Знание-сила, 2008 № 09 (975)

В природе есть только один путь возникновения жизни — на основе углерода. Из всех элементов таблицы Менделеева только углерод может создавать как цепочки, так и двойные связи. Таким образом, повсюду в нашей Вселенной жизнь построена на одной и той же молекулярной основе.

Около полувека назад научный мир потрясли опыты С. Миллера и Г. Юри. В этих опытах под действием электрических разрядов из смеси аммиака и метана возникали аминокислоты. До этого считалось, что аминокислоты встречаются только в живом веществе. Позднее органические соединения стали обнаруживать в космосе. Они были широко распространены. Очевидно, они могли синтезироваться в самых разных условиях. Однако подобные открытия не дают ответа на вопрос, как произошла жизнь, как не дает его и гипотеза панспермии, которая гласит, что жизнь образовалась не здесь, а где-то в другом районе Вселенной. Но как, как это произошло?

По гипотезе академика Э.М. Галимова, причиной происхождения жизни является самопроизвольное нарастание порядка в природе, причем одновременно с этим нарастает и беспорядок. Как отмечает Галимов в интервью журналу «Эксперт», «это подобно двум зубчатым колесикам часового механизма: одно зубчатое колесо вращается по часовой стрелке, заставляя зацепленное с ним другое зубчатое колесо вращаться против часовой».

Пример подобных колесиков: гидролиз аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), который идет с поглощением воды, и сборка биологически важных полимерных молекул — полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов, при которой выделяются молекулы воды. В первой реакции возрастает энтропия, во второй — упорядочение.

Примечательно, что при гидролизе АТФ выделяется большое количество энергии — она нужна для нормального протекания второй, параллельной, реакции. Так одно «колесико» и впрямь приводит в движение другое. «Возникает маленькая молекулярная машина, непрерывно рождающая упорядочение».

Суть упорядочения состоит в ограничении свободы. Порядок наводят ферменты, тысячи белков-ферментов. Благодаря им химическая реакция может протекать только в одном-единственном направлении. «Сегодня, через четыре с половиной миллиарда лет развития жизни, мы имеем армию ферментов, которые ведут себя именно так, как рабочие на фабричном конвейере, выполняющие каждый свою операцию».

Современные ферменты — это тысячи аминокислот. Начиналось же все со случайного склеивания каких-нибудь 5 — 10 аминокислот.

Однако цепочки аминокислот не могли себя воспроизводить, не могли размножаться. Два важнейших свойства, необходимых для эволюции — способность к упорядочению и способность к воспроизведению, — оказались разделены между двумя классами органических структур. Но в конце концов произошло «чудо». Аминокислоты стали воспроизводиться опосредованно — через нуклеотидные структуры. Так началась эволюция жизни, и это уже сфера действия хорошо известной нам теории — дарвинизма. «С этого момента, я считаю, тайн больше нет».

И еще несколько замечаний академика Э.М.Галимова. «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».

Все эти процессы в принципе можно смоделировать на компьютере, задав некоторые начальные условия, например, наличие АТФ, аминокислот, нуклеотидов. И работы в этом направлении уже ведутся.

Своя особая работа ведется и внутри биосферы. Это — разрушительная работа. Подобно человеку, биосфера стареет, в ней нарастают изменения. Их скорость увеличивается. Два миллиарда лет ушло на прокариот, полмиллиарда лет — на эукариот, а потом все пошло быстрее и быстрее: динозавры, звери, человек. А ведь согласно закону, который открыл М. Фейнгенбаум, «чем чаще в системе происходят изменения, тем ближе она к концу своей жизни...»

Эрик Галимов

Э.М. Галимов — академик РАН, директор Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН.

Что такое жизнь? Для всех живых организмов, начиная с бактерий и кончая разумными существами, характерны обособленность от среды, способность к самовоспроизведению, рождение и смерть, функционирование посредством обмена веществом и энергией с окружающей средой, способность к изменчивости и адаптации, способность воспринимать информацию (сигналы) в разной форме и способность реагировать. Но эти свойства в разном их сочетании присущи и объектам неживой природы, а также искусственно созданным устройствам и механизмам. Интуитивно мы легко отличим живое от неживого, скажем, зайца от камня. Заяц подвижен, он питается и дышит, у него могут быть зайчата, т.е. он может себя воспроизводить. Но это — в сравнении с камнем. Воспроизводить себя могут кристаллы, подвижны реки, потреблять топливо и кислород может двигатель. Часто цитируемое определение, принадлежащее Франсуа Джекобу: «Живые организмы представляют собой объекты, где встречаются три потока: энергии, вещества и информации», подходит и к токарному станку с программным управлением.

Очевидно, нельзя определить жизнь через свойства или состояния живых организмов и систем. Принципиальное различие организма и машины состоит не в различии их свойств, а в их предшествующей истории. Все живое представляет собой текущий результат длящегося в течение миллиардов лет непрерывного процесса. В статье, подготовленной мною для Большой Российской Энциклопедии, я определяю жизнь как материализованное в организмах явление возрастающего и наследуемого упорядочения, присущее при определенных условиях химической истории соединений углерода. В настоящей статье я попытаюсь объяснить, почему «явление упорядочения», почему присущее именно соединениям углерода и при каких условиях.

Разупорядочение происходит само собой, а вот чтобы упорядочить что- либо, нужно затратить труд. Это простое наблюдение, известное каждому из личного опыта, отражает на самом деле фундаментальный закон природы. Любой самопроизвольно протекающий процесс идет с увеличением энтропии. Энтропия служит мерой разупорядочения. Этот принцип первоначально был сформулирован применительно к теории тепловых машин. И известен как второе начало термодинамики. Разупорядочение является наиболее общим принципом движения материи. Упорядочение возможно, но как частный случай. Жизнь, однако, дает пример устойчивого, непрерывно возрастающего упорядочения.