмов.
Доподлинно знакомы бактерии, живущие в устьях гидротермалей и
располагающих оптимум роста при 110 градусах — как в скороварке. Они
восстанавливают углекислый газ и серу, окисляя водород и
выделяя наружу метан и сероводород, чем обеспечивают включение
генеральных хим компонентов в био круговороты. При
этом «у нас нет никаких оснований предполагать, что
бактериальные жители реликтовых сообществ сколько-нибудь
серьезно поменялись со поры близкого происхождения» (
1Сергеев В.Н, Холл Э.Х., Заварзин Грам.А. 0 Главные три млрд
лет жизни: от прокариот к эвкариотам (*). // Природа, 1996,
N6, с. 55, 57).
(*) Эвкариоты
— организмы, состоящие из клеток, располагающих ядро. Это написание,
непрерывно используемое принесенным журнальчиком и почти всеми создателями,
подходит греческой фонетике. Дифтонг (двойной гласный
звук) eu — в греческом и в латыни читался как эв (эвглена,
эвкалипт, эврика, эвтрофия и т.д.) либо как ев (Евангелие,
Евгений, Европа, евнух и т.д.). Систематики, понимающие греческий
источник термина, черкают слово «Eucaryota» по-русски так:
эвкариоты либо евкариоты. Те же, кто принимает это слово как
английское, черкают эукариоты; экому написанию нет российских
аналогов, оно противоречит российской фонетике, и его навряд ли
можнож признать грамотным. Греческая приставка pro- значит
«до-«, а eu- носит нрав усиления; тем, procaryota
практически — «доядерные», а eucaryota — «фактически ядерные»
либо «подлинно ядерные».
Крайнее утверждение нужно уточнить: идет речь о сохранении
старых экологических и физиологических функций бактерий,
тогда как о определенных биохимических реакциях ископаемых мы не
знаем решительно ничего. Навыворот, представляется неописуемым,
что главные живые организмы имелись настолько же биохимически трудны и
безупречны, как сегодняшние.
Посреди гидротермальных сообществ глодать экие, тот или иной не
приобретают подходящих им веществ ниоткуда, не считая как из недр;
по-видимому, они являют собой биоценозы, способные жить без
остальной биосферы. Так и охото огласить, что каждый экий
ценоз — махонькая биосфера, но это имелось бы ошибкой: он не
замкнут, не утилизирует родных отклонений, а выкидывает их вовне.
Это чрезвычайно главно: и осознать его появление примитивнее, и роль его
в предстоящей эволюции явна — творение основы для остальной,
наиболее трудной и разнородной жизни, для биосферы.
Как это происходило, тоже можнож осознать, смотря на гидротермаль,
вернее — на ее окрестности. Глубины океана являют собой
пустыню, в тот или иной гидротермали служат оазисами. Литотрофные
бактерии играют роль первичных продуцентов, т.е. вводят в
био круговорот вещества, когда-то принадлежавшие
неорганической природе, и служат едой большой массе
организмов (время от времени до 50 кг сырого веса на кв. м дна),
посреди тот или иной не совсем только планктон, да и большие беспозвоночные,
к примеру, моллюски, включая даже головоногих.
Самое для нашей предмета занимательное в том, что в экий экосистеме
поедание большущими организмами небольших играет подчиненную роль:
заместо этого большие животные предпочитают разводить снутри
себя микробов, служащих им едой. Некие даже не обладают
никакой пищеварительной налаженности. Таковы рифтии (иметь отношение к
виду погонофор) — большие, до полутора метров, туловищем
снаружи схожие на кольчатых червяков, но с яркокрасным султаном
щупалец (рис. 4).
Заместо органов пищеварения рифтия обладает трофосому — полость
заполненную автотрофными (т.е. усваивающими углекислый газ)
микробами, тот или иной играют тут роль растений, т.е. вторичных
продуцентов, с той различием, что заместо света источником
энергии им служит, возможно, сероводород, произведенный в
устье гидротермали литотрофами. (Вторичные продуценты
отдают в био круговорот тот углерод, тот или иной
выпал из него, иной раз организмы-деструкторы, т.е. редуценты, а
также животные, разламывая органику, испустили его в форме
углекислого газа.)
Вновь полная противоположность средней жизни: мы считаем
тесноватый симбиоз (как в лишайнике) чем-то изумительным, тогда
как в начале жизни он был нормой, притом неминуемой. Едва
тогда, иной раз жизнь обширно распространилась и заполнила
органикой поверхностные круги океана, она смогла дозволить для себя
этакую роскошь, как животных, без помощи других разыскивающих близкую еду.
Ранее отыскивать имелось нечего, и каждое животное, как будто
астронавт на чужой планетке, носило близкую среду обитания с
собой.
Досконально и интересно сказал о гидротермальной жизни
французский зоолог Люсьен Лобье (Laubier), один-одинехонек из главных ее
исследователей (Лобье Литр.. Оазисы на дне океана. Литр.., 1990).
Внимательный читатель может опешиться: сначала было сказано, что
абиогенез шел в высыхающих лужах, а сейчас вот — на дне
океана. Но противоречия здесь нет — «обстановки скороварки» полностью
уживались тогда с границей фаз (эквилибросферой): атмосфера из
углекислого газа обеспечивала давление во самое большее разов выше
теперешнего (как на данный момент на Венере), а гребни
срединноокеанических хребтов торчали из еще неглубокого тогда
горячего океана, полного отмелей, плавненько переходивших в сушу.
Органические вещества бегло засасывались в наземные термальные
источники (рис. 5) либо, смытые в океан, — в гидротермали (рис.
6).
Второй пример ранешнего ценоза в эквилибросфере связан с
окислением железа. Сначала этот процесс шел аккуратно химически, а
далее — за счет железобактерий, тот или иной, по-видимому, и
сделаны генеральные месторождения стальных руд. В этом смысле
любопытно самое древнее свидетельство жизни — упомянутая выше
осадочная порода на юго-западе Гренландии (3,8 миллиардов лет)
прибывает слоистым коричневым железняком. Его слоистый нрав
нередко объясняют как свидетельство повторяющейся активности
окисления — так же, как повторяющаяся активность фотосинтеза у
деревьев приводит к образованию годичных колец. Может быть, это
окисление производилось еще до сечения древнего
биоценоза на отдельные бактерии. Как он мог иметься устроен,
ученые теснее знают, и вот откуда.
Множество следов древней жизни сохранилось в форме
строматолитов — бугров, росших на дне бывших небольших
водоемов с переменной соленостью. Строматолит (что по-гречески
следовательно «ковровый камень») являет собой закаменевший
циано-бактериальный мат — тонкослоистую структуру,
интеллигентную биоценозом прокариот. Живой мат являет собой
мультислойный (до 2 сантим.) «ковер» из живых прокариот. Он
покрывает круги, сделанные продуктами деятельности теснее отмерших
поколений прокариот и неорганическими осадками. В нем роль
растений играют цианеи — они занимают верхние милиметры
«ковра» (куда попадают свет и кислород), а другие организмы
(бактерии) живут за их счет. Экие маты и сейчас образуются
при горячем климате в чрезвычайно соленых лагунах — к примеру,
казахстанского озера Балхаш.
Мат занимателен нам тем, что, в отличие от гидротермали, являет
собой вроде бы малолетнюю биосферу со родными замкнутыми
круговоротами органических веществ и кислорода, где
большая часть жителей живут без кислорода и без света. Экий
«оазис» мог, в принципе, быть в безжизненной среде и
поэтому доставляет осознать, как могло смотреться общество главных
организмов — так считает Заварзин. Добавлю: так мог снаружи
смотреться и основной организм-биоценоз, еще не разбитый на
особи.
Это — метаболический нюанс вопроса абиогенеза, а ведь все
разысканные заслуги было надо еще выучиться наследовать.
8. Рибозим, либо возникновение наследственности
Сообразно Учебнику (с. 67), «ключевыми направлениями эволюции,
приведшей к происхожденью био порядков, надлежит
считать… появление каталитической активности белков,
возникновение генетического кода и методов преображенья
энергии». Но ежели основному и третьему фронтам там
посвящены разделы, то о возникновении наследственности глодать едва
одна фраза: «По-видимому, в это пора происходило
становление генетического кода» (с. 69). А ведь конкретно тут в
бранные 30 лет достигнуты самые впечатляющие результаты.
Длинное пора числилось, что сущность вопроса в том, как смогли
начать действовать две налаженности — ДНК, синтезируемая белками, и
белки, кодируемые текстом ДНК. Одновременное их возникновение
(пусть в самом зачаточном облике) смотрится полностью
неописуемым, а возникновение порознь — нелепым. Вопрос
сопоставляли с старой загадкой («Что взяло ранее — курица
либо яичко?») и, обычно, считали безнадежной. Все же, как
как правило с «нескончаемыми» темами, она оказалась просто ошибочно
поставленной: судя по цельному, первичная наследственность не
имелась ни ДНК-овой, ни белковой.
Копирование ДНК — самая трудная из целых форм копирования:
двойную спираль нужно вначале расплести, далее сделать копию с
каждой половинки (направления считывания на 2-ух цепях ДНК
противоположны) и заново закрутить — сейчас теснее две
двуспиральные налаженности. Притом на самой ДНК ни один-одинехонек белок
синтезироваться не может: с нее нужно сшибить копию в облике
матричной РНК (мРНК), по тот или иной будет, с подмогою совокупы
транспортных РНК (тРНК), синтезироваться белок. И на каждой
стадии — родные ферменты. Зато молекулу РНК может копировать
один-одинехонек-единый фермент — РНК-полимераза. Не с РНК ли и
началась наследственность?
Вопросец не разов ставился (к примеру, Берналом — сантим.. п. 4), но был
праздным, пока числилось, что катализировать биохимические
реакции могут только лишь белки. И вот в 1981 грам. имелось определено,
что РНК может проявлять ферментативную активность. Имелась
высказана догадка, что в первичных организмах РНК веяла как
потомственную, так и каталитическую функции, а в 1985 грам.
взял даже термин «РНК-овый мир». Все же рибозимы (так
окрестили РНК, функционирующие ферментами) оказались несоизмеримо
наименее разнородны, чем белки, что и природно — ведь белки
формируются из 20 внешностей кодируемых аминокислот, притом
очень многообразных по свойствам, тогда как РНК — итого из
4 внешностей нуклеотидов. Притом итого 2-ух разновидностей: два
нуклеотида обладают основаниями пурины (аденин и гуанин), а два —
пиримидины (цитозин и урацил), как изображено на рис. 7.
Напомню, что нуклеотидом именуется нуклеотидное основание
плюс соединенное с ним звено сахаро-фосфатной цепи.
Длинно не удавалось ключевого — разыскать рибозим с РНК-полимеразной
активностью, и до этого времени (как я знаю) истинной
РНК-полимеразы, способной копировать всякую РНК, посреди
рибозимов не разыскано.
Выглядело, преодолеть басистое обилие нуклеотидов
непереносимо, и с идеей РНК-ового мира нужно расстаться, но в
1995 грам. южноамериканские биохимики Майкл Робертсон и Стенли Миллер
разыскали к этому обилию ключ. А конкретно, они напомнили, что
в соглашениях преджизни могут синтезироваться не совсем только четыре
указанных нуклеотидных основания, да и так-называемые минорные
(измененные) основания, посреди тот или иной более занимателен
5-оксиметилурацил. Его несложно заработать, связывая урацил с
формальдегидом, сам же 5-оксиметилурацил доставляет при 100 градусах
(вот она, гидротермаль!) целый диапазон минорных оснований (рис.
8). Примечательны они тем, что каждое служит стереохимическим
аналогом какой-то аминокислоты (Robertson M.P., Miller
S.L.Prebiotic synthesis of 5-substituted uracils: a bridge
between the RNA world and the DNA-protein world. // Science,
vol. 268, 5 May 1995).
С позиции диатропики (так именуется наука о разнообразии, о
ней шла речь в доли 6) это открытие понятно и закономерно:
кратко разговаривая, биохимики начали наполнение рефренной таблицы
«Хим характеристики органических катализаторов», в тот или иной
меж строчками «аминокислоты» и «нуклеотиды» нашли
параллелизм. В сегодняшней жизни каталитическая функция практически
полностью отошла от РНК к белкам.
Сообразно концепции «РНК-ового мира» механизм синтеза белка
появился при абиогенезе последующим образом: сначала рибозимы,
еще наиболее разнородные, чем сейчас, эволюционировали сами
по для себя, встраиваясь в геохимические круговороты вровень с
протеиноидами, тоже состоявшими из чрезвычайно огромного числа разновидностей
аминокислот. Те рибозимы, тот или иной катализировали свой
синтез, послужили предками генетического аппарата, а те, что
катализировали синтез протеиноидов — предками аппарата синтеза
белка. Каким образом эти два класса начали взаимодействовать,
пока мрачно,
Posted in ЭкоМедицина by admin with comments disabled.