Общая судьба сложных соединений в нашей Вселенной

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.

– 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.)

(Формула:

Материал доступен в бумажной версии)

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 молекулярная машина, непрерывно рождающая упорядочение.

– Мы сопряженными линейными и стационарными реакциями объясняем упорядочение. Наверное, в мире есть миллион таких реакций?

– Вы правы. Сопряженные процессы и сопряженные реакции встречаются часто. Однократных, эпизодических упорядочений сколько угодно в неорганическом мире. Сам по себе акт упорядочения не является чем-то особенным. Допустим, мы договорились, что решка у монетки – беспорядок, а орел – порядок. Мы подбрасываем, и у нас может быть и то и другое. Но представьте, что все время выпадает орел.

– Значит, неживая природа отличается от живой тем, что в живой постоянно выпадает орел, идет постоянное упорядочение?

– Да. Хотя в неживой тоже может быть упорядочение. Но его появление носит случайный характер, и оно также случайно исчезает. А в живой природе есть закон, который объясняет это постоянное упорядочение. Там постоянно работает наша машинка – механизм по упорядочению.

Что такое упорядочение? Суть упорядочения состоит в ограничении свободы. Беспорядок, хаос – это полная свобода. А порядок – ограничение свободы. Как только вы хотите пойти по пути порядка, вы начинаете ставить ограничения, уменьшать число степеней свободы. Мало ограничений – порядок небольшой, чем больше ограничений, тем больше порядок. Высший порядок – это когда нет выбора, есть только одна возможность.

Это удивительно, как упорядочена живая клетка! И этот порядок достигается, в частности, работой тысяч белков-ферментов, именно они – главные инструменты упорядочения. Почему? Фермент дает возможность проходить только одной-единственной реакции и только в одном направлении. У молекул, участвующих в реакции, нет никакой свободы выбора. Только один путь, только одна реакция, только с одной молекулой. Сегодня, через четыре с половиной миллиарда лет развития жизни (если считать с момента образования нашей планеты), мы имеем армию ферментов, которые ведут себя именно так, как рабочие на фабричном конвейере, выполняющие каждый свою операцию.

– Но ведь ферменты не сразу стали такими?

– Да, вначале были очень примитивные ограничители. Система была малоупорядоченная и поэтому плохо организованная. Организация происходила в процессе развития. Если мы сдвинемся в самое начало развития жизни, то и там процесс был примерно такой же, как сейчас, только далеко не самый эффективный. Современный фермент – это тысячи аминокислот в цепочке, к тому же свернутых в трехмерную структуру. А вначале, предположим, случайно склеились всего пять аминокислот, потом десять, и они уже могли служить катализатором, уже могли ускорять реакции, могли упорядочивать, но слабенько. В общем, роль катализаторов могли играть глины или РНК, но куда медленнее цепочек аминокислот. И жизни бы не было. А нам нужно, чтобы катализатор обеспечивал высокую скорость протекания реакций, сохраняя условия линейности и стационарности. Цепочки аминокислот обладали не только каталитическими свойствами, но и высокой селективностью, то есть были лучшими ограничителями. И именно благодаря им упорядочение в мире органических соединений могло продвинуться гораздо дальше, чем при возникновении сопряженных процессов в неорганическом мире. Однако до жизни было еще далеко. Цепочки аминокислот не могли себя воспроизводить. Они не могли размножаться. Поэтому любое достигнутое упорядочение было обречено на деградацию.

– И здесь эволюция могла бы зайти в тупик?

– В органическом мире был и есть класс соединений, которые прекрасно умеют себя воспроизводить. Благодаря комплементарности пуринов и пиримидинов одна цепочка РНК или ДНК может выстроить на себе свое зеркальное изображение. Способность к самокопированию у этих молекул не имеет себе равных в мире органических соединений. Так случилось в природе, что два важнейших свойства, необходимых для эволюции, – способность к упорядочению и способность к воспроизведению – оказались разделенными между двумя классами органических структур. Однако логика эволюции упорядочения привела к естественному разрешению этой коллизии: для того чтобы эволюция двинулась дальше, аминокислоты должны были воспроизводиться опосредованно через нуклеотидные структуры. Для этого должно было установиться соответствие между данной аминокислотой и представляющим ее в мире нуклеотидов набором нуклеиновых оснований. Это соответствие, найденное в ходе эволюции упорядочения, известно как генетический код.

– Но как все-таки он появился?

– Здесь нет никакой мистики. Он появился методом проб и ошибок, пока не получилось то, что полезно. С появлением генетического кода завершился этап предбиологической эволюции и начался собственно этап эволюции жизни.

– И все же, как объяснить, что из сотен аминокислот природа выбрала всего двадцать, чтобы задействовать их в организме, и исходя из этой двадцатки предложила механизм комбинирования (или генетического кода) на основе троичного кода?

– А мы не знаем, сколько вначале участвовало аминокислот. Может, шесть, потом двенадцать. Может, вначале пробовался двоичный код, который мог бы зашифровать шестнадцать аминокислот (напомним, что всего четыре нуклеотида ДНК и РНК должны участвовать в комбинациях генетического кода). Но количество аминокислот в цепочке росло, потому что машинка по упорядочению искала лучшие свойства. И нужен был новый код, ведь двоичный уже не мог зашифровать семнадцатую. А их в конечном итоге набралось двадцать. Таким образом, понадобился троичный код с триплетами нуклеотидов, из которых можно составить шестьдесят четыре комбинации. Это больше, чем нужно, но одну аминокислоту стали шифровать несколько триплетов. Почему были отобраны двадцать аминокислот? Потому что двадцать первая, вероятно, никакой пользы уже не приносила. Но их могло быть и восемнадцать. И вы тогда бы спрашивали, а почему восемнадцать.

– Ну а после того, как появился код, все пошло как по маслу?

– С этого момента, я считаю, тайн больше нет. Потом уже идет биологическая эволюция, и мы понимаем, как она может идти. И туда приложим дарвинизм. А до этого действует моя конструкция, тот закон, который я тут пытаюсь сформулировать. Это природный закон, такой же, как второй закон термодинамики, – закон разупорядочения. Я же утверждаю, что есть закон непрерывного упорядочения. Эти два закона связаны, они сопряжены.

– Механизм упорядочения мог бы проявиться и на другой планете?

– Меня самого вначале поразила, хотя позже это стало понятным, абсолютная детерминированность тех условий и компонентов, которые в этом процессе эволюции и возникновения жизни участвуют. Фантасты часто придумывают то силикатную жизнь, то Солярис – океан-мозг. Это все, на мой взгляд, абсолютно закрытые возможности. Я уже говорил, что путь такой жизни, как наша, был неизбежен. Кажется, что за неизбежностью почти всегда скрывается цель. Почему, к примеру, возникают религиозные подходы в решении, в частности, проблемы происхождения жизни? Потому что человеческий разум не видит возможности объяснить развитие иначе, как приписав ему цель. Когда мы имеем дело с живыми организмами, мы все время видим, что они действуют целесообразно. И это питает религиозное отношение к проблеме происхождения жизни: изначально была поставлена цель, изначально был креатив или дизайн. А как еще объяснить, ведь законы природы не указывают цель.

Философы часто задаются вопросом: если в природе что-то действует сообразно цели, то почему нам изначально не считать, что эта категория присутствует в мире? А откуда она берется? Легче всего ответить: от Бога.

Я бы ответил по-другому: может происходить упорядочение, но без цели. Процесс упорядочения заключен в очень узком диапазоне возможностей. Он идет так, как если бы была цель. Цели нет. Но путь предопределен. Условно говоря, он предопределен таблицей Менделеева, теми соединениями, которые нас окружают. И было достаточно появления АТФ, чтобы она привела к нам с вами. Она и есть дизайнер. И этот дизайнер укладывается во все химические и физические законы.

– А возможно ли будет когда-нибудь воспроизвести всю последовательность этих реакций, которая привела к таким сложным белкам? Сможем ли мы их когда-нибудь воспроизвести в условиях лаборатории?

– Если бы мы во всем разобрались, то могли бы сделать все это сами. Но получившееся не будет жизнь, потому что за этим будем стоять мы как дизайнеры, как творцы. Если мы будем ждать, когда природа на лабораторном столе из предложенных условий сотворит нечто, могут понадобиться тысячелетия. Но если мы очень хорошо поймем, как все это делалось, то сможем смоделировать подобное на компьютере. Ведь компьютер все моделирует в миллионы раз быстрее. Это не означает, что оттуда вылетит птичка или человечек выскочит, но если мы назовем все входящие и дальше скажем, какие должны быть законы и условия, то все у нас начнет работать так, как мы предполагаем, и на том языке, который мы зададим. Мы пробуем: задаем компьютеру некоторые начальные условия, к примеру наличие АТФ, аминокислот, нуклеотидов. И вносим принципы упорядочения. Нам интересно, сумеет ли машина понять, что у нее нет иного выхода, кроме как создать генетический код. Нет другого выхода, кроме как продвигаться. И у нас кое-что получилось. Но удовлетворенности нет. Пока мы вынуждены компьютеру кое-что подсказывать.

– Механизм упорядочения будет работать всегда? Может ли остановиться эволюция и развитие живого?

– Я уже говорил, что в основе эволюции жизни лежат стационарные, линейные и еще добавлю – итеративные, повторяющиеся, системы. Так вот, если система линейна и итеративна, она может жить бесконечно. Но если система содержит нелинейность и итеративность, то она имеет конец. Потому что если у вас нелинейная система, то любое возникающее отклонение начинает с каждым повтором, итерацией, увеличиваться. И через какое-то количество итераций начнутся такие отклонения, что они будут сравнимы с сигналом. Эта непохожесть и есть потеря идентичности. Это конец. Казалось бы, нам нечего бояться, у нас-то все линейно и так далее. Но идеальных линейных систем не бывает. И эта нелинейность в конце концов себя проявит.

– Не очень понятно. То процессы линейны, то не идеально линейны...

– Не бывает идеальной линейности. Есть состояния, очень близкие к ней. Вот мы с вами живые, а через некоторое время нас не будет. Так что ж, называть нас мертвыми? Живые пока. Наша неидеальная линейность, или нелинейность, приводит к старости и смерти.

– То есть после двадцатой итерации мы начинаем стареть.

– Мы начинаем стареть с самого начала, только это незаметно. То же самое характерно для вида и в целом для биосферы.

– Значит, насчет апокалипсиса не враки? Сколько осталось до конца света? Миллиард лет?

– А может быть, и гораздо меньше. Потому что есть признаки приближения к этому обрыву. О точке пика говорит резкое увеличение числа бифуркаций в единицу времени или резкое уменьшение длительности спокойного периода между двумя бифуркациями. Смотрите: два миллиарда лет ушло на прокариот, полмиллиарда – на эукариот, потом млекопитающие, а человек существует вообще миг по этим меркам. Человек вроде бы сам стал быстрее упорядочивать материю. Но природа не знает нас, она знает понятие упорядочения. И ей все равно, как это возникает. Мы для нее просто посредники этого упорядочения. Потом нас можно отбросить. Вначале были животные, потом человек. Потом человек создал повозку, потом паровоз, самолет. И с еще большим ускорением – спутники, мобильные телефоны, компьютеры. И компьютер ничем по своим функциональным характеристикам не отличается от зайца или лягушки. И то и другое функционирует. Все это виды. Все это части упорядочивающейся природы. А с ускорением точки бифуркации сближаются. Митчелл Фейнгенбаум вывел зависимость: чем чаще в системе происходят изменения, тем ближе она к концу своей жизни.

– Хорошенькое дело. А если мы все бросим – прогресс, инновации?

– А без толку. Завели, уже не остановиться. Как не изворачивайся, конца не избежать.

---

Стадии эволюции жизни

I. При определенном сочетании условий на Земле появляются первые предбиологические соединения: самое важное из них – АТФ, аминокислоты, нуклеотиды.

II. Реакция гидролиза АТФ и сопряженные с ней реакции сборки цепочек нуклеотидов или аминокислот становятся своеобразной молекулярной машиной, производящей постоянное упорядочение. Первыми на этом пути возникают короткие цепи некодирующих РНК и некодируемых пептидов (цепочек аминокислот). Главный путь эволюции пролегает через формирование кода – структурного соответствия между набором нуклеотидов и видом аминокислоты. Главную роль в формировании этого механизма играет молекула, подобная современной транспортной РНК. Возникает способность к самовоспроизводству (репликации).

III. В этой точке эволюции происходит первое значительное разветвление ее путей: на вирусы и клетки. Пространственное обособление РНК или ДНК вместе с аппаратом трансляции (необходимым для синтеза белков) дало начало клетке и появлению организмов, сначала одноклеточных. Возникновение многоклеточных организмов на пути эволюции стало результатом объединения клеток во все более сложные сообщества. С появлением человека биосфера передала эстафетную палочку эволюции антропогенному миру. Созданные человеком технические устройства, выполняющие функции и несущие информацию, сращиваются с биологическими носителями функций и информации, замещают их и в конце концов могут заменить вполне.

26.02.2007