Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции - Лев Кривицкий

Однако каждое такое образование проходило проверку на устойчивость в процессе предбиологического биохимического отбора. Выдержавшие конкуренцию коацерватные капли росли, а все прочие распадались и пополняли химическую среду первичного бульона, из которой образовывались новые коацерваты.

Каждая коацерватная капля имела пределы роста, обусловленные пределом прочности сцепления молекул. Поэтому, разросшись до определённых размеров, коацерват распадался на дочерние коацерваты, т. е. происходило предбиологическое деление. При этом рост дочерних коацерватов, сохранивших основу структуры материнских, продолжался дальше, те же из них, которые утрачивали структурное подобие, быстро распадались. Так возникала способность к наследованию особенностей строения.

Попадание в коацерват способной к самовоспроизведению макромолекулы могла образоваться простейшая клетка, которая по мере совершенствования механизма самовоспроизведения могла превратиться в примитивный организм. Такие организмы питались уже органическими веществами, получаемыми из первичного бульона.

В 1953 г. американский исследователь Стенли Миллер смоделировал условия первобытной Земли по сценарию А.И. Опарина уже экспериментально. В созданной им установке смесь газов и воды без доступа кислорода подвергалась действию электрических разрядов. При этом происходило образование сахаров, аминокислот и некоторых других органических соединений. Тем самым была доказана принципиальная возможность неорганического пути образования биогенных органических соединений.

Но органические соединения – ещё не жизнь, не живые организмы. В дальнейшем таким же путём были синтезированы липиды, полимерные структуры, близкие по составу к белкам. Однако все усилия учёных, предпринятые в области изучения возникновения жизни, не дали результатов, позволяющих удовлетворительно объяснить происхождение живого из неживого посредством биохимической эволюции. Был лишь проложен узкий и шаткий мостик, ведущий от неорганической неживой материи к органической, и тоже неживой.

Что касается дальнейшего развития знания, то оно не только не подтвердило, но и в чём-то опровергло, или, по крайней мере, жёстко ограничило применимость модели Опарина-Холдейна. Решающую роль в переходе от неживого к живому Опарин отводил белкам. В его время, как и в конце XIX века, считалось доказанным, что жизнь есть функция белковых тел. Однако современная молекулярная биология выявила совершенно иной механизм функционирования жизни. В том же 1953 году, когда начала действовать установка Стенли Миллера, была опубликована статься американца Дж. Уотсона и англичанина Ф. Крика, содержавшая в себе эпохальное открытие – расшифровку структуры носителя наследственности всего живого на Земле – дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК. Именно ДНК оборотами своей двойной спирали кодирует всякую информацию, позволяющую воспроизводить живое от простейшей инфузории и до человека. Белковые тела стали рассматриваться как пассивный элемент функционирования живых организмов, активный же элемент переносился на генетические структуры, построенные на основе ДНК.

Выяснилось, что никакая самая сложная конфигурация белков не смогла бы породить самого простого живого организма, не будь в неё встроена чрезвычайно сложно устроенная фабрика репликации, т. е. копирования генетического материала на основе ДНК. Но ДНК тоже совершенно неспособна функционировать без определённых белков-ферментов. Допустить самопроизвольное возникновение такого сложного химического производства, как ДНК с системой подачи ферментов, – значит представить себе совершенно невероятное совпадение случайностей. Откуда природа «узнала», какие именно ферменты нужны для правильного функционирования ДНК? Получить этот комплекс ферментов случайно путём «перетряхивания» многоатомных молекул отдельных белков – это то же самое, что построить современную химическую фабрику, хаотически перемешивая кирпичи, блоки, реагенты, детали различных машин и т. д.

Таким образом, проблема возникновения живого из неживого также обладает глубинной взаимосвязью с проблемой возникновения Космоса из Хаоса, она неразрешима без представлений о мобилизационных структурах, создающих направленность и упорядочивающую предрасположенность эволюции. После открытия генетического кода возникла настоятельная потребность в объяснении процесса образования генетических структур и соответствующей доработки модели Опарина-Холдейна. При этом А.И. Опарин занял позицию, которая предполагала, что появление нуклеиновых кислот произошло при завершении химической эволюции, когда при перестройке оболочки коацерватов образовались простейшие живые клетки, трансформировавшиеся с помощью получения энергии и вещества из первичного бульона в простейшие организмы. Переход от протожизни к жизни завершился, по Опарину, когда соревнование протобионов, т. е. предбиологических образований в скорости роста сменялось борьбой организмов за существование.

Генетический код, таким образом, рассматривался как итог функционирования клеток. Такая трактовка вызвала возрастающую волну критики и обострила противоречия, ранее сложившиеся внутри модели Опарина-Хойдена между обоими её создателями. Если Опарин принимал за точку отсчёта биохимической эволюции целостные эволюционирующие системы, которые он назвал коацерватами (от лат. «коацерватус» – накопленный, собранный, сгущённый, сгусток), то Холдейн брал за основу большие молекулы, способные к самокопированию.

Разгоревшийся вскоре спор между школами Холдейна и Опарина по поводу происхождения жизни был связан с отстаиванием ими диаметрально противоположных точек зрения на исходные условия эволюции жизни и на фундаментальных свойства живого – самовоспроизведение и обмен веществ.

С открытием роли нуклеиновых кислот и ферментов чаша весов стала постепенно склоняться на сторону Дж. Холдейна, который брал за исходную точку отсчёта самовоспроизведение и развитие способности к размножению, репродукции живой материи. Предорганизмы, согласно Холдейну, можно представить по аналогии с вирусами типа табачной мозаики, которые содержат структуры ДНК и ферменты, необходимые для самокопирования.

По мере выявления генетических основ микроэволюции представления о сущности жизни и гипотезы о её происхождении стали связываться с первичной ролью ДНК и РНК и подчинённой ролью белковых молекул. Однако исследования нобелевского лауреата 1967 г. М. Эйгена и его единомышленника биохимика Р. Дикерсона показали невозможность самовоспроизведения предбиологических кислот, состоящих исключительно из нуклеиновых кислот или из белков, а только на основе взаимодействия между ними. Это взаимодействие и составляет суть концепции гиперцикла Манфреда Эйгена, обоснованной в его работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» в 1971 г.

Эйген рассмотрел взаимодействие нуклеиновых кислот и белков как автокаталитический процесс, в котором каждая из взаимодействующих сторон стимулирует, поддерживает и запускает ход реакции другой стороны. Взаимная катализация полимерных молекул составляет гиперцикл, до образования которого происходят только случайные процессы перемешивания нуклеиновых кислот и аминокислот, образующих беспорядочные последовательности. В ходе образования гиперцикла нуклеиновые кислоты, обретающие в силу устройства своих мономерных связей способность к матричному самовоспроизведению, катализируют синтез молекул предпротеинов, а в ответ каждая молекула предпротеинов катализирует самовоспроизведение нуклеиновых кислот.

После образования гиперцикла возникает отбор, и только с этого момента можно говорить о биологической эволюции. Начинается конкуренция между макромолекулами, в которой наибольшие шансы на выживание получают молекулы с максимальной селекционной ценностью. Благодаря своему устройству по принципу комплементарности нуклеиновые кислоты приобретают свойство самоинструктированной сборки из мономеров.

Фактически М. Эйген по-новому взглянул на формирование предпосылок биологической эволюции. Эти предпосылки, согласно теории Эйгена, коренятся во внутреннем устройстве макромолекул, которые возникали на самой ранней стадии эволюции жизни в «первичном бульоне», или «протосупе». Макромолекулы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой. Около 3–4 миллиардов лет назад эта среда представляла собой раствор, из которого можно было черпать энергию (получаемую от солнечных лучей, электрических разрядов и т. д.). Этот обмен явился предшественником и первоисточником организованного обмена веществ.

Макромолекулы обладают достаточной стабильностью, необходимой для хранения информации и формирования в зависимости от обстоятельств самых различных структур. Отсюда возникает способность к самовоспроизведению в виде образования инструкций для синтеза аналогичных структур по матричному принципу, т. е. существующие макромолекулы служат эталоном для синтеза однотипных с ними макромолекул, но с изменениями (инновациями!), отражающими воздействия внешней среды. Ограниченность материально-энергетических ресурсов для самовоспроизведения приводит к конкуренции и отбору наиболее конкурентоспособных форм. Такие формы размножаются, а менее конкурентоспособные быстро распадаются. Так начинается биологический отбор.