А. КЕРНС-СМИТ - Первыми организмами могли быть кристаллы глины
ДО СИХ ПОР мы рассматривали самые первые организмы как состоящие из одних только генов. Такие организмы действительно могли существовать, поскольку даже сам набор генов может обладать фенотипом. Иными словами, он характеризуется неким комплексом физико-химических свойств, определяемых имеющейся в генах информацией, от которых зависит его эволюционная судьба. В реальных условиях исходный набор «глиняных» генов постоянно «загрязнялся» бы другими глинами, образовавшимися в условиях, которые возникли под влиянием этих генов. Совместная кристаллизация могла иногда приводить к улучшению свойств агрегатов, например их пористости или способности удерживаться в месте роста. Одновременно могли происходить мутации генов, попадавшие под действие отбора, который способствовал образованию «вторичных» глин. Нетрудно представить себе, каким образом дефектная структура в генетическом кристалле могла самым прямым способом осуществлять контроль над ростом аналогичных образований: это могло происходить за счет эпитаксии, т.е. под влиянием специфических дефектов предсуществовавших структур на кристаллизацию вторичных глин на поверхности генетических глин.
БОЛЬШИНСТВО ГЛИН образовано стопкой слоев. В каолините (а) асимметричные слои скреплены водородными связями. Каждый слой образован сеткой из атомов алюминия и гидроксильных групп, слитой воедино с сетью из атомов кремния и кислорода (b). В других глинах слои симметричны. В них кремний-кислородная сеть с обеих сторон слита с металл-гидроксильной сетью. Эти слои заряжены отрицательно и взаимодействуют при участии положительно заряженных ионов (с). В иллитах (d) большая часть отрицательных зарядов появляется в результате замещения атомов кремния атомами алюминия.
Рассмотрев первые организмы, пойдем теперь дальше. Я попробую в нескольких словах описать взаимосвязи между нами и первыми организмами. Для этого нам не обойтись без молекул органических соединении, а также без вопросов «почему?» и «как?».
Почему вообще на сцену вышли молекулы органических соединений? По ряду причин. Некоторые из малых органических молекул (например, аминокислоты или ди- и трикарбоновые кислоты) могли способствовать солюбилизации ионов металлов, например алюминия. Таким образом, они выступали в роли катализаторов при синтезе глин. Молекулы других типов (например, гетероциклические основания и полифосфаты) обладают повышенным сродством к глинам, что часто приводит к изменению физических свойств геля глины. Органические молекулы способны также сильно влиять на форму и размер неорганических кристаллов, подавляя рост некоторых их граней. Это могло иметь особо большое значение для контролируемой репликации кристаллических генов. Кроме того, влияние на структуры могли иметь и полимерные органические соединения. Они могли удерживать частицы глины рядом друг с другом.
Я думаю, что предшественники РНК, появившиеся в достаточно развитых глиняных организмах, в первую очередь играли структурную роль. (На самом деле РНК и сегодня иногда используется приблизительно для тех же пелей.) РНК-подобный полимер с отрицательно заряженным остовом молекулы должен стремиться связываться с краями частиц глины (они чаще всего заряжены положительно). А гетероциклические основания (молекулы типа аденина) имеют тенденцию проникать между слоями глины. Можно представить себе некий РНК-подобный полимер, который возник специально для взаимодействия с глинами (возможно, даже для «чтения» информации, экспонированной на краях одномерных «глиняных» генов).
ДЛИННЫЕ КРИСТАЛЛЫ ИЛЛИТА, прикрепленные к зерну песчаника. (Увеличение х 10 000; микрофотография сделана при помощи сканирующего электронного микроскопа.) Такая глина — подходящий кандидат на роль одномерного генетического кристалла, но, поскольку она образована небольшим числом слоев, ее информационная емкость невелика.
ВЕРМИФОРМНЫЙ (ЧЕРВЕОБРАЗНЫЙ) КАОЛИНИТ (увеличение х 1350), образовавшийся путем выветривания. Такая глина — возможный кандидат на роль двумерного генетического кристалла.
Генетический захват, который привел к становлению существующих сегодня механизмов биохимического контроля, мог начаться, согласно этой гипотезе, с того момента, когда РНК стала реплицирующейся молекулой. То был новый тип «сотрудничающего» генетического материала, роль которого вначале была невелика. Для того чтобы отойти от основы — глиняного каркаса, — требовалась длительная эволюция. Возможно, это произошло уже после того, как возникла сложная система механизмов белкового синтеза. Об эволюции такой системы можно рассуждать, поскольку она происходила в пределах образовавшегося организма. Сначала она могла эволюционировать как побочная система, но постепенно становилась все более полезной и сложной, а когда каркас исчез, стала совершенно необходимой.
Что было причиной перехода эволюции с неорганического кристаллического уровня на органический молекулярный? Дело, видимо, в том, что органические вещества могут иметь более тонкую структуру (конечно, если есть соответствующие механизмы для ее создания), что позволяет осуществлять более сложный контроль над процессами.
В какой последовательности вступали в действие органические молекулы? Мне кажется, что все началось с фотосинтеза, в котором использовался углекислый газ атмосферы и который на первых порах приводил к образованию молекул типа муравьиной кислоты.
Однако значительно интереснее другой вопрос — о том, каким образом происходило объединение более сложно устроенных молекул до появления ферментов. Как происходило образование нуклеотидов? Для этого должны были сложиться необходимые для их формирования системы, включающие многие химические реакции и другие процессы, например процессы очистки; причем все должно было осуществляться в строго заданной последовательности. Такая система не могла быть результатом случайных процессов: она должна была быть организована. У достаточно развитых организмов, «сделанных» из глины, в роли организующего начала мог выступать естественный отбор. С какими же физическими объектами имел он дело до того, как к работе приступили молекулы белков? Я думаю, что до появления ферментов в организмах действовал какой-то более «старомодный» аппарат, в чем-то схожий с теми, которые имеются в лабораториях химиков-органиков или химических заводов. В них наряду с колбами, пробирками, насосами, ионообменными и адсорбционными колонками широко применяются и весьма малоспецифичные катализаторы.
РАЗНООБРАЗИЕ ФОРМ минералов глины — один из фактов, говорящих о возможной роли глин в построении примитивных организмов. Кожистый галлойзит показан на этом рисунке с разным увеличением: он образован массой нитей, часть которых представляет собой полые трубочки. (Микрофотографии сделаны при помощи электронного микроскопа.) Очень маленький отросток едва заметен при увеличении в 130 раз (слева). При увеличении в 1000 раз на нем выявляется петля (е середине). При увеличении в 26 000 раз видно, что он представляет собой полую трубочку (справа).
С учетом сказанного мы переходим к заключительной части представлений о минералах глин как основных веществах, из которых сформировались первые организмы. Коль скоро нам нужны катализаторы (довольно неспецифические), мы легко обнаружим их среди минералов глин. Точнее, если нам нужен достаточно простой аппарат типа тех, о которых только что шла речь, то существует множество обычных глин, которые могли бы быть использованы для его построения. Как его части объединились и какие силы отбора действовали при этом — неясно.
Скептики могут задать три вопроса:
I. Почему кристаллические гены не являются обычным компонентом окружающей нас природы, если они на самом деле состоят из простых веществ и если их эволюция — это естественный процесс?
Я мог бы предложить четыре ответа на этот вопрос: 1) быть может, кристаллических генов вообще не существует; 2) генетические минеральные вещества встречаются весьма редко; 3) подходящие условия для репликации минеральных генов складываются нечасто; 4) минеральные гены, прошедшие определенный путь в эволюции, встречаются часто, но мы не умеем их различать. Оставляю выбор ответа читателю.
В любом случае я не могу представить себе, что современные организмы на основе глин могут вновь достигнуть такой фазы развития, что станут способны использовать органические молекулы. Слишком большую конкуренцию составляют им ДНК-содержашие микроорганизмы. То же самое можно сказать и о предковых формах: сегодня их также, наверное, не существует.
