Капра Фритьоф - Скрытые связи

пузырек, окруженный мембраной

Мембрана и пузырек, образованные липидными молекулами. Воспроизводится noMorowitz (1992)

Итак, липидные пузырьки — идеальные кандидаты на роль протоклеток, из которых развились первые живые клетки. Как замечает Моровиц, их свойства столь удивительны, что иногда забываешь, что это структуры, возникшие самопроизвольно, в соответствии с фундаментальными законами физики и химии [50]. Они образовались столь же естественным путем, как и те пузырьки, которые появляются, когда вы хорошенько встряхиваете обычную смесь воды и масла.

В предложенном Моровицем сценарии первые протоклетки возникли около 3,9 миллиардов лет назад, когда планета остыла, океаны стали мельче, сформировались первые горные породы и благодаря соединению углерода с другими «жизненными» элементами на Земле возникло необходимое многообразие химических соединений.

Одними из таких соединений были маслянистые вещества, называемые парафинами, молекулы которых представляют собой длинные углеводородные цепи. Взаимодействие парафинов с водой и растворенными в ней различными минералами приводит к образованию липидов. Последние собирались в капельки, а также образовывали тонкие одно- и двухслойные пленки. Под воздействием волн эти пленки спонтанно замыкались в пузырьки, закладывая тем самым основу для развития жизни.

Воспроизводство протоклеток в лаборатории

Изложенный выше сценарий по-прежнему остается весьма умозрительным, поскольку химикам до сих пор не удалось получить липиды из простых молекул. В окружающей нас среде липиды образуются из нефти и других органических веществ. И все же подход, ставящий во главу угла мембраны и пузырьки, а не ДНК и РНК, положил начало новому многообещающему направлению исследований, которое уже принесло целый ряд обнадеживающих результатов.

ССССССССА→СС→РАР

С

С

С

С

С

С

С

С

А→С

С→Р

А

Р

Две базовые реакции в элементарной автопоэтической системе. Luisi (1993)

Одними из первопроходцев в этой области являются ученые из Швейцарского федерального технологического института (ЕТН) в Цюрихе, работающие под руководством Пьера Луиджи Луизи. Им удалось получить простые «мыльно-водные» среды, в которых спонтанно образуются аналогичные пузырьки и, в зависимости от проходящих в этих средах химических реакций, они самоподдерживаются, растут, самовоспроизводятся или же коллапсируют и гибнут [51].

Луизи подчеркивает, что созданные в его лаборатории самовоспроизводящиеся пузырьки представляют собой элементарные автопоэтические системы, в которых объем, где проходят химические реакции, ограничен оболочкой, построенной из продуктов самих этих реакций. В простейшем случае, который изображен на рисунке, оболочка состоит только из одного компонента — С. Имеется лишь один тип молекул, А, способных проходить сквозь мембрану и посредством реакции А — С образовывать внутри пузырька вещество С. Кроме того, имеет место реакция разложения С — Р, и возникшее в результате вещество Р покидает пузырек. В зависимости от соотношения скоростей этих двух базовых реакций пузырек будет либо расти и самовоспроизводиться, либо сохранять устойчивость, либо гибнуть.

Луизи и его коллеги экспериментировали с различными типами пузырьков и испробовали множество химических реакций внутри них [52]. Получив спонтанно образующиеся автопоэтические протоклетки, биохимики воспроизвели, пожалуй, наиболее важную стадию пребиотической эволюции.

Катализаторы и сложность

Образование протоклеток и молекул, способных поглощать и преобразовывать солнечную энергию, открыло путь для направленного усложнения структур. На этой стадии составляющие их химические соединения включали в себя углерод, водород, кислород и, вероятно, серу. Вступление же в игру азота (скорее всего, в виде аммония — NH3) сделало возможным резкое возрастание сложности молекул, поскольку азот необходим для реализации двух отличительных черт клеточной жизни — катализа и хранения информации [53].

Катализаторы ускоряют ход химических реакций, сами не претерпевая при этом изменений. Они также делают возможными реакции, которые без них не могли бы идти. Каталитические реакции — это важнейшие процессы химии живого. В современных клетках они управляются ферментами, но на ранних стадиях этих сложных молекул еще не существовало.

Тем не менее, химики обнаружили, что каталитические свойства могут проявлять, прикрепляясь к мембране, и некоторые простые молекулы. Моровиц полагает, что приход азота в химию протоклеток привел к образованию как раз таких примитивных катализаторов. И ученые из Швейцарского технологического института успешно воспроизвели эту эволюционную стадию, прикрепив молекулы со слабыми каталитическими свойствами к стенкам полученных в лаборатории пузырьков [54].

Появление катализаторов привело к быстрому росту молекулярной сложности, поскольку они служат связующим звеном между различными реакциями, образуя тем самым химические сети. Теперь уже в игру вступили все законы нелинейной динамики сетей. Как показали Илья Пригожий и Манфред Эйген — два нобелевских лауреата по химии и первопроходцы в изучении самоорганизующихся химических систем, — это, в числе прочего, открывает путь к спонтанному образованию новых упорядоченных форм [55].

Каталитические реакции значительно увеличили число полезных случайных событий, что привело к развертыванию полномасштабной дарвиновской конкуренции за выживание, постоянно подталкивавшей протоклетки к росту сложности, удалению от равновесия и в конце концов — к жизни.

Последней стадией возникновения жизни из протоклеток явилась эволюция белков, нуклеиновых кислот и генетического кода. Подробности прохождения этой стадии пока что весьма туманны, но не следует забывать, что эволюция каталитических сетей в замкнутом пространстве протоклеток породила новый тип сетевых химических процессов, которые до сих пор далеко не поняты. Можно рассчитывать, что применение к этим сложным химическим сетям законов нелинейной динамики и предсказанная Иэном Стюартом «лавина новых математических концепций» в значительной мере прольют свет на последнюю стадию пребиотической эволюции. Гарольд Моровиц указывает, что в результате анализа химических путей, ведущих от простых молекул к аминокислотам, обнаружились поразительные соответствия, вскрывающие в формировании генетического кода «глубокую сетевую логику» [56].