Текст книги "Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции"

Химические предшественники РНК могли возникать в слоях глин на краях этих слоёв либо между слоями. Глиняный каркас и явился в соответствии с данной гипотезой как бы матрицей для создания оттисков в виде структур РНК, которые в длительном процессе естественного отбора превратились в механизмы белкового синтеза.

В 1990-е годы появилось немало гипотез, призванных обосновать определённый физико-химический путь зарождения жизни. В них предполагается возникновение предшественников жизни (протобионтов) в геотермальных источниках на океанском дне, в тонких плёнках органических веществ, возникающих посредством адсорбции на поверхностях кристаллов пирита или апатитов.

Определённое значение в современных дискуссиях о путях биохимической эволюции жизни сохраняет концепция профессора Московского университета А.П. Руденко, изложенная в 1969 г. в книге «теория саморазвития открытых каталитических систем». В этой книге он характеризует свою концепцию как общую теорию химической эволюции и биогенеза. Согласно этой концепции, химическая эволюция происходит на основе саморазвития каталитических систем, а главным эволюционирующим веществом, так сказать, движущей силой эволюции выступают катализаторы. Руденко сформулировал положение, рассматриваемое им как основной закон химической эволюции.

Согласно этому положению, эволюционные изменения катализаторов проявляются в том направлении, в котором проявляется их максимальная активность. Это означает, что превосходство в уровне энергии, полученное за счёт базисной реакции с большим выделением тепла, позволяет системе получить преимущество в конкуренции за продолжение существования по отношению к другим системам. По мере роста активности каталитических систем, достигнутого посредством повышения их энергетического потенциала, с наибольшей вероятностью и скоростью реализуются и возможности их прогрессивного развития.

Открытость этих систем, обеспечивающая приток новой энергии и вывод готовых продуктов, способствует процессам самоорганизации и нарушению равновесия в химической среде. Это в свою очередь запускает процессы автокатализа и самоускорения базисных реакций. Однако это самоускорение, достигнув определённого уровня, начинает сдерживаться постоянством температуры, вследствие чего возникает так называемый первый кинетический предел. Он преодолевается лишь отдельными каталитическими центрами путём их преобразования в центры функциональных циклов.

Затем, уже на предбиотической стадии, подготовленной этими преобразованиями, самоускорение реакций вновь начинает сдерживаться, на этот раз концентрацией реагирующих веществ. Так возникает второй кинетический предел. Он в свою очередь может быть преодолён лишь некоторыми наиболее сложными каталитическими системами, которые выделяются из общей массы, переходят к самостоятельному существованию и приобретают способность пространственного дублирования. Так возникает самовоспроизведение систем и начинается переход от химической эволюции к биологической, от химического отбора каталитических реакций к естественному отбору биологических систем.

Концепция А. Руденко соединяет в себе теорию катализа с синергетическим подходом, что в настоящее время отвечает запросам «научной моды». Фактически автор вплотную подошёл к описанию поведения мобилизационных структур, но лишь на уровне химических реакций.

Различные модели биохимической эволюции могут отражать не только различные альтернативы возникновения жизни (одна из которых близка к реальности, а другие не соответствовать ей), но и разные пути формирования жизни, некоторые из которых могли некогда реализоваться, подобно тому, как разные реки сливаются в единое море.

Возникновение жизни – это поворотный пункт эволюции Вселенной. Там, где этот поворот совершается, полностью изменяется ход эволюционных процессов, сам способ эволюционирования. В этом и только в этом заключается ключ к разгадке вечной загадки происхождения и сущности жизни. Нужно изучать способ эволюционирования, без этого мы не продвинемся ни на шаг. Вполне справедливым в этом смысле представляется высказывание американского исследователя Дж. Хоргана о том, что «перейти от бактерии к человеку – меньший шаг, чем от смеси аминокислот к этой бактерии». Образовав жизнь, эволюция тем самым преобразовала сама себя и открыла возможность последовательного прогресса живых существ, являющихся уже не только объектами, но и субъектами эволюции.

Главной нерешённой проблемой и «ахиллесовой пятой» модели биохимической эволюции Опарина-Холдейна, которая с дополнениями М. Эйгена сохраняет своё значение в качестве эталонной модели в сфере объяснения происхождения жизни, является неспособность мысленного воспроизведения механизма перехода от предбиологической эволюции к биологической. Остаётся неизвестным, каким образом из неживых органических веществ возникли сложнейшие структуры, предопределившие способность к размножению и унаследованные всем огромным разнообразием последующей жизни вплоть до настоящего времени.

Оставалось только предположить, что генетические структуры возникали чисто случайным путём за счёт перебора астрономически огромного числа вариантов за время не менее миллиарда лет. Так, американский генетик Г. Меллер прямо и недвусмысленно определял происхождение жизни следующим образом: жизнь возникла в форме гена, элементарной единицы наследственности путём случайного сочетания атомных групп и молекул, встречавшихся в водах первичного океана.

Но такая трактовка первичной эволюции жизни так же далеко выходила за пределы теории эволюции, как креационизм и теории панспермии. Всемогущая случайность просто подставлялась на место Всемогущего Творца или могущественных пришельцев из космоса и на самом деле ничего не объясняла. В конечном счёте оппоненты этой трактовки весьма эффектно продемонстрировали её ошибочность и бесполезность. В 1966 г. немецкий биохимик Г. Шрам опубликовал расчёты вероятности случайного образования сочетания нуклеотидов РНК вируса табачной мозаики. Поскольку число таких нуклеотидов одного из простейших организмов составляет около 6000, вероятность возникновения такой длинной цепи случайностей составила бы не более 1:10²⁰⁰⁰. Эта вероятность так мала, что её недостаточно для того, чтобы за миллиард лет синтезировать хотя бы одну полноценную генетическую структуру вируса. А ведь таким путём пытаются объяснить всё огромное разнообразие жизни!

Ещё более жёстко несостоятельность теории случайной самосборки генетических структур выразил Ф. Хойл, который заявил, что эта теория настолько же нелепа и неправдоподобна, как утверждение о том, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, привёл к сборке «Боинга-747».

Отрицание возможностей «самосборки» и самоконструирования жизни приводит к отрицанию эволюционного пути зарождения жизни и поиску Генерального Конструктора на небесах или в Космосе за пределами Земли. Между тем как астрономические, так и геологические исследования со всей убедительностью показывают чисто геоцентрический характер земной жизни (что отнюдь не означает геоцентричности жизни как космического процесса и только подтверждает космичность процесса жизнепорождения в его земном варианте). В XXI веке мы всё лучше, подробнее узнаём уникальные особенности нашей планеты, те естественные предпосылки, которые сделали её эйкуменой, прародительницей и средой возникновения и развития жизни. Её положение в Солнечной системе, масса космического тела, наличие гидросферы и атмосферы, температурный режим, история формирования, химическое разнообразие поверхности, наличие плотной коры, тектоника литосферных плит – всё способствовало формированию жизни земного типа и одновременно блокировало факторы, препятствующие ему, включая жёсткое космическое излучение, перепады температур, резкие изменения климатических условий и т. д.

Сама по себе эта своенравная изменчивая планета с её косными структурами и мёртвым безразличием к своим созданиям, массово вымиравшим в процессе её изменений, была достаточно суровой «колыбелью» для порождённой ею жизни. Её эволюция создала необходимые но недостаточные предпосылки для возникновения жизни. Образно говоря, Земля сыграла роль «кастрюли», в которой сварился первобытный биохимический «бульон», но чтобы в этом «бульоне» возникли первичные формы жизни, понадобилась активность химической «начинки» самого «бульона». Именно благодаря этой активности за очень длительный период времени сформировалась способность к самокопированию путём воспроизведения структурных особенностей первоначального варианта эволюции. Вполне естественно, что научно обоснованное решение проблем происхождения жизни оказывается неполным вследствие нерешённости проблемы возникновения генетического кода, обеспечивающего механизм такого самокопирования.

Очень точно сформулировал суть данной проблемы Манфред Эйген, подчеркнув, что этот код «далёк от случайного, и невольно приходит к голову мысль, что здесь «сработал» какой-то оптимизационный принцип».

Сам Эйген внёс существенный вклад в поиск этого принципа, но его природа не была объяснения ни Эйгеном, ни другими исследователями. Поиск этого принципа продолжается и, возможно, компасом на этом пути послужит понимание того, что оптимизация не может происходить без мобилизации и что оптимизация, усовершенствование организации, создание, поддержание и воспроизведение порядка, возникновение более эффективно действующих форм и средств их функционирования, выработка более прогрессивных способов развития и вообще эволюция в узком смысле этого слова – всё это содержит в себе механизмы мобилизации и функционирование определённым образом организованных мобилизационных структур. Мобилизационные структуры, а не боги или космические пришельцы – вот те демиурги порядка, посредством которых природе удалось «перескочить» огромную пропасть, отделяющую живое от неживого.

Коренное, изначальное отличие живого вещества от неживой, косной материи заключается в способе мобилизации. Мобилизационные ядра всех ступеней и уровней косной материи, включая атомы, молекулы, планеты, звёзды, галактики, их скопления и сверхскопления, а возможно, и саму Метагалактику, определяют лишь тип движения своей периферии, или оболочки, мобилизуют окружающую материю на определённым образом регулируемое движение. В отличие от них, мобилизационные ядра всех ступеней и уровней живой материи содержат в себе стимулы для сохранения, воспроизведения и оптимизации своих материальных носителей, они мобилизуют периферию и оболочки на осуществление функций жизнедеятельности.

Галактике и её ядру абсолютно всё равно, будет ли она «проглочена» другой галактикой, распадётся ли она под действием центробежных гравитационных сил. Звезде и её ядру абсолютно безразлично, сохранится ли она после исчерпания ядерного горючего или превратится в красного гиганта, а затем в белого карлика. В мобилизационную же структуру самого простейшего организма встроен механизм жизнеобеспечения, использующий периферию и осуществляющий экспансию во внешнюю среду для получения из неё средств жизнеобеспечения, для сохранения и воспроизведения целостной структурной организации, без которой невозможна жизнь.

Следовательно, разница между неживой и живой материей, грань, их разделяющая, пролегает в способе мобилизации, а механизм формирования первичной жизни есть механизм мобилизации на сохранение и воспроизведение структурно-организационных особенностей различных фрагментов физико-химического строения. В этот механизм должна быть встроена хотя бы самая примитивная система управления, позволяющая регистрировать разнообразные воздействия, оценивать их с точки зрения потребностей обеспечения того или иного порядка и реагировать на них, соответственно изменяя мобилизуемые структуры. Она должна обладать рядом обратных связей, необходимых для благоприятного протекания химических реакций, их регулирования и направления на осуществление процессов жизнедеятельности.

Соответственно вопрос о происхождении механизма формирования первичной жизни есть вопрос о способах формирования особого типа мобилизационных структур, способных выстраивать окружающую материю для поддержания определённого порядка. Без таких структур, путём случайной самоорганизации появление живого из неживого так же невозможно, как и путём самопроизвольного зарождения (или построения) Боинга ураганом над свалкой.

Суть вопроса, стало быть, не в том, что раньше возникло, курица или яйцо, белки или гены. Суть основного вопроса науки об эволюционном самозарождении жизни заключается в том, как возникли мобилизационные структуры, небезразличные к своему собственному состоянию, обладающие внутренними стимулами к самосохранению и самовоспроизведению, каким образом обретённые в процессе химической эволюции свойства мобилизационных структур положили начало предпотребностям, которые, в свою очередь, переросли в биологические потребности. Остальное уже – дело техники, сложить из мономерных «кубиков» нужные полимерные сочетания, имея в запасе миллиард лет действия естественного отбора – это уже не философская и не биологическая, а чисто техническая проблема. Нельзя, стало быть, запрягать телегу впереди лошади и полагать, будто такая сложная конструкция возникла сама собой, случайным подбором, без всякого участия «конструкторов», без закономерно действовавшего «конструирования» со стороны выделившихся из общей массы специфических структур.

Механизм мобилизации на жизнь как таковой изначально предполагает внутреннее побуждение. Для его объяснения мало ответить на вопрос «почему?», «по какой причине?», нужно поставить и вопрос «зачем?», «с каким побуждением?». Ибо аналогом человеческих целей в «живой» эволюции является внутреннее побуждение к действию, именно оно направляет живой организм к биологической работе, предрасполагает его к мобилизационным усилиям, обусловливает целесообразность форм и впервые в истории окружающего Космоса создаёт внутренне мотивированную направленность эволюции, чем и ускоряет многократно эволюцию как процесс смены, усложнения и прогрессивного развития форм. Для того, чтобы возникла некая первичная мотивация к самосохранению достигнутого уровня организации, химическая реактивность должна была усложниться настолько, чтобы перерасти в предбиологическую реактивность, т. е. в первичное разделение между позитивным реагированием на подкрепляющие организацию белкового тела воздействия и негативным реагированием на разрушающие эту организацию воздействия среды.

Очевидно, исторически первым типом такой реактивности – предшественницы простейшей раздражительности – явилось реагирование на солнечный свет. При отсутствии озонового слоя Земли роль защиты от жёсткого ультрафиолетового облучения играла вода океанов. Но ввиду недостаточности этой защиты в органическом вещества предбиосферы развивалось избирательное реагирование тех или иных слоёв вещества и тех или иных телесных образований: впитывание энергии оптического диапазона и соответствующая устремлённость к энергетизирующим слоям воды, и избегание травмирующих самоорганизацию облучений.

Важную роль в «первотолчке» эволюции, обусловившим направленную реактивность как предшественницу побудительных механизмов, сыграла, несомненно, смена дня и ночи. Матушка Земля как бы «впитывала» возникшее на ней органическое вещество: то подставляла губительно-живительным лучам Солнца, то давала отдохнуть, потратить запасённую энергию, свернуть дневную активность. Мобилизующим на жизненную активность фактором явилось, таким образом, взаимодействие Солнца и Земли. И подобно тому, как космическая организация на определённом этапе переросла в самоорганизацию, космическая мобилизация, исходящая от взаимодействия Солнца и Земли, на определённом этапе обернулась самомобилизацией, побуждением к действию для воспроизведения определённой самоорганизации.

Именно готовность к реакции на воздействия света и тьмы вызвали, очевидно, возникновение свойства живого вещества поворачивать плоскость поляризации проходящего через него света в определённом направлении – влево либо вправо. Все белковые молекулы живых организмов обладают левой пространственной конфигурацией и потому поворачивают плоскость поляризации влево. Сама физика живого вещества отличается, таким образом, от физики неживого вещества своей реакцией на свет. Ведь в неживом веществе, даже аналогичном по химическому составу, всегда наблюдается равная вероятность содержания молекул с левой и правой конфигурацией, и поэтому систематического поворота плоскости поляризации света не наблюдается. Все живые организмы насыщаются энергией поляризованного света. Об этом говорит, в частности, целительное действие специально сконструированного для этого аппарата «Биоптрон», выпускаемого швейцарской фирмой «Цептер».

Каким же образом могли протобионты избирательно реагировать на позитивные для их состояния либо негативные воздействия среды? Примитивные реакции могли строиться адекватным образом: позитивное воздействие, например, солнечного света вызывало реакцию приближения, а негативное воздействие, например, высоких температур или жёстких излучений – реакцию избегания.

Поэтому весьма вероятно, что первичным действием протобионтов в первобытном океане было всплывание навстречу свету либо опускание в толщу волы, т. е. вертикальные движения для получения энергии либо избегания разрушения. Но для того, чтобы такие реакции стали возможными в рамках биохимической целостности протобионта должны были сформироваться простейшие устройства для совершения биохимической работы, обеспечивающей стабильность протекания биохимических реакций.

К этим устройствам могут быть отнесены: индикатор состояния системы, анализатор состояния, передатчик реакции, движитель. Такая система реагирования с помощью кибернетической обратной связи действует в современных автоматизированных технических устройствах, которые состоят из блока управления, двигателя, передаточного устройства и рабочего органа. Особенностью этих устройств является способность производить определённую техническую работу без осознания её целей.

Общеизвестно, что человека создал труд (хотя это и оспоривается наиболее ретивыми последователями модели синтетической теории эволюции, утверждающими, что человек возник вследствие случайных генетических мутаций). Но никому до сих пор не приходило в голову, что так же не случайно возникла и жизнь, что она есть результат химической (биохимической) работы, которая плавно и постепенно, т. е. мелкими последовательными переходами перерастала в биологическую работу. В науке вообще не сложилось понятия химической и биологической работы, как в теориях эволюции не сложилось понятия мобилизационных структур.

Под биологической работой мы понимаем созидательную сторону мобилизационной активности, последовательность действий живых организмов, которая, будучи направлена на сохранение, воспроизведение и оптимизацию жизнедеятельности, в то же время формирует, воспроизводит и оптимизирует сами эти организмы. Будучи направлена вовне, эта полезная деятельность по добыванию пищи, энергии, возможностей размножения частично направляется внутрь организма, тренируя определённым образом его органы и системы, совершенствуя его мобилизационную структуру и тем способствуя выживанию, противостоянию безжалостному действию отбора.

Работа в химическом смысле отличается от имеющегося в науке понятия физической (т. е., собственно, механической) работы тем, что это не просто форма оценки перемещения грузов на определённое расстояние при определённом сопротивлении среды. Под химической работой мы будем понимать направленное действие химически активных структур, позволяющее частично преобразовывать окружающую среду, получать из неё дополнительную энергию и вещества в качестве сырья для химических реакций, и тем самым способствующее преобразованию самих этих структур, формированию избирательного реагирования на изменения среды. Понятно, что химическая работа является важнейшей предпосылкой биологической и её непосредственной предшественницей при благоприятных условиях. Она является формой эволюционной работы, охватывающей всю Вселенную.

Так или иначе, но жизнь, как и человека, создала эволюционная работа, а не бессмысленная игра случайностей. Мобилизационные структуры, возникающие путём синергетической самоорганизации, начинают противостоять косности этой самоорганизации, её хаотическому началу. Они производят работу, которая, будучи направлена на реорганизацию окружающей среды по меркам их организации, преобразует в определённом направлении и их самих.

И здесь, и там действует та же схема, без которой невозможна эволюция в узком смысле этого слова: «самоорганизация – мобилизация – работа – усовершенствование – естественный отбор – прогресс». Введение в ткань теории биохимической эволюции понятия работы требует переосмысления и понятий предбиологического и биологического отбора. Отбор следует понимать не только как внешний, но и как внутренний, как отбор протобионтами веществ (из окружающей среды и от других протобионтов в предбиологической конкуренции), наиболее пригодных для воспроизводства хода базисных реакций. В состав этих веществ входят энергетические ресурсы, катализаторы, реагенты, микроэлементы, структурные образования, пригодные для строительства протобиотических тел.

При построении любого сложного органического соединения, используемого живыми организмами для осуществления жизнедеятельности, необходим сравнительно небольшой набор «строительных» блоков. Эти блоки представляют собой низкомолекулярные соединения, или мономеры. «Стройка» жизни нуждается в использовании 20 аминокислот, из которых образуются любые белки, 5 азотистых оснований для создания наследственного аппарата в структурах нуклеиновых кислот, жиры-липиды, образующие мембраны клеток и служащие аккумуляторами энергии, глюкоза и углеводородные соединения, являющиеся горючим для получения энергии. Строительным материалом жизни являются биополимеры, упорядоченные молекулярные структуры, которые образуют и плоть живых организмов, и воспроизведение клеток внутри них, и воспроизведение самих организмов. Для осуществления жизнедеятельности необходимы также разнообразные газы, витамины и микроэлементы.

Из более ста химических элементов, входящих в таблицу Менделеева, только шесть элементов определяют химический состав тел живых существ Земли, как бы они ни отличались друг от друга. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, получившие вследствие своей гегемонии в живых организмах название органогенов. В сумме эти элементы составляют не менее 97,4 % от веса тела каждого живого существа.

Каждая живая клетка строится в основном из элементов, которые в виде газов распространены в земной атмосфере. Около 70 % её вещества составляет кислород, 17 % – углерод, 10 % – водород, 3 % – азот. Все они обладают малым атомным весом, их соединения легко растворяются в воде.

Вода – не только великий растворитель, обеспечивающий протекание биохимических реакций, и не только среда, в которой протекают химические процессы. Она – постоянная участница этих процессов, обеспечивающая регулярный обмен веществ, теплообмен и терморегуляцию организмов. Внутри живых существ вне зависимости от среды, в которой они живут сейчас, сохраняется первобытный океан, из которого они произошли. Их тела на 60–90 % (и даже 99,7 %) состоят из воды. Вода обеспечивает транспортировку питательных веществ, придаёт телам упругость, способствует пространственному выстраиванию молекулярных структур.

Другим жизнеобразующим веществом является углерод. По своему происхождению и строению жизнь на нашей планете является углеродной. На основе углерода строятся десятки миллионов органических соединений. Эти соединения проявляют химическую активность при умеренных температурах. Многие из них подвижны, пропитаны водой, обладают низкой электропроводностью. Их молекулы образуют длинные скрученные цепи различной формы, при перестройке которых может резко возрастать их активность, особенно при наличии катализаторов. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, железом, фосфором и серой имеют ряд специфических свойств, способствующих катализу, гибким перестройкам, накоплению энергии и информации.

В настоящее время химиками обнаружено около 8 миллионов разнообразных химических соединений, причём около 96,6 % из них составляют органические соединения. Их, стало быть, насчитывается 7 млн. 680 тыс., тогда как неорганических – только 320 тыс.

Обычно считается, что такой достаточно узкий подбор химических веществ, входящих в состав любой формы земной жизни, является итогом естественного отбора, выделившего в течение миллиарда лет из огромного разнообразия веществ те, которые необходимы для осуществления и воспроизведения жизни самых разнообразных организмов. Имеется в виду, конечно же, внешний отбор. Однако в конструировании биологических структур на уровне биохимической эволюции огромную роль сыграл, по-видимому, внутренний отбор, т. е. восприятие протобионтами из внешней среды и синтез тех веществ, которые были способны поддерживать и воспроизводить жизнедеятельность.

Внутренний отбор продолжает играть одну из ведущих ролей и в биологической эволюции, способствуя самосовершенствованию одних организмов и деградации других. К сожалению, факторы внутреннего отбора и самосовершенствования совершенно не получили развития в современной синтетической теории эволюции с её гипертрофированием факторов мутаций и внешнего отбора. А ведь внутренний отбор, выбор стратегий поведения и способность к самоусовершенствованию сами регулируют и направляют внешний отбор, позволяя выживать и давать потомство в большинстве случаев наиболее жизнеспособным, успешно эволюционирующим организмам. Разумеется, речь идет не о некоей мистической устремленности к самосовершенствованию в духе Ламарка, а о спонтанно возникающем усовершенствовании целостных организмов в постоянно совершаемой ими работе для оптимизации своей жизнедеятельности и победы в борьбе за существование.

Ошибкой многих моделей биохимической эволюции было то, что они рассматривали протобионтов как пассивный объект химических изменений, совершенно игнорируя их мобилизационную активность, биохимическую работу, саморегулирование собственного состояния и внутренний отбор. Если бы не эти факторы, запустившие процессы самоконструирования, жизнь не возникла бы не только за миллиард лет, но и за миллиард миллиардов лет. Вывести чисто химическим путём жизнь из неживой материи невозможно. Химию направляла биохимическая мобилизация, возникшая из химической самоорганизации.