Развивающаяся Вселенная

3.6 От химической эволюции к биохимической эволюции
[Продолжение]

Следующий шаг в формировании основ жизни на Земле, иначе говоря, вторая стадия долгого пути, предстает как наиболее трудная и наименее разработанная часть проблемы происхождения жизни. Как писал Бернал, "Здесь в наших попытках создать правдоподобную гипотезу мы можем рассчитывать только на логику". Предполагается, что на этой стадии произошел переход от молекул к биомолекулярным комплексам, оформились предтечи материальных и функциональных основ жизни. Понять те вопросы, которые поставили перед учеными попытки объяснить происходившую в этот период эволюцию, проще всего забежав далеко вперед и кратко рассмотрев конечные результаты, достигнутые Природой на протяжении второй стадии. Выше упоминалось, что фаза жизни начинается после того, как появляются два характеризующих ее процесса: обмен веществ и точное воспроизведение определенных органических молекул и биомолекулярных комплексов. У современных организмов оба жизнеобеспечивающих процесса достигли высочайшего уровня совершенства, но для этого понадобилось свыше миллиарда лет эволюции. На второй стадии возникновения жизни должны были появиться самые ранние предшественники этих процессов, однако их следы затерялись в глубочайшей древности. Современная наука не располагает возможностью экспериментального исследования этой проблемы и в своих гипотетических реконструкциях второй стадии опирается на аналогии из области химии, биологии и геологии.
Но в последние годы в качестве ключа к решению проблемы стали активно использоваться представления о самоорганизации природных систем.

Процесс обмена веществ обеспечивает поддержание уровня упорядоченности организма и его частей. Такая задача решается путем отбора извне веществ, обеспечивающих после соответствующей их переработки протекание синтеза нужных для жизнедеятельности соединений.
С другой стороны, система выводит из организма все то, что не может быть утилизовано или появляется как шлаки процессов жизнедеятельности. Система обмена веществ представляет собой цепь тончайшим образом взаимосогласованных биохимических реакций синтеза и расщепления белковых тел. Лучшие наши химические производства могут лишь позавидовать тому, как экономно и филигранно точно осуществляет природа функцию обмена у всех своих созданий – от простейшей клетки до высших организмов.

Материальной основой системы обмена служат белки. Они выполняют функцию органических катализаторов (ферментов), обеспечивающих в условиях организма протекание биохимических реакций, а также исполняют роль структурных клеточных элементов. Белки представляют собой длинные цепочки аминокислот, удерживаемых пептидными связями. Поэтому их называют также полипептидами. Из огромного числа известных органической химии аминокислот, для построения своих белков жизнь использовала лишь 20 типов. Разнообразие белков определяется не только входящими в их состав аминокислотами, но и последовательностью аминокислот в пептидных цепочках. Более того, при полной идентичности состава и последовательности аминокислот, различия в пространственной структуре молекул белков ведет к различию их физико-химических свойств. В природе существуют два типа структурной организации органических молекул.
Характерно, что белки живого происхождения всегда имеют одну и ту же пространственную структуру, в то время как белки абиогенного происхождения содержат молекулы обоих возможных структурных разновидностей в равных количествах.

Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию, необходимую для построения из запасенного клеткой органического материала нужного в данный момент белка, обеспечивающего протекание определенной биохимической реакции. Она же ведает механизмом извлечения и реализации соответствующей программной информации. Свои функции эта система осуществляет через посредство полимерных бикомплексов – полинуклеидов. Хранителями генетической информации служат молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), такая информация заложена в последовательности оснований вдоль цепи ДНК, скрученной в двойную спираль. А "считывают" эту информацию, переносят ее в среду, содержащую исходные компоненты будущего белка, и осуществляют из них синтез этого белка молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК).

В изучении механизмов действия системы воспроизведения достигнуты выдающиеся успехи. Но здесь нас волнует один вопрос: как смогла в ходе химической эволюции сложиться из вещества абиогенного происхождения такая высокоупорядоченная, тонко подогнанная система, теснейшим образом связанная с обменом веществ и с функционированием живой клетки? Нет никаких сомнений в том, что образование обоих жизненных систем не могло произойти в результате каких-то случайных переборов вариантов. Также как нет сомнений, что обе системы должны были возникнуть в некоем едином процессе. С другой стороны, без возникновения этих систем, пусть в значительно более упрощенном варианте, чем теперь, не мог появиться метаболизм, присущий живой клетке.
Процесс метаболизма слагается из трех функций.

• Ферментная функция заключается в каталитическом ускорении реакций энергетического обмена, синтеза или распада молекул с высвобождением энергии. Эта функция выполняется белковыми молекулами.
• Коферментная функция заключается в поставке или отнятии энергии малыми дискретными порциями в процессах ферментативных реакций. Она выполняется особыми фосфатными соединениями, наиболее важным из которых является аденозинтрифосфат (АТФ).
• Наконец, функция хранения и переноса информации осуществляется нуклеиновыми кислотами.

Без сомнения, этап полимеризации наиболее труден и наименее обоснован во всех существующих гипотезах. Но и с представлениями о последующих шагах дело обстоит не намного лучше. Я не буду углубляться в дебри интересной, но мало понятной неспециалистам проблемы, и хочу отметить лишь одно обстоятельство, непосредственно относящееся к рассматриваемой нами новой концепции развития. Следующим шагом на второй стадии развития преджизни стало образование в процессе взаимодействия полимеров предшественников обеих жизненных систем – обмена веществ и воспроизведения сложных молекулярных биокомплексов, через которые обеспечивается протекание метаболизма жизни. Все жизненные процессы - брожение, окисление, фотосинтез, пищеварение, выделение - контролируются специфическими молекулами ферментов специализированных типов. И эти молекулы воспроизводятся только через посредство нуклеиновых кислот. Как отметил Бернал, раздельное возникновение предшественников обеих тесно связанных между собой жизненных систем просто невозможно себе представить, они возникали взаимосвязано, в едином процессе. Случайность здесь исключается, это должен был быть целенаправленный процесс, пусть даже растянутый на многие тысячелетия. Что же лежит в основе направленности?

Когда Бернал писал свою книгу, еще не сформировались представления о самоорганизации, как о движущей силе прогрессивного развития в природе. Для материалиста тех времен говорить о целенаправленности в природе было равносильно отказу от материалистических убеждений. И то обстоятельство, что Бернал достаточно ясно выразил убеждение в совместном, а значит и направленном характере формирования преджизни из возникших полимеров, показывает всю глубину понимания им особого характера становления такой сложнейшей формы существования материи, каковой предстает перед современным ученым жизнь. Теперь популяризаторы науки включают понятие самоорганизации как двигателя развития в рассмотрение процесса возникновения жизни из косной материи уже как нечто само собой разумеющееся.
Вот, например, что написано по этому поводу в книге болгарского палеонтолога Т.Николова "Долгий путь жизни" [54]:

"Добиологический чисто химический этап переходит в этап самоорганизации, на котором возникают самовоспроизводящиеся сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами – этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул – весьма условна и не фиксирована во времени". И далее: "В понимании вопроса о происхождении жизни понятия "нуклеиновая кислота" и "белок" можно заменить понятиями "информация, содержащая инструкцию" и "функция". И тогда вопрос "что первично?" становится абсурдным, так как не может осуществляться определенная функция, если нет информации. А информация приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует".