Загадка начала жизни.

Загадка начала жизни.

("Биология" - комплект изданий "Первое сентября". 1999, no 11.)

Описав понимание учеными механизмов эволюции, пора рассказать о том, как она, по нынешним представлениям, шла. Как мы видели, само понимание задач эволюционизма в последние полвека поменялось: мы не согласны теперь рассматривать эволюцию просто как смену таксонов, а видим ее прежде всего как преобразование экосистем, каковое уже влечет смену таксонов. Это, как я постараюсь показать, радикально меняет представления о ходе самой эволюции таксонов, а особенно - о ее начале.

1. С чего начинать отсчет эволюции?

Многие эволюционисты (начиная с первого, известного нам по имени - Анаксимандра) вплетали свои соображения об эволюции живого в общую схему развития мира, и Дарвин, не делавший этого, был скорее исключением. Новый учебник (*) тоже начал свою обширную (50 страниц) главу "Возникновение жизни на Земле" с космической эволюции. Зачем это, не сказано, но резон тут есть. Попробуем его разъяснить.

(*) В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, В.И. Сивоглазов. 0 Биология. Общие закономерности. Учебник для 10-11 классов общеобразовательных учебных заведений. М., Школа-Пресс, 1996. 623 с. (Далее: Учебник.)

У космологов известен "антропный принцип", утверждающий, что с самого начала эволюция мира шла так, чтобы в определенный момент в ней мог появиться мыслящий наблюдатель. Без этого принципа космология не умеет объяснить удивительное соответствие значений мировых констант (скорость света, масса протона, заряд электрона и т.д.) - стоило бы хоть одной из них иметь чуть иное значение, и во Вселенной не было бы не то что людей, не было бы даже атомов. Принцип можно понимать и как первоначальное согласование мировых констант (это, в сущности, креационизм, религиозная точка зрения, привлекательная для верующих), и как своеобразный отбор - из всех мыслимых вселенных мы живем в той единственной, в которой мы могли, в принципе, произойти. Последнее чем-то близко с дарвинизмом, где тоже принято говорить: данное свойство организмов существует потому, что не обладавшие им не смогли жить.

Американский физик Пол Девис, пропагандист "антропного принципа", не скрывает его идейной близости дарвинизму - по его мнению, наша Вселенная отобрана из "ансамбля" вселенных, а всякий успешно живущий организм - из "ансамбля" менее успешных организмов. То, что слово "ансамбль" несет тут совсем разные смыслы (ведь вселенные, в отличие от организмов, мыслятся как неразмножающиеся и невзаимодействующие), обойдено молчанием, зато справедливо отмечено, что антропный принцип "сродни традиционному религиозному объяснению мира: Бог сотворил мир, чтобы люди населяли его". Девис допустил, что "в будущем будут найдены объяснения некоторых из рассмотренных численных совпадений в рамках теоретической физики", благодаря чему "антропный принцип утратит всякое значение для объяснения мира" (Девис П. Случайная Вселенная. М., 1985). Он оказался прав: уже появились космологические работы, пытающиеся увязать мировые константы путем вывода их из новой общей теории. К сожалению, большинство сторонников принципа считают его вечным.

Девис привел и критику в адрес принципа, в частности, такую: "Географ, убежденный в предопределенности всего сущего", мог бы счесть реку Мисисипи специально сотворенной, поскольку она "очень удобно подходит ко всем пристаням и проходит под всеми мостами" (Девис П. Суперсила. М., 1989, с. 260). Другими словами, к географии прилагать антропный принцип было бы нелепо - мы-то знаем, что река возникла сперва и по своим законам, а сооружения на ней - позже и по другим законам. Не так ли следует подходить и к космосу? Пока не было частиц, не было и их констант, а когда (по мере охлаждения Вселенной) частицы стали возникать, у них обнаружились те свойства (выражаемые константами), которые вписывались в уже возникшний мир. А как дело в биологии?

При объяснении абиогенеза (происхождения жизни из неживого) встают точно те же трудности: в самой простой клетке все удивительно подогнано друг к другу, равно как подогнаны друг к другу и разные клетки (организмы и части многоклеточного организма). Не менее удивительна взаимоподогнанность частей биосферы. И о том, что все это создано для человека, тоже, как мы знаем из части 1, долго говорили - в рамках "естественного богословия". Однако почти все биологи вот уже 140 лет предпочитают искать объяснение в рамках идеи эволюции. Кому у кого в таком случае надлежит учиться - биологам у космологов или наоборот?

Проще всего следовать традиции космологов, т.е. уверять, что земная жизнь есть совпадение редких случайностей. Именно так и заявляли многие, например, ленинградский эколог М.И. Будыко в своей книге "Эволюция биосферы" (Л., 1984): биосфера показалась ему малоустойчивой и до сих пор существующей лишь потому, что в периоды кризисов ее спасало что-то внешнее, удачная случайность. Так, когда биосфера была готова замерзнуть, "как раз" повышалась активность вулканов, увеличивавшая парниковый эффект. По сути это тоже - "антропная" точка зрения.

Антропный принцип многие признают потому, что не видят ему альтернативы; точнее, альтернативой у них служит только идея "случайной Вселенной", где совпали начальные условия, друг от друга независимые. Точно та же исходная посылка господствовала в 1970-е гг. в работах по абиогенезу. Вот ее самая явная формулировка: "Эволюция должна начинаться со случайных событий. "В начале" - каков бы ни был точный смысл этого понятия - по-видимому имелся молекулярный хаос, и в гигантском многообразии химических соединений не было никакой функциональной организации" (Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., 1973, с. 13). Забегая вперед, скажу, что эта установка завела проблему в тупик, и я буду излагать иную схему, исходящую из четкой упорядоченности химических процессов на молодой Земле.

Опыту космологов следует и Учебник: "чем более активна оказывалась молекула белка как катализатор, тем больше пользы приносила она своему обладателю. По-видимому, в это же время происходило становление генетического кода" (с. 69). С виду это кажется дарвинизмом, на деле же это - антропный принцип в его религиозной форме: ведь удачный белок еще не мог размножиться и вытеснить конкурентов, так что его сопряжение с "генетическим кодом", до этого момента не существовавшим, выглядит как предустановленное. А нельзя ли как-то иначе, понаучнее?

Нет, я не собираюсь спорить с верующими - то божество, в которое они верят, вполне реально для них, обладает теми атрибутами, в какие они верят, и спорить об этом нет смысла. Но обращу внимание: антропный принцип взят космологами (и то не всеми) на веру, чтобы объяснить соотношение констант, и только. Они отнюдь не предлагают обращаться к нему всякий раз, как что-то неясно, а биологи по сути делают именно это. Вот как, например, Учебник объясняет возникновение фотосинтеза: "В более выгодном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических. Таким образом возник фотосинтез" (с. 70). Опять, как в антропном принципе, ссылка на выгодность дана вместо опыта или рассуждения о возможном механизме достижения. Пусть читатель не поленится сравнить эту пару фраз о фотосинтезе с мыслями Анаксимандра о появлении людей (п. 1-5) и Эмпедокла об отборе (п. 1-7), а затем сам решит, велик ли тут за 2500 лет прогресс в способе думать об эволюции.

Более научной мне видится линия рассуждений, отвергающая антропный принцип во всех его формах как излишний, пока не исчерпаны все остальные аргументы. Трудности, заставившие вводить его, одинаковы во всех науках и вызваны тем, что процесса эволюции мы не видим, а ее результаты поражают нас своей самосогласованностью. Однако в большинстве наук ничего похожего на антропный принцип никто не предлагает, поскольку это попросту неинтересно - куда интереснее искать механизмы явлений и их наиболее общие связи, а не полагать всякую загадочную связь божественной или, что почти то же, "антропной".

И всё же одна особая трудность у космологов действительно есть: совпадение констант выглядит чудесным прежде всего потому, что Вселенную не во что "погрузить", ее нельзя рассмотреть как часть чего-то, чтобы вывести ее законы из свойств этого "чего-то". Но к нашей теме данная трудность как раз не относится: жизнь - порождение Земли, как Земля - порождение космоса. Приняв космическую эволюцию как нечто данное, мы можем вывести из этой данности эволюцию Земли и выяснить тем самым условия той поры, когда появилась жизнь. А зная эти условия, можно начать распутывать клубок загадок рождения жизни.

Словом, проблему абиогенеза надо действительно начинать издалека, с эволюции неживой природы, иначе мы в нем ничего не поймем. Очень удачно, что Учебник называет ученых XIX-ХХ веков, пытавшихся понять абиогенез как чисто химическую проблему, и приводит итог их 120-летних усилий - получено множество органических веществ, понята важность мембран и прочих граничных структур, но и только. По-моему, итог безрадостен: куда двигаться дальше, непонятно.

И все-таки Учебник находит вполне разумное направление - предлагает искать корни живого в неживой природе как целом. К сожалению, сам он почему-то его не держится - сообщив массу разрозненных сведений о космосе, он никак ими не пользуется и ничего не говорит нам о геологии и физике молодой Земли. А там-то и прячется разгадка - в той мере, в какой она на сегодня найдена. И рассказать об этом для старшеклассников, по-моему, можно, хоть и не очень просто.

2. Молодая Земля

В конце 1997 г. журналы пестрели великолепными цветными фотографиями поверхности Марса, добытыми американским аппаратом "Марс-Пасфайндер". Оказалось, что марсианская пустыня несет несомненные следы прежнего течения по ней бурных вод (рис. 1). Куда же они делись? Сейчас у Марса почти нет атмосферы, и считается, что она была миллиард лет назад сорвана с него космической катастрофой - падением крупного астероида. Такие катастрофы видимо случались и с Землей, но наша планета наращивала себе и новую атмосферу, и новый океан (ибо изрядная часть его выплескивалась в космос), а Марс так и остался голым. Ведь газы и вода происходят из недр, а недра Марса давно мертвы (чем меньше планета, тем быстрее она "вымерзает").

Наш Мировой океан, кажущийся очень старым, в одном смысле вечно молод: у него всегда новое дно. Подсчитано, что размыв суши (волнами, реками, дождями) несет в океан столько твердых частиц, сколько достаточно, чтобы целиком заполнить его осадочными породами всего за 50 млн. лет, а он существует в 60-70 раз дольше. Оказывается, океанское дно постоянно обновляется в ходе спрединга (растекания): новые толщи непрерывно поступают из недр в срединноокеанические горные хребты, которые расползаются, а старая океаническая кора все время испытывает субдукцию (задвигается под кору континентов). Возраст самой старой известной ныне океанической коры (на западе Тихого океана, под километровым слоем осадков) не превышает 200 млн лет, тогда как самые древние известные породы континентальной коры (на юго-западе Гренландии) в 19 раз старше - им 3 млрд 800 млн лет (Клиге Р.К., Данилов И.Д., Конищев В.Н. История гидросферы. М., 1998, с. 13, 66).

Если бы не этот круговорот донных толщ, у нас тоже давно не было бы океана, а значит и дождей, т.е. вернее всего не было бы и жизни. На Земле захоронено около 60% всех вод (там же, с. 14), а на Марсе вся.

Всем известен "круговорот воды в природе", необходимый для поддержания жизни, и столь же нужны круговороты всех важных для нее элементов - например, фосфора. Однако у нас на глазах фосфор мигрирует в одну сторону - вымывается (а теперь и добывается) из горных пород в виде солей, включается в жизненные процессы, затем сносится в моря и океаны, где оседает на дно с телами отмерших организмов и в океанах задвигается под континенты. Обратно поступает около 1% фосфора - в основном его доставляют морские птицы в виде гуано. Круговорот фосфора замыкается только через медленные глубинные процессы (когда захороненные осадочные породы возвращаются на поверхность), и без горообразования на континентах жизнь долго не протянет. Да и куда менее дефицитный углерод - и тот постоянно поступает из вулканов в форме углекислого газа. Все это привело ученых к формулировке "геохимического принципа сохранения жизни": планета может быть обитаема, пока активны ее недра.

Активность недр важна нам не меньше, чем активность Солнца. Чтобы на Земле продолжалась жизнь, Земля сама должна быть в указанном смысле живая. Это значит, что Лавлок (см. п. 6-1) и другие ученые, всерьез считающие Землю организмом, заслуживают полного внимания. Для них феномен организованности биосферы - не набор случайностей (как у Будыко), а результат ее собственной активности.

В частности, Лавлок и его единомышленники обращают внимание на удивительную земную атмосферу: по законам химии азот, основной ее газ, должен бы окислиться (за счет грозовых разрядов и квантов света) и перейти в нитраты океана, а кислород, сильнейший окислитель, вообще не должен был в заметных количествах появиться. Более того, концентрация кислорода в атмосфере (20%) близка к предельной: при 25% все, что может гореть, сгорело бы. Таких примеров можно привести множество, и совпадениями ничего не объяснишь, поскольку они слишком регулярны.

Если же признать Землю активной (живой), то абиогенез выступает как самый заметный акт взросления нашей планеты, а отсутствие его в наше время - как выход Земли из фертильного возраста. Скептик, конечно, заметит, что Земля - не организм, ибо не размножается, что она породила не другую планету, а собственную часть (биосферу). Отвечу: не все живое размножается. Например, пчелиный улей не размножается, пока матка порождает только рабочих пчел и трутней. А трутень не размножается никогда. В мифе у древних греков Гея, богиня земли, тоже порождала не другой мир, а части того мира, который благодаря этому стал пригоден для жизни людей (см. п. 1-3). Недаром Лавлок свою концепцию живой Земли назвал "гипотезой Геи".

Совсем по-новому "гипотеза Геи" ставит проблему абиогенеза: надо понять не столько появление первой клетки, сколько - первой биосферы. (Между прочим, одним из первых актов жизни явилось появление бактерий, регулирующих состав атмосферы - Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. М., 1984.) Это очень кстати, поскольку понять абиогенез как рождение первой клетки не удается. Учеными найдено много способов получения в условиях, похожих на тогдашние, основных "кирпичиков" живого - аминокислот, сахаров (в том числе и рибозы, нужной для сборки РНК), нуклеотидных оснований (пиримидинов и пуринов). Многие необходимые для всякой жизни молекулы найдены даже в вулканах и метеоритах. Неорганические компоненты (прежде всего, фосфаты) тоже были на молодой Земле в наличии. Но что было на ней дальше?

Пионер исследований абиогенеза биохимик А.И. Опарин видел задачу в построении чего-то вроде первичной клетки, плававшей в "первичном бульоне", содержавшем органические молекулы. Он был уверен, что именно в ней природой были найдены все механизмы первичной жизни. Еще в 1920-х гг. его внимание привлекли коацерваты (микроскопические коллоидные капли, содержащие полимеры и плавающие в воде), которые он затем изучал более полувека. Коацерваты оказались способными окружать себя простыми оболочками. Опарину удалось получить в них некоторые важные для жизни реакции (например, синтез крахмала) и показать, что достигнув предельного размера, капля распадается на несколько дочерних, которые тоже растут. Однако для этого в коацерват вводились один-два фермента (это уже никак не преджизнь), а дочерние капли росли медленнее исходной и лишь до тех пор, пока каждой доставались ферменты.

Несколько дальше продвинулся в 1950-е годы американский биохимик Сидней Фокс, показавший, что вместо нынешних белков можно брать протеиноиды - цепочки аминокислот, которые он получал, нагревая смесь сухих аминокислот. Растворяя их затем в воде и нагревая крепкий раствор в автоклаве до огромной температуры, выше 130 градусов (запомним это!), он тоже получал микрокапли. Там некоторые ферментативные свойства наблюдались, однако, без добавления ферментов, причем у этих капель тоже возникали оболочки и шло "деление клеток" (рис. 2). Оно, ввиду отсутствия потребности во внесенных извне ферментах, могло идти довольно долго, но все же прекращалось по исчерпании запаса протеиноидов. Эта трудность весьма существенна - ведь их полимеризация шла у Фокса в условиях перегретой жидкости, несовместимых ни с условиями появления самих аминокислот (искра во влажной смеси метана, аммиака и углекислого газа - так имитировали грозу в атмосфере молодой Земли), ни с условиями "деления клеток" (обычный водный раствор). Как их совместить?

Об успехах предбиологического синтеза (в отличие от его неудач) широко известно более 20 лет, и они излагаются в учебниках как нынешняя теория абиогенеза. На эту тему в 1978 г. появился хороший обзор, вскоре переведенный на русский язык (Р. Дикерсон. Химическая эволюция и происхождение жизни. // Эволюция. М., 1981), который ясно и корректно изложил ту концепцию абиогенеза, которой ныне придерживается Учебник. Поэтому коснемся этого обзора.

Начат он так: "Примерно через миллиард лет после образования Земли (события, которое произошло около 4,6 млрд лет назад) возникли одноклеточные организмы". Автор назвал самый древний образец породы (из Южной Африки), содержащий нечто вроде остатков бактерий - ему около 3,3 млрд лет, и резонно удивился, как быстро родилась жизнь - ведь позже, на происхождение клеток, имеющих ядро, ушло почти 2 млрд лет.

С тех пор выяснилось, что промежуток абиогенеза был еще короче: согласно упомянутой "Истории гидросферы" (с. 34, 120), земная кора охладилась ниже 100 градусов около 4 млрд лет назад, и океан долго (800 млн лет) был теплее 90 градусов, однако самая древняя осадочная порода (3,8 млрд лет) уже несет следы жизни. Думаю, Дикерсон удивился бы еще больше, если бы знал это - выходит, что жизнь родилась всего за 200 млн лет и притом в кипятке. Дикерсон напомнил старое воззрение, что жизнь занесена на Землю извне, и заметил, что оно ничего не объясняет, ибо остается вопрос - как жизнь возникла где-то. Однако одну трудность оно все же обойти позволяет - удивительную скорость земного абиогенеза: быть может, где-то абиогенез шел миллиарды лет, а на Земле этого не понадобилось. Проще всего поступают те, кто допускает, что жизнь была привнесена на Землю сразу в форме примитивной биосферы, занесена сознательно цивилизацией, на 4 млрд лет нас обогнавшей. Однако возможность этого весьма сомнительна: ведь самой Вселенной, как ныне считают, всего 15 млрд лет, а жизнь не может возникнуть около звезды первого или второго поколения - из-за отсутствия тяжелых химических элементов. Солнце принедлежит к третьему поколению звезд, и специалисты по жизни в космосе пишут: "Появление земных форм жизни нельзя считать задержавшимся, поскольку не исключено, что они относятся к числу самых первых во Вселенной. Дело в том, что... возникновение и развитие многоклеточных форм жизни возможно лишь в системах звезд со средней массой, относящихся к третьему и последующим поколениям" (Аллен Дж., Нельсон М. Космические биосферы. М., 1991, с. 60).

Тут можно последовать разумному совету Дикерсона: "если эта жизнь развилась не на Земле, то она несомненно возникла на какой-то другой планете, не слишком отличающейся от Земли по температуре и по составу. В действительности вопрос должен формулироваться так: каким образом могла возникнуть и эволюционировать жизнь на планете, сходной с нашей Землей?" Добавлю: пока нет работающей теории абиогенеза, нечего удивляться его скорости. Может быть, абиогенез и должен идти быстро?

3. Отбор до размножения. Разве так бывает?

Задачу обзора Дикерсон формулировал в виде пяти проблем: "1) образование планеты с атмосферой, содержащей газы, которые могли бы служить сырьем для возникновения жизни; 2) синтез биологических мономеров...; 3) полимеризация этих мономеров...; 4) вычленение отдельных капель... их превращение в пробионты с собственным химизмом и и собственной "индивидуальностью"; 5) возникновение некоего репродуктивного аппарата, гарантирующего передачу дочерним клеткам... потенций родительских клеток. Кратко все это можно сформулировать как проблемы сырья, мономеров, полимеров, изоляции и репродукции".

Изоляцией Дикерсон назвал проблему переноса веществ из одних условий в другие. Она весьма непроста - уже опыты Фокса показали, что синтез мономеров и их полимеризация идут в совсем различных условиях. Далее читаем: "В экспериментах Опарина и Фокса мы находим, конечно, лишь аналогию живого, но эти эксперименты будят мысль. Они показывают, в какой мере поведение, напоминающее жизненные процессы, коренится в физико-химических особенностях, и иллюстрируют идею выживания в результате химического отбора. Ясно, что это единственный вид естественного отбора в эволюции, который мог существовать до появления молекул, играющих роль носителей информации".

Насчет "будят мысль" спорить не приходится, но что это за отбор без наследственности? Как говорится, "мы такого не проходили". Он описан у Дикерсона следующим образом:

"Можно представить себе, что до появления живых клеток первобытный океан буквально кишел такими "каплями"... Те из них, в которых случайно оказывались катализаторы, способные стимулировать "полезные" процессы полимеризации, должны были существовать дольше... На протяжении долгих геологических эр действовал, по-видимому, мощный химический отбор, сохранявший те типы капель, которые были способны..." и т.д.

Попробуем понять. "Химический отбор" - термин, обозначающий вовсе не естественный отбор, а факт из химии открытых систем (т.е. систем, обменивающихся веществом и энергией со средой). Факт этот состоит в том, что в открытой системе основную часть субстрата перерабатывает та реакция, которая течет быстрее всего. (В отличие от обычной химии, где реакции текут в сторону химического равновесия, в химии открытых систем реакции текут туда, куда им указывают потоки веществ.) Факт интересен и важен, мы им еще воспользуемся, но зачем говорить о капле, непрерывно существовавшей миллионы лет? Смысла для эволюции от нее нет: хоть она и "существовала дольше", ее преимущество гибло вместе с нею, поскольку она не располагала наследственностью.

Зато химический отбор осмыслен, если речь идет не о конкретной капле, а о массовом (геохимическом) процессе - о появлении более эффективной реакции, которое делало новый вариант процесса доминирующим. Сколько в нем жила та или иная "капля", безразлично.

Тут полезно вспомнить "ретроградную концепцию", которую предложил в 1945 г. американский биохимик Норман Горовиц (Horowitz). Вот как резюмировал ее Дикерсон: "Горовиц... предположил, что метаболические системы эволюционировали, так сказать, задом наперед. Если в наше время какая-нибудь метаболическая последовательность ведет, например, от вещества А к веществу Б и далее к веществам В, Г и Д, то можно думать, что в самом начале возникла потребность в веществе Д и самой древней реакцией была реакция получения Д из Г, а Г было сырьем, запас которого имелся в окружающей среде. Лишь после того, как этот запас начал иссякать, возникало давление отбора в пользу способности получать Д из другого сырья, т.е. из В. Затем недостаток В породил породил конкуренцию" и т.д. Так "медленно и постепенно эволюционировала наконец - в обратном порядке - вся метаболическая цепь".

Жаль, что ни Горовиц, ни Дикерсон не пробовали поставить такой опыт, чтобы выяснить, как на самом деле действует "давление отбора". Подобные опыты, совсем не думая про абиогенез, многократно ставили все, кто исследовал генетический поиск (о нем шла речь в части 5), и результат был плачевный, хоть и естественный - пока ресурс был, выживал тот, кто умел, а не тот, кто учился использовать что-то иное; когда же ресурса не становилось, гибли все, кроме того умельца, который мог быстро найти (вот он, генетический поиск!) это новое. Но генетического поиска до появления генетической системы быть не могло, так что взывать к обычному отбору смысла нет. Зато есть смысл вспомнить суть химического отбора - ресурсом завладевает тот процесс, который его быстрее использует, как бы много ресурса ни было. Если "органический" процесс оказывался таким, он занимал место "неорганического".

Не будем корить Горовица: он высказал интересную мысль, к которой мы еще вернемся, тогда как нужная для него теория (химического отбора) появилась позже. В 1960-е гг. шведские ученые - химик Л. Силлен и геолог М. Руттен - сделали к ней важный шаг: отвергли концепцию "первичного бульона" как химически невероятную. Дело в том, что желаемые для абиогенеза реакции - те, которые должны идти против химического равновесия, а значит продукты их в "бульоне" не могут накапливаться, и для синтеза в "бульоне" чего-то путного не хватило бы и триллиона лет.

Вот Силлен и Руттен и предложили главное: сменить познавательную установку - не уповать на последовательность исчезающе редких удач, а выяснить, при каких условиях нужные реакции могут протекать и были ли такие условия на молодой Земле. Нужным условиям удовлетворил не "бульон", а поток. В нем может идти любой синтез, если его продукт уносится (или еще как-то предохраняется) от распада (Руттен М. Происхождение жизни (естественным путем). М., 1973, с. 297).

Но как это могло достигаться? Первый шаг к ответу находим в книге московского химика А.П. Руденко "Теория развития открытых каталитических систем" (М., 1969), где показано: в потоке веществ и энергии возможно саморазвитие, причем сам собою развивается не продукт, а катализатор. Оказывается, активность катализаторов может повышаться в ходе их работы, и поток веществ преимущественно перерабатывается этими, улучшенными катализаторами. Более активные катализаторы образуются вполне понятным путем - за счет их "избирательного отравления", т.е. сужения спектра ускоряемых реакций. Теперь катализатор становится как бы узким, но ценным специалистом, и прежние катализаторы как бы вытесняются новыми из процессов переработки веществ потока.

Это явление Руденко назвал естественным отбором, но мы предпочтем устоявшийся термин "химический отбор". Реакцию, в которой идет эволюция катализатора, Руденко назвал базисной. Тем самым, в анализе абиогенеза акцент был перенесен с привычного вопроса "что синтезировано?" на вопрос "как синтезировано?", и процесс рождения жизни предстал как эволюция катализаторов неорганических "базисных реакций".

К сожалению, сам Руденко не сказал, какие из реакций абиогенеза следует считать базисными, и, тем более, не обратил внимание ни на какие процессы, кроме катализа. Наоборот, он с завидной прямотой заявил (с. 229), что "никакая другая эволюционирующая модель не может дать исчерпывающего описания добиологической химической эволюции и вскрыть ее причины". А это попросту неверно - в абиогенезе есть много иных проблем. Поэтому на фоне появившейся вскоре новой термодинамики (о ней шла речь в части 5), давшей более общую теорию открытых систем, частное достижение Руденко осталось почти без внимания. Мало кто заметил, что без его теории дальше двигаться невозможно - именно он описал один из конкретных механизмов самоорганизации, механизм порождения затравок, необходимых для формирования любой термодинамической структуры.

Что касается теории химического отбора, то лавры достались немецкому химику Манфреду Эйгену, выступившему с похожей идеей в 1971 г. (его книгу я упоминал в п. 1). Но Эйген ввел отбор как аксиому, взятую из дарвинизма, а у Руденко отбор - реальное явление в реакции с изменяющимся катализатором. В частности, Руденко воспользовался (с. 21 его книги) "аггравационным эффектом в катализе" - тем опытным фактом, что более массивные молекулы катализаторов более активны.

Ни на что это у Дикерсона нет даже намека. Но хуже всего у него с "долгими эрами": сперва он удивился, что их не потребовалось, а затем, как видим, на них-то и возложил наименее понятное. Так делали все, начиная с Эразма Дарвина (вспомним его "миллионы веков"), но в наше время это уже несерьезно. Смутным фразам пора было противопоставить нечто более определенное, что в последующие 20 лет и было сделано. Подлинно интересную, на мой взгляд, теорию абиогенеза начали строить те, кто видел проблему не в рамках коацервата, а в рамках Геи.

Двумя главными для нынешней жизни химическими процессами являются расщепление воды с выделением свободного кислорода и, наоборот, окисление различных субстратов свободным кислородом. Первую реакцию в неживой природе реализует ультрафиолет, а в живой - фотосинтез; вторая в неживой природе всем известна (например, железо ржавеет), а в живой означает дыхание. Эволюция этих реакций состояла в их расщеплении на множество стадий (что позволило работать с небольшими, годными для живых объектов, квантами энергии) и в появлении целого спектра органических катализаторов (предшественников ферментов). В 1978 г. московская исследовательница К.Б. Серебровская (из школы Опарина) указала, что эти реакции суть базисные реакции по Руденко, и тем самым дала его теории новую жизнь - в рамках биоценотической концепции абиогенеза.

4. Сперва биоценоз, затем организмы

Биоценотическая концепция абиогенеза (БКА) утверждает, что жизнь возникла сразу в форме примитивного биоценоза, лишь позднее разделившегося на отдельные особи и виды; сперва на планете существовали только геохимические круговороты веществ, затем возникали одна за другой те реакции, которые мы теперь именуем метаболическими - сразу в форме звеньев, которые встраивались в прежние круговороты, - а потом уже возникли отдельные особи, наследственность и размножение.

Наглядный пример включения органического звена в геохимический круговорот дает круговорот серы, изображенный на рис. 3 (взятом из упомянутой книги Руттена): ее круговорот существует и вне жизни, но основной поток серы из морских вод в горные породы ныне осуществляют организмы (бактерии Desulphovibrio и др.), которые восстанавливают сульфаты в сульфиды. Отличить биогенные сульфиды можно по тому, что в них на несколько процентов повышено содержание тяжелого изотопа серы (того, у которого атомный вес 34).

Поначалу замена любого неорганического катализатора геохимической реакции на протеиноид являлась химическим отбором и шагом в абиогенезе. Пока что аппарата наследования тут не требовалось.

Исток БКА обычно видят в высказывании из "Биохимических очерков" В.И. Вернадского: "Первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида, а виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы". Но вопрос о том, как это смогло фактически получиться, Вернадского не заинтересовал.

Первым шагом в сторону конкретной БКА мне представляется "ретроградная концепция" Горовица. Именно она впервые показала, как в принципе органический процесс мог встраиваться в геохимический круговорот, а именно - в порядке, обратном порядку химических реакций.

Следующий шаг к БКА сделал в 1957 г. английский физик, натурфилософ и историк науки Джон Бернал - в Москве, на Международном симпозиуме по происхождению жизни. В докладе "Проблемы стадий в биопоэзе" (биопоэз - порождение жизни) он обобщил разрозненные высказывания предшественников и сформулировал следующие тезисы.

1) Если "первичный бульон" и существовал, то встает проблема - как в нем обеспечивались нужные концентрации нужных наборов веществ (то, что Дикерсон назвал позже проблемой изоляции).

2) Вернее, что "бульона" никогда не было, а образование мономеров шло впараллель с их полимеризацией.

3) Для этого были удобны мелкие водоемы на грани высыхания и глины в качестве катализаторов, заменявших ферменты (появившиеся позже).

4) В эту эпоху "ничего похожего на обособленный организм возникнуть не могло, а могли существовать лишь беспорядочные образования довольно постоянного состава, в которых метаболизм поддерживался некоторое время и которые более напоминали холодное пламя, чем организмы".

5) Такие "субвитальные единицы" могли иметь меняющиеся границы и сливаться друг с другом, причем несовместимые разрушались, а у подходящих друг другу "диапазон их биохимической активности расширялся".

6) Сперва это были "зоны" (позже Бернал даже ввел термин "субвитальные территории"), занимавшие целые равнины, покрытые влажным субстратом (Бернал называл его илом и почвой, что неверно - ничего такого до возникновения жизни не существовало).

7) Появление разнообразных полимеров привело к возникновению мембран, а это позволило субвитальным единицам локализоваться в коацерватных каплях и других микрообъектах. Поскольку они не имели аппарата наследственности, их лучше именовать не протоклетками, а "эобионтами" (термин предложил в 1953 г. Н. Пири).

8) Появление наследственного аппарата непонятно, но тут важны два экспериментальных факта: во-первых, "два дополнительных синтетических полирибонуклеотида (один с группой пурина, а другой с группой пиримидина), каждый в отдельности неправильно скрученные, соединились in vitro... в плотную двойную спираль, аналогичную спирали натуральной ДНК". Во-вторых, нуклеиновая кислота может служить матрицей только для точно ей соответствующей, тогда как один "фермент может может способствовать синтезу многих, если не всех, нуклеиновых кислот".

Последний пункт нуждается в пояснении. Бернал с поразительной проницательностью указал здесь на три обстоятельства: (1) РНК может самопроизвольно скручиваться в двойную спираль, (2) РНК может копировать только саму себя, (3) белок ничего сам не копирует, зато может один катализировать копирование самых разных полимеров. Не пытаясь решать проблему "взаимной связи между синтезом нуклеиновой кислоты и белка" (она не решена и поныне), Бернал фактически указал самое главное в проблеме появления наследственности: первым наследственным веществом удобно считать РНК (а не ДНК), которая могла принимать естественную форму сама, без белков, а первой функцией белка наследственной системы должна была служить РНК-полимеразная активность. Момент появления этой "взаимной связи" Бернал и полагал моментом рождения жизни.

Итак, рождению жизни предшествовало, по Берналу, появление обширных субвитальных областей (зон) и обособление внутри каждой из них множества крохотных эобионтов, а лишь затем появилась наследственность. До ее возникновения процессы шли сами собой, поскольку не были уникальны (как идут обычные химические процессы). Удивляться высокой скорости этой стадии абиогенеза не приходится - медленно идет лишь то, что требует многократного ожидания маловероятных актов.

К сожалению, ни Бернал, ни кто-либо другой на Западе, не стал (насколько знаю) развивать биоценотический аспект абиогенеза дальше. В этом плане центр мысли остался в России, чему способствовал колоссальный для нас авторитет Вернадского.

В 1970 г. к БКА еще на шаг приблизился биолог М.М. Камшилов, работавший, по выходе из сталинской ссылки, в Институте водных проблем (пос. Борок Ярославской обл.). Главная его мысль: если сперва возник метаболизм, а затем клетки и их размножение, то сразу должно было появляться большое число самых разных видов - когда расчленялся на отдельные организмы какой-то первичный биоценоз. В доказательство Камшилов приводил факт внезапного появления всех типов беспозвоночных в кембрийском периоде. Аргумент несостоятелен (организмы появились, как мы теперь знаем, на 2 млрд лет раньше), но это не умаляет пионерской роли книжки Камшилова "Биотический круговорот" (М., 1970).

Тогда для БКА не было никаких конкретных данных, и ее немногих приверженцев объединяло лишь нежелание принимать царившую идеологию (что ведет к нам, то, дескать, и возникало), по сути антропную. Камшилова еще грела симпатия к тому натурфилософскому мнению Вернадского, что жизнь всегда существовала в форме биосферы. Но московский бактериолог Г.А. Заварзин, столь же ревностный почитатель Вернадского, тем не менее возражал против первичности биоценозов. По его мнению, о них нет никаких сведений до тех самых пор, пока в геологической летописи не появились цианеи (синезеленые водоросли), тогда как бактерии появились заведомо раньше. (Заварзин Г.А. Литотрофные микроорганизмы. М., 1972, с. 318). Следами жизнедеятельности бактерий считается изменение соотношения изотопов и состава атмосферы, устанавливаемое по изменению состава осадочных пород соответствующей эпохи.

Там же (с. 319) Заварзин обратил внимание на важный факт: в кратерах нынешних вулканов обнаружено множество различных литотрофных (питающихся неорганикой) бактерий - и высказал предположение о возможной их первичности. По Заварзину, всё, чего не мог синтезировать первый организм, он получал из геосферы (это, напомню, идея Горовица), и в этом, но только в этом, смысле жизнь возникла в форме ценоза. Никаких организмов, поставлявших пищу другим организмам, неизвестно вплоть до появления цианей. Само же появление первых бактерий Заварзин тогда и позже связывал исключительно с космосом. Был ли он тут прав?

Вскоре появилось косвенное подтверждение БКА: изотопный анализ показал, что самые древние осадочные породы (те самые, из юго-западной Гренландии, которым 3,8 млрд лет) несут следы жизни - их изотопный состав таков, какой обычен у остатков жизнедеятельности, хотя никаких свидетельств наличия отдельных организмов (клеток) нет. А ведь эти породы на полмиллиарда лет старше тех южноафриканских образцов, в которых обнаружено нечто вроде первых клеток. Может быть, жизнь и впрямь возникла до клеток, в форме системы биохимических реакций? Если да, то о жизни из космоса говорить излишне, но встает вопрос, где это было.

В 1970-х гг. место для абиогенеза было найдено, и оно удивительным образом существует поныне - горячие и сверхгорячие источники. Именно в них жизнь наблюдается в форме небольших (по числу видов и по общей биомассе) сообществ, в которых сравнительно легко просматриваются биоценозы времен рождения жизни. Об этом пойдет речь в п. 7.

5. Биосфера как организм

Итак, жизнь, вернее всего, возникла в форме биоценоза. Но биоценоз - не биосфера: биоценозы зависят друг от друга, а биосфера одна. Быть может, и она родилась раньше, чем организмы?

Биосферу не поделенную на организмы, изобразил нам Станислав Лем в фантастическом романе "Солярис". Там биосфера неведомой планеты Солярис предстает гигантским разумом, внимательно исследующим прибывшх землян. Не так ли выглядела и первичная биосфера Земли? Первоначально Лавлок видел свою Гею чем-то похожим, но в такой форме принять идею биосферы-организма ученые отказались. И все же, при всей ее экстравагантности, идея вовсе не абсурдна: пусть биосфера состоит из других организмов, но это не мешает рассматривать ее как организм, поскольку существование составных организмов хорошо известно - таковы и пчелиный улей, и лишайник, и начиненный зелеными водорослями моллюск. Да что там! Наш с вами организм тоже в некоем смысле составной: он состоит из органов, они - из тканей, которые, в свою очередь, состоят из клеток; а ведь сами клетки могут быть организмами - при подходящих условиях опыта они долго живут вне организма (так называемые культуры тканей).

Другое дело, какими свойствами составной организм может обладать, а какими нет. Сперва Лавлок наделял его мышлением вроде человеческого, с даже еще более сильным даром предвидения, ибо в ожидании будущих бед "Гея" устроила на своей поверхности подходящие слои (атмосферу, гидросферу и биосферу), подобно тому, как человек одевает себя одеждой:

"Гипотеза Геи постулирует, что физические условия на поверхности Земли, в атмосфере и океане - как прежние, так и нынешние, активно созданы жизнью самой для себя... Это противоположно обычным представлениям, по которым жизнь приспособилась к условиям планеты и они произошли своими отдельным путями" (Lovelock J.E. Gaia: A new look of life on Earth. Oxford, 1979, c. 152).

А в его статье, написанной вместе с Линн Маргелис (той, что переоткрыла симбиогенез - см. п. 3-13) прямо сказано, что "Гея" - более, чем биосфера: "Мы верим, что Гея - сложное единство, включающее атмосферу, биосферу, океаны и почву". Но затем, под воздействием критики, Лавлок в своей книге "Возрасты Геи" ослабил предполагаемые возможности "Геи", сведя их к способности поддерживать ее собственный гомеостаз. Теперь организмом считается не планета, а биосфера, и нервной системой этому организму служит царство животных. Головного мозга нет - образно говоря, из человека "Гея" обратилась в животное типа улитки.

Казалось бы, головным мозгом "Геи" можно счесть человечество (это было бы вполне в духе "ноосферы", как ее понимали Тейяр и Вернадский), но Лавлок считает иначе - по его мнению, человечество противостоит "Гее", и она чуть ли не готова к ампутации этого больного органа; во всяком случае, Лавлок уверен, что она переживет "ядерную зиму", как больной - ампутацию (Lovelock J.E. The ages of Gaja. Oxford, 1989, 171-177). Теперь "Гея" Лавлока лишена дара предвидения, но в ней по-прежнему "эволюция организмов и эволюция окружающей их среды тесно связаны в единый процесс. Его естественное свойство - саморегуляция".

Многие биологи стали бурно возражать, ибо "большинству биологов все-таки трудно принять даже идею глобального гомеостаза. Дело в том, что почти невозможно представить себе переходное звено от локальных эффектов к изменениям в масштабе планеты. Организмы, изменяющие свою среду в интересах потомства, конечно, получают за счет этого преимущество: вот почему птицы, к примеру, строят гнезда. Но трудно понять, каким образом эта чисто дарвинистская "семейственность" может действовать в масштабе многих поколений и на континентальных расстояниях" - писал в редакционной статье журнал "Scientific American" (перевод см.: "В мире науки", 1990, N 2, с. 62).

Я бы выразился сильнее - не просто трудно, а невозможно - в предыдущих частях мы не раз видели, что дарвинизм успешно работает лишь там, где вопросы целостности вообще не встают. Однако биосфера 3 млрд лет поддерживает, ни с чем не конкурируя, свои основные параметры (состав атмосферы, вод и т.д.) - это ли не свидетельство целостности?

Согласно БКА, целостность возникла задолго до появления прокариот - тогда, когда субвитальные области стали распадаться на отдельные капли, эобионты. Но прежде чем говорить о свойствах эобионтов, надо еще немного сказать о том, как выглядела молодая Земля.

Бернал простодушно помещал эобионты в ил и в почву, но это - образования органические, организмами сделанные. А как выглядела поверхность суши до появления организмов? Ученые за последние 30 лет пришли к согласию в том, что она состояла из ровных, почти горизонтальных поверхностей примерно на уровне океана и почти вертикальных скал. Как писал Руттен в упомянутой книге, абиогенез, вероятно, проходил в период между актами горообразования, а в такое время "материки, как правило, стачиваются эрозией до уровня моря" (с. 173).

Остается добавить, что выветривание и размыв (эрозия) шли тогда несравненно быстрее, поскольку в отсутствие почв ничто не сдерживало буйства ветров и водных потоков. Ровная суша изобиловала мелкими водоемами, то и дело высыхавшими или почти высыхавшими, а затем снова растекавшимися. Это значит, что условия для синтеза мономеров и для их полимеризации (как мы видели в п. 3, противоположные) чередовались. Но главное видится даже не в этом, а в повсеместном контакте трех фаз - твердой, жидкой и газовой.

Это чрезвычайно удобное соединение трех фаз, сохранявшееся многие миллионы лет, называют эквилибросферой (слоем равновесия). Напомню, что первый ученый, рассуждавший о естественном происхождении жизни - Томас Бернет в XVII веке, - говорил именно о границе трех фаз (см. п. 1- 13). "Бульон" появился лишь в построениях ХХ века, где, надеюсь, и останется. (Впрочем, и в "бульоне" Опарин видел границу фаз - это оболочки коацерватов.) На мой взгляд, введение понятия эквилибросферы проясняет многие вопросы абиогенеза.

Например, Аллен и Нельсон (с. 59) пишут: "Формирование сравнительно устойчивой эквилибросферы (твердые вещества - жидкости - газы) происходит в первые несколько сотен миллионов лет ее существования. До этого планета находится в состоянии постоянных изменений". Замечу, что развитие планеты вовсе не обязательно приводит к эквилибросфере: так, на Марсе нет (теперь) открытой воды, а на Юпитере нет суши. На Земле же эквилибросфера возникла быстро и никогда с тех пор не исчезала.

Приходится признать, что и в этом Земле то ли повезло (опять антропный принцип), то ли удалось самой, в силу тогдашних естественных причин, прийти в нужное состояние (принцип Геи). Как кому, а мне более научным видится второй принцип. Но если принять его, вновь встает вопрос: что же считать организмом - биосферу или всю планету? Вернее всего - и то, и другое, в зависимости от решаемой задачи. Наша главная задача (в Учебнике не затронутая) - показать, что абиогенез был не скоплением счастливых случайностей, а термодинамически оправданным.

6. Новая термодинамика: планета делает на себе жизнь

О новой термодинамике мы уже не раз говорили, и я только повторю, что она, в отличие от прежней термодинамики (вернее - термостатики), утверждает неизбежность образования структур и их усложнения в любой системе, где налицо очень неравновесный поток вещества и энергии. Названные структуры являются диссипативными, т.е. существующими только в потоке, где идет диссипация (рассеяние) веществ и энергии. Диссипативной структурой (ДС) является и вся биосфера, и любой организм - вот почему неотъемлемой частью жизни является обмен веществ: организм создает и поддерживает свою структуру, непрерывно разрушая нечто внешнее и выбрасывая обломки вовне. Так требует термодинамика.

Для Земли как целого условие образования ДС с избытком выполнено, и с этой точки зрения неудивительно, что на ней возникли различные сложные структуры - континенты, круговороты и, наконец, биосфера. Тем самым, абиогенез термодинамически возможен, но как он на деле шел?

Горовицу, кроме "ретроградной концепции", принадлежит еще замечательная реплика, брошенная на том же Московском симпозиуме, где зародилась БКА: "Я считаю самовоспроизведение и обмен веществ важными, но недостаточными критериями наличия жизни; система должна быть наделена импульсом к развитию... В определение минимальных свойств первичной жизни, или эобионта, мы должны включить способность к развитию в бесчисленные формы" (Возникновение жизни на Земле. М., 1959, с. 109). Горовиц, в духе эпохи, приравнял этот загадочный импульс прозаической "способности к случайным изменениям", но позже стало ясно, что приравнивать их не следует. Скорее тут к месту "жизненный порыв" Бергсона.

Новая термодинамика показала, что случайные изменения и конкуренцию не надо обожествлять - они не могут дать ничего, если нет условий для образования новой структуры, а эти условия возникают только в сильно неравновесном потоке веществ и энергии, о чем ни Дарвин, ни Опарин не подозревали. Случайные изменения важны в моменты неустойчивого равновесия, в эти моменты от них зависит, чтобы всякий возможный путь был рано или поздно опробован, но набор возможных путей зависит не от них, а от потоков и от тех объектов, через которые эти потоки текут. Вот почему мы так подробно остановились на БКА: в ее рамках "первичный бульон" (где надежда лишь на случайности) уступил место первичным потокам из недр, где усложнение идет неизбежно.

С точки зрения термодинамики жизнь - гигантская ДС, состоящая из множества ДС помельче, а те состоят из еще меньших ДС и т.д., т.е. жизнь в этом смысле устроена фрактально (о фракталах см. часть 6). Сама Земля тоже возникла как ДС - за счет рассеяния в пространстве огромного количества космического вещества и энергии. В настоящее время Земля в целом превратилась из ДС в статическую структуру, но в ней продолжают течь потоки, обеспечивающие ее магнитное поле, движения земной коры и выход веществ из недр (вулканы, источники вод и т.п.). Эти потоки обеспечивают существование иерархии различных ДС, наиболее заметны из которых две - подвижная кора и биосфера. Земля полностью обеспечивает биосферу потоками веществ, тогда как потоки энергии обеспечивают Земля, Солнце и, в меньшей мере, излучения космоса.

Концепция жизни как иерархии ДС взята мною из более общей теории "самоорганизующейся Вселенной" Эриха Янча, системолога и натурфилософа, переехавшего в США из Австрии (Jantsch E. The self-organizing universe. Oxford - N.Y., 1980). Янч во многом определил мировоззрение широко известной школы Пригожина (о ней шла речь в части 5), где, к сожалению, редко его упоминают. Подробнее о взглядах Янча можно прочесть в книге: Чайковский Ю.В. Элементы эволюционной диатропики. М., 1990.

С изложенной точки зрения, жизнь порождена Землей (точнее, ее потоками), и в этом смысле Землю можно признать живой. Более того, биосфера жива лишь постольку, поскольку жива Земля - в п. 3 мы подошли уже к данному выводу с позиций геологии. Теперь пора сказать, что жизнь могла родиться только тогда, когда Земля находилась в соответствующем возрасте, так что заглавие книги Лавлока ("Возрасты Геи") оправданно.

Прежде всего, у молодой Земли была совсем иная атмосфера, почти или вовсе без кислорода. Это ясно из того, что осадочные породы, погребенные в то время, содержат неокисленное железо. В подземных водах его много и сейчас, но оно сразу же окисляется на воздухе: многие из читателей сами видали, как льющаяся из скважины прозрачная вода быстро мутнеет - это растворимые соли двухвалентного железа окисляются воздухом в плохорастворимые соли трехвалентного.

Но если кислорода в атмосфере не было, то почему древнейший след жизни оказался окисленной породой (бурым железняком), как мы видели в п. 4? Ответ ученых прост: первый биоценоз был тесно сомкнутым, похожим на нынешний лишайник, где тесно сомкнуты гриб и водоросль, и окислитель (кислород) в атмосферу не выходил.

Чтобы закончить с термодинамикой, заметим, что с ее позиции абиогенез выгоден для планеты: если термодинамически выгодно образование различных ДС, а не их разрушение, то особенно выгодно накрыть их все вместе единой оболочкой, замедляющей общее разрушение. Такую оболочку и создают совместно биосфера и созданная ею атмосфера.

7. Жизнь родилась в скороварке?

Как уже говорилось, в ранние времена Земля не имела суши в нынешнем смысле, и если не считать вертикальных скал, то вместо суши мы увидали бы тогда сплошную эквилибросферу: во-первых, то и дело высыхающие и вновь заливаемые отмели (см. п. 4), а во-вторых, бьющие повсюду из земли горячие источники, поставляющие на эти отмели материал.

Первые, еще почти неспособные жить структуры (эобионты) следует искать в щадящих условиях, но что считать щадящим? Вспомним, что в эпоху абиогенеза океан был кислым (а не соленым) кипятком, с неба лился губительный поток ультрафиолета, вместо привычного нам воздуха дули ветрами негодные для нас метан и аммиак - и мы поймем, что для первых организмов комфортные для нас условия были бы гибельны.

Добавим, что для образования ДС нужны устойчивые потоки подходящих веществ, и окажется, что лучшей колыбели жизни, чем горячие источники, даже искать нечего. О них как о поставщиках нужных веществ говорили давно, но лишь четверть века назад ученые стали искать жизнь прямо в них. И нашли нечто изумительное.

Горячие источники бывают трех типов - вулканы, горячие источники вод на суше и гидротермали на дне океанов. Вулканы интересны нам только как поставщики веществ (газов и пепла), зато два других типа демонстрируют свою особую жизнь - бактериальные сообщества, неспособные жить при "наших" температурах. Обнаружив их, ученые поначалу описали их как особое приспособление к жару, но понемногу выяснилось, что именно эти бактерии старше всех. Большинство их (но не все) относится к обширной группе, которую так и называют - архебактерии, т.е. древние бактерии. Получается, что мы-то как раз и приспособились к холоду.

Гидротермаль - это выброс горячих газов, растворов и взвесей из разломов океанического дна, чаще всего - в срединноокеанических хребтах, в зонах спрединга (п. 2). Температура выбросов превышает сто градусов, иногда намного, но вода в них не кипит, поскольку точка кипения при огромных глубинных давлениях может достигать пятисот градусов. Наиболее эффектны и потому более известны "черные курильщики" - выбросы, в которых преобладает пирит (дисульфид железа), образующий огромные клубы черной взвеси. Вокруг выброса формируется труба твердых осадков высотою до 20 метров, рядом часто располагается "белый курильщик" из светлых взвесей, не образующих труб, так что "черный курильщик" выглядит в свете прожектора как сказочный подводный завод. Живет он всего 50-100 лет, пока активен выброс, и всё это время окружен биоценозом совершенно необычных организмов.

Доподлинно известны бактерии, живущие в устьях гидротермалей и имеющих оптимум роста при 110 градусах - как в скороварке. Они восстанавливают углекислый газ и серу, окисляя водород и выделяя наружу метан и сероводород, чем обеспечивают включение основных химических элементов в биологические круговороты. При этом "у нас нет никаких оснований предполагать, что бактериальные обитатели реликтовых сообществ сколько-нибудь серьезно изменились со времени своего возникновения" ( 1Сергеев В.Н, Холл Э.Х., Заварзин Г.А. 0 Первые три миллиарда лет жизни: от прокариот к эвкариотам (*). // Природа, 1996, N6, с. 55, 57).

(*) Эвкариоты

- организмы, состоящие из клеток, имеющих ядро. Это написание, постоянно применяемое данным журналом и многими авторами, соответствует греческой фонетике. Дифтонг (двойной гласный звук) eu - в греческом и в латыни читался как эв (эвглена, эвкалипт, эврика, эвтрофия и т.д.) или как ев (Евангелие, Евгений, Европа, евнух и т.д.). Систематики, знающие греческий источник термина, пишут слово "Eucaryota" по-русски так: эвкариоты или евкариоты. Те же, кто воспринимает это слово как английское, пишут эукариоты; такому написанию нет русских аналогов, оно противоречит русской фонетике, и его вряд ли можно признать грамотным. Греческая приставка pro- означает "до-", а eu- носит характер усиления; тем самым, procaryota буквально - "доядерные", а eucaryota - "собственно ядерные" или "подлинно ядерные".

Последнее утверждение надо уточнить: речь идет о сохранении древних экологических и физиологических функций микробов, тогда как о конкретных биохимических реакциях ископаемых мы не знаем решительно ничего. Наоборот, представляется невероятным, что первые живые организмы были столь же биохимически сложны и совершенны, как нынешние.

Среди гидротермальных сообществ есть такие, которые не получают нужных им веществ ниоткуда, кроме как из недр; по-видимому, они являют собой биоценозы, способные жить без остальной биосферы. Так и хочется сказать, что каждый такой ценоз - маленькая биосфера, но это было бы ошибкой: он не замкнут, не утилизирует своих отходов, а выбрасывает их вовне. Это очень важно: и понять его возникновение проще, и роль его в дальнейшей эволюции очевидна - создание базы для остальной, более сложной и разнообразной жизни, для биосферы.

Как это происходило, тоже можно понять, глядя на гидротермаль, точнее - на ее окрестности. Глубины океана являют собой пустыню, в которой гидротермали служат оазисами. Литотрофные бактерии играют роль первичных продуцентов, т.е. вводят в биологический круговорот вещества, прежде принадлежавшие неорганической природе, и служат пищей огромной массе организмов (иногда до 50 кг сырого веса на кв. метр дна), среди которых не только планктон, но и крупные беспозвоночные, например, моллюски, включая даже головоногих.

Самое для нашей темы интересное в том, что в такой экосистеме поедание крупными организмами мелких играет подчиненную роль: вместо этого крупные животные предпочитают разводить внутри себя бактерий, служащих им пищей. Некоторые даже не имеют никакой пищеварительной системы. Таковы рифтии (относящиеся к типу погонофор) - огромные, до полутора метров, туловищем внешне похожие на кольчатых червей, но с яркокрасным султаном щупалец (рис. 4).

Вместо органов пищеварения рифтия имеет трофосому - полость наполненную автотрофными (т.е. усваивающими углекислый газ) бактериями, которые играют здесь роль растений, т.е. вторичных продуцентов, с той разницей, что вместо света источником энергии им служит, вероятно, сероводород, произведенный в устье гидротермали литотрофами. (Вторичные продуценты возвращают в биологический круговорот тот углерод, который выпал из него, когда организмы-деструкторы, т.е. редуценты, а также животные, разрушая органику, испустили его в форме углекислого газа.)

Опять полная противоположность обычной жизни: мы считаем тесный симбиоз (как в лишайнике) чем-то удивительным, тогда как в начале жизни он был нормой, притом неизбежной. Лишь тогда, когда жизнь широко распространилась и наполнила органикой поверхностные слои океана, она смогла позволить себе такую роскошь, как животных, самостоятельно ищущих свою пищу. До этого искать было нечего, и каждое животное, словно космонавт на чужой планете, носило свою среду обитания с собой.

Подробно и увлекательно рассказал о гидротермальной жизни французский зоолог Люсьен Лобье (Laubier), один из первых ее исследователей (Лобье Л. Оазисы на дне океана. Л., 1990).

Внимательный читатель может удивиться: сперва говорилось, что абиогенез шел в высыхающих лужах, а теперь вот - на дне океана. Но противоречия тут нет - "условия скороварки" вполне уживались тогда с границей фаз (эквилибросферой): атмосфера из углекислого газа обеспечивала давление во много раз выше нынешнего (как сейчас на Венере), а гребни срединноокеанических хребтов торчали из еще неглубокого тогда горячего океана, полного отмелей, плавно переходивших в сушу. Органические вещества легко засасывались в наземные термальные источники (рис. 5) или, смытые в океан, - в гидротермали (рис. 6).

Другой пример раннего ценоза в эквилибросфере связан с окислением железа. Сперва этот процесс шел чисто химически, а затем - за счет железобактерий, которыми, по-видимому, и созданы основные месторождения железных руд. В этом смысле интересно самое древнее свидетельство жизни - упомянутая выше осадочная порода на юго-западе Гренландии (3,8 млрд лет) является слоистым бурым железняком. Его слоистый характер часто толкуют как свидетельство периодической активности окисления - так же, как периодическая активность фотосинтеза у деревьев приводит к образованию годичных колец. Возможно, это окисление производилось еще до разделения древнейшего биоценоза на отдельные бактерии. Как он мог быть устроен, ученые уже знают, и вот откуда.

Множество следов древнейшей жизни сохранилось в форме строматолитов - холмов, выраставших на дне прежних мелких водоемов с переменной соленостью. Строматолит (что по-гречески значит "ковровый камень") являет собой окаменевший циано-бактериальный мат - тонкослоистую структуру, образованную биоценозом прокариот. Живой мат являет собой многослойный (до 2 см) "ковер" из живых прокариот. Он покрывает слои, созданные продуктами деятельности уже отмерших поколений прокариот и неорганическими осадками. В нем роль растений играют цианеи - они занимают верхние милиметры "ковра" (куда попадают свет и кислород), а остальные организмы (бактерии) живут за их счет. Такие маты и теперь образуются при жарком климате в очень соленых лагунах - например, казахстанского озера Балхаш.

Мат интересен нам тем, что, в отличие от гидротермали, являет собой как бы маленькую биосферу со своими замкнутыми круговоротами органических веществ и кислорода, где большинство обитателей живут без кислорода и без света. Такой "оазис" мог, в принципе, существовать в безжизненной среде и потому дает понять, как могло выглядеть сообщество первых организмов - так полагает Заварзин. Добавлю: так мог внешне выглядеть и первый организм-биоценоз, еще не разделенный на особи.

Это - метаболический аспект проблемы абиогенеза, а ведь все найденные достижения надо было еще научиться наследовать.

8. Рибозим, или появление наследственности

Согласно Учебнику (с. 67), "главными направлениями эволюции, приведшей к возникновению биологических систем, следует считать... возникновение каталитической активности белков, появление генетического кода и способов преобразования энергии". Но если первому и третьему направлениям там посвящены разделы, то о появлении наследственности есть лишь одна фраза: "По-видимому, в это же время происходило становление генетического кода" (с. 69). А ведь именно здесь в последние 30 лет достигнуты самые впечатляющие результаты.

Долгое время считалось, что суть проблемы в том, как смогли начать работать две системы - ДНК, синтезируемая белками, и белки, кодируемые текстом ДНК. Одновременное их появление (пусть в самом зачаточном виде) выглядит абсолютно невероятным, а появление порознь - бессмысленным. Проблему сравнивали с древней загадкой ("Что появилось раньше - курица или яйцо?") и, как правило, считали безнадежной. Однако, как обычно с "вечными" проблемами, она оказалась попросту неверно поставленной: судя по всему, первичная наследственность не была ни ДНК-овой, ни белковой.

Копирование ДНК - самая сложная из всех форм копирования: двойную спираль надо сначала расплести, затем сделать копию с каждой половинки (направления считывания на двух цепях ДНК противоположны) и снова закрутить - теперь уже две двуспиральные системы. Притом на самой ДНК ни один белок синтезироваться не может: с нее надо снять копию в виде матричной РНК (мРНК), по которой будет, с помощью совокупности транспортных РНК (тРНК), синтезироваться белок. И на каждой стадии - свои ферменты. Зато молекулу РНК может копировать один-единственный фермент - РНК-полимераза. Не с РНК ли и началась наследственность?

Вопрос не раз ставился (например, Берналом - см. п. 4), но был праздным, пока считалось, что катализировать биохимические реакции могут только белки. И вот в 1981 г. было установлено, что РНК может проявлять ферментативную активность. Была высказана догадка, что в первичных организмах РНК несла как наследственную, так и каталитическую функции, а в 1985 г. появился даже термин "РНК-овый мир". Однако рибозимы (так назвали РНК, работающие ферментами) оказались несравненно менее разнообразны, чем белки, что и естественно - ведь белки формируются из двадцати видов кодируемых аминокислот, притом весьма различных по свойствам, тогда как РНК - всего из четырех видов нуклеотидов. Притом всего двух типов: два нуклеотида имеют основаниями пурины (аденин и гуанин), а два - пиримидины (цитозин и урацил), как показано на рис. 7. Напомню, что нуклеотидом называется нуклеотидное основание плюс соединенное с ним звено сахаро-фосфатной цепи.

Долго не удавалось главного - найти рибозим с РНК-полимеразной активностью, и до сих пор (насколько я знаю) настоящей РНК-полимеразы, способной копировать любую РНК, среди рибозимов не найдено.

Казалось, преодолеть низкое разнообразие нуклеотидов невозможно, и с идеей РНК-ового мира надо расстаться, но в 1995 г. американские биохимики Майкл Робертсон и Стенли Миллер нашли к этому разнообразию ключ. А именно, они напомнили, что в условиях преджизни могут синтезироваться не только четыре указанных нуклеотидных основания, но и так называемые минорные (модифицированные) основания, среди которых наиболее интересен 5-оксиметилурацил. Его нетрудно получить, соединяя урацил с формальдегидом, сам же 5-оксиметилурацил дает при ста градусах (вот она, гидротермаль!) целый спектр минорных оснований (рис. 8). Замечательны они тем, что каждое служит стереохимическим аналогом какой-то аминокислоты (Robertson M.P., Miller S.L.Prebiotic synthesis of 5-substituted uracils: a bridge between the RNA world and the DNA-protein world. // Science, vol. 268, 5 May 1995).

С позиции диатропики (так называется наука о разнообразии, о ней шла речь в части 6) это открытие понятно и закономерно: коротко говоря, биохимики начали заполнение рефренной таблицы "Химические свойства органических катализаторов", в которой между строками "аминокислоты" и "нуклеотиды" обнаружили параллелизм. В нынешней жизни каталитическая функция почти целиком отошла от РНК к белкам.

Согласно концепции "РНК-ового мира" механизм синтеза белка возник при абиогенезе следующим образом: сперва рибозимы, гораздо более разнообразные, чем ныне, эволюционировали сами по себе, встраиваясь в геохимические круговороты наравне с протеиноидами, тоже состоявшими из очень большого числа типов аминокислот. Те рибозимы, которые катализировали собственный синтез, послужили предками генетического аппарата, а те, что катализировали синтез протеиноидов - предками аппарата синтеза белка. Каким образом эти два класса начали взаимодействовать, пока неясно, но и тут налицо параллелизм: как у класса нуклеотидных оснований (сколько их - неизвестно, но, вероятно, более 30 вариантов), так и у класса аминокислот (их известно около 180) есть небольшое ядро типичных форм (4 типичных нуклеотида; 20 типичных, т.е. кодируемых, аминокислот), нашедших соответствие в генетическом коде.

Вероятно аппарат наследственности впервые образовался в форме одноцепочечной РНК - как у некоторых нынешних вирусов. Вирус - не организм, он не имеет своего метаболизма и не умеет размножаться, а первый организм должен был иметь и уметь. Жизнь явно началась не с вируса (хотя прежде такую возможность и рассматривали), но он полезен нам тем, что показывает, насколько различно может быть устроен механизм наследственности. Вирус отличается от примитивнейшего организма столь же, сколь дискета - от примитивнейшей вычислительной машины, но именно вирусы демонстрируют разнообразие "дискет" жизни, т.е. способов записи наследственной информации. Только в вирусах она может храниться в четырех формах - в РНК или ДНК, в одноцепочечной или двуспиральной.

В одноцепочечной РНК информация может прямо использоваться, поэтому естественно счесть, что она была исторически первой, но она - самая ненадежная: ее легко рушит любой работающий с нею фермент, а всякое повреждение необратимо (ведь пары для сравнения нет). Однако оказалось, что комплементарность оснований позволяет РНК существовать в двухспиральной форме (достоинства ее, думаю, обсуждать излишне), негодной для непосредственного считывания, зато "несъедобной".

В такой форме жизнь могла бы существовать, и встает вопрос, почему мы ее не наблюдаем: все организмы пользуются двуспиральной ДНК и одноцепочечной РНК. Замечательных свойств у двуспиральной ДНК много (она, например, хорошо вписывается в кристаллическую структуру воды), но сейчас нам важно понять ее место в процессе абиогенеза.

Как мы помним, эобионты, согласно БКА, появились из субвитальных зон. Этому должно было предшествовать появление хотя бы самой примитивной наследственности, иначе эобионты были бы бесперспективны.

Следовательно, наследственность родилась в субвитальной зоне, и ее многочисленные РНК были вовлечены в круговороты, а стало быть, неминуемо подвергались уничтожению; наряду с массовой, подлежала уничтожению уникальная РНК, кодировавшая едва найденные "изобретения". Отличить нужное от ненужного было некому, зато могла сама собой сложиться следующая система запоминания всего подряд в немногих экземплярах.

Изъятие одного атома кислорода из каждого звена сахаро-фосфатной цепочки (превращающее рибозу в дезоксирибозу) позволяет двойной спирали скручиваться более компактно - спираль ДНК может иметь как обычную, аналогичную спирали РНК, форму (А-форму), так и "сверхскрученную" В-форму, недоступную ферментам, работающим с РНК. Возможно, что именно это различие послужило к разделению функций: РНК - для работы с информацией и ее неограниченного копирования, ДНК - для ее хранения. Читать ДНК могла более сложная, а потому более поздняя и более медленная система. Из нее, вероятно, позже появилась система наследственной передачи, позволившая возникнуть эобионту. Конкретнее сказать пока нечего.

9. Самосборка и сродство

Все вышесказанное подразумевало, что достаточно мономерам составиться в цепочку, как они смогут функционировать. Так ли это? Оказалось, что во многом так - многие полимеры сами собой принимают годную для работы форму. Это - один из простых вариантов важнейшего жизненного принципа - принципа самосборки. Углубляться в проблему здесь нет возможности, так что я ограничусь двумя новейшими ссылками, а желающий пусть сам обращается к указанным работам.

Первая статья признаёт, что "понимание сворачивания белков - важный ключ к проблеме предбиологической эволюции", и заявляет, что "в процессе биологической и/или предбиологической эволюции первичные структуры белков прошли стадию конструирования". Эта стадия являла собой жесткий химический отбор (т.е. отбор молекул, а не клеток), и ее моделировали на компьютере, где последовательно сравнивали белки, различающиеся одной аминокислотой. Получали полипептиды "с хорошо оптимизированной (т.е. низкой) энергией основного состояния" (Гросберг А.Ю. Неупорядоченные полимеры. // Успехи физических наук, 1997, N 2). Поясню: если энергия состояния низка, то цепочка свертывается в него сама собой - лишь бы полимер имел нужную последовательность мономеров.

Вторая статья демонстрирует, как белок сам находит нужное состояние: оказывается, поиск белком нужного состояния идет быстро, поскольку уже свернувшаяся часть цепи никогда в ходе дальнейшего поиска не разворачивается Финкельштейн А.В., Бадретдинов А.Я. 0 ... // Молекулярная биология, 1997, N 3). Поясню: удивительно то, что таким путем нужное (работоспособное) состояние вообще может быть найдено. Это, по сути, так же удивительно, как соответствие белков нуклеиновым кислотам, и наводит на мысль, что тут действует какой-то общий закон.

Вот его ранняя формулировка: "мы полагаем, что жизнь с самого начала, возможно, еще со стадии простых мономерных органических соединений, развивалась как своеобразный, все усложняющийся "симбиоз" - органических кислот и азотистых оснований, нуклеиновых кислот и белков, разных нуклеопротеидных комплексов друг с другом" (Гусев М.В., Гохлернер Г.Б. Свободный кислород и эволюция клетки. М., 1980, с. 26).

Слово "симбиоз" тут не к месту: молекулы не живут, а потому вступают не в симбиоз, а в физическое или химическое взаимодействие. Однако отмеченное сходство процессов действительно имеет место - самые, казалось бы, несходные объекты склонны соединяться друг с другом, образуя нечто новое; но о симбиозе принято говорить только тогда, когда объекты - организмы. Эту тягу разнородных объектов друг к другу для образования качественно нового целого отмечали многие, и я напомню лишь тех, о ком мы говорили ранее: в части 1 это были Гесиод и Эмпедокл с их принципом любви и Мопертюи с его принципом сродства, заимствованным из химии; а в части 3 - Кропоткин с его принципом взаимопомощи. В ХХ в. этому принципу давали и другие названия (например, социабильность), но я предпочту самый нейтральный - сродство (англ. affinity), понимая под ним все возможные формы стремления частей к целому.

Мопертюи заимствовал это понятие из тогдашней химии, где этот термин (его ввел в XVII веке Роберт Бойль) обозначал всякую способность веществ к реакции друг с другом. "Лишь с того времени, как ввели сродство в качестве причин всех соединений, стало возможным рассматривать химию как науку, имеющую общие принципы" - писал двести лет назад Клод-Луи Бертоле. По мере прогресса химии сродство конкретизировалось, детализировалось и, наконец, оказалось почти ненужно химикам - теперь они говорят о валентности, межатомных силах и многом другом. Но в биологии путь, намеченный Мопертюи, едва начат (подробнее см. гл. 9 моей книги), и пройти его, по-моему, необходимо. (Кстати, сродством в его нынешнем понимании воспользовались в своих теориях Руденко и Эйген.) А затем пусть "сродство" растворится в будущем научном языке биологии.

Феномен сродства буквально пронизывает природу на всех уровнях. Элементарные частицы соединяются как в другие элементарные частицы, так и в атомы; атомы - как в кристаллы, так и в молекулы; молекулы - как в кристаллы, так и в более сложные комплексы и так далее, до организмов. Чем сложнее системы, тем богаче в них и между ними разнообразие форм сродства, причем формы проявляют параллелизм: на многих, если не на всех, уровнях можно наблюдать один и тот же эффект - пара объектов в одной ситуации стремится избавиться друг от друга, а в другой - соединяется в рамках устойчивой системы.

Так, свободные протоны друг от друга отталкиваются, но в ядре они сосуществуют устойчиво. Два самца могут как затеять драку, так и войти в устойчивую стаю. И обратно: самец и самка, влекомые друг к другу, словно протон и электрон, нередко неспособны жить вместе - см. примеры "жестокой любви" в п. 6-13. Притяжение и отталкивание (любовь и вражда, взаимопомощь и конкуренция) столь причудливо переплетены в природе, что можно, в зависимости от вкуса, строить самые разные теории одних и тех же явлений. Так, дарвинизм строится на идее вражды (конкуренции), а все явления любви (взаимопомощи) трактует как результат прежней вражды, приверженцы же Кропоткина склонны, наоборот, сводить роль конкуренции к нулю. Однако суть теории определяется не тем, как ее сторонники понимают то или иное слово, но ее логикой (или, если угодно, сродством понятий). Так, в логике дарвинизма понятие сродства отсутствует, а в логике БКА оно является центральным.

Действительно, абиогенез предстает как процедура встраивания органических систем в неорганические потоки, где первые явно проявляли сродство ко вторым; сам акт рождения организмов из первичного ценоза был усилением сродства - теснее сопряженные части ценоза становились одним организмом. Симбиоз - тоже тип сродства, он выступает как первичное явление, ослабевающее в ходе эволюции настолько, что при изучении высших организмов он воспринимается как особое приспособление.

Откуда сродство берется? Одним из главных путей его реализации служит формирование ДС, и для наблюдателя оно часто выступает как самосборка. Так, ДС, образующаяся в водовороте (воронка), способна затягивать в себя плавающие вокруг нее предметы, и тем самым предметы оказываются рядом, т.е. проявляют сродство, которым до этого не обладали. Если из меньших ДС образуется большая ДС, то надо говорить о новых формах сродства и новом типе самосборки. Этим удается объяснить рассмотренную в п. 6 модель эволюции от атомов до эобионта.

Однако никто не знает, как из эобионта (или эобионтов) могли произойти первые клетки - предки бактерий. Нет даже связных гипотез, и для людей верующих тут - основа уверенности в богодухновенности всякой жизни. Атеисты, наоборот, радуются сокращению области незнания. Так, дальневосточный геолог В.Н. Компаниченко, посвятивший небольшую книжку гидротермалям как источникам жизни, не скрывает наличия этого огромного пробела в наших знаниях, но видит основу для оптимизма в том, что область нашего незнания за сто лет внушительно сократилась, притом как снизу, так и сверху - мы теперь, с одной стороны, знаем, что все органические компоненты так или иначе могли быть синтезированы вне жизни и что в микрокаплях возможна самоорганизация, а с другой - знаем места, где могли формироваться (и включаться в будущую биосферу) первые биоценозы. Эти биоценозы до сих пор функционируют именно так, как могли, судя по геологическим данным, функционировать первые очаги жизни.

Гипотеза, которую высказал Компаниченко, состоит в утверждении геологически мгновенного ("революционного") становления первых живых систем - гипотеза, которую он противопоставляет эволюционной гипотезе Опарина. Противопоставление основано на том, что никакая целостность не складывается постепенно - тут автор опирается на теорию ДС (Компаниченко В.Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996).

Он признает, вслед за Заварзиным, что архебактерии могли быть унаследованы от самых древних геотермалей. Но, хотя архебактерии до сих пор обитают (и даже составляют большинство) в гидротермалях и прочих местах, где имеются сходные с первичной Землей условия - предельно высокие температура, кислотность или соленость, однако биохимически они - вполне современные организмы, и как они сформировались, непонятно. Получить самосборкой живое из неживого не удается.

10. Энергия жизни и ее лучи

По-моему, все упирается в ту самую трудность, что прозвучала 90 лет назад у Бергсона (п. 6-2) и едва намечена 40 лет назад в реплике Горовица (п. 6): живое должно обладать "жизненным порывом" или "импульсом к развитию", и как это выразить в терминах естествознания, никто не знает. Долгое время эволюционисты пытались эту трудность не замечать, а немногих замечавших упрекать в ненаучности, но теперь, когда ее контуры обозначены довольно четко (в основном, работами по абиогенезу, где биологию пытаются вывести из физики и химии), дальше так продолжаться не может. Сторонников "жизненного порыва" принято называть виталистами (от лат. vitalis - жизненный), и нам пора узнать хоть немного о нынешних виталистах.

В п. 11 части 6, когда шла речь о лазерном (синхронном) излучении ничтожной мощности, без которого не существует клетка, мы уже упоминали статью В.Л. Воейкова "Витализм и биология". В этой статье говорится, что виталистами обычно называют тех, кто отказывается ставить вопрос "Что такое жизнь?" как заведомо не имеющий ответа. Феномен жизни для них - нечто данное, что надо исследовать, но не надо пытаться определить, поскольку всякое определение - это попытка объяснить феномен через какие-то иные, в некотором смысле более понятные термины, а для жизни таких терминов не может быть. Сам Воейков, будучи виталистом, тем не менее дает, пусть не определение жизни, но перечень ее основных свойств, отличающих ее от всего неживого.

Такие перечни давались прежде не раз, но не приживались в науке из-за своей бесполезности - всегда можно указать неживое, обладающее какими-то свойствами из перечня; если же потребовать выполнение перечня целиком, то в него не попадут какие-то живые (согласно нашей интуиции) объекты. Так, кристалл может расти, капля может (как мы видели в п. 3) расти и размножаться, многие технические устройства демонстрируют память, наследственность и целесообразное поведение. Трутень, наоборот, явно живой, хоть и не размножается. Самым характерным для живого выглядит обмен веществ, но простая воронка воды над выходом из ванны существует за счет обмена вещества - сохраняет себя, несмотря на непрерывную полную смену всей воды, из которой состоит.

Организм часто сравнивают с машиной, но машина не меняет вещество, из которого состоит, а организм непрерывно меняет. Зачем? В п. 6 уже говорилось, что он, как всякая ДС, существует лишь постольку, поскольку диссипирует вещество и энергию. Но диссипирует и воронка - в чем же отличие? Как именно идет чисто жизненная диссипация, нам и объясняет Воейков, продолжающий мысли многих ученых, прежде всего - Эрвина Бауэра, биофизика, приехавшего в СССР из Венгрии и погибшего в сталинском застенке. Бауэр первый заявил (1935 г.), что живое, кроме обычной для любых машин энергии, обладает еще и структурной энергией, которую он связывал (уже тогда!) с возбужденным состоянием молекул.

По Воейкову, в отличие от неживых, "живая система расходует энергию не только на поддержание своего неравновесного состояния, но и на активное извлечение вещества-энергии из внешней среды. Этот активный процесс может протекать только до тех пор, пока некий параметр живой системы... превышает аналогичный параметр среды". Что это за параметр, можно понять, выяснив, на что организм тратит энергию, когда не растет и не проявляет никакой активности.

Воейков пишет, что "молекулярный субстрат живых организмов находится в состоянии, весьма далеком от термодинамического равновесия, вследствие высокой заселенности верхних электронных уровней (*)

В этом случае энергия не диссипируется через тепловой канал, а затрачивается на осуществление биологических функций" (Воейков В.Л. О структурно-энергетической специфичности живого состояния. // Сознание и физическая реальность, 1996, т. 1, N 4). Поясню сказанное.

(*) То есть вследствие возбужденного состояния молекул. Если нерав- новесную структуру мы выше сравнивали с водоворотом, то данный тип неравновесия сходен со сжатой пружиной или с заряженным аккумулятором.

Только возбужденные молекулы, могут, оказывается, вступать в специфически биологические реакции. Благодаря запасу структурной энергии молекулы (а с тем и организмы) как раз и могут совершать то, что удивляет нас с точки зрения физики и химии - реагировать на сигналы, т.е. совершать крупные перемены под действием малых воздействий. Такова, например, реакция на запах: одна-две молекулы могут заставить животное (и крупное, и одноклеточное) полностью изменить поведение.

Структурная энергия - тот параметр, который делает вещество живым. Но возбужденная молекула, как известно из физики, быстро и самопроизвольно переходит в исходное, невозбужденное состояние (на нижний электронный уровень), излучая при этом квант энергии. Излучение живого действительно имеет место, и для поддержания вещества в живом состоянии нужно непрерывно синтезировать новые (возбужденные) молекулы, а прежние расщеплять и удалять. Вот зачем нужен непрерывный метаболизм: фермент чаще всего изготовляет молекулу в возбужденном состоянии - таков механизм преодоления энергетического барьера химической реакции.

Итак, организм использует не только молекулы-аккумуляторы (такие, как АТФ), но и молекулярные одноразовые элементы питания ("батарейки") - их надо не подзаряжать, а менять на свежие. Это невыгодно в том плане, что надо, кроме энергии, непрерывно расходовать вещество, но такова жизнь, иной мы не знаем. Излучение живого вещества крайне слабо, и Воейков объясняет, почему: это достигается "лазерной" конструкцией - множество молекул совместно излучает общий квант. Квант излучается высокоэнергетичный (ультрафиолетовый), зато редко. Воейков видит специфику живого в этой кооперации (она, добавлю, - частный вид сродства).

Мы еще недостаточно понимаем, в чем специфика живого состояния вещества (ведь возбужденные состояния известны и в обычной химии), но уже ясно, что на этом пути удастся увязать многое из того, что до сих пор выглядело странным и даже нелепым. Ограничусь двумя примерами (их указывает Воейков). Во-первых, почему клетка излучает ультрафиолет, будто она раскалена, как поверхность Солнца? (Ведь при температурах жидкой воды обычно инфракрасное излучение.) Потому, что ее молекулярные ансамбли колоссально далеки от равновесия. Потому-то они, кстати, и вступают в казалось бы химически невозможные реакции - например, в те, что у Фокса (п. 2) требовали искры или автоклава. Во-вторых, становится понятно, почему малые дозы излучений стимулируют, а большие - подавляют жизненные процессы: первые возбуждают молекулы (если, конечно, те находятся в "лазерных" ансамблях), а вторые их разрушают.

Можно уверенно сказать, что "жизненный порыв" на молекулярном уровне получил, наконец, первое описание - в форме структурной энергии, создающей самые малые ДС организма (постоянно заменяемые "батарейки"). Можно сказать и иначе: структурная энергия обеспечила появление в природе новой, биологической, формы сродства. Видимо, именно им объясняется способность молекул к "симбиозу".

Сказанное приводит к выводу, что момент перехода неживого в живое (так сказать, химии в биохимию) состоит, кроме всего, о чем говорилось у Бернала (п. 4), в появлении нового пути синтеза нужных молекул - того пути, на котором они получаются нужным образом возбужденными и организованными в молекулярные ансамбли. Эти ансамбли обнаруживают себя тем, что излучают синхнонно, как лазер, и очень важно, что их можно наблюдать в неживой системе, в растворе аминокислот.

Воейков приводит данные своих опытов: растворы аминокислот проявляют свойства ансамблей - вместе вступают в реакции полимеризации, синхронно излучают. Тем, кто решит разобраться в этом детально, Воейков в упомянутой статье предлагает обратиться к его экспериментальным работам (Биофизика, 1995, N 6; Биоорганическая химия, 1996, N 1).

Раствор выглядит живым, но с важным ограничениями: образующийся полимер неустойчив и вне активного раствора быстро распадается, а реакция полимеризации сама собой затухает через несколько часов. Живая система, наоборот, умеет сама себя сохранять. Можно сказать, что в растворе аминокислот возникает не сама жизнь, но некое "поле жизни" полимера, в пределах которого идет полимеризация. Так или иначе, еще на шаг сузился круг неведомого, очерченный в книжке Компаниченко. Замечательно, что виталист Воейков, начав с того тезиса, что жизнь - первичное понятие, ни из чего не выводимое, пришел к иному - к модели, позволяющей вывести из неживого разбираемое им свойство жизни.

11. Рождение поля жизни

Может ли на этом пути брешь в схеме абиогенеза быть закрыта целиком? Можно ли увязать глобальные круговороты, самосборку, наследственность, структурную энергию живого и способность к развитию (от субвитальной зоны до биосферы и от эобионта до человека)? Если это не увязывать (как не увязывает традиция, отраженная в Учебнике), то соэдается впечатление цепи удивительных совпадений, откуда прямой путь к антропному принципу, т.е. в познавательный тупик. Если же пытаться все увязать, то нужна связующая идея, и в качестве нее предложена идея жизненнного поля (у разных авторов она именуется по-разному).

О нем мы уже говорили в части 6. Там речь шла о довольно простых вещах - о том, как одни части организма или зародыша могут влиять на другие части. Это похоже на то, как одни тела влияют на другие посредством физических полей (электромагнитного, гравитационного и т.д.), и естественно, что биологи, начиная с Гурвича, пользовались физическим термином "поле". Однако понятие поля полезно и в более сложных явлениях. К примеру, если обычные поля организуют взаимодействие тел в пространстве, то нельзя ли обнаружить поле, создающее взаимодействие тел во времени? То есть - меняющее связь причины со следствием?

Многие натурфилософы (например, Янч, о котором шла речь в п. 6) утверждали, что вписать абиогенез в общую картину мира можно только путем смены самой картины мира, и, по всей видимости, оказались правы. В 1981 г. английский биохимик и натурфилософ Руперт Шелдрейк выпустил книгу "Новая наука о жизни. Гипотеза созидательной причинности" (Sheldrake R. A new science of life. The hypothesis of formative causation. London, 1981), несколько раз переизданную.

"Созидательная причинность" - это совершенно новый принцип связи причин со следствиями. Как физика построена на идее взаимодейстия частиц посредством физических полей, так биология должна выяснить, с какими полями она фактически имеет дело. Шелдрейк напоминает о морфогенетическом поле Гурвича, он уверен, что нечто подобное надо ввести для биологии в целом, и делает это. Как и Лавлок, он считает, что земная природа как целое обладает памятью, так что любое новшество становится как бы общим достоянием. Примеры его таковы.

Первый, химический: если вещество с данной формулой может давать несколько форм кристаллов, то при первых попытках его получения образуется смесь разных форм, но вскоре устанавливается единая форма - даже в лабораториях, осуществляющих кристаллизацию впервые. (Обычное объяснение - распространение зародышей кристаллизации через пыль на бородах и одежде заезжих химиков - не кажется Шелдрейку серьезным.)

Второй, морфологический: развитие зародыша объясняют через последовательную смену морфогенетических полей, которые сами не объяснены. Конечно, про эти поля можно рассказать в терминах физики (излучений, концентраций веществ), но это - не объяснение. (Поясню мысль Шелдрейка своим примером: если кто-то выпрыгнул из окна и разбился, это можно рассказать в терминах механики, но это неинтересно; объяснить это - значит поведать о другом: о причине, побудившей человека расстаться с жизнью.) Шелдрейк объясняет морфогенез как реализацию памяти вида.

Третий, этологический: если животные чему-то научились, то это научение быстро передается необученным - даже при полном отсутсивии контактов. Так, известно, что голубые синицы в 1920-1930-е годы научились открывать молочные бутылки. Они живут три года и мигрируют всего на три мили, однако семилетний перерыв производства (во время войны) бутылочного молока не помешал всей голландской популяции вновь овладеть этим умением всего за год.

Четвертый, социально-психологический: феномен "коллективного бессознательного" (так швейцарский психолог Карл Юнг называл господствующие в обществе неосознанные "архетипы", т.е. образцы мышления) является памятью общества не в переносном, а в прямом смысле. Ярким образцом социального архетипа служит для Шелдрейка дарвинизм. (Действительно, он распространился в европейском сознании почти мгновенно и стал восприниматься почти всеми на уровне бессознательного.) Это - современный миф, существующий по законам мифа; в частности, ДНК играет в дарвинизме ту же роль, что нить жизни в греческом мифе (та нить, которую прядут, распределяют среди людей и обрывают три богини - Парки).

Сам Шелдрейк видит роль ДНК иначе - как нечто вроде набора резонаторов. Он уподобил молекулярного биолога дикарю, залезшему в нутро телевизора - действуя на детали, тот вызывает на экране искажения и полагает, что нашел источник изображения в самом телевизоре, а не в телецентре. На самом деле надо искать внешний источник сигналов.

Как эти сигналы возникают и действуют? Их формирует некое "морфическое" (т.е. формообразующее) поле, которое автор считает неэнергетическим и сопоставляет с миром идей Платона. В советские времена такие слова звучали страшно, но не надо их пугаться - с идеями, существующими независимо от их материальных носителей, мы втречаемся постоянно. Никого ведь не смущает, что теорема Пифагора была справедлива до того, как кто-то стал чертить и измерять треугольники.

Точно так же, разнообразие конечностей позвоночных вполне материально, однако рассмотренный в части 6 рефрен "конечности позвоночных", описывающий это разнообразие, является понятием и, как всякое понятие, нематериален. В то же время нет оснований считать, что он появился вместе с последней из обозначенных в нем групп животных. Вообще, противопоставление идеализма материализму, идущее из античности, многие, в том числе Шелдрейк, считают устаревшим.

Нельзя сказать, что морфическое поле просто выдумано Шелдрейком - нет, оно в каком-то смысле заимствовано из современной физики: среди физиков зреет убеждение, что мир - не столько набор тел, сколько взаимодействие полей (об этом см. книгу Девиса "Суперсила", упомянутую в п. 1). Шелдрейк не одинок, когда пишет (Sheldrake R. Habits of Nature. // One Earth. 1988, N 3, c. 30): "Поля более фундаментальны, чем материя", они - "области влияния в пространстве и времени. Их природа более напоминает модификации в пространстве, чем что-либо, истекающее из материи или творимое ею".

Понять эти слова поначалу трудно, но они проясняются после ознакомления с его понятием "морфического резонанса": как телевизор может принять любую из станций, на которые настроен, за счет резонанса (совпадения несущей частоты станции с собственной частотой входного контура телевизора), так и в природе Шелдрейк видит своеобразную настройку. Например, вещество кристаллизируется так, а не иначе, вовсе не потому, что какое-то "морфическое поле" управляет процессом кристаллизации (этот процесс задается физикой), а потому, что это поле указывает данному образцу вещества один из физически возможных путей, т.е. "настраивает" образец на данный путь. Для Шелдрейка хромосомная ДНК - всего лишь набор резонаторов, выбирающий из возможных путей онтогенеза тот, который соответствует данному виду. В этом случае морфическим полем Шелдрейка будет обычное морфогенетическое поле Гурвича.

Замечательно, что Воейков и его коллеги независимо пришли к тому же пониманию наследственности: для них "клеточные ядра действительно выступают в роли центров клеточных полей. И благодаря исключительнымм свойствам хроматина (ДНК хромосом - Ю.Ч.), они могут устойчиво сохранять колоссальный объем информации, а также обмениваться ею с другими... полями. Если это так, то открывается абсолютно новый подход к объяснению природы наследственности и изменчивости." Благодаря синхронности излучения в организме, "событие, происходящее в какой-либо его части, немедленно становится событием для всего организма" (Знание - сила, 1996, N 4, c. 54-55). Отличие от Шелдрейка лишь в том, что для него (как и для Лавлока) организмом является вся Земля.

Химический пример морфического резонанса вроде бы стоит в биологической концепции Шелдрейка особняком, но на самом деле он (как до него Янч) ищет то общее, что объединяет формирование атомов, молекул, кристаллов, клеток, тканей, органов, организмов и сообществ. Вообще, поиск аналогий живого с неживым очень характерен для Янча и Шелдрейка и сближает их концепции с диатропикой. По-моему, Шелдрейк говорит примерно о том, что Мейен называл рефренной структурой разнообразия (см. часть 6), и морфическое поле - тот инструмент, которым природа производит выбор конкретного варианта развития (рефренной строки). При этом настоящая новизна появляется в эволюции крайне редко - с появлением новой рефренной таблицы (по Мейену) или нового поля (по Шелдрейку).

В абиогенезе таким моментом выглядит появление субвитальных областей (по Берналу), которые так и просятся быть сопоставленными с "областями влияния" Шелдрейка. Мы даже можем сказать, как могло реально выглядеть появившееся тогда первое морфическое поле преджизни: согласно п. 10, в растворе аминокислот появляется некое поле, которое организует синтез полимеров. В этом смысле абиогенез выглядит как распространение принципа созидательной причинности на процессы преобразования структурной энергии (по Бауэру) в реакциях образования полимеров (аминокислотных и нуклеотидных).

Едва упомянув Янча и вовсе не помянув Лавлока, близких ему по духу, Шелдрейк, однако, часто цитирует Девиса, споря с антропным принципом. Шелдрейк уверен, что нет смысла говорить о законах физики, пока нет самих физических объектов, и вместо антропного принципа принимает как аксиому, что законы физики (как и биологии) - итог эволюции природы. Он допускает, что его "морфическое поле" столь же старо и универсально, как физические поля. Тогда выходит, что "созидательная причинность" могла быть ответственной и за единообразие космической эволюции: "Возможна вселенская сеть морфического резонанса среди галактик, звезд и атомов. И если так, то естественно предположить, что есть вселенская сеть резонанса между молекулами, кристаллами и формами жизни" (Sheldrake R. The presence of the past. Morphic resonance and the habits of nature. L., 1994, c. 302). Тогда, добавлю, неудивителен и быстрый абиогенез - если он шел впараллель в разных местах Вселенной.

12. Итог

Итак, новое понимание рождения жизни основано на трех фундаментальных биологических понятиях: биоценоз, биосродство и биополе. Согласно этому пониманию, первые биоценозы возникли до первых организмов и сформировали первую биосферу, поля которой с тех пор и управляют эволюцией организмов; жизнь возникла путем поэтапного, но геологически быстрого замещения неорганических звеньев геохимических цепей на органические (химических форм сродства на биологические). Первые биоценозы использовали потоки веществ и энергии из земных недр и привели к созданию сообществ, которые ныне известны как гидротермальные (а тогда иных температур и давлений просто не было). Эти биоценозы поначалу не составляли единой системы (биосферы), но создавали для будущей биосферы материал - органические вещества и атмосферу. Первые крупные организмы были наполнены мелкими, т.е. являли собой тоже биоценозы (п. 7).

Появление биологических полей связано (если следовать идеям Шелдрейка и Воейкова) с совсем новой физикой. Теперь приходится смотреть по-новому даже на такие, казалось бы, незыблемые вещи, как причинность. Биополе, вероятно, родилось в ходе абиогенеза, сформировало свои "резонаторы", ставшие носителями наследственности (пп. 8, 11), и определило дальнейший ход не только самого абиогенеза, но и всей дальнейшей эволюции. О ней у нас пойдет речь в части 8.

Разумеется, все сказанное не раз еще будет пересмотрено, но загадка рождения жизни, по-моему, окончательно прояснилась в одном: она больше не упирается в проблему одновременного появления всего сразу - мы теперь уверенно делим абиогенез на последовательные стадии, что впервые сделал сорок лет назад Бернал. Теперь концепцию Бернала можно изложить гораздо убедительнее, чем в его дни, добавив всё то, что выше сказано о химическом отборе, гидротермалях, рибозимах и прочем. По-моему, учитель может на уроке этим ограничиться, но сам он должен понимать, что ведет речь о новой картине мира. И быть готовым сказать об этом тем ученикам, которые сами заметят бреши существующей теории.

Ю. В. Чайковский

Комментарии: (0)

Пока комментариев нет, вы можете стать первым!