Статья: Фотосинтетическая теория возникновения жизни
Даже если, уже который раз, отставить все сказанные возражения – где и в каком этапе неорганического развития могли образоваться вещества с почти лишними, “висячими” атомами кислорода? И как они могли выжить в адских условиях расплавленного металла, так жадного до окислителей? Ну хорошо, закроем глаза и на это... Но тогда еще вопрос – так ли уж трудно было умеющим хоть как-то размножаться живым существам–анаэробам перебродить все, что бродится? Представьте себе океан свежего молока – сколько дней потребуется, чтобы из него получился океан простокваши? А дальше что? Очень вовремя, день-в-день подоспел фотосинтез, до которого природа не могла додуматься вот уже много миллионов лет? – Сколько, однако, полных абсурдов, а ведь при всем при том – живут и процветают в серьезной науке...
Из уже упомянутых здесь вскользь возражений против “классических” абсурдов, следует, пожалуй, особо остановиться на двух наиболее важных, способных поставить под сомнение вообще любое возникновение жизни.
Первое из них – проблема высокой мутагенности всякого внешнего спонтанного питания. Для первых ступеней возникновения жизни мы ведь рассматриваем питание именно, главным образом как средство для мутаций. А мутагены, как известно, в тысячах и миллионах случаев разрушают, прежде чем в одном случае хотя бы не навредить. Если, к примеру, вероятность невредности мутаций равно 1/1000, то две невредные мутации подряд выпадут с вероятностью 1/1000000 – в грубом приближении, вот в такую “игру” играла вновь возникающая жизнь, питаясь даже “нашими” самыми мягкими случайными веществами из фотосинтезирующих комплексов. Есть только одна “лазейка” – чем примитивнее уже имеющееся строение, тем меньше вероятности вреда от мутаций – вот и должна была новая жизнь как-то “проскочить” случайное мутагенное питание и успеть дорасти до “натурального”, то есть четко налаженного способа питания, прежде чем упомянутая “игра” стала уж совсем безнадежной. Все современные живые существа, как известно, питаются или себе подобными, или строго конкретными веществами от фото- и хемосинтеза. Доразвиться до такого уровня – едва ли не самая рискованная стадия при возникновении жизни. Но, раз вот мы сидим-пишем об этом, значит, доразвились как-то, “проскочили”...
Высокая мутагенность веществ, получаемых от гроз, от космического жесткого излучения, от жара или яда земных недр, делает их, даже не учитывая все уже сказанные другие возражения, совершенно непригодными для питания первичной жизни. Вдобавок этому, “классические” теории ведь ничего нового не предлагают уже как-то удачно возникшим живым существам, оставляя их дожидаться все тех же остро мутагенных веществ в течение долгих миллионов лет.
Вторая, не менее критическая проблема – вскользь упомянутый случай с пшеничным зерном... Очень тонко устроенные молекулы живой жизни, тем более в воде, никак не могут спокойно дожидаться своей следующей удачи в течение долгих тысяч и миллионов лет... Из физики широко известно, что даже в теплой воде в двадцать градусов, имеются отдельные частицы со скоростью, соответствующей многим сотням градусов – их удар по живой молекуле будет адекватным приложению каленого железа. Даже современные, имеющие много специальных защитных механизмов живые существа спасаются от такой напасти только постоянным обновлением внутренних структур и быстрой сменой поколений. Правда, могут возразить, что некоторые бактерии десятки тысяч лет остаются жизнеспособными под толщей вечных льдов, или выживают на лунной поверхности... Но ведь это не сами бактерии, ах их специально на то приспособленные споры, где все необходимое скручено в плотный сухой клубочек, а мы ведем речь о самых примитивных, едва возникших, вернее, еще возникающих существах, свободно распластанных в жидкой среде.
Так что, жизнь должна была, во-первых – с самого начала иметь “свое собственное”, местное питание и быстро успеть выработать единообразность, стандартность этого питания, а во-вторых – очень быстро успеть доразвиться от неживого к живому, с активным обменов веществ и сменой поколений, а не растягивать этот процесс на миллионы лет.
Всем вышеупомянутым жестким требованиям, по нашему мнению, отвечает только один путь развития – путь, которая сразу же начинается с фотосинтеза, основного источника питания почти всех живых существ и по сей день.
Фотосинтетическое питание и коррелятивное наследование – два ключевых свойства первоначальной жизни
Слишком наивным было бы также считать, что хлорофилл возник однажды сразу в результате какой-то чудесной мутации в уже процветающем живом организме, это невозможно хотя бы из-за слишком большой сложности этого соединения. Фотосинтез, то есть световые реакции, широко распространены и в неживой природе, ему способны очень многие вещества. Здесь мы уже предположили, что синтез земной органики начался именно на них. Одновременно должен был начаться и длинный путь эволюции хлорофилла.
Итак, природные комплексные соединения металлов на дне “нашего” озера создали вокруг себя некоторое количество активных веществ, среди них и органических молекул разной сложности... Следующим шагом будет уже возникновение новых и новых фотосинезирующих комплексов с участием этих же веществ. Так как они очень разнообразны, фотосинтетическая активность новых комплексов тоже будет разнообразной. Самые активные из них, лучше стимулируя процесс, создадут вокруг себя некие “зеленые островки”, тем самым еще больше усилят дальнейшее развитие. Все, что может быть достигнуто таким спонтанным образом, в конце концов будет достигнуто. На этом этапе еще нет направленного отбора, нет “стимула”, мало обратных связей и влияний, все происходит чисто физически, но результат наверняка будет хорошим. И возникнут довольно неплохие условия для начала сложной химической эволюции органических веществ.
Одновременно с появлением простых органических молекул начнется и их полимеризация, вскоре на песчинках и в окружающей воде появятся более или менее длинные нити. На полимеризацию в мягких условиях более всего способны аминокислоты и углеводы, среди мономеров наверно преобладали они, может даже два или три мономера, но при однотипности в основном, должно было иметь место и великое разнообразие в частностях. (Как, например, из миллиардов одинаковых в основном людей каждый отличается чем-то своим особенным.)
Как в известной сказке с медведем и мужиком, у нас, конечно, тут уже возникает “главный” вопрос – а молекулы ДНК среди них были? Если еще нет, то как построить теорию, чтобы они непременно появились, притом естественным образом, прямо из воды? Однако, вероятность самопроизвольного возникновения нужных для ДНК компонентов и их случайной сборки в двойные цепи практически равна нулю... Именно на этом основании и делаются выводы о том, что самопроизвольное возникновение жизни невозможно. Какие бы хорошие вещи в природе ни появились, дескать, без ДНК их нельзя будет передавать следующим поколениям...
Между тем, однако, вся природа, вся жизнь вокруг нас ведь устроены несколько иначе... В них так мало точной четкости, черного и белого, единиц и нулей, все держится на полутонах, на похожестях, на тонких намеках и напоминаниях... На корреляциях... Но и в микромире, оказывается, происходит почти то же самое, хотя на это ученые-химики только недавно начали уделять более пристальное внимание. Большинство “вопросов” и среди молекул решают не полные плюсы и минусы, не отдельные шарики электронов и атомов, а тонкие “веяния” соседних облаков и плавные изгибы тел... Попробуем-ка и мы подойти к “нашим” древним озерным полимерам с такой точки зрения.
Любая полимерная нить, пусть даже полиэтиленовая, имеет некоторую поверхностную активность, и слабенько притягивает к себе другие молекулы. Проплывающая мимо нити молекула, поэтому, прилипнет к ней на некоторое время, и там будет дожидаться себе другой пары. Иными словами, полимерная нить служит субстратом, затравкой для построения вдоль себя новой полимерной нити. (Явление, очень широко распространенное в природе: даже капельки дождя обязательно образуются вокруг какой-нибудь пылинки.) При этом, прилипание на нитку полимера будет происходить не как попало, а сообразно плотности электронного облака на этом месте – разрежение на полимере будет притягивать уплотнение на мономере и наоборот. Такую же большую роль играет и конфигурация молекул – они легче притянутся туда, куда более всего подходят как ключ к замку. И все это, заметьте – всего лишь склонности молекул, тут нет еще точных соответствий, на одно и то же место могут прилипнут десятки разных сортов, новый мономер может прирасти к полимеру и безо всяких соседних влияний... Новый полимер, выросший вдоль старого, отнюдь не будет точной зеркальной копией его. Но, все же будет его зеркальным напоминанием, унаследует в себе его некоторые особенности.
При этом, заметим еще раз, не имеет значения тип органического полимера и составляющих его мономеров. Они могут быть аминокислотными, нуклеиновыми, углеводными и всякими другими, а также смесями. Передача “по наследству” “намеков” будет иметь место в любом случае.
Третий полимер, выросший вдоль второго, будет уже не зеркальным, а прямым “напоминанием” первого... – Вот, собственно, и весь секрет древней, первоначальной передачи признаков по наследству... Остается только добавить, что те полимеры, которые более точно передавали свои признаки новым, постепенно увеличивались в количестве, иначе говоря, размножались.
Правда, это размножение однотипных полимеров само по себе еще ничего не дает для дальнейшего развития: потому что в этом нет “выгоды” в эволюционном смысле. Чтобы появилась “выгода”, должна появиться обратная зависимость между коррелятивным размножением полимеров и производительностью фотосинтезирующих комплексов. Продвижение вперед должно привести к лучшему питанию.
Иными словами, тот полимер, который “умеет” более точно воспроизводить самого себя, одновременно должен был “уметь” создавать более эффективные фотосинтезирующие комплексы. Такое совпадение вовсе не кажется маловероятным, ибо длинные молекулярные нити уже сами по себе являются хорошими переносчиками электронный возмущений. Но все же нельзя категорически, непосредственно связывать сами “копирующиеся” полимеры с процессом фотосинтеза, связь могла быть и более сложной, опосредованной. Например, на полимерной нити (на другом боку, скажем) могли появиться участки, попутно синтезирующие другие вещества. Полезными могли быть просто обрывки нитей. Синтез того или иного вещества вдоль нити мог зависеть от первоначального мономера (то есть, в одних случаях – “копия”, а в других – катализатор). Природа всеми своими явлениями занимается одновременно и постоянно, нельзя сказать, что вот мол, она создала фотосинтез, потом приступила к полимерам, а потом к ферментам, и вот на очереди зачатки рибосом – все могло происходит совсем не так и не в таком порядке, как мы себе представляем. Мы сейчас можем говорить и писать только в самых общих чертах, уловить какие-то большие направления, но не более. – Так или иначе, скажем поэтому, появилась зависимость между размножением похожих полимеров и ростом эффективности фотосинтеза. Это в свою очередь дало больше пищи для тех же самых полимеров. И таким образом, начал работать первый, но уже вполне дарвиновский естественный отбор. К чему оно привело, мы тоже не можем наглядно описать, но, давайте чисто умозрительно предположим, что к концу этого этапа “наши” полимеры уже умели как-то катализировать синтез своих же мономеров, а сами начали перестраиваться на “классические” нуклеотиды. И в озере расцвели обширные “зеленые” поля, засеянные этими первыми зачатками жизни.
Что нужно для большого дворца, то же самое нужно и для маленькой хижины, говорят в народе. Самой-самой начальной, еще только химической жизни, по такой же логике, могло потребоваться все сразу: и мономеры, и катализаторы, и всевозможные синтезаторы, и закрепители-собиратели, и многое другое. Обеспечить все одной длинной нитью, конечно, было невозможно. Естественно предположить, что химическая “жизнь” в озере была коллективной, в ее обеспечении участвовали десятки и сотни разных молекулярных соединений. Они, вероятно, иногда соединялись, скрещивались, слипались вместе, ветвились, отнимали от соседей куски, сами обрывались... То есть, были уже налицо все признаки живой жизни. ничего потом не возникло на совершенно пустом месте.
Главное – в этой гипотезе нет никакого “камня преткновения”, принципиально трудного к осуществлению момента. Все могло произойти в четкой причинно-следственной последовательности, логическим образом. И, вероятно, не только в одном месте, а везде, где только имелись выше упомянутые, самые естественные условия. Предположительное время такого развития также не кажется растянутым на многие миллионы лет – из-за невероятного количества вариантов и “опытных образцов”, время химической эволюции могла умещаться даже на несколько десятков лет, а то и на один сезон... Попутно делаем вывод, что такое развитие могло происходить по нескольку раз, если из-за какой-то глобальной катастрофы первые попытки оказывались неудачными. И конечно же, такие простые условия обязательно должны существовать во многих местах Вселенной.
Первые клетки – просто мешочки с озерной водой
Такие “полуживые” молекулярные коллективы могли заполнять и все озеро, как настоящий “первичный бульон”, но вероятнее всего, они помещались небольшими колониями на камнях. Возможно и появление свободно плавающих комков, “коацерватов”. Со временем на поверхности воды должны были образоваться пленки подсыхающей органики, они тоже могли служить прекрасным жилищем для “наших” колоний. Но для того, чтобы сделать новый качественный скачок в эволюции, эти молекулярные сообщества должны были уже одеться в собственные, самими созданные оболочки, обособиться тем самым в отдельные индивиды...
Если учесть сказанные выше предположения, это также не представляется слишком уж сложным. Среди разнообразных молекулярных образований обязательно были такие, которые могли соединяться в пленки. Такие пленки сразу после своего появления оказывались выгодными для “популяции” как удобный субстрат для размещения, то есть имелся большой стимул к “научению” синтезизировать их самостоятельно, включить это “умение” в процесс воспроизводства. Неизвестно каким образом, но рано или поздно это должно было произойти.
Когда в молекулярной “популяции” появились “наследственные” производители оболочки, они самым примитивным образом должны были заключить своих собратьев в отдельные мешочки. Дальнейшее развитие пошло в этих мешочках, концентрация веществ в них несравненно увеличилась, процессы пошли быстрее, наиболее удачные мешочки росли и делились, сливались в вновь разделялись. Если не вдаваться слишком пристально на то, что у них внутри – по всем внешним признакам они уже были совсем как живые... Зеленые (если металлом для фотосинтеза был никель, но могли быть и другие), выделяют кислород, растут, размножаются. Не то съедают соседей, не то совокупляются с ними – пока что нет разницы... Внутри них и между ними полным ходом идет бурное развитие, естественный отбор и борьба за существование...
Так как еще было очень далеко до особых механизмов деления клетки, в такие мешочки при разделении надвое случайно попадалось разное количество нужных и ненужных молекул. По этой причине, естественный отбор должен был сделать их достаточно большими, чтоб каждый нужный тип молекул встречался там внутри в многократном повторении.
И вот, всего этого для первого сотворения жизни достаточно, больше уже ничего принципиального не требуется. Такие клетки – мешочки с озерной водой могли существовать сколь угодно долго, могли бесконечно размножаться, выделять кислород и производить органические вещества хоть во вселенских масштабах. Дальнейшее их развитие до высоких форм жизни тоже было обеспечено, это было всего лишь вопросом времени и удачи.
Судя по тому, что все ныне существующие живые организмы имеют единообразный наследственный аппарат и клеточное строение, видовое разнообразие жизни возникло намного позже, только после очень долгого эволюционного развития. А “наши” первые эти мешочки, да и многие их потомки, не умели передавать из поколения в поколение строго определенный набор наследственных признаков, наследование оставалось коррелятивным хотя бы в смысле набора хромосом. Поэтому, они также не умели, наверное, четко разделять свое от чужого, поедание от слияния. Но это уже была жизнь... В некотором, “поэтическом” смысле, даже “золотой век”...
...Представьте себе, напоследок, вынесение таких, не то чтоб живых, но полуживых мешочков, похожих на икринок, из родного озера по реке на морской залив... Из-за реакции выделенного ими кислорода с дигидроксидом железа, залив, наверное, окрасился в жутковатый кроваво-красный цвет... А потом, через некоторое время, зазеленел... И так