Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 31 от 28 августа 2007 года

Итак, при определенных условиях малые ненаправленные изменения могут обеспечить кардинальную трансформацию всей системы. В соответствии с рассмотренной аналогией для возникновения жизни необходимы три условия:

• возможность полного спектра переходов между неживыми и живыми системами;

• возможность переходить из одних состояний в другие, близкие, в силу случайных или закономерных причин;

• действие естественного отбора, преимущественно сохраняющего и воспроизводящего "более живые" системы.

Насколько можно судить на основании современных данных, все эти три условия выполнялись на молодой Земле и выполняются на многих других планетах.

Планеты находятся в потоке энергии, рассеиваемой центральным светилом. Если планеты вращаются, это приводит к циклическим изменениям количества энергии, падающего на их участки. Если они имеют атмосферу и гидросферу, неравномерность нагрева приводит к циркуляции этих оболочек, вовлекающей в себя также поверхность литосферы.

На поверхности таких планет идут химические реакции, в том числе с различными органическими соединениями [Достаточно легко образующимися (и разрушающимися) как в условиях планет, так и в космосе]. В зависимости от циклической смены условий обратимые реакции будут переходить из одного равновесного состояния в другое и обратно. Одни и те же превращения веществ могут обеспечиваться различными конкурирующими реакциями. Среди них с точки зрения происхождения жизни особенно интересны те, для которых характерен автокатализ. В общей форме такие реакции можно представить в виде R + A > 2A, где A – автокатализатор, молекула, способствующая синтезу аналогичных ей молекул, а R – необходимый для этого ресурс (ресурсы).

Одним из самых актуальных примеров автокаталитических реакций является так называемая формозная реакция Бутлерова, которую интенсивно изучают в Институте катализа СО РАН. В ходе этой реакции формальдегид (CH2O) в водном растворе в присутствии извести олигомеризуется, образуя моносахариды: nCH2O > (CH2O)n. Это автокаталитическая реакция: наличие в среде моносахаридов существенно повышает выход конечного продукта. Разные моносахариды обладают разной автокаталитической активностью; в зависимости от условий протекания реакции меняется состав получаемых в ее ходе продуктов. Например, в присутствии апатита (фосфата кальция, распространенного минерала) в ходе формозной реакции возникает в основном рибоза – моносахарид, входящий в состав РНК, ДНК (с небольшой модификацией) и АТФ [А тут и фосфатные группы, нужные для синтеза РНК, ДНК и АТФ, оказываются рядом!].

Важнейшее следствие автокатализа – то, что он позволяет включиться естественному отбору. Самые эффективные и устойчивые из автокаталитических реакций преобразуют бо, льшую часть имеющихся ресурсов и вытеснят свои аналоги.

Итак, до того как естественный отбор запустил эволюцию жизни, он обеспечивал эволюцию «преджизни» – геохимических автокаталитических процессов. Как же могла эволюционировать эта «преджизнь»? Мы пока не знаем конкретики, но о многом уже можем догадываться. Так, вероятно, между уровнями, соответствующими синтезу рибозы и синтезу РНК, есть набор промежуточных ступенек (согласно первому из сформулированных нами условий).

РНК – замечательный полимер. В современных организмах каталитические функции выполняют белки, а носителями информации являются молекулы ДНК. Однако взаимодействие этих соединений почти всегда происходит через посредство РНК. РНК обладает каталитической активностью (РНК-катализаторы называются рибозимами) и способна к матричному самокопированию даже в отсутствие ферментов. Вероятно, что наша биосфера прошла через этап, который называют "Миром РНК". На этом этапе устойчивость и скорость циклических геохимических процессов обеспечивали молекулы РНК. По мере совершенствования предживых систем "Мира РНК" каталитические функции могли переходить к белкам, а функции хранения генетической информации – к ДНК, более устойчивому полимеру.

Но как возникают самовоспроизводящиеся живые существа? То, что мы называем размножением, является следствием процессов репликации, а сами эти процессы ведут родословную от феномена автокатализа [А на другом конце этого ряда, на его наивысшем уровне, находится то, что мы называем любовью].

Не верьте в сказки про "первый организм", случайно возникший в "первичном бульоне" и давший начало остальным живым существам. Такой сценарий термодинамически невозможен. Жизнь возникает не в форме отдельных организмов, а в форме обеспечивающих круговорот веществ экосистем, по мере преобразования геохимической циркуляции веществ в биогеохимическую. Различные «новшества» (способы запасания энергии, матричный синтез полимеров, клеточная организация), возникшие на одном этапе геохимического круговорота, передаются и на другие этапы. Вы думаете, это случайность, что Земля населена двумя группами организмов (автотрофами и гетеротрофами), для каждой из которых ресурсами являются отходы другой группы? Их разделение ролей старше самой жизни и отражает колеблющееся равновесие между синтезом и распадом со сменой дня и ночи, прилива и отлива, лета и зимы…