Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции - Лев Кривицкий

В 1969 г. американский биохимик Сидней Фокс противопоставил коацерватам Опарина представление о замкнутых оболочках, названных микросферами. Это представление было не плодом теоретического конструирования, а выводилось из эксперимента.

Эксперимент Фокса заключался в том, что сухую смесь аминокислот погружали в образовавшийся после извержения вулкана кусок лавы и нагревали до 170 °C в течение нескольких часов. Затем образовавшуюся смесь залили слабым однопроцентным раствором поваренной соли.

Результат превзошёл все ожидания. Подобная «кулинария» привела к созданию белково-подобных веществ, названных протеиноидами (от греч. «подобные протеинам»). Содержа в себе до 18 аминокислотных молекул, эти вещества были способны образовывать микросферы диаметром до 2 микрометров. Подобно коацерватам Опарина, микросферы проявляют способность расти и делиться, что может быть истолковано как предрасположенность к развитию способности к размножению.

Миксросферы Фокса наводят на грустные размышления. Они показывают шаткость как теоретических, так и экспериментальных средств исследования проблем саморазвития жизни. Зададимся вопросом: откуда взялась рецептура той «кухни», в рамках которой проводился данный эксперимент? Из теоретических представлений о состоянии первобытной Земли, которые резко отличались от модели Опарина-Холдейна.

Значит, в принципе можно изобрести сколько угодно таких «кухонных» рецептур при каких угодно представлениях о первобытной Земле и получать в результате сколько угодно форм протеиноспособных образований. Если протеиноподобные органические вещества образуются даже в открытом космосе, то уж в химическом лаборатории их можно получать самыми различными путями, что и продемонстрировали опыты С. Миллера, М. Эйгена и С. Фокса. А когда на этой «кухне» образуется что-то похожее на преджизненные структуры, можно начать строить догадки и очень широкие обобщения о ходе биохимической эволюции. И каждый раз будут получаться результаты, претендующие на правдоподобие. Так, с точки зрения Фокса преджизненные структуры образовывались на суше в слоях вулканической лавы при очень высоких температурах. Затем они смывались ливнями на морские, речные или озёрные отмели, где происходило продолжение биохимической эволюции.

Таких «путей эволюции» можно в принципе изобрести сколько угодно и претендовать на открытие, если в итоге получится что-то протеиноподобное. Ясно, что такое положение могло сложиться в науке только в её тупиковом, кризисном состоянии при отсутствии новых конструктивных идей и понимания общих закономерностей эволюции.

Что же доказывают эксперименты Миллера, Эйгена, Фокса и другие? Лишь то, что органические, белковые, протеиноподобные и нуклеиновые молекулы в первобытном беспорядке образовывались при самых различных изменениях земной природы самыми различными способами. Первобытный бульон буквально кишел ими. Потенциально каждый из типов таких молекул мог стать предшественником жизни. Но чтобы реализовать этот потенциал, необходимо было привести беспорядок в порядок, отобрать из огромного разнообразия органических соединений те, которые предопределили бы построение конструкции репродуктивного процесса. Простым случайным перебором вариантов достигнуть этого было нельзя вследствие сложности таких конструкций.

Следовательно, нужно искать пути моделирования тех структур, которые эволюционировали, направляя ход построения таких конструкций. Эволюционировали долго, методом проб и ошибок, подвергаясь постоянному действию отбора. Но и предопределяя общее направление этого отбора особенностями своего функционирования.

В современной науке, к сожалению, моделирование путей биохимической эволюции также происходит методом проб и ошибок, порождая множество тупиковых форм. Дискуссия сторонников голобиоза и генобиоза также постепенно заходит в тупик. Вследствие отсутствия продвижения по пути моделирования способов образования первичных генетических конструкций концепция голобиоза постепенно восстанавливает свои позиции в конкуренции с концепцией генобиоза.

В 2000 г. выдающийся американский биолог Ф. Дайсон в книге «Происхождение жизни» высказал серьёзные аргументы в пользу правоты опаринского варианта модели Опарина-Холдейна. Опираясь на данные палеонтологии, в соответствии с которыми следы углеводов и порфирина, являющегося предшественником коацерватов, содержались в глубинных породах Гренландии возрастом 3,5–3,8 млрд. лет, но никаких следов нуклеиновых кислот найдено не было, Дайсон утверждает, что наиболее вероятно происхождение жизни из белков типа коацерватов, которые обладали способностью к росту и размножению простым делением, но не имели механизма репликации, базирующегося на нуклеиновых кислотах.

Модельный эксперимент, который был проведен под руководством Дайсона в виртуальной компьютерной реальности, а не в химической лаборатории, как у его предшественников, показал, что из хаотического набора молекул в коацервате посредством самоорганизации возникает упорядоченный комплекс, способный к преобразованию в протоклетку. При этом компьютерное моделирование показало, что для синтеза полимеров в процессе предбиологической эволюции достаточно 8-10 аминокислот а не 20, как в настоящее время, а для синтеза ферментов 60-100, а не 5-10 тыс., как сейчас.

Соответственно, Дайсон предложил схему последовательности биохимической эволюции, в соответствии с которой первоначально возникли клетки, они создали основу для образовании ферментов и только после этого было положено начало формированию генов. Эта схема «клетка – ферменты – гены» составила альтернативу схеме Эйгена «гены – ферменты – метаболизм» и совершила своеобразный возврат на новом уровне к представлению Опарина о первичности коагулянтов, гелей и коацерватов как элементов «первородного студня». Соответственно такая модель образования жизни, получившая подкрепление компьютерным экспериментам, может рассматриваться как модель Опарина-Дайсона.

Однако большинство учёных, специализирующихся в данной сфере научного поиска, склоняются всё же к признанию иного пути и иной схемы хода биохимической эволюции. С 1989 г. всё более сильные позиции завоёвывает впервые выдвинутое Д. Джойсом представление о первичности древней РНК, которая совмещала функции генотипа и фенотипа, т. е. могла быть источником генетических преобразований и материалом для естественного отбора.

Выход из тупиковой ситуации, с точки зрения химии, казалось, был найден. Ход преобразований происходил по схеме «РНК – белки – ДНК». Многие учёные считают этот путь единственно возможным и очевидным. Первоначально возникла молекула РНК, на её основе стали образовываться простейшие белки и ферменты, но её недостатком было отсутствие прочных связей между углеродом и водородом. Это тормозило прогресс в эволюции жизни. Понадобился миллиард лет, чтобы посредством естественного отбора заменить одно из азотистых оснований и упрочить связи между углеродом и водородом с участием атома кислорода.

Такое мнение большинства специалистов было подкреплено дальнейшим развитием генетики, в процессе которого были выявлены ранее неизвестные свойства РНК. Уже в начале 1970-х годов был обнаружен фермент, обеспечивающий перенос генетической информации от РНК к ДНК, т. е. в порядке, обратном тому, который действует в современных биологических системах. До настоящего времени не обнаружено ни одного организма, в котором бы отсутствовала РНК, тогда как ДНК не найдено во многих видах вирусов. Молекулы РНК не уступают молекулам ДНК по уровню генетической памяти. В молекулах РНК происходит совмещение генетической и каталитической функций.

Всё это, конечно, весомые аргументы в пользу способности РНК быть химическим «запальником» при разжигании пламени жизни. Но при этом нужно ещё ответить на вопрос, как же могла возникнуть сама РНК.

Для ответа на этот вопрос в современной науке используется гипотеза А. Кернс-Смита, в соответствии с которой жизнь могла зарождаться в кристаллах глины. Их структурное сходство с генами и навело автора гипотезы на мысль о возможности происхождения из них генетических структур. Тип глины, известный под названием каолинит прямо напоминает двухмерный ген. Различные слои глин образуют так называемые домены – пространственно замкнутые структурные компоненты, в рамках которых наблюдаются определённые пространственные ориентации атомов алюминия. Они как бы от домена к домену составляют последовательность из трёх типов ориентаций, что может быть истолковано как источник образования кода из трёх знаков.

Химические предшественники РНК могли возникать в слоях глин на краях этих слоёв либо между слоями. Глиняный каркас и явился в соответствии с данной гипотезой как бы матрицей для создания оттисков в виде структур РНК, которые в длительном процессе естественного отбора превратились в механизмы белкового синтеза.