Александр Гангнус - Эволюция для всех, или Путь кентавра
Ученые не раз задумывались, а не могли ли процессы кристаллизации, упорядоченного соединения молекул веществ сыграть свою очень важную роль в начале жизни и позже, уже в ходе эволюции? Уже знакомый нам биолог, философ и добрый мудрый человек Дж. Бернал в последние годы жизни писал о будущей большой науке, куда войдут в рамках общих законов и биология, и кристаллография, и эту будущую науку Бернал называл обобщенной кристаллографией. Дальше я постараюсь рассказать о некоторых «мостиках» между кристаллами и миром живого, но не удивляйся, что мостиков этих будет мало. Для науки это довольно новая область, и здесь когда-нибудь будут совершены большие открытия.
Но какое же отношение имеют свойства самоорганизации, заложенные в любом сложном химическом растворе, к проблеме зарождения жизни?
Давай порассуждаем. Допустим, никакой самоорганизации нет. И аминокислоты соединяются в том опыте профессора Сиднея Фокса — с выпеканием полимера на вулканической лаве — как попало. Оказывается, даже если у нас есть запас аминокислот размером с земной шар, при беспорядочном соединении бусинок-аминокислот у нас во всей массе получившихся молекул почти наверняка не будет ни одной пары одинаковых! Это будет смесь, лишенная свойств белка, ибо каждая молекула во всей этой массе будет обладать каким-то своим свойством, а соседняя — другим, противоположным, а смесь в целом будет пассивной — никакой! Да, у профессора Фокса не вышло настоящего моновещества, истинного белка. Но это была смесь нескольких белковоподобных веществ (а не бесконечного числа разных молекул). А потому эта смесь обладала важными свойствами белка. Ее могли есть микробы, и даже крысы не брезговали. А самое главное, полимер Фокса мог ускорять некоторые важные для жизни химические реакции. Не в сотни тысяч раз, как настоящие белки-ферменты, а просто в сотни раз, но для начала жизни и это было неплохо.
Таково могущество сил самоорганизации! Если не торопиться (а время в запасе у нарождающейся жизни было) и достаточно долго и терпеливо заставлять взаимодействовать между собой аминокислоты-буквы в густой смеси, да еще строго выдерживать некоторые условия — температуру, а еще — размер мелких частиц глины или пепла, видимо участвовавших когда-то в процессе самозарождения жизни, то буквы начнут сцепляться между собой не наобум, а «слогами» и даже «словами». Среди растущих обрывков цепи можно узнать такие, что и сейчас играют важную роль в настоящих фразах-белках, причем в самых важных. Получается, что нынешняя живая клетка, как хороший завод, быстро и умело выполняет работу, которая медленно и неуклюже, но сама налаживалась в теплых лужах еще безжизненной планеты. Фразы росли сами по себе и как бы «знали», какая буква должна быть следующей, и если эта «буква» оказывалась рядом, выбиралась она, а не любая другая «буква»-аминокислота. Естественный отбор на молекулярном уровне!
Да, это похоже на рост кристалла в насыщенном растворе соли, на рост сверкающего дерева на замороженном стекле.
Лет тридцать назад геолог В. В. Чернобровкин обратил внимание своего коллеги кристаллографа Э. Я. Костецкого на одно удивительное совпадение. В двойной спиралевидной нити молекулы ДНК расстояние между ближайшими звеньями, основаниями — неважно, чья это ДНК, комара или человека, всегда одно и то же и измеряется оно в 3,4 ангстрема. В мире кристаллов эта величина известна. Это размер элементарной ячейки кристалла апатита, одного из распространеннейших в природе минералов. И еще одно совпадение: апатит — один из немногих природных минералов, участвующих, наряду с белками, в строительстве многих живых организмов. Есть он и в наших с тобой костях и зубах. На этих двух совпадениях ученые начали разрабатывать свой вариант теории зарождения жизни, первичного синтеза прамолекул ДНК на естественной кристаллической матрице.
Оказалось, у апатита есть своего рода сродство с еще тремя минералами, участвующими или участвовавшими на разных этапах эволюции в строительстве скелета множества организмов — кальцитом, арагонитом, кварцем. Ученые поставили множество экспериментов. При температуре примерно в двести градусов и при повышенном давлении — а в начальной истории Земли был этап именно с такими «венерианскими» условиями — в смеси этих кристаллов молекулы аммиака, метана, окиси углерода не просто спекались в белковоподобные вещества, но и, встраиваясь в кристаллическую структуру апатита и минералов-«родственников», как на первичной матрице, строили высокоупорядоченные молекулы, весьма похожие на ДНК. Вспомнили о биоминералогии. Среди ископаемых и ныне живущих одноклеточных организмов — водорослей, радиолярий, фораминифер и многоклеточных — например, губок — есть такие, чей скелет образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 20–30 процентов из органики, а в остальном из кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации — замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены. Сейчас уже ясно, что когда-то под высоким давлением в раскаленной сухой среде мог преобладать jtot же процесс, только обращенный в другую сторону. Да, да. Преджизнь на каком-то этапе прошла через горячую безводную фазу первичного синтеза… И когда поверхность планеты несколько остыла и появились лужи и моря, в них уже плавали и растворялись множество таких первых кентавров, полукристаллов-полуорганизмов — биокристаллов, готовых стать жизнью… Сегодня Э. Я. Костецкий настаивает на том, что и дальнейшая эволюция живого шла в огромной степени под действием законов кристаллографии. Сама клеточная плазма, по современным воззрениям, это так называемый жидкий кристалл. Жидкие кристаллы сегодня работают в дисплеях портативных компьютеров и телевизоров, там они заняты чисто технической порученной им работой. Но оказывается, весь мир живого, задолго до рождения современных высоких технологий, природа построила по этим высоким технологиям… И мы с тобой «сконструированы» тоже в известном смысле как кентавры из органической и неорганической материи — биокристаллы.
Итак, законы самоорганизации так или иначе направили — не могли не направить — первоначальное развитие жизни… чуть было не написал — в нужную сторону. Нет, если бы я так написал, это было бы ошибкой. Кому нужную?
Конечно, мы с тобой здесь болельщики, мы — заинтересованная сторона, нам хочется, чтобы зарождающаяся жизнь выстояла и достигла уровня человека, но ведь нас-то тогда еще не было. Законы самоорганизации направили эволюцию неживого вещества (если это впервые произошло не на Земле, то должно было происходить где-то в космосе) ко все более сложным формам. Это усложнение не могло не привести в конце концов, постепенно, через ряд промежуточных этапов, к уровню живого. Гигантские молекулы, потом коллективы молекул, воспроизводящих себя в «живой луже», затем обособление самых маленьких из таких коллективов под общей оболочкой в капельках-организмах. И как сказал один ученый: «Едва родившись, жизнь уже кишит».
Возникли первые предклетки, полуорганизмы, неклеточные еще формы жизни, может быть, похожие на нынешние вирусы и фаги (способные, кстати, переживать неблагоприятные времена в виде кристаллов).
Когда-то знаменитый ученик Дарвина Эрнст Геккель, обращаясь к химикам, уже раскрывшим аминокислотный состав белка и научившимся составлять первые белковоподобные цепи, в восторге воскликнул:
— Если вы создадите правильный белок, он закопошится!
С тех пор прошло больше ста лет. Настоящий, правильный белок химическим путем все еще не создан. Но белки хорошо исследованы, и уже ясно, что они не «закопошатся» сами по себе, вне сложной системы других больших молекул.
Для современной науки характерен подход к решению некоторых задач, именуемых «методом черного ящика». Мы знаем, что «на выходе» — жизнь во всем ее многообразии. Знаем, что «на входе» — обычные химические вещества, климатические условия на поверхности Земли. Требуется смоделировать процесс, невидимо проходивший между «входом» и выходом», в «черном ящике» давным-давно… Отдельные отрезки этого процесса уже смоделированы. Но настоящей победой будет только искусственно от начала до конца синтезированное живое существо…
Впрочем, полной уверенности, что лабораторный модельный эксперимент действительно повторяет нечто происходившее на Земле миллиарды лет назад, наверное, и тогда не будет.
ГЛАВА ВТОРАЯ,
которая рассказывает о перекрестках эволюции, о Колумбе биологии, о приключениях молекул клеток, а также о трех дорогах в прошлое
НАПРАВО ПОЙДЕШЬ, НАЛЕВО ПОЙДЕШЬ…
Не нужно думать, что в один прекрасный день закончилась на Земле химическая эволюция молекул и началась биологическая эволюция организмов. Переход был достаточно плавным — черты химической эволюции, воспоминание о прошлом, ученые замечают и в современных высокоразвитых организмах. И все-таки, хотя это случилось и не в один день, переход от веществ к существам был достаточно «революционным» событием. Появились рождение и смерть — понятия бессмысленные для «солярисов». Появились поведение, конкуренция, отбор наиболее приспособленных. Началась настоящая, дарвиновская эволюция живых существ…
