Химия и жизнь

Вот это, между прочим, очень тонкий нервный вопрос – зарождение жизни на Земле. Бесчисленные боговеры проводят многомудрые подсчеты, в которых «доказывают»: жизнь на Земле самопроизвольно-де зародиться не могла, потому что вероятность этого события столь ничтожна, что для этого не хватит всего времени существования Вселенной, скорее тайфун, пронесшийся по автомобильному кладбищу, соберет целый автомобиль из обломков, нежели в результате случайного смешения молекул появится жизнь… ну и прочий бред.

Конечно, в результате случайного смешения молекул живая клетка не построится, ясный пень. Но природе и не нужно было сразу строить такую сложную вещь, как клетка или даже ее часть – митохондрия, например. Шла эволюция, то есть постепенное усложнение с закреплением результата. Если данная органическая молекула устойчивее в данной среде, нежели другая, то она и «выживает». Если молекула настолько сложна, что у нее уже есть намеки на обратную связь, то есть какое-то первичное реагирование на среду – это уже новая ступень в усложнении.

Жизнь поначалу развивалась очень неспеша. Эволюция живого шла по экспоненте, то есть с постоянным нарастанием темпа. Стало быть, самый сложный, самый первый ее участок – молекулярная эволюция, когда природа буквально «тыкалась вслепую» – должен был занять самый длинный этап на временной оси. Дарвин удивлялся, что эволюции потребовалось так много времени для создания жизни. А мне удивительно, что первые – самые примитивные – одноклеточные организмы появились на Земле так быстро – всего через несколько сотен миллионов лет после рождения планеты. Это должно было занять гораздо больше времени!

Для иллюстрации нарастающих темпов эволюции обычно приводят следующую временную шкалу – сравнивают время существования нашей планеты с одним годом, и на этом масштабе становится ясно, что такое эволюционный взрыв.

Итак, допустим, формирование планеты Земля завершилось 1 января. Тогда первые клетки появились в конце марта – начале апреля.

Черви возникли в начале ноября.

Первые позвоночные – в начале декабря.

Динозавры появились 20 декабря.

Первые приматы – 28 декабря.

Обезьяны появились 31 декабря.

Неандертальцы появились к вечеру 31 декабря.

Гомо сапиенс возник на исторической арене 31 декабря в 23 часа 57 минут.

Древний Египет, Древний Шумер появились в 23 часа 59 минут 10 секунд.

Иисус Христос родился в 23 часа 59 минут 50 секунд.

Промышленная революция началась в 23 часа 59 минут 59 секунд. За «секунду» до сегодняшнего момента!

Впечатляет? Настоящий взрыв! Вот каких мощных темпов ускорения эволюции добилась природа, «придумав» смерть, половое размножение, мутации, естественный отбор и психическое отражение реальности.

Но если с эволюцией живой материи биологам уже все более-менее ясно, то с эволюцией высшего химизма – сплошные вопросы. Условия молодой Земли еще не выяснены окончательно, поэтому делать окончательные выводы о том, как именно зарождалась жизнь, пока рано. Вопрос о том, на каком этапе высший химизм постепенно перетек в жизнь, пока висит. Но некоторые догадки строить уже можно.

Я не очень хорошо разбираюсь в молекулярной биологии и биохимии, поэтому пришел к биофизику Александру Кушелеву с вопросом о том, как это природе удалось так быстро организовать химическую эволюцию, ведь, исходя из экспоненциальности эволюционного процесса, на это должно было потребоваться гораздо больше времени. И почему в расчетах некоторых специалистов времени жизни всей Вселенной не хватило бы на то, чтобы пройти этап от химической эволюции до первой клетки.

– Не учитывается одна тонкая штука, – ответил мне Кушелев. – Химическая эволюция шла… 50 триллионов лет!

И пояснил свою мысль… Все расчеты о том, сколько времени нужно химической эволюции для формирования первичных жизненных структур, ведутся исходя из так называемых н.у. – нормальных условий (атмосферное давление, температура примерно равная 22 °С). Но химические реакции могут протекать в сотни тысяч раз быстрее, если повысить температуру на несколько сотен градусов и давление, скажем, до 250 атмосфер. Вот тогда то, на что в нормальных условиях действительно потребовалось бы много-много триллионов лет, удастся уложить всего в полмиллиарда. Химики знают, что повышение температуры на 10 градусов повышает скорость реакции окисления вдвое. Повышение температуры на 20 градусов, соответственно, повышает скорость реакции (количество прореагировавших молекул) вчетверо. И так далее. Вот такая геометрическая прогрессия.

– 50 триллионов лет – вот сколько лет должна была бы идти эволюция в нормальных условиях, чтобы дойти до первой клетки, – говорит Кушелев. – Но повышение температуры и давления позволили этому процессу сократиться до 500 миллионов лет. Впрочем, если быть строгим, в нормальных условиях эволюция пройти не смогла бы. Некоторые специфические реакции достижимы только в «ненормальных» условиях. Например, в черных курильщиках…

Черные курильщики – это подводные гейзеры. Они расположены на дне океана, где из разломов земной коры бьет фонтан перегретой воды температурой 250–300 °С под давлением в 250 атмосфер.

Дальше я просто приведу рассуждения специалиста в полной неприкосновенности. Если вы в химии и молекулярной биологии профан, можете этот кусок безболезненно пропустить, я привожу его только из-за Валеры Чумакова, чтобы он больше не приставал ко мне с идиотскими подсчетами о том, что самозарождение жизни невозможно, потому что… Валера! Читай и делай выписки, только для тебя я перегружаю книгу такой умственностью.

Итак…

– Как это ни парадоксально на первый взгляд, но при таких условиях (300 градусов и 250 атмосфер – А.Н.) клетки хемосинтезирующих бактерий могут размножаться в 30 раз быстрее, чем при атмосферном давлении и комнатной температуре. Митохондрии таких клеток могут размножаться еще быстрее, а снятие информационных копий с ДНК осуществляется на несколько порядков быстрее, чем при нормальных условиях. А главное, самоё начало химической эволюции – подбор материала для строительства РНК, ДНК и белков – становится принципиально возможным, т.к. комплементарная пара только в таких условиях может дождаться своей половины. При н.у. это просто нереально. Здесь имеет смысл обратить внимание на химический состав горячего «супа». В него в больших количествах входят кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор и в малых количествах все остальные элементы таблицы Менделеева.

Самое интересное, что из недр Земли, кроме атомов и простых молекул, «выплывают» готовые блоки ДНК и РНК – азотистые основания и фосфолипиды, которые, взаимодействуя между собой, время от времени образуют нуклеотиды, т.е. комплементарные пары ДНК и реже – РНК. Комплементарные пары (половинки одной ступени ДНК) находят друг друга при температуре 250–300 градусов в десятки тысяч раз быстрее, чем при комнатной. Удачная стыковка сопровождается синхронным соединением перил (фосфатных групп) между собой. Образуется поперечная диэфирная связь – ключ, помогающий разгадать многие повадки живых молекул.

Как только образовалась поперечная диэфирная связь, возникает особая, «живая» молекула. Ее особенность заключается в способности восстанавливать свою структуру при случайном разрушении водородных связей между половинками ступени ДНК. Дело в том, что разрыв водородных связей не разрывает, а всего лишь раздвигает или, как принято говорить, расплавляет ступень ДНК, половинки которой остаются связанными через фосфатные группы. Кстати, случайно раздвинуть ступень ДНК не так просто, т.к. половинки ступени достаточно массивны и раздвигаются только в одном направлении, поворачиваясь вокруг центра атома кислорода, заключенного между двумя атомами фосфора.

Что же происходит дальше? Раздвинутая ступень ДНК ловит своими половинками комплементарные пары, выходящие из недр Земли или образующиеся в «топке» «черного курильщика». Захватив себе пару, ступень превращается в две одинаковые ступени, т.е. удваивается. Дальше эволюция может пойти по двум различным путям. Либо две ступени, связанные по фосфатным группам, разойдутся в стороны (размножение), либо образуется вторая, теперь уже продольная диэфирная связь (первой продольной связью становится в этом случае материнская поперечная связь, с которой все началось). В этом случае мы наблюдаем рост молекулы ДНК. Оба эти процесса полезны, однако, в начале эволюции, живые системы больше размножаются, чем растут. Достигая некоторого уровня развития (в данном случае концентрации одноступенчатых ДНК), молекулы начинают больше расти, чем размножаться.

Если температура в недрах «черного курильщика» понижается, то доля размножающихся молекул падает, в то время как доля растущих возрастает. Растущие молекулы начинают различаться по своему составу, образуя первые виды одномолекулярных живых организмов. Прародителем таких организмов можно считать аденозинмонофосфат, который в современных организмах выполняет энергетическую и информационную функции одновременно.

Число видов быстро возрастает, однако выясняется, что некоторые одномолекулярные оказываются способными ускорять образование нуклеотидов из азотистых оснований и фосфолипидов, а другие – пожирать менее приспособленных одномолекулярных. В дальнейшем аналогичное различие функций ярко проявится у растений и животных.

Хитрость механизма одномолекулярных заключается в том, что одноцепочечная спираль ДНК, состоящая из нуклеотидов, может образовывать комплементарные пары внутри себя (вспомните внутренние связи т-РНК). Если эти комплементарные пары сшивают одноцепочечную ДНК, образуя механизм нападения, то новоявленный хищник начинает охотиться на других одномолекулярных, подрастая и размножаясь за их счет, т.е. используя готовые блоки, на которые он разобрал своих конкурентов.

Господствующий вид одномолекулярных начинает и «внутривидовую» борьбу, в которой выживает наиболее приспособленный, который сохраняет свою структуру в виде последовательности нуклеотидов, передавая ее по наследству. Многие виды не выдерживают конкуренции и надолго (если не навсегда) исчезают с лица «черного курильщика». Удачные виды начинают лакомиться не только выходящими из жерла «черного курильщика» нуклеотидами, но и отдельными азотистыми основаниями, самостоятельно доделывая их до нуклеотидов. Для этого к захваченному азотистому основанию нужно приделать фосфолипид с нужной стороны, а если он слишком длинный, то обрезать ему лишнюю часть «хвоста». С этого момента рост и размножение «полиглота» резко усиливается. Дело в том, что вероятность найти фосфолипид произвольной длины гораздо выше, а точное место присоединения к азотистому основанию отсекает неподходящие изомеры нуклеотидов.

Через некоторое время появляются «суперполиглоты», которые способны синтезировать фосфолипиды из произвольных углеродных цепочек и фосфорной кислоты. Дальнейшая «всеядность» требует изготовления самих азотистых оснований, которые в современных клетках синтезируются из углекислого газа, соединений азота и других простых молекул.

Каждое такое усовершенствование вызывает своеобразный демографический взрыв в недрах «черного курильщика». Но нет предела совершенству. Став всеядными одномолекулярными организмами, они начинают образовывать новые и новые виды, одни из которых могут быть полезны другим. Появляются катализаторы эволюции или одномолекулярные симбионты. Одни из них способны строить жилища, защищающие их самих и их друзей от невзгод и назойливых собратьев. Жилища, похожие на коммунальные квартиры, способствуют подбору уживчивых жильцов, способных разделить между собой обязанности. Появляются молекулы-профессионалы. Профессионализм в создании всевозможных белковых механизмов характеризует сложную молекулу рибосомальной РНК, которая впоследствии войдет в состав митохондрии под именем рибосомы.

Отличительной чертой митохондрии является способность совмещать в себе коллектив молекул-профессионалов, которому для жизни требуются лишь простые молекулы в качестве сырья и электронный градиент, преобразуемый ею в универсальный энергоноситель аденозинтрифосфат (АТФ), используемый всеми земными организмами. Эволюция митохондрии в десятки раз быстрее протекает в утробе черного курильщика, чем на поверхности океана, однако митохондрии уже способны путешествовать из тела одного «курильщика» в тело другого. Внутри общих предков современных клеток и митохондрии эволюция продолжает набирать темп. Совершенствование рибосом и других органелл древней клетки приводит к появлению нового уровня организации: «клетка в клетке», где более крупная и совершенная клетка содержит в себе микроклетки-митохондрии. Новые рибосомы в макроклетке уже не просто присоединяют одну аминокислоту к другой, как в митохондриях, а ориентируют их, согласно третьей букве генетического кода. Это делает клетку более жизнеспособной за счет ускорения процесса образования вторичной структуры белка, который теперь при нормальной температуре идет почти также быстро, как самосборка при высокой температуре.

Следующий серьезный шаг, позволяющий покинуть родину, это освоение порфиринового кольца, в частности магнийсодержащего, с помощью которого появилась возможность использовать в качестве источника энергии солнечный свет.

Возвращаясь к скорости размножения ДНК, отметим, что изменение давления или температуры может приводить к задвиганию и раздвиганию комплементарных пар ступени ДНК.

Образование сложных клеточных структур, подобных аппарату Гольджи, клеточному ядру и пр., мы рассматривать не будем ввиду их чрезвычайной сложности. А эволюция «от амебы до гориллы» хорошо изложена в популярной книге с одноименным названием, а также во всех учебниках биологии.

Упомянем лишь некоторые любопытные особенности этого процесса. Скажем, в ступени развития хордовых была забавная развилка эволюции. Существует животное, минога, у которой мозг имеет уже все разделы человеческого, а на месте, где у грудного ребенка расположено темечко, у миноги – третий (теменной) глаз. Когда человек рождается, на этом месте прочные кости черепа отсутствуют, а вместо них – пульсирующая область кожи, которая на первом году жизни зарастает костной тканью. Эволюция могла пойти и другим путем, и тогда третий (теменной) глаз стал бы или остался бы таким же, как и два других.

Любопытно также, что, однажды сформировавшись, многие виды стабилизируются, и их эволюция начинает протекать согласованно с другими видами, причем между видами часто выдерживается дистанция. Это немного похоже на формирование линейчатого спектра, характерного для излучения и поглощения света газами. Давление, оказываемое на вид экологической нишей, может вызвать его конденсацию, что (как и в случае конденсации газа) приводит к появлению полосатого спектра (расы).

Собственно говоря, пассаж про расы и линейчатые спектры не имеет прямого отношения к биохимической эволюции, но он любопытен и прекрасно иллюстрирует общность проявления физических законов для неживых и живых систем, состоящих из массы сходных элементов.

Из научных предположений упомяну разве что еще гипотезу о влиянии поверхностных явлений. Возможно, что кристаллические поверхности природных минералов могли играть роль шаблонов, с помощью которых происходила организация или даже воспроизведение сложных молекулярных соединений на первом этапе эволюции.

Появление мембран – тонких полимерных соединений – позволило скопищу из органических молекул накапливаться в ячейках, состав которых чуть отличался от состава окружающей среды. Это было шагом обособления, выделенности от среды.

В архейскую эру существовали простейшие одноклеточные, не имевшие ни ядра, ни других сложных внутриклеточных структур. Их называют протокариотами. Аж до середины протерозоя протокариоты были единственными обитателями морей. А потом, 1, 5 миллиарда лет назад, появились эутокариоты – клетки, имеющие разные внутриклеточные структуры. Как это произошло? Большинство ученых ныне полагает, что сие знаменательное событие случилось в результате либо пожирания, либо случайного проникновнения одной безъядерной клетки в другую. Съеденная клетка благодаря случайности не растворилась, а продолжила жить внутри другой клетки, приспособившись к такому существованию. Такое симбиотическое существование закрепилось эволюционно.

Если посмотреть на хлоропласты, существующие в клетках растенений, то можно увидеть, что они очень напоминают слегка измененные цианобактерии – одноклеточные сине-зеленые водоросли.