Директор Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского академик РАН Эрик Галимов считает, что в основе биологической эволюции лежит механизм ограничения свободы — именно он определил путь от неорганических соединений к человеку разумному и теперь ведет нас к концу всего живого

Что если в комбинации известной Из тысячи веществ составить смесь (Ведь именно в смешенье дело здесь) И человеческое вещество С необходимой долей трудолюбья Прогреть умело в перегонном кубе, Добьемся мы в келейности всего. И. В. Гете. «Фауст»

«В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою». В третий день Бог создал зелень, травы и дерево, в пятый — пресмыкающихся, рыб и птиц, в шестой — скотов, гадов, зверей земных и человека. Живая душа, по версии Библии, появилась лишь в пятый день, хотя с современной точки зрения жизнь уже существует в зелени и травах. Если еще убрать некоторое несоответствие с временной шкалой, в остальном — вполне складная версия. Сторонники креационизма до сих пор утверждают, что при создании такой сложнейшей организации, как клетка, не обошлось без дизайнера или творца. Противников тоже немало. «Вы говорите — Бог! Забудем о старом обманщике», — восклицает в дискуссии о происхождении жизни один из героев романа Джона Апдайка «Россказни Роджера». Он придерживается гипотезы, что жизнь зародилась в глине, кристаллические образования которой стали опорами для органических соединений и постройки примитивных форм жизни. Такая научная гипотеза на самом деле существует. Гипотез о происхождении жизни много. Вернадский считал, что жизнь — имманентное свойство материи, и она существовала всегда, Сванте Аррениус — что она занесена из космоса; к этой же теории, но в более фантастическом виде склоняется и один из первооткрывателей ДНК Фрэнсис Крик. Он полагает, что жизнь могла родиться на другой планете, а развитая цивилизация — распространить засушенные прообразы этой жизни во Вселенной. После открытия ДНК споры свелись к тому, какая молекула появилась первой: ДНК, РНК, белок. Но реконструировать начало жизни было и остается сложным. Материальным свидетельствам о первых формах жизни, по оценке ученых, 3,5 млрд лет, но это не означает, что жизнь не появилась раньше. Ведь нашей Земле 4,5 млрд лет. Ставить опыты? Ставят, и кое-что получается, но, как отмечают специалисты, для полномасштабного опыта понадобилась бы лаборатория размером с нашу планету. Опыты переносятся в компьютер. В работу включаются геологи, биологи, химики, физики и астрофизики, математики. И это кажется логичным — ведь вопрос о происхождении жизни находится в сердце всех наук о Земле. И на этой основе строятся все современные гипотезы, в том числе академика РАН Эрика Галимова.

— Могут ли ученые ответить на вопрос, как зародилась жизнь?

— Вас, вероятно, удивит ответ, но я считаю законы появления жизни познаваемыми. Эта уверенность основана на убеждении, что появление жизни на Земле предопределено самой природой, тем, как она устроена. Возьмите элементы из таблицы Менделеева. Из них создана Вселенная. Но из всех этих элементов только углерод обладает свойствами, которые позволяют ему быть основой жизни. Он может создавать как цепочки, так и двойные связи. Поэтому он способен моделировать разнообразные структуры. Азот тоже может создавать двойные связи, но не может цепочки, кремний может цепочки, но не может двойные связи. Кроме углерода важен водород. Это единственный элемент, способный к образованию мягких водородных связей, обеспечивающих функционирование трехмерных органических структур. И еще вода, которая имеет соответствующую полярность, она позволяет всем этим соединениям находиться в эдаком расхлябанном состоянии, когда они лабильны и могут вступать во взаимодействие друг с другом. И именно эти вещества сыграли главную роль в образовании аминокислот и нуклеотидов, из которых, в свою очередь, состоят белки, ДНК и РНК, то есть ключевые соединения в функционировании живых организмов. Поэтому я и утверждаю, что в нашей природе был только один путь для возникновения жизни. И где бы жизнь ни возникла в нашей Вселенной, молекулярно она должна быть построена сходным образом. Пусть будет иной набор аминокислот, может быть, другие нуклеиновые основания, но принцип, повторюсь, один.

— Путь один, он предопределен, значит, законы происхождения жизни можно будет доказать? Нам не раз приходилось слышать точку зрения, что для доказательств потребуются опыты в лаборатории, которая не может быть меньше, чем сама Земля.

— Я не имею в виду опыты с пробирками. Думаю, если мы уясним законы развития, смоделировать это развитие можно будет с помощью компьютера. Но прежде, чем рассказать о гипотезе, которую мы пытаемся проверить, начну с краткого изложения истории изучения этой проблемы. Несколько десятков лет назад главным казался вопрос, как в условиях неорганического синтеза могли возникнуть сложные органические соединения, давшие толчок развитию жизни.

— Простые соединения или уже прообразы ДНК, РНК, белков?

— Те соединения, из которых могли собраться ДНК, РНК, белки. В конце пятидесятых — начале шестидесятых мир потрясли опыты Миллера и Юри, показавшие, что аминокислоты могут возникать из смеси аммиака, метана в отсутствие кислорода под действием электрических разрядов. Это была сенсация, ведь мы привыкли думать, что аминокислоты могут быть связаны только с живым веществом. Оказалось, нет. Даже в космосе стали обнаруживать многие достаточно сложные органические соединения. Так возникло представление, постепенно укрепляющееся, что органические соединения могут синтезироваться в очень разных условиях из простых предшественников.

— То есть существование первых органических соединений не отвечало на вопрос о происхождении жизни? Они могли находиться в природе бесконечно, ни во что не превращаясь?

— Пока ученые определились, что такие соединения могли возникать. И для этого особых условий не нужно: тепло, радиоактивность, электрические разряды или ультрафиолет (кстати, опыты, подобные миллеровским, но уже с ультрафиолетом вместо электроразрядов, с успехом поставил Поннамперума). Все эти факторы распространены в природе. Возникновение соединений типа аминокислот — строительных блоков для белков или пуринов и пиримидинов — строительных блоков для нуклеиновых кислот РНК и ДНК — создавало фон для самых широких возможностей.

После открытия структуры и функции ДНК проблему происхождения жизни стали сводить к поиску какого-то начала, связанного с нуклеиновыми основаниями. Самой распространенной стала так называемая гипотеза РНК-мира. Но существование РНК, пусть даже со многими функциями, само по себе ничего не объясняет. Она не может функционировать без белка, а откуда он берется? Получается замкнутый круг. Решить эту проблему пытался Манфред Эйген. Он разработал концепцию гиперциклов, то есть одновременного происхождения и воспроизведения пептидов и нуклеиновых кислот в процессе множества автокаталитических реакций. Однако мне представляется, что эта модель применима лишь к отдельным событиям эволюции, но не объясняет самой эволюции. Вот, собственно, главные из существующих концепций, которые до сих пор присутствуют в научном обороте.

Стадии эволюции жизни

— Один из первооткрывателей двойной спирали ДНК Фрэнсис Крик пришел к гипотезе направленной панспермии...

— Гипотеза панспермии говорит, что жизнь образовалась не здесь, а где-то еще. Но остается вопрос, а как это произошло. Я же хочу объяснить именно как, а не где. Я пытаюсь ответить на вопрос, почему вообще происходит эволюция жизни.

— И какова ваша гипотеза?

— Центральным положением в моем понимании жизни является концепция упорядочения, возникающего наряду с разупорядочением. Самопроизвольное разупорядочение — один из фундаментальных законов физики. Первоначально он был сформулирован для теории тепловых машин как второй закон термодинамики. Мерой разупорядочения является энтропия. Энтропия любого самопроизвольно протекающего процесса возрастает, то есть в любом месте пространства, которое оставлено без ухода, нарастает беспорядок.

Но может ли так же самопроизвольно нарастать порядок? Может, если он тесно сцеплен, сопряжен с нарастанием беспорядка. Это подобно двум зубчатым колесикам часового механизма. Одно зубчатое колесо вращается по часовой стрелке, заставляя зацепленное с ним другое зубчатое колесо вращаться против часовой. Однако отдельные эпизоды упорядочения не объясняют эволюцию. Для того чтобы возникло эволюционное упорядочение, необходимо такое его производство, при котором продукт одной ступени упорядочения мог бы стать исходным для другой. В химических процессах подобное сопряжение возникает в паре химических реакций, где продукт одной реакции участвует в качестве реагента в другой.

Моя идея заключается в том, что такой прекрасной парой сопряженных реакций в живых организмах является, с одной стороны, гидролиз аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), который идет с поглощением воды, а с другой — сборка полимерных молекул, которая идет с выделением молекулы воды. Замечательно, что все биологически важные полимеры (полипептиды, полинуклеотиды, полисахариды) образуются из своих мономерных звеньев (аминокислот или нуклеотидов) путем выделения воды. Таким образом, гидролиз АТФ и синтез полимера выступают ведущей парой сопряженных химических реакций. (Пишет на листке бумаги.) В первой реакции энтропия возрастает, во второй снижается, то есть возрастает упорядочение.

— Но почему именно эта пара реакций? Сборка цепочек из мономеров — аминокислот и нуклеотидов — это очень важно, но что такого в этом гидролизе АТФ?

— Искать нужно такую пару реакций, которая была бы достаточно универсальной и выполняла бы ключевую роль в современных биосистемах, что могло бы указывать на ее присутствие при зарождении жизни. И эта пара замечательно подходит. Я называю АТФ ключевым предбиологическим соединением. Мало того, что это главная энергетическая молекула, она же — один из строительных блоков для РНК и ДНК. И хотя АТФ сложное соединение, оно легко синтезируется. Эта молекула вполне могла возникнуть одной из первых вместе с первыми цепочками нуклеотидов и аминокислот. Реакция гидролиза АТФ идет с большим выделением энергии: любую другую реакцию, которая идет с ней в параллель, сопряженную с ней, она с запасом обеспечит энергией. Да, есть другие реакции с выделением энергии, но они малоэнергетические, одну реакцию поддержат, а другую нет, а этой хватит на все. При этом АТФ все время могла восстанавливаться. Образовавшийся в процессе реакции аденозиндифосфат поглощал энергию светового кванта и восстанавливался до аденозинтрифосфата. Второе свойство этой реакции состоит в том, что она идет с повышением энтропии, и поэтому другая реакция, как нам и нужно, может идти с понижением. И третье, главнейшее ее качество — она связана с водой. Она отбирает воду, которую выделяют собирающиеся в цепочки аминокислоты или нуклеотиды. Но я хочу отметить, что сопряженности для постоянного упорядочения мало.

Сопряженные реакции говорят о такой возможности. Но для того, чтобы упорядочение было неизбежным, эти реакции должны носить линейный и стационарный характер. Такие выводы основаны на теории неравновесной термодинамики, разработанной Ильей Пригожиным. Линейность — это когда результат пропорционален воздействию, как в химических опытах: добавили реагент — соответственно увеличилась скорость реакции. А много добавили реагента — выпал осадок, это уже нелинейный процесс. А стационарное состояние характеризуется двумя качествами: во-первых, стационарная система устойчива, то есть при отклонении она стремится вернуться обратно, во-вторых, производство энтропии принимает минимальное значение. Для поддержания стационарного состояния в систему необходимо постоянно направлять энергию. Гидролиз АТФ замечателен как раз высоким энергетическим выходом. В наших сопряженных реакциях (гидролиз АТФ и сборка полимера) условия стационарности и линейности выполнялись.

В результате возникла маленькая молеку лярная машина, непрерывно рождающая упорядочение.

— Мы сопряженными линейными и стационарными реакциями объясняем


Похожие записи:
  1. На каждом этапе эволюции и усложнения живых организмов природа сочиняет новые механизмы для сохранения и процветания вида: от простого деления однотипных клеток до разделения полов и от секса до любви
  2. Бум социальных сетей в интернете — закономерное явление эпохи. Ученые говорят, что люди разучились чувствовать и думать поодиночке. На этой волне бизнес вливает в новый феномен миллиарды долларов
  3. История уникального стирального порошка «Умка» демонстрирует и высокие инновационные возможности страны, и крайнюю неэффективность менеджмента в этой сфере
  4. Европейцы массово покидают американский фондовый рынок. Из-за чрезмерных требований к акционерным компаниям в США они переводят регистрацию бумаг на национальные фондовые рынки
  5. Бум на китайском фондовом рынке грозит превратиться в «пузырь». Чтобы не допустить перегрева национального рынка акций, Китай будет постепенно стимулировать отток капитала на иностранные рынки и со временем
  6. Несмотря на обилие инвесторов, желающих поиграть на хай-теке, новый венчурный цикл все никак не начнется. Причина не только в отсутствии новых идей, но и в излишней зарегулированности фондового рынка США
  7. Мир охватывает болезнь стрессового потребления. Покупатели все чаще требуют новинок. Производители в погоне за спросом теряют прибыль, а качество производимых ими товаров снижается