Глава 3
Начало системной эволюции жизни
Увязывая функцию биологического организма прежде всего с явлением адаптации, можно попытаться сформировать несколько предположений, которые, возможно, будут иметь некоторую ценность для онтологической модели в части построения гипотезы о происхождении жизни на Земле.
В утверждении космической "стерильности" нашей Вселенной, с необходимостью заложен постулат о возможности самозарождения жизни, которая в этом случае не может иметь внесистемного происхождения. В связи с этим приходится думать, что истинный механизм зарождения жизни должен находиться ближе всего к теоретическому полюсу идей академика А.И.Опарина. Именно его гипотезу мы и попробуем проанализировать в аспекте общей теории систем.
Основывается эта теория прежде всего на том предположении, что в истории нашей планеты существовал период, когда земной Океан был сильно насыщен органическими соединениями, которые могли являться элементарно необходимым строительным материалом для возникновения первых форм жизни.
Вот сложившееся представление об этом процессе. "Начало жизни на Земле - появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предполагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коацерватами - сгустками органических веществ - могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту". [24] Хорошо известны и недостатки этой теории, которые, однако, не воспринимаются как исключающие ее целиком. "Самое трудное для этой гипотезы - объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными...". (там. же стр. 96).
Действительно, способность живых систем к самовоспроизводству объяснить непросто, особенно с позиций ее эволюционного формирования.
Если заглянуть в живую клетку, можно испытать чувство величайшего изумления от осознания, насколько сложен, универсален и отлажен весь механизм ее жизнедеятельности. Да, что там вся клетка, только одна органелла, например рибосома, при помощи которой синтезируется белок, выглядит устроенной сложнее, чем наш телевизор. При этом каждая "деталь" рибосомы существенна. Если удалить хотя бы одну, вся система не будет работать в целом.
Как такое могло возникнуть эволюционно? Ведь даже самый простой телевизор должен был возникнуть сначала целиком в чьем-то воображении, а затем целиком воплотиться в действительность и тогда начать свою функцию. Такие факты, вроде бы, трудно складываются в копилку традиционного материализма.
Все объясняется проще, если из определения жизни для начала исключить представления о том, что жизнь на нашей планете сразу приобрела белковую основу, и что жизнь сразу образовалась из сложных неживых систем.
Напомним еще раз цитату, в которой заложено традиционное представление о жизни.
"Начало жизни на Земле - появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков". Ошибка может состоять в том, что изначально возникновение живых систем на основе нуклеиновых кислот не было опосредовано производством белка. Воспроизводство белков, по нашей гипотезе, могло начаться лишь спустя уже многие миллионы лет небелковой эволюции живых систем, когда природа уже отработала и закрепила генетически многие и многие функции механизмов адаптации, когда принцип направленной флуктуации закрепил свою универсальную монополию в сложнейших биотопах, развивающихся под воздействием механизмов естественного отбора.
Все выглядит так, что уже сама клетка и даже любая белковая органелла являются продуктами сложнейшей и длительнейшей эволюции жизненных форм. Почти такими же сложными, как сам человек, если мерить эту сложность по событийной шкале эволюции.
При этом уже никого не удивляет сложность внутреннего устройства теплокровных животных, которых тоже никто не формировал по изначально задуманной схеме. Эта сложность, как известно, возникала постепенно в процессе естественного отбора, приспосабливая организмы к меняющимся условиям существования.
Почему тогда следует думать, что вся сложность белка могла возникнуть вдруг по необыкновенно удачному стечению обстоятельств?
Равным образом и белок, похоже, не может являться единомоментным творением природы. Живая природа, скорее всего, не сразу разнообразила себя таким универсальным и полезным изобретением.
Попробуем детализировать модель происхождения жизни с учетом этих предположений.
Сначала следует привести еще одно общеизвестное обстоятельство, которое поможет пролить свет на способ самозарождения жизни. "В начальный период формирования Земли воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест образования в места накопления. Там формировались пробионты системы органических веществ, способных взаимодействовать окружающей средой, т.е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ. Здесь уже возможен примитивный "отбор", ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ - из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.
Затем образуются микросферы - шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ. ...Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. Разумно предположить, считает И. Пригожин, что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры - переход к живому, но еще нет воспроизводства." (там же. стр. 94-95).
Как можно видеть, в современном представлении допускается существование эпохи "пробионтов", которые еще не считаются полноценными живыми организмами, поскольку не могли содержать белок, но называются фактически саморганизующимися системами. Вполне очевидно, что поглощая, преобразуя и выделяя вещество и энергию в процессе пусть примитивного, но обмена, эти пробионты в сущности представляли из себя системы по нашему определению, и, поскольку, уже существовал естественный отбор, была возможна и адаптация, которая заставляет отнести эти системы также и к живому типу в системологической классификации.
Именно на эту эпоху пробионтов следует пристальнее взглянуть с позиций общей теории систем. Чтобы лучше восстановить картину, следует подумать, где еще можно взять ценные для нас факты. Напрашивается самый простой ход - непосредственно в клетке.
Если, как известно, развитие эмбриона у животных отражает всю биологическую эволюцию вида, естественно предположить, что это отражение может начинаться гораздо раньше не с чисто эмбрионального, но уже с клеточного уровня. Зарождение и развитие клетки также может отражать некоторым образом процесс ее системной эволюции.
Клетку привыкли считать элементарной живой единицей. Интересно задаться вопросом, а какие из ее элементов являются собственно живыми. Ответ очевиден: все белки, ферменты, рибосмы, вакуоли и пр. способны к функционированию в основном лишь по механическому системному типу (хотя нельзя исключить, что какие-то элементы могут выпадать из общего правила, но об этом пока нет достоверной информации), и лишь ДНК, а иногда и РНК способны проявлять отчетливую функцию типичной адаптации. Похоже именно в ДНК и в РНК природа пронесла через миллионы лет принципы устройства живой системы, которые были отработаны еще в древней океанской колыбели.
Все началось с хаоса, который, как убеждает нас теория И.Пригожина, в отдельных локальных областях, переходя в крайне нестабильное состояние, мог порождать диссипативные структуры, обладающие повышенным уровнем организации. Тут следует заметить, что помимо хаоса как такового, принципиальное значение для зарождения жизни могло иметь также и его количество.
Очевидно, что структуры с более высоким уровнем организации воссоздаются из хаоса с меньшей вероятностью, чем с более низким уровнем организации, также, как возможность получения крайних отклонений от нормального распределения в теории статистики тем меньше, чем меньше количество испытаний. Поэтому в хаосе должно быть огромное количество событий для того, чтобы хотя бы одно из них могло создать достаточно совершенную структуру для инициации живой системы. Именно поэтому известные "пробирочные" эксперименты, в которых моделировались условия океанской колыбели , могли не иметь заметного успеха для моделирования зарождения жизни. В пробирке может быть слишком мало "хаоса" по сравнению с его количеством в планетарном масштабе. Поэтому пробирочный эксперимент по проверке гипотезы зарождения жизни может иметь успех лишь при моделировании в условиях некоторых принципиальных допущений, соответствующих весьма специфическим условиям микролокальной части древнего океана.
Первый шаг природы в жизнь выглядел мелким лишь пространственно, поскольку в диссипативную структуру могли сложиться лишь несколько простых молекул, но в сущности это событие явилось как бы разрядкой напряжения хаоса даже не в планетарном, а в космическом масштабе, если учитывать еще и уникальность Земных условий.
Химическая эволюция в условиях Земли к тому времени уже создала такую ветвь, как развитие систем - катализаторов. Возникновение этой формы движения механически систематизированной материи не требует специфической генетической компоненты, хотя и является диссипативным событием. Условие ее состоит лишь в специфике строения элементарных частиц, которые случайно образовались и собрались в определенном количестве в данной области пространства.
Скачок в жизнь, кажется, произошел тогда, когда природа случайно создала систему таких катализаторов, которая была способна обусловливать процесс химического производства не другого вещества, но этих же катализаторов. С этого события, по-видимому, можно считать переход всей жизни как единой системы в дофункциональную фазу развития.
В такой структуре зарождение жизни уже переступило порог от чистой случайности к детерминизму. Принципиально, что такой катализатор должен был обладать еще и механизмом направленной флуктуации. То есть обладать потенциалом для выбора пути эволюции. Как раз эти свойства и можно наблюдать именно цепочки нуклеиновых кислот, у которых связи между элементами самой цепочки (осевая связь) оказываются много прочнее, чем боковые связи с другими возможными молекулярными образованиями, которые могли присутствовать в океаническом бульоне. Более того, уже в полной мере такими свойствами обладает любой триплет нуклеотидов, который способен катализировать возникновение своего зеркального подобия при наличии доступного материала. Стало быть, именно особенное системное соединение нуклеиновых кислот в древнем океане выглядит событием химической эволюции, которое инициировало зарождение органической жизни.
Как известно, в процессе репликации цепочка ДНК распадается на две части, затем на каждую из частей присоединяются свободно плавающие в ядре нуклеотиды в точном соответствии с последовательностью аденин - тимин, цитозин - гуанин. При этом каждый триплет производит свое зеркальное подобие, в свою очередь его зеркальное подобие способно произвести именно этот триплет. Это основной и универсальный способ, на котором основано все царство живых организмов. Насколько проста, универсальна и эффективна эта система!
Очевидно, флуктуационное возникновение триплета нуклеотидов и следует считать первым шагом в эволюцию живых организмов. Недаром живая природа так свято верна этому самому древнему механизму, составляющему ее первооснову. В нем сосредоточены уже и принцип отражения в том виде, в каком он присутствует в живом, и принцип комплиментарности, от которого происходят впоследствии и генетическое дублирование (диплоидность хромосом), и, похоже, даже разделение большинства организмов живой природы на мужскую и женскую половины.
Триплеты, как известно, легко соединяются в относительно устойчивые цепочки, образуя сообщества - нити ДНК, которые изначально составляли чисто механические конгломераты. Уже эти сообщества несут в себе элементарную адаптационную функцию, основанную на разновидности системного симбиоза.
Соединившись друг с другом в осевом направлении, а в боковом, удерживая, хотя и более слабо, свое зеркальное отражение, триплеты тем самым защитили самые реакционно-способные участки своих молекул от внешних разрушающих воздействий других химических веществ и веществ, способных оказывать "шумовой" деструктивный каталитический эффект на их молекулярную структуру. В этом примитивном виде и в этой примитивной форме адаптационная система уже вполне могла быть способна к относительно самостоятельной эволюции, поскольку наиболее удачное соединение триплетов обеспечивало наиболее длительное существование всего их конгломерата. Справедливо предположить, что с этого момента и заработал "естественный" отбор, который собственно и обозначил порог перехода системы жизни в функциональную фазу развития.
Химическая эволюция, похоже, должна была сделать еще один "подарок" нашей планете, который, не исключено, пришлось ждать многие тысячи лет. Возникновение устойчивых структурных полимеров само по себе уже внесло заряд упорядоченности в океанический хаос.
Вдоль цепочки конгломерата триплетов неизбежно создается некоторое структурное чередование физико-химических полей, способных оказывать влияние на иные химические вещества, растворенные в океаническом супе. Видимо, к внутренней протогармонии нуклеиновых полимеров "прислушивались" и другие молекулы органических веществ, способные реагировать на ритмическое сочетание этих полей. Весьма простенькая модификация триплета нуклеотидов, а именно замена десоксирибозы на рибозу, а тимина на урацил (что также выглядит удивительно удачным, но вполне реальным случайным событием) породила самого первого на Земле "коменсала", а может "паразита" - протоформу РНК.
Этот конгломерат, как самостоятельная система, не был способен к воспроизводству самого себя, но был способен использовать гармонию ДНК для формирования своей структуры.
Очевидно, что гармонические поля ДНК катализировали в первичном океаническом супе разнообразные соединения, часть из которых, в том числе и РНК могли иметь относительно устойчивую структуру.
Можно также предполагать, что и на саму древнюю ДНК внешние химические соединения могли оказывать разнообразное влияние, например, стимулировать или затруднять разрыв более слабых боковых связей между нитями нуклеотидов всей молекулы, даже разрушать саму молекулу.
Более слабые боковые связи цепочек нуклеотидов в силу чисто физических причин обусловливали быстрое распространение протоформ ДНК в древнем океане. Ведь в этом случае молекула скорее полностью разорвется вдоль и породит себе подобную, чем разорвется поперек потеряв ценную для собственного выживания последовательность нуклеотидов. Вполне естественно, преимущественное развитие получали те структуры, которые в силу внешней конфигурации оказывались наиболее приспособленными к внешним воздействиям.
Главное для следующего шага было достигнуто уже на этом добелковом этапе эволюции живых систем: природа отработала и закрепила уже генетически основные принципы, составляющие специфику движения живой материи.
Далее из всех органических молекул, которые "роились" вокруг и в связи с гармонией протоформ ДНК, естественный отбор отметил особенным вниманием протоформы РНК, которые, как оказалось, вдруг обнаружили много полезных свойств. Например, оказалось, что РНК при определенных условиях способна стимулировать соединение аминокислот в цепочки, также некоторым образом отражающие структуру протоформ РНК, а следовательно и протоформ ДНК. Конечно, изначально процесс связывания аминокислот без специфических катализаторов, какими являются рибосомы, мог быть событием относительно редко случающимся и очень медленным.
Очевидно, сама РНК могла нести в себе какие-то встроенные катализаторы этого процесса, а цепочки аминокислот могли получаться еще весьма короткими и несовершенными для возникновения вторичной и третичной белковой структуры. Эти аминокислотные полимеры могли дать новую "пищу" для естественного отбора, поскольку они оказались чем-то полезными конгломератам ДНК и РНК. Скорее всего, просто, насыщая пространство вокруг себя полимерами аминокислот, протоформы ДНК и РНК получали аминокислотно-пептидный пул, который некоторым образом механически и химически блокировал подход к ДНК органических соединений, нарушающих информационную стабильность. Сгусток полимеров ДНК, РНК и аминокислот в древнем органическом супе мог составлять первичную живую систему почти клеточного типа. ("Ядрышко" в клетке - может быть реликтовый прообраз такого сгустка?)
Возможно, что эти системы научились использовать естественные пленочные жировые капли для собственной стабилизации, образуя коацерваты, как утверждал академик Опарин. Возможное существование именно коацерватов не выглядит принципиальным, механизм внешней механической зашиты ДНК и мог быть и иным.
Закрепив генетически информацию о необходимых свойствах аминокислотных полимеров, естественный отбор при помощи свойств ДНК стал насыщать уже аминокислотные полимерные системы новыми полезными свойствами. ДНК посредством РНК постепенно "научилась" производить такие полимеры, которые могли приобретать и вторичные и третичные структуры и связываться друг с другом определенным образом, образуя, скорее всего, сначала формы, подобные губкам, которые механически препятствовали подходу неблагоприятных веществ к ДНК, запрятанной внутри, но пропускали необходимые органические вещества для формирования новых информационных молекул. Впоследствии это эффектное свойство особо устроенных белковых молекул сформирует более совершенную клеточную мембрану.
Возникновение клеточной мембраны, конечно, составило значительное событие в эволюции жизни. Ведь с этим "изобретением" жизнь уже могла выйти за пределы древней океанической колыбели. Эта мембрана отграничила ДНК от внешней среды таким образом, что изменение свойств древнего океанического бульона уже перестало существенно влиять на стабилизацию информационной структуры. При помощи мембраны система ДНК научилась изготавливать и удерживать вокруг себя частичку того океанического бульона, который когда-то был ее естественной колыбелью. Все это шлифовалось и опять шлифовалось естественным отбором в течение многих тысячелетий.
В процессе естественного отбора наиболее эффективных белковых образований, живая природа совершила еще одно из главных своих "изобретений". Элементы системы ДНК научились производить свои собственные белковые катализаторы, которые приняли на себя множество механических функций по поддержанию внутреннего гомеостаза.
В свете таких предположений, например, напрашивается гипотеза, которая на вышеупомянутую сложнейшую рибосому позволяет взглянуть просто, а не как на необъяснимый феномен природы. Ведь РНК, склеивая различные вещества, "случайно" могла обнаружить, что это "склеивание" происходит легче, если "потереться" собственными реакционно-способными участками о некоторые белки. Вполне ясно, что естественный отбор не оставил без внимания и такое полезное изобретение.
Стали возникать специализированные белки, предназначенные для этой цели. В результате лишь некоторые из них полностью решили эту проблему и, очевидно, настолько эффективно, что их структура впечаталась нетленными "золотыми" буквами в общую информационную книгу жизни. Отныне эти два белка и составляют две совмещенные части рибосомы - универсальной белковой фабрики. Так шаг за шагом из простого возникали сложнейшие структуры, которые мы теперь называем живыми клетками.
Представленная модель происхождения жизни, конечно, не может претендовать на какую-то совершенную достоверность. Модель лишь указывает на возможность самозарождения, а также длительной и сложной эволюции добелковых форм жизни. В данном случае мы попытались проиллюстрировать и практическую применимость системологических принципов для построения подобных моделей, а заодно дать некоторое гипотетическое объяснение феномену жизни в порядке онтологического обоснования стерильности и системности нашей локально ограниченной Вселенной.
Источник: i-u.ru.
Рейтинг публикации:
|
