Часть VI. Разумная Вселенная, или Физика эволюции

Жизнь как неизбежность

Ранее мы неоднократно упоминали это прекрасное и вдохновляющее слово – «эволюция»… Эволюция есть развитие материи от простого к сложному, и у него (развития) существуют свои закономерности. Да и почему бы им не быть, если это естественный физический процесс, то есть прямое следствие физических законов, действующих в открытых системах? Настал черед поговорить об этом подробнее!

Когда-то вопрос о том, могла ли такая сложная штука, как жизнь, возникнуть сама по себе из такой простой земной грязи, или ее непременно должен был сотворить какой-то колдун с помощью волшебства, был настоящим камнем преткновения. С середины же XX века, после новаторских работ лауреата Нобелевской премии Пригожина, когда стал ясен физический механизм возникновения сложности, всякую мистику с этого вопроса сдуло ветрами физики, и стало понятно: да, материя в условиях подкачки энергии может системно усложняться, а потому жизнь возникнуть может, если есть подкачка энергии, разнообразный строительный материал и достаточное количество времени.

Более того, возникновение жизни – логическое продолжение той эволюционной линии, которая началась в момент Большого взрыва, продолжилась звездно-космической эволюцией, потом геологической эволюцией, а затем естественно перетекла в эволюцию сложных органических веществ.

Надо отметить, что первые органические вещества начали образовываться даже не на планетах, а еще в космосе, в облаках космической пыли под действием космического излучения. Например, в космосе найдено такое сложное вещество, как муравьиная кислота. По названию ясно, что вещество как-то связано с муравьями – и действительно, еще в XVII веке английский ученый Джой Рей выделил ее из лесных муравьев.

Молекула муравьиной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома углерода и двух атомов кислорода. И это не единственная относительно сложная молекулярная конструкция, которая обнаружена в космосе. Оказалось, разной органики в космосе предостаточно, есть там и формальдегид, и гликольальдегид, и прочее. Из-за этого даже появилась гипотеза, согласно которой эта самая органика не образуется исключительно на поверхности молодых планет, а заносится на них из космоса. Так что наша юная Земля вполне могла иметь достаточно привнесенной органики. А могла и сама ее наработать – дурное дело нехитрое: под действием излучения от звезды планета сама создаст сложность из собственного разнообразия элементов.

Одна из весьма перспективных гипотез – предположение, что первая жизнь или, скажем там, преджизнь зародилась в черных курильщиках. Вы же знаете, что такое черные курильщики? Это подводные гейзеры с очень горячей водой, которые бьют прямо из океанского дна. А черными их назвали за цвет – струя воды, вырывающаяся из донной расщелины, черного цвета и напоминает дым.

Впервые донные гейзеры были открыты лет тридцать назад. В извергаемой под огромным давлением воде содержится много растворенного сероводорода. При этом в морской воде растворено много солей разных металлов… Сероводород начинает реагировать с морской солью, в результате реакции образуются вещества, именуемые сульфидами, а они густого черного цвета. Поэтому курильщики – черные.

Вообще в этих курильщиках и вокруг них – самые благодатные условия для химических реакций. Во-первых, курильщики вымывают из океанского дна уйму разного вещества, да и в соленой морской воде также содержится предостаточно всяких веществ, а это – готовый строительный материал для производства органики… Во-вторых, температуры там высокие. Вода в этих природных реакторах перегрета до температуры в 250 градусов Цельсия. А высокая температура, как мы уже знаем, – это и есть необходимая для строительства энергия. Химикам давно известно: повышение температуры резко увеличивает скорость прохождения реакции. Наконец, в-третьих, большое количество разных примесей означает, что среди них наверняка есть катализаторы – вещества, которые сами в химических реакциях не участвуют, но способны их ускорять. И химические эксперименты, воссоздающие условия, которые присутствуют в черных курильщиках, показали: да, при этом действительно образуются аминокислоты – эти кирпичики жизни.

Но по каким чертежам складывается из кирпичиков здание жизни? Кто и как сложил из них первый живой организм? Ведь между кирпичиками и зданием, как между аминокислотами и живой клеткой, – дистанция огромного размера!

Мы уже знаем от старика Дарвина, что для возникновения жизни нужен естественный отбор. А какой отбор может быть у молекул, которым все равно, выживут они или нет, потому что они не живые?! Как они могут бороться за энергию среды с другими молекулами? Как они могут размножаться и передавать признаки?

Все это правильные вопросы! И эти вопросы как бы между делом позволили нам сформулировать, что же такое жизнь и чем она отличается от нежизни. Вот главные признаки жизни:

– живые объекты (субъекты или существа, зовите как хотите) функционируют, обмениваясь энергией и веществом с окружающей средой. Таким образом они активно поддерживают свою выделенность из среды;

– они копируются (размножаются);

– эволюционируют по Дарвину, то есть передают по наследству индивидуальные черты, а при копировании этих черт возможны ошибки.

Может быть, эти три фактора сложились постепенно? А когда собрались вместе все три признака жизни, тогда сложная химическая система и стала жизнью? Хорошая идея!

Давайте посмотрим, существует ли вообще в неживой материи то, что нужно для изготовления жизни. Например, есть ли среди химических веществ и реакций нечто такое, что можно назвать размножением? Потом поищем нечто такое, что можно было бы назвать обменом энергией. Тогда останется найти нечто похожее на естественный отбор в неживой природе, прибавить к нему два ранее найденных пункта, и вместо сложнейшей серии химических реакций, протекающих в среде, у нас получится то, что можно назвать жизнью.

Ну-ка, что у нас тут имеется?..

О! Копирование в химии есть! Химикам известен класс реакций, которые называются автокаталитическими. Но для того, чтобы понять, как они проходят, нужно знать, что такое катализ и катализатор.

В химии – мириады разного рода реакций. И среди них есть группа реакций каталитических, то есть идущих только в присутствии катализатора. Катализатор – это вещество, которое само не участвует в реакции, то есть ни во что другое не превращается, но зато позволяет идти другим реакциям в своем присутствии. Ускоритель. Бросил в пробирку катализатор, и реакция пошла! Катализаторами разных реакций часто служат металлы.

Среди этой группы есть подгруппа реакций, которые называются автокаталитическими. В них катализатором выступают сами продукты реакции. То есть чем больше продуктов реакции, тем быстрее идет реакция, потому что больше ускорителя. И это очень напоминает размножение. Собственно, это и есть размножение продуктов реакции в растворе. Молекула автокатализатора, которая сама есть продукт реакции, производит как катализатор, используя болтающиеся в растворе реактивы, другую точно такую же молекулу, как она сама. Она словно «поедает» вещества, содержащиеся в растворе, чтобы произвести себе подобные молекулы.

Вот вам размножение!

Если продукты реакции – вещества нестойкие и могут со временем распадаться, то их количество в растворе зависит от количества «пищи». Много «пищи» – автокаталитическое воспроизводство идет с нарастанием. А если количество реактива, из которого собираются автокатализаторы, в какой-то момент начало уменьшаться, то продукты реакции будут «вымирать» быстрее, чем автособираются, и в конце концов их в растворе не останется вовсе. И даже если потом количество «пищи» вырастет, автокатализаторы не начнут самособираться – мы ведь помним, что для каталитической реакции нужен катализатор, а для автокаталитической катализатором служит сам продукт реакции. Нет его – не будет реакции при любом количестве «пищи»! Что же получается? Уменьшилось количество «пищи», и наш продукт реакции «вымер».

А если в сложном растворе идут несколько схожих реакций автокатализа одновременно? Это может происходить потому, например, что в результате начавшейся реакции образуются чуть-чуть отличающиеся друг от друга вещества. Вещества могут быть, например, идентичными химически, но отличаться пространственным строением, как левая и правая рука. Вроде бы и то рука, и это рука, но левая перчатка на правую руку отчего-то не налезает – а все потому, что руки отличаются пространственным строением. Аналогичным образом могут отличаться и большие молекулы – в одной молекуле радикал (группа атомов) так присоединен, а в другой молекуле – эдак, с поворотом. И тогда измененные вариации молекул начинают воспроизводить уже себя.

Вот вам случайная изменчивость!

А что, если характер разных автокаталитических реакций немного отличается, например, по скорости? Тогда при уменьшении количества исходного материала для реакции («пищи») более успешно пойдут те разновидности реакций, которые быстрее. То есть размножаться будут те виды молекул автокатализатора, которые быстрее других видов «пожирают» дефицитный ресурс. А остальные вымрут от «бескормицы».

Вот вам отбор!

Первой открытой химиками автокаталитической реакцией стала так называемая реакция Бутлерова, которую, как видно из названия, открыл российский химик Бутлеров. Это случилось еще в середине позапрошлого века. Отличный бородатый парень Бутлеров пронаблюдал, как в водном растворе формальдегида при добавлении в него соединений кальция и при одновременном нагревании (накачке энергией) вдруг начинает идти мощная химическая эволюция – сразу несколько реакций с образованием сахаров. Причем продукты этих реакций служат катализаторами самих себя, то есть комплекс реакций идет с ускорением.

На свете огромное количество сахаров. Далеко не все из них сладкие. Сахароза, фруктоза, глюкоза – сладкие. А вот целлюлоза или лактоза как-то не очень… Но некоторые сахара не только не сладкие, но еще и смертельно ядовитые! И тут самое время вернуться к Бутлерову, который наблюдает, как в колбе с раствором творится что-то непонятное – формальдегид превращается в сложную смесь разных сахаров, эта смесь постепенно густеет и карамелизуется, застывая и каменея.

Почему биологи обратили внимание на реакцию Бутлерова? Потому что основными носителями биологической информации (то есть информации о жизни) служат молекулы ДНК и РНК – рибонуклеиновой кислоты. ДНК – это книга записей обо всех свойствах организма, архив. А РНК помогает считывать наследственную информацию из этого архива. Именно эти две молекулы умеют накапливать и передавать при копировании информацию в виде набора биологических «букв». Но почему они так называются – рибонуклеиновая кислота и дезоксирибонуклеиновая кислота? Корень «рибо-» в их названиях образовался от слова «рибоза».

Чувствуете, куда ветер дует? Заметили окончание «…оза»? Да, рибоза, которая лежит в основе РНК и ДНК, – это сахар. А каким образом в химических реакциях могут образовываться, размножаться и отбираться сахара, мы уже знаем – из формальдегида в смеси с соединениями кальция. Формальдегида в природе полно, он даже в космосе найден! Да и с соединениями кальция проблем нет, они в земной коре повсюду.

В последнее время стало ясно, какие именно природные примеси помогают отбирать нужные сахара и выводить из реакции ядовитые, помогая выживать именно тем, из которых теперь устроена основа нашей жизни. Эти вещества-помощники называются силикатами, и они тоже очень распространены в природе. Более того, экспериментируя с реакцией Бутлерова, ученые уточнили, что добавлением самого обычного апатита (природного минерала) реакцию Бутлерова удается сместить к накоплению почти одной только рибозы!

Но мы помним, что каталитические реакции идут только в присутствии катализатора, в том числе и реакции автокаталитические. Откуда же взялась затравка для реакции – самая первая молекула автокатализатора? На это есть ответ – первичные простые сахара, с которых начинается «сахарная эволюция», могут образовываться в растворе формальдегида, облученном ультрафиолетом. А ультрафиолет в изобилии излучает Солнце.

Так что в условиях Земли жизни просто некуда было деваться, кроме как возникнуть!