Автор - Міфтахов Зубаер Мударісовіч,
(Біолог)
Фотосинтетичний ТЕОРІЯ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ
(Теорія виникнення життя, заснована на початковому фотосинтезу на природних комплексних з'єднаннях металів і корелятивні передачі ознак у спадок)
Ключові моменти
- У найдавнішому океані не могло бути ніякого "первинного бульйону" з готових органічних речовин;
- Життя виникла не в океані, а в прісноводому великому проточному озері;
- Молода життя з самого початку повинна була безперервно підживлюватися новими дозами енергії і речовини, то такий харчування не повинна була бути занадто мутагенної;
- Органічне розвиток почався з фотосинтезу на природних комплексних з'єднаннях металів;
- Відтворення собі подібних в довгий початковий період носив корелятивних характер (тобто грунтувався на відтворенні всього лише трохи схожих на себе);
- Життя виникла швидко, тобто за дуже короткий час знайшла здатність до активного обміну речовин і до розмноження;
- Перші клітини представляли собою всього лише мішечки з розчином органічних полімерів в озерній воді.
Дефіцит кисню на найдавнішій Землі. Неможливість "первинного бульйону"
Спочатку був тільки водень, більш складні хімічні елементи виникли тільки під час вибухів наднових зірок. Шар нових елементів у такій зірці буває схожий на тонку шкаралупу, так що, в утворилася після вибуху туманності водень продовжує складати переважна більшість маси. При згущенні цієї туманності в нову зоряну систему починаються хімічні реакції, і майже всі вони бувають реакціями з'єднання з воднем: утворюються вода (H 2 O), аміак (NH 3), метан (CH 4), сірководень (H 2 S) і т . д., а метали утворюють дуже неміцні гідриди, по суті більш схожі на розчини водню в металі (або навпаки).
Коли з такої туманності утворилося і загорілося наше Сонце, легкий водень із протопланетних згущень під дією тиску світла витіснили на далекі околиці Сонячної системи, більша частина його, мабуть розсіялася в міжзоряний простір, а решта згустилася в гігантські планети (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун ). Молода Земля напевно теж була оточена товстим шаром водневої атмосфери; водень також інтенсивно виділявся з центрального, в основному металевого згустку, але рано чи пізно, в космічний масштабах дуже скоро, весь цей водень випарувався в космос через свою надзвичайній легкості і рухливості.
Якщо не вдаватися у вже давно доведені, не особливо стосуються нашої теми геологічні подробиці, а говорити самим спрощеним чином - первісна Земля являла собою великий залізна куля, намочений зверху сірководневою водою. Але ось Земля нагрілася енергією власного ущільнення, розплавилася, і тут почалася бурхлива реакція води з металом, з утворенням оксидів (а також сульфідів і т.д.) і з виділенням водню. Поступово товстий шар нових сполук відділив металеве ядро від поверхневої води (точніше пари), що врятувало її від остаточного витрачення. (Скажімо попутно, що Марс, найімовірніше, позбувся води саме через занадто сильного перемішування своїх надр внаслідок малої сили тяжіння.)
Однак, залізо при таких бурхливих реакціях окислюється не повністю, не на всі свої три валентності, а тільки на дві, утворюючи в основному діоксид заліза (FeO), який, у свою чергу, легко розчиняється у воді з утворенням дігідроксіда заліза Fe (OH) 2. - Ось ця речовина як раз і є фатальним для можливого органічного розвитку в первинному океані! Також фатальним і для "класичних" "коацерватних" теорій виникнення життя, що беруть як першооснову для всього сущого так званий "первинний бульйон". Справа в тому, що в такому отруйному, агресивному розчині просто не могло існувати ніякого "бульйону".
Розглянемо більш докладно. Розчин Fe (OH) 2, чим був первинний океан - це суміш зеленувато-синього, "пляшкового" кольору, що володіє дуже сильними основними, і головне - відновні властивості. Недарма вона отруйна для всього живого. Її не до кінця окислені атоми заліза прагнуть "відібрати" кисень у всіх інших сполук, де тільки цей кисень хоча б злегка "хитається", тобто недостатньо міцно пов'язаний. При вдалому збігу ж інших обставин, наприклад при "допомоги" сонячного світла, двовалентне залізо може відірвати кисень навіть від молекули вуглекислого газу. Початкові органічні молекули океану (можливо принесені ще з космосу, а також синтезовані під час гроз) в такому агресивному середовищі дуже скоро повинні були втратити весь кисень, а заодно і сірку. Залишилися б одні тільки нефтеподобние насичені вуглеводні. Хоча, їх існування теж є питанням щодо недовгого часу - адже з'єднання типу-С-С-теж схильне "поділити" з двовалентних залізом молекулу води, віддавши йому кисень і з'єднавши собі два атоми водню, тим самим розділившись надвоє. Це енергетично вигідно ... Така реакція, щоправда, відбувається не відразу, не бурхливо, молекули "змушені" довго чекати підходящого зручного моменту. Але, як мідна статуя повільно вступає в "неможливу" реакцію з киснем повітря і покривається патиною, також повільно, але вірно "випаруються" з "пляшкового" океану, в кінці кінців, всі органічні речовини. З органіки в ньому залишиться хіба тільки мізерна кількість розчиненого метану.
Геть відмітаємо, тому, всі теорії космічного походження первинних органічних речовин. Вони там синтезуються, це доведено, але в гарячому залізному казані найдавнішої Землі від них не залишилося й сліду.
Також виключаємо з поля уваги первинний океан. Дігідроксід заліза з нього, як видно з геологічних даних, віддалилося тільки після досить сильного розвитку життя, після виникнення вже т.зв. "Залізних" бактерій. Саме в результаті діяльності яких утворилися величезні масиви осадових залізних руд в Австралії і в Курській магнітній аномалії. Хоча і вони, можливо, є лише малою частиною всього первинного заліза (може навіть вторинними), основну ж роль повинен був грати молекулярний кисень, виділений в атмосферу більш ранніми живими (а можливо і напівживими) істотами.
Але, може бути, "первинний бульйон" міг поступово, протягом мільйонів років, накопичитися в непроточних озерах? Джерелом нових речовин для нього могли б служити грозові розряди ... Так, деяке нагромадження могло мати місце. Але, таке "притулок" для "первинного бульйону" дуже вже хитка, хитке ... По-перше, інтенсивність гроз, як і інших атмосферних явищ, пропорційно температурі, а для тонкого органічного розвитку вона вже тоді мала ненабагато відрізнятиметься від нинішнього. До того ж, майже всі нові речовини від грози, крім хіба азотних, дуже скоро нейтралізуються назад. По-друге, геологія молодої Землі не могла дуже вже довго тримати в незайманому стані непроточні озеро. А по-третє, це мабуть найголовніше - урагани і смерчі фізично відривають воду з океану, пил океанічних солей постійно витає в атмосфері, - двовалентне залізо могло таким чином потроху потрапляти в будь-яку точку Землі і пригнічувати занадто повільне накопичення органічних речовин. Звичайно, життя могло почати розвиватися і на малих концентраціях (далі про це і буде йти мова), але дочекатися "бульйону" і "коацерватів" на привнесених тільки ззовні матеріалах, все ж, не видається скільки-небудь реальним. Довелося б занадто вже сильно "притягувати за вуха".
Світло - єдине реальне джерело енергії для раннього органічного розвитку
Дуже важливим є також енергетична сторона питання. Безперервне підживлення все новими порціями енергії - харчування - є фундаментальним умовою не тільки живого життя, а й взагалі будь-яких скільки-небудь тривалих хімічних процесів. Тому що всі "самостійні" реакції прагнуть до стабілізації, до нейтралізації, при цьому ще розпорошують неабияку частку енергії на виділення тепла. Які б не були складні і різноманітні речовини в передбачуваному "первинному бульйоні", тому, без постійного підживлення ззовні він дуже скоро перетворився б, навіть у хімічному сенсі слова, в мертву рідину, без будь-яких внутрішніх змін і потенційного запасу енергії. Хорошим прикладів для ілюстрації цього служить звичайна рибна консервна банка - там є повний набір речовин для виникнення життя, але консерва не тільки не оживає, вона не змінюється ніяк, хоч в електронний мікроскоп подивися. (Хіба що з роками прагне стати однорідним холодцем.) Деякі теоретики, особливо напирає на позаземне походження первинної органіки, часто геть-чисто забувають цю сторону питання.
До честі інших, більш розумних, - вони намагаються залучити в свої теорії хоч якісь джерела підживлення. Популярніше всього, мабуть, грози. Але таке примарне "харчування", притому океану, відразу починає вимагати від органічних молекул первинної життя багатьох мільйонів років поджіданія своєї частки квантів, на жаль. Не кажучи вже про вищесказаному двовалентне залозі ...
А жорстке космічне випромінювання ще гірше - воно скоріше буде руйнувати ніжну органіку, ніж підживлювати її вільними радикалами. Правда, на цій основі можна вигадати гарненький сюжет для фантастики: нібито десь під рентгенівської зіркою знаходиться велике озеро, в ньому вічна печера, а в печері живуть істоти і харчуються обривками рентгенівської бомбардування ...
Є, правда, і більш реалістичні гіпотези, ховали нове життя від жорсткого випромінювання під пісок, в товщу глини, або в далекі глибини ... Природа багатогранна, і такий варіант начебто заслуговує розгляду ... Тільки ось, хімічні продукти жорсткого випромінювання навряд чи будуть менш агресивними й руйнівними, ніж саме таке випромінювання. Крім того, хто сказав, що найдавніша Земля знемагала під жорстким випромінюванням? На ділі могло бути трохи ультрафіолету, але і воно під великим сумнівом - адже озоновий шар атмосфери, службовець екраном від нього, в основному утворюється через руйнування молекул води у вищих шарах тим же самим жорстким випромінюванням. Він, найімовірніше, був з самого початку часів.
Є навіть гіпотези, що привертають енергію тихого скреготу здавлених гірських порід - теж не найгірший запасний варіант у Господа Бога ...
"Чорні курці" ще туди ж ... Це, втім, досить серйозно, майже всім умовам відповідає. Хоча, стривайте, ми ж уже виключили океан з поля уваги через "проклятого" двовалентного заліза ... Так що, вибачте, відпадає ...
Але є ще всіма ясно видимий, ідеальний у всіх відношеннях джерело енергії - це звичайний сонячне світло. Він досить м'який, щоб не зруйнувати навіть найніжніші хімічні зв'язки, особливо властиві живому, і в той же час - несе в собі високі заряди енергії, здатні вибити електрон з орбіти атома і утворити вільний радикал, потрібно тільки відповідний, особливий уловлювач цієї енергії. У наш, нині, як широко відомо, такими вловлювачами є молекули хлорофілу у зелених рослин, а в них ключовими елементами "лову" служать атоми нікелю.
Виникає звідси природне запитання - а не чи існують і в неживій природі подібні ж вловлювачі, нехай навіть набагато більш примітивні, низькоефективних? Адже їх існування дало б ключ до розв'язання дуже багатьох теоретичних проблем, пов'язаних і з накопиченням органічних речовин, і з підживленням все новими порціями енергії зароджується життя., І з її розміщенням в найбільш зручних, теплих місцях, і зі швидкістю еволюції ...
Вони існують ... Більш того, буквально валяються під ногами на кожному кроці.
Фотосинтез на комплексних з'єднаннях - найперший крок до життя
Справа в тому, що всі кольорові речовини, по суті, безпосередньо близько взаємодіють зі світлом, раз так "небайдужі" до малих змін частоти коливань світла (одних частот відображають, а інших поглинають). При цьому більшість відразу повертаються у вихідне положення, кожен по-своєму "обробивши" з променем. Але є й так звані флоуресценти і люмінесцентними, які досить надовго поглинають квант енергії від світла, переносячи свій електрон на вищий рівень, а потім, багато згодом, випромінюють цей квант вже у вигляді власного спектру. (Сувеніри, зроблені з їх застосуванням, дуже довго світяться в темряві після погашення лампочки.) Водні розчини солей міді, хрому, нікелю, заліза, кобальту яскраво світяться своїм особливим світлом: у них електрони атома металу досить сильно перетягнуті в бік молекул води і легше збуджується від фотона, "заряджений" електрон при цьому вельми довго "блукає" у водному комплексі, перш ніж випроменить зайву енергію назад. Але є і більш складні комплексні сполуки, на зразок "червоної кров'яної солі", які здатні передати збуджений електрон в нові, стійкі хімічні зв'язки, тобто є ефективними каталізаторами. До речі, з тієї самої причини вельми отруйні ... При вдалому збігу обставин вони, хоч і рідко, можуть і воду з вуглекислим газом з'єднати (якщо, наприклад, їх молекули теж виявляться заздалегідь кілька збудженими, або зіштовхнуться в безпосередній близькості до хмари порушеної світлом електрона). Такі реакції, правда, нетипові, їх не покажеш на уроці хімії, але вони все ж постійно відбуваються. ... А для нас цікавить питання якраз важливо не кількість, а принципове наявність таких реакцій, адже часу у нас, вірніше тієї давньої природи, практично не обмежена. Мільйон таких реакцій в склянці розчину на день, наприклад, - повне ніщо за ступенем ймовірності і кількості, - але для "експерименту" природи дасть мільйон дослідних зразків! (Насправді буде далеко не тільки мільйон.)
Отже, в нашій теорії ми припускаємо, що шлях до виникнення життя почався в якомусь дрібному світлому водоймі, дно якого вистилали кольорові піски. Атоми металу з них потроху розчинялися у воді, не це не так важливо - вони могли просто виступати на поверхню піщаних крупинок (для атомів і молекул - цілі континенти, проте). Водоймище цей, швидше за все - прісноводне озеро, чисте від отруйного заліза, проточное, щоб позбавлятися від тисячолітніх накопичень таких отрут, але вельми велике, щоб у його дрібних затоках досить довго трималися частинки, що зароджується. Для цієї мети зараз добре підходили б Великі озера Америки, або Ладога, може і Байкал, хоча там обмаль мілководь. Таких багато, і в стародавньому світі їх повинно було бути не менше. Ось у таких місцях і повинні були відбуватися ті самі одиничні, випадкові реакції фотосинтезу. У результаті їх повинні були утворитися самі різні, випадкові нові речовини. Якщо взяти для прикладу згадану вже реакцію води і вуглекислого газу, то при цьому утворюються метиловий спирт і молекула кисню, обидва дуже активні реагенти для подальших процесів. Але це лише найбільш наочний приклад, насправді ж у тій воді повинні були бути присутніми метан, аміак, сірководень, солі фосфору і дуже багато інших речовин, які могли утворити і більш ефективні комплексні сполуки з металами, і велика різноманітність активних речовин зі "схопленої "часткою енергії. Нестачі з варіантами у природі там напевно не було.
Так, самим природним, можна сказати, неминучим чином повинні були виникати перші органічні речовини для початку розвитку по шляху виникнення життя. Накопичення густого "бульйону" при цьому зовсім не потрібно було - речовини могли концентруватися прямо на місці свого синтезу, адсорбируясь на поверхні піщинок. Процес подальшого розвитку за часом теж починався відразу ж, не чекаючи якихось запасів.
Ось, власне, і всі рішення питання "початкового поштовху", включаючи "первинний бульйон", "коацерватів", джерело подальшого безперервного живлення, спокійного і теплого місця ... Сумніви можуть, мабуть, виникнути лише стосовно достатньої стартовою ефективності фотосинтезу на випадкових каменях - що ж, це ж можна перевірити експериментально. Сучасні методи зможуть виявити можливі малі накопичення органічних речовин на поверхні підходящих каменів ... Особисто я заздалегідь упевнений в повній успішності таких перевірок ... При цьому ще "тихенько" припускаю і виявлення перших ознак копіювання "у спадок". Дуже навіть може бути, адже хімічна еволюція, на відміну від людської, відбувається з неймовірною швидкістю. Те, про що буде написано далі, в принципі може статися і за лічені дні ... Ніяких мільйонів років ...
(Біолог)
Фотосинтетичний ТЕОРІЯ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ
(Теорія виникнення життя, заснована на початковому фотосинтезу на природних комплексних з'єднаннях металів і корелятивні передачі ознак у спадок)
Ключові моменти
- У найдавнішому океані не могло бути ніякого "первинного бульйону" з готових органічних речовин;
- Життя виникла не в океані, а в прісноводому великому проточному озері;
- Молода життя з самого початку повинна була безперервно підживлюватися новими дозами енергії і речовини, то такий харчування не повинна була бути занадто мутагенної;
- Органічне розвиток почався з фотосинтезу на природних комплексних з'єднаннях металів;
- Відтворення собі подібних в довгий початковий період носив корелятивних характер (тобто грунтувався на відтворенні всього лише трохи схожих на себе);
- Життя виникла швидко, тобто за дуже короткий час знайшла здатність до активного обміну речовин і до розмноження;
- Перші клітини представляли собою всього лише мішечки з розчином органічних полімерів в озерній воді.
Дефіцит кисню на найдавнішій Землі. Неможливість "первинного бульйону"
Спочатку був тільки водень, більш складні хімічні елементи виникли тільки під час вибухів наднових зірок. Шар нових елементів у такій зірці буває схожий на тонку шкаралупу, так що, в утворилася після вибуху туманності водень продовжує складати переважна більшість маси. При згущенні цієї туманності в нову зоряну систему починаються хімічні реакції, і майже всі вони бувають реакціями з'єднання з воднем: утворюються вода (H 2 O), аміак (NH 3), метан (CH 4), сірководень (H 2 S) і т . д., а метали утворюють дуже неміцні гідриди, по суті більш схожі на розчини водню в металі (або навпаки).
Коли з такої туманності утворилося і загорілося наше Сонце, легкий водень із протопланетних згущень під дією тиску світла витіснили на далекі околиці Сонячної системи, більша частина його, мабуть розсіялася в міжзоряний простір, а решта згустилася в гігантські планети (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун ). Молода Земля напевно теж була оточена товстим шаром водневої атмосфери; водень також інтенсивно виділявся з центрального, в основному металевого згустку, але рано чи пізно, в космічний масштабах дуже скоро, весь цей водень випарувався в космос через свою надзвичайній легкості і рухливості.
Якщо не вдаватися у вже давно доведені, не особливо стосуються нашої теми геологічні подробиці, а говорити самим спрощеним чином - первісна Земля являла собою великий залізна куля, намочений зверху сірководневою водою. Але ось Земля нагрілася енергією власного ущільнення, розплавилася, і тут почалася бурхлива реакція води з металом, з утворенням оксидів (а також сульфідів і т.д.) і з виділенням водню. Поступово товстий шар нових сполук відділив металеве ядро від поверхневої води (точніше пари), що врятувало її від остаточного витрачення. (Скажімо попутно, що Марс, найімовірніше, позбувся води саме через занадто сильного перемішування своїх надр внаслідок малої сили тяжіння.)
Однак, залізо при таких бурхливих реакціях окислюється не повністю, не на всі свої три валентності, а тільки на дві, утворюючи в основному діоксид заліза (FeO), який, у свою чергу, легко розчиняється у воді з утворенням дігідроксіда заліза Fe (OH) 2. - Ось ця речовина як раз і є фатальним для можливого органічного розвитку в первинному океані! Також фатальним і для "класичних" "коацерватних" теорій виникнення життя, що беруть як першооснову для всього сущого так званий "первинний бульйон". Справа в тому, що в такому отруйному, агресивному розчині просто не могло існувати ніякого "бульйону".
Розглянемо більш докладно. Розчин Fe (OH) 2, чим був первинний океан - це суміш зеленувато-синього, "пляшкового" кольору, що володіє дуже сильними основними, і головне - відновні властивості. Недарма вона отруйна для всього живого. Її не до кінця окислені атоми заліза прагнуть "відібрати" кисень у всіх інших сполук, де тільки цей кисень хоча б злегка "хитається", тобто недостатньо міцно пов'язаний. При вдалому збігу ж інших обставин, наприклад при "допомоги" сонячного світла, двовалентне залізо може відірвати кисень навіть від молекули вуглекислого газу. Початкові органічні молекули океану (можливо принесені ще з космосу, а також синтезовані під час гроз) в такому агресивному середовищі дуже скоро повинні були втратити весь кисень, а заодно і сірку. Залишилися б одні тільки нефтеподобние насичені вуглеводні. Хоча, їх існування теж є питанням щодо недовгого часу - адже з'єднання типу-С-С-теж схильне "поділити" з двовалентних залізом молекулу води, віддавши йому кисень і з'єднавши собі два атоми водню, тим самим розділившись надвоє. Це енергетично вигідно ... Така реакція, щоправда, відбувається не відразу, не бурхливо, молекули "змушені" довго чекати підходящого зручного моменту. Але, як мідна статуя повільно вступає в "неможливу" реакцію з киснем повітря і покривається патиною, також повільно, але вірно "випаруються" з "пляшкового" океану, в кінці кінців, всі органічні речовини. З органіки в ньому залишиться хіба тільки мізерна кількість розчиненого метану.
Геть відмітаємо, тому, всі теорії космічного походження первинних органічних речовин. Вони там синтезуються, це доведено, але в гарячому залізному казані найдавнішої Землі від них не залишилося й сліду.
Також виключаємо з поля уваги первинний океан. Дігідроксід заліза з нього, як видно з геологічних даних, віддалилося тільки після досить сильного розвитку життя, після виникнення вже т.зв. "Залізних" бактерій. Саме в результаті діяльності яких утворилися величезні масиви осадових залізних руд в Австралії і в Курській магнітній аномалії. Хоча і вони, можливо, є лише малою частиною всього первинного заліза (може навіть вторинними), основну ж роль повинен був грати молекулярний кисень, виділений в атмосферу більш ранніми живими (а можливо і напівживими) істотами.
Але, може бути, "первинний бульйон" міг поступово, протягом мільйонів років, накопичитися в непроточних озерах? Джерелом нових речовин для нього могли б служити грозові розряди ... Так, деяке нагромадження могло мати місце. Але, таке "притулок" для "первинного бульйону" дуже вже хитка, хитке ... По-перше, інтенсивність гроз, як і інших атмосферних явищ, пропорційно температурі, а для тонкого органічного розвитку вона вже тоді мала ненабагато відрізнятиметься від нинішнього. До того ж, майже всі нові речовини від грози, крім хіба азотних, дуже скоро нейтралізуються назад. По-друге, геологія молодої Землі не могла дуже вже довго тримати в незайманому стані непроточні озеро. А по-третє, це мабуть найголовніше - урагани і смерчі фізично відривають воду з океану, пил океанічних солей постійно витає в атмосфері, - двовалентне залізо могло таким чином потроху потрапляти в будь-яку точку Землі і пригнічувати занадто повільне накопичення органічних речовин. Звичайно, життя могло почати розвиватися і на малих концентраціях (далі про це і буде йти мова), але дочекатися "бульйону" і "коацерватів" на привнесених тільки ззовні матеріалах, все ж, не видається скільки-небудь реальним. Довелося б занадто вже сильно "притягувати за вуха".
Світло - єдине реальне джерело енергії для раннього органічного розвитку
Дуже важливим є також енергетична сторона питання. Безперервне підживлення все новими порціями енергії - харчування - є фундаментальним умовою не тільки живого життя, а й взагалі будь-яких скільки-небудь тривалих хімічних процесів. Тому що всі "самостійні" реакції прагнуть до стабілізації, до нейтралізації, при цьому ще розпорошують неабияку частку енергії на виділення тепла. Які б не були складні і різноманітні речовини в передбачуваному "первинному бульйоні", тому, без постійного підживлення ззовні він дуже скоро перетворився б, навіть у хімічному сенсі слова, в мертву рідину, без будь-яких внутрішніх змін і потенційного запасу енергії. Хорошим прикладів для ілюстрації цього служить звичайна рибна консервна банка - там є повний набір речовин для виникнення життя, але консерва не тільки не оживає, вона не змінюється ніяк, хоч в електронний мікроскоп подивися. (Хіба що з роками прагне стати однорідним холодцем.) Деякі теоретики, особливо напирає на позаземне походження первинної органіки, часто геть-чисто забувають цю сторону питання.
До честі інших, більш розумних, - вони намагаються залучити в свої теорії хоч якісь джерела підживлення. Популярніше всього, мабуть, грози. Але таке примарне "харчування", притому океану, відразу починає вимагати від органічних молекул первинної життя багатьох мільйонів років поджіданія своєї частки квантів, на жаль. Не кажучи вже про вищесказаному двовалентне залозі ...
А жорстке космічне випромінювання ще гірше - воно скоріше буде руйнувати ніжну органіку, ніж підживлювати її вільними радикалами. Правда, на цій основі можна вигадати гарненький сюжет для фантастики: нібито десь під рентгенівської зіркою знаходиться велике озеро, в ньому вічна печера, а в печері живуть істоти і харчуються обривками рентгенівської бомбардування ...
Є, правда, і більш реалістичні гіпотези, ховали нове життя від жорсткого випромінювання під пісок, в товщу глини, або в далекі глибини ... Природа багатогранна, і такий варіант начебто заслуговує розгляду ... Тільки ось, хімічні продукти жорсткого випромінювання навряд чи будуть менш агресивними й руйнівними, ніж саме таке випромінювання. Крім того, хто сказав, що найдавніша Земля знемагала під жорстким випромінюванням? На ділі могло бути трохи ультрафіолету, але і воно під великим сумнівом - адже озоновий шар атмосфери, службовець екраном від нього, в основному утворюється через руйнування молекул води у вищих шарах тим же самим жорстким випромінюванням. Він, найімовірніше, був з самого початку часів.
Є навіть гіпотези, що привертають енергію тихого скреготу здавлених гірських порід - теж не найгірший запасний варіант у Господа Бога ...
"Чорні курці" ще туди ж ... Це, втім, досить серйозно, майже всім умовам відповідає. Хоча, стривайте, ми ж уже виключили океан з поля уваги через "проклятого" двовалентного заліза ... Так що, вибачте, відпадає ...
Але є ще всіма ясно видимий, ідеальний у всіх відношеннях джерело енергії - це звичайний сонячне світло. Він досить м'який, щоб не зруйнувати навіть найніжніші хімічні зв'язки, особливо властиві живому, і в той же час - несе в собі високі заряди енергії, здатні вибити електрон з орбіти атома і утворити вільний радикал, потрібно тільки відповідний, особливий уловлювач цієї енергії. У наш, нині, як широко відомо, такими вловлювачами є молекули хлорофілу у зелених рослин, а в них ключовими елементами "лову" служать атоми нікелю.
Виникає звідси природне запитання - а не чи існують і в неживій природі подібні ж вловлювачі, нехай навіть набагато більш примітивні, низькоефективних? Адже їх існування дало б ключ до розв'язання дуже багатьох теоретичних проблем, пов'язаних і з накопиченням органічних речовин, і з підживленням все новими порціями енергії зароджується життя., І з її розміщенням в найбільш зручних, теплих місцях, і зі швидкістю еволюції ...
Вони існують ... Більш того, буквально валяються під ногами на кожному кроці.
Фотосинтез на комплексних з'єднаннях - найперший крок до життя
Справа в тому, що всі кольорові речовини, по суті, безпосередньо близько взаємодіють зі світлом, раз так "небайдужі" до малих змін частоти коливань світла (одних частот відображають, а інших поглинають). При цьому більшість відразу повертаються у вихідне положення, кожен по-своєму "обробивши" з променем. Але є й так звані флоуресценти і люмінесцентними, які досить надовго поглинають квант енергії від світла, переносячи свій електрон на вищий рівень, а потім, багато згодом, випромінюють цей квант вже у вигляді власного спектру. (Сувеніри, зроблені з їх застосуванням, дуже довго світяться в темряві після погашення лампочки.) Водні розчини солей міді, хрому, нікелю, заліза, кобальту яскраво світяться своїм особливим світлом: у них електрони атома металу досить сильно перетягнуті в бік молекул води і легше збуджується від фотона, "заряджений" електрон при цьому вельми довго "блукає" у водному комплексі, перш ніж випроменить зайву енергію назад. Але є і більш складні комплексні сполуки, на зразок "червоної кров'яної солі", які здатні передати збуджений електрон в нові, стійкі хімічні зв'язки, тобто є ефективними каталізаторами. До речі, з тієї самої причини вельми отруйні ... При вдалому збігу обставин вони, хоч і рідко, можуть і воду з вуглекислим газом з'єднати (якщо, наприклад, їх молекули теж виявляться заздалегідь кілька збудженими, або зіштовхнуться в безпосередній близькості до хмари порушеної світлом електрона). Такі реакції, правда, нетипові, їх не покажеш на уроці хімії, але вони все ж постійно відбуваються. ... А для нас цікавить питання якраз важливо не кількість, а принципове наявність таких реакцій, адже часу у нас, вірніше тієї давньої природи, практично не обмежена. Мільйон таких реакцій в склянці розчину на день, наприклад, - повне ніщо за ступенем ймовірності і кількості, - але для "експерименту" природи дасть мільйон дослідних зразків! (Насправді буде далеко не тільки мільйон.)
Отже, в нашій теорії ми припускаємо, що шлях до виникнення життя почався в якомусь дрібному світлому водоймі, дно якого вистилали кольорові піски. Атоми металу з них потроху розчинялися у воді, не це не так важливо - вони могли просто виступати на поверхню піщаних крупинок (для атомів і молекул - цілі континенти, проте). Водоймище цей, швидше за все - прісноводне озеро, чисте від отруйного заліза, проточное, щоб позбавлятися від тисячолітніх накопичень таких отрут, але вельми велике, щоб у його дрібних затоках досить довго трималися частинки, що зароджується. Для цієї мети зараз добре підходили б Великі озера Америки, або Ладога, може і Байкал, хоча там обмаль мілководь. Таких багато, і в стародавньому світі їх повинно було бути не менше. Ось у таких місцях і повинні були відбуватися ті самі одиничні, випадкові реакції фотосинтезу. У результаті їх повинні були утворитися самі різні, випадкові нові речовини. Якщо взяти для прикладу згадану вже реакцію води і вуглекислого газу, то при цьому утворюються метиловий спирт і молекула кисню, обидва дуже активні реагенти для подальших процесів. Але це лише найбільш наочний приклад, насправді ж у тій воді повинні були бути присутніми метан, аміак, сірководень, солі фосфору і дуже багато інших речовин, які могли утворити і більш ефективні комплексні сполуки з металами, і велика різноманітність активних речовин зі "схопленої "часткою енергії. Нестачі з варіантами у природі там напевно не було.
Так, самим природним, можна сказати, неминучим чином повинні були виникати перші органічні речовини для початку розвитку по шляху виникнення життя. Накопичення густого "бульйону" при цьому зовсім не потрібно було - речовини могли концентруватися прямо на місці свого синтезу, адсорбируясь на поверхні піщинок. Процес подальшого розвитку за часом теж починався відразу ж, не чекаючи якихось запасів.
Ось, власне, і всі рішення питання "початкового поштовху", включаючи "первинний бульйон", "коацерватів", джерело подальшого безперервного живлення, спокійного і теплого місця ... Сумніви можуть, мабуть, виникнути лише стосовно достатньої стартовою ефективності фотосинтезу на випадкових каменях - що ж, це ж можна перевірити експериментально. Сучасні методи зможуть виявити можливі малі накопичення органічних речовин на поверхні підходящих каменів ... Особисто я заздалегідь упевнений в повній успішності таких перевірок ... При цьому ще "тихенько" припускаю і виявлення перших ознак копіювання "у спадок". Дуже навіть може бути, адже хімічна еволюція, на відміну від людської, відбувається з неймовірною швидкістю. Те, про що буде написано далі, в принципі може статися і за лічені дні ... Ніяких мільйонів років ...
Зароджающаяся життя повинна була харчуватися ситно, кожен день і зі свого городу
Якщо на час відкинути з голови все вищесказане, і уявити, що життя все-таки, якимось чином виникла до фотосинтезу, і ось вже така клітина плаває у воді, ворушить вусиками - то ми знову опинимося перед повним абсурдом: чому ж вона тоді харчувалася? Все так само чекала подачок від випадкових гроз в атмосфері? А адже всередині клітини, навіть якщо вона зовсім не ворушиться, не витрачає енергію, повинні бути дуже активні і притому ніжні органічні сполуки, які так і рвуться з чим-небудь відреагувати і нейтралізуватися. Навіть сухе пшеничне зерно через два-три роки стає через це мертвої ... Не кажучи вже про всілякі сторонніх отрути ... Не кажучи про те, що так довгоочікувана нова порція активної речовини від грози в дев'яносто дев'яти випадках від ста просто прийде і зруйнує, ніж розвине далі ... З'їдати сусідів дуже невигідно в тому ж енергетичному плані: як же їх нагнати, відкусити або відсмоктати без великого і впевненого запасу енергії? І чи багато від них отсосешь без "обробки" киснем? Це ж все одно що відкрити дві консервні банки, злити в один і законсервувати знову ... Збирати залишки "первинного бульйону" теж немає сенсу - адже вони вже (при допущенні, що взагалі були) давно нейтральні, знаходяться на самому дні "енергетичної ями", щоб вичавити з них ще хоч щось, обов'язково потрібен той же кисень .. .
Ну звичайно, давню життя "рятують", зводячи її до анаеробного харчування, навіть шкільні підручники повторюють про це ... Але, що ж це таке насправді? Насправді - сучасні анаеробні бактерії просто вправно користуються високоактивними, предостатньо насиченими киснем речовинами, створеними аеробами і фотосінтезаторамі, виробляють невелику внутрішню перебудову, окислюючи один недоокислених атом вуглецю, які стояли поруч недовідновлення атомом кисню. Навіть це вони можуть виконати тільки зі строго обмеженими видами органічних сполук, головним чином з вуглеводами.
Навіть якщо, вже вкотре, відставити всі сказані заперечення - де і в якому етапі неорганічного розвитку могли утворитися речовини з майже зайвими, "висячими" атомами кисню? І як вони могли вижити в пекельних умовах розплавленого металу, так жадібного до окислювачів? Ну добре, закриємо очі й на це ... Але тоді ще питання - чи так вже важко було вміє хоч якось розмножуватися живим істотам-анаеробів перебродити все, що бродить? Уявіть собі океан свіжого молока - скільки днів буде потрібно, щоб з нього вийшов океан кисляку? А далі що? Дуже вчасно, день-у-день наспів фотосинтез, до якого природа не могла додуматися ось вже багато мільйонів років? - Скільки, однак, повних абсурдів, але ж при всьому при тому - живуть і процвітають в серйозній науці ...
З уже згаданих тут мимохіть заперечень проти "класичних" абсурдів, слід, мабуть, особливо зупинитися на двох найбільш важливих, здатних поставити під сумнів взагалі будь-яке виникнення життя.
Перше з них - проблема високої мутагенності будь-якого зовнішнього спонтанного харчування. Для перших ступенів виникнення життя ми ж розглядаємо харчування саме, головним чином як засіб для мутацій. А мутагени, як відомо, в тисячах і мільйонах випадків руйнують, перш ніж в одному випадку хоча б не нашкодити. Якщо, приміром, імовірність нешкідливо мутацій одно 1 / 1000, то дві нешкідливі мутації поспіль випадуть з імовірністю 1 / 1000000 - в грубому наближенні, от у таку "гру" грала знову виникає життя, харчуючись навіть "нашими" самими м'якими випадковими речовинами з фотосинтезуючих комплексів. Є тільки одна "лазівка" - чим примітивніше вже наявне будова, тим менше ймовірності шкоди від мутацій - ось і повинна була нова життя як-то "проскочити" випадкове мутагенну харчування і встигнути дорости до "натурального", тобто чітко налагодженого способу харчування, перш ніж згадана "гра" стала вже зовсім безнадійною. Всі сучасні живі істоти, як відомо, харчуються або собі подібними, або суворо конкретними речовинами від фото-і хемосинтезу. Доразвіться до такого рівня - чи не найбільша ризикована стадія при виникненні життя. Але, раз ось ми сидимо-пишемо про це, значить, доразвілісь як-то, "проскочили" ...
Висока мутагенність речовин, одержуваних від гроз, від космічного жорсткого випромінювання, від жару або отрути земних надр, робить їх, навіть не враховуючи всі вже сказані інші заперечення, абсолютно непридатними для харчування первинної життя. До того ж цього, "класичні" теорії адже нічого нового не пропонують вже якось вдало виникли живим істотам, залишаючи їх чекати все тих же гостро мутагенних речовин протягом довгих мільйонів років.
Друга, не менш критична проблема - побіжно згаданий випадок з пшеничним зерном ... Дуже тонко влаштовані молекули живого життя, тим більше у воді, ніяк не можуть спокійно чекати своєї наступної удачі протягом довгих тисяч і мільйонів років ... З фізики широко відомо, що навіть у теплій воді в двадцять градусів, є окремі частинки зі швидкістю, що відповідає багатьом сотням градусів - їхній удар по живій молекулі буде адекватним додатком розжареного заліза. Навіть сучасні, мають багато спеціальних захисних механізмів живі істоти рятуються від такої напасті тільки постійним оновленням внутрішніх структур і швидкою зміною поколінь. Щоправда, можуть заперечити, що деякі бактерії десятки тисяч років залишаються життєздатними під товщею вічних льодів, або виживають на місячній поверхні ... Але ж це не самі бактерії, ах їх спеціально на те пристосовані суперечки, де все необхідне скручено в щільний сухий клубочок, а ми ведемо мову про найбільш примітивних, ледь виникли, вірніше, ще виникають істот, вільно розпластаних в рідкому середовищі.
Так що, життя повинна була, по-перше - з самого початку мати "своє власне", місцеве харчування і швидко встигнути виробити единообразность, стандартність цього харчування, а по-друге - дуже швидко встигнути доразвіться від неживого до живого, з активним обмінів речовин і зміною поколінь, а не розтягувати цей процес на мільйони років.
Всім вищезазначеним жорстким вимогам, на нашу думку, відповідає тільки один шлях розвитку - шлях, яка відразу ж починається з фотосинтезу, основного джерела живлення майже всіх живих істот і до цього дня.
Фотосинтетичні харчування і корелятивне спадкування - два ключові властивості первісної життя
Занадто наївним було б також вважати, що хлорофіл виник одного разу відразу в результаті якоїсь чудесної мутації у вже процвітаючому живому організмі, це неможливо хоча б через занадто велику складність цього з'єднання. Фотосинтез, тобто світлові реакції, широко поширені і в неживій природі, йому здатні дуже багато речовин. Тут ми вже припустили, що синтез земної органіки розпочався саме на них. Одночасно повинен був початися і довгий шлях еволюції хлорофілу.
Отже, природні комплексні сполуки металів на дні "нашого" озера створили навколо себе певну кількість активних речовин, серед них і органічних молекул різної складності ... Наступним кроком буде вже виникнення нових і нових фотосінезірующіх комплексів з участю цих же речовин. Так як вони дуже різноманітні, фотосинтетична активність нових комплексів теж буде різноманітною. Найактивніші з них, краще стимулюючи процес, створять навколо себе якісь "зелені острівці", тим самим ще більше підсилять подальший розвиток. Все, що може бути досягнуто таким спонтанним чином, в кінці кінців буде досягнуто. На цьому етапі ще немає спрямованого відбору, немає "стимулу", мало зворотних зв'язків і впливів, все відбувається чисто фізично, але результат напевно буде хорошим. І виникнуть досить непогані умови для початку складної хімічної еволюції органічних речовин.
Одночасно з появою простих органічних молекул почнеться і їх полімеризація, незабаром на піщинах і в навколишній воді з'являться більш-менш довгі нитки. На полімеризацію в м'яких умовах найбільше здатні амінокислоти і вуглеводи, серед мономерів напевно переважали вони, може навіть два чи три мономеру, але при однотипності в основному, повинно було мати місце і велике розмаїття в деталях. (Як, наприклад, з мільярдів однакових в основному людей кожен відрізняється чимось своїм особливим.)
Як у відомій казці з ведмедем і мужиком, у нас, звичайно, тут вже виникає "головний" питання - а молекули ДНК серед них були? Якщо ще ні, то як побудувати теорію, щоб вони неодмінно з'явилися, притому природним чином, прямо з води? Проте, вірогідність мимовільного виникнення потрібних для ДНК компонентів і їх випадкової збірки в подвійні ланцюги практично дорівнює нулю ... Саме на цій підставі і робляться висновки про те, що мимовільне виникнення життя неможливо. Які б хороші речі в природі не з'явилися, мовляв, без ДНК їх не можна буде передавати наступним поколінням ...
Між тим, однак, вся природа, все життя навколо нас же влаштовані дещо інакше ... У них так мало точної чіткості, чорного і білого, одиниць і нулів, все тримається на півтонах, на схожість, на тонких натяках і нагадуваннях ... На кореляціях ... Але й у мікросвіті, виявляється, відбувається майже те ж саме, хоча на це вчені-хіміки тільки недавно почали приділяти більш пильну увагу. Більшість "питань" і серед молекул вирішують не повні плюси і мінуси, не окремі кульки електронів і атомів, а тонкі "віяння" сусідніх хмар і плавні вигини тіл ... Спробуємо-ка і ми підійти до "наших" стародавнім озерним полімерам з такої точки зору.
Будь-яка полімерна нитка, нехай навіть поліетиленова, має деяку поверхневу активність, і слабенько притягує до себе інші молекули. Пропливають повз нитки молекула, тому, прилипне до неї на деякий час, і там буде чекати собі іншої пари. Іншими словами, полімерна нитка служить субстратом, запалом для побудови вздовж себе нової полімерної нитки. (Явище, дуже широко поширене в природі: навіть крапельки дощу обов'язково утворюються навколо якоїсь порошинки.) При цьому, прилипання на нитку полімеру буде відбуватися не абияк, а по щільності електронної хмари на цьому місці - розрідження на полімері буде притягувати ущільнення на мономере і навпаки. Таку ж велику роль відіграє і конфігурація молекул - вони легше притягнуться туди, куди найбільше підходять як ключ до замка. І все це, зауважте - всього лише схильності молекул, тут немає ще точних відповідностей, на одне і те ж місце можуть прилипнуть десятки різних сортів, новий мономер може прирости до полімеру і без жодних сусідніх впливів ... Новий полімер, що виріс вздовж старого, аж ніяк не буде точною дзеркальною копією його. Але, все ж таки буде його дзеркальним нагадуванням, успадкує в собі його деякі особливості.
При цьому, зауважимо ще раз, не має значення тип органічного полімеру і складових його мономерів. Вони можуть бути амінокислотними, нуклеїновими, вуглеводними і всякими іншими, а також сумішами. Передача "у спадок" "натяків" буде мати місце в будь-якому випадку.
Третій полімер, що виріс вздовж другого, буде вже не дзеркальним, а прямим "нагадуванням" першого ... - Ось, власне, і весь секрет давньої, первісної передачі ознак у спадок ... Залишається тільки додати, що ті полімери, які більш точно передавали свої ознаки новим, поступово збільшувалися в кількості, інакше кажучи, розмножувалися.
Правда, це розмноження однотипних полімерів саме по собі ще нічого не дає для подальшого розвитку: тому що в цьому немає "вигоди" в еволюційному сенсі. Щоб з'явилася "вигода", повинна з'явитися зворотна залежність між корелятивні розмноженням полімерів і продуктивністю фотосинтезуючих комплексів. Просування вперед повинен привести до кращого харчування.
Іншими словами, той полімер, який "вміє" більш точно відтворювати самого себе, одночасно повинен був "вміти" створювати більш ефективні фотосинтезуючі комплекси. Такий збіг зовсім не здається малоймовірним, бо довгі молекулярні нитки вже самі по собі є хорошими переносниками електронний збурень. Але все ж не можна категорично, безпосередньо пов'язувати самі "копіюється" полімери з процесом фотосинтезу, зв'язок могла бути і більш складною, опосередкованої. Наприклад, на полімерній нитки (на іншому боці, скажімо) могли з'явитися ділянки, попутно синтезують інші речовини. Корисними могли бути просто обривки ниток. Синтез того чи іншого речовини уздовж нитки міг залежати від первісного мономеру (тобто, в одних випадках - "копія", а в інших - каталізатор). Природа усіма своїми явищами займається одночасно і постійно, не можна сказати, що ось мовляв, вона створила фотосинтез, потім приступила до полімерів, а потім до ферментів, і ось на черзі зачатки рибосом - все могло відбувається зовсім не так і не в такому порядку, як ми собі уявляємо. Ми зараз можемо говорити і писати лише в найзагальніших рисах, вловити якісь великі напрямки, але не більше. - Так чи інакше, скажімо тому, з'явилася залежність між розмноженням схожих полімерів і зростанням ефективності фотосинтезу. Це в свою чергу дало більше їжі для тих же самих полімерів. І таким чином, почав працювати перший, але вже цілком дарвінівський природний відбір. До чого воно призвело, ми теж не можемо наочно описати, але, давайте чисто умоглядно припустимо, що до кінця цього етапу "наші" полімери вже вміли якось каталізувати синтез своїх же мономерів, а самі почали перебудовуватися на "класичні" нуклеотиди. І в озері розцвіли великі "зелені" поля, засіяні цими першими зачатками життя.
Що потрібно для великого палацу, те ж саме потрібно і для маленької хатини, кажуть у народі. Най-най початкової, ще тільки хімічною життя, за такою ж логікою, могло знадобитися всі одразу: і мономери, та каталізатори, і всілякі синтезатори, і закріплювач-збирачі, і багато іншого. Забезпечити все однією довгою ниткою, звичайно, було неможливо. Природно припустити, що хімічна "життя" в озері була колективною, в її забезпеченні брали участь десятки і сотні різних молекулярних сполук. Вони, ймовірно, іноді з'єднувалися, схрещувалися, злипалися разом, гілкувалися, забирали від сусідів шматки, самі обривалися ... Тобто, були вже в наявності всі ознаки живого життя. нічого потім не виникло на зовсім порожньому місці.
Головне - в цій гіпотезі немає ніякого "каменя спотикання", принципово важкого до здійснення моменту. Все могло статися в чіткій причинно-наслідкового послідовності, логічним чином. І, ймовірно, не тільки в одному місці, а скрізь, де тільки були вище згадані, самі природні умови. Очікувана час такого розвитку також не здається розтягнутим на багато мільйонів років - з-за неймовірної кількості варіантів і "досвідчених зразків", час хімічної еволюції могла уміщатися навіть на кілька десятків років, а то й на один сезон ... Попутно робимо висновок, що такий розвиток могло відбуватися по кілька разів, якщо через якийсь глобальної катастрофи перші спроби виявлялися невдалими. І звичайно ж, такі прості умови обов'язково повинні існувати в багатьох місцях Всесвіту.
Перші клітини - просто мішечки з озерною водою
Такі "напівживі" молекулярні колективи могли заповнювати і все озеро, як справжній "первинний бульйон", але найімовірніше, вони містилися невеликими колоніями на каменях. Можливо і поява вільно плаваючих грудок, "коацерватів". З часом на поверхні води повинні були утворитися плівки підсихаючою органіки, вони теж могли служити прекрасним житлом для "наших" колоній. Але для того, щоб зробити новий якісний стрибок в еволюції, ці молекулярні співтовариства повинні були вже одягнутися у власні, самими створені оболонки, відокремитися тим самим в окремі індивіди ...
Якщо врахувати сказані вище припущення, це також не видається занадто вже складним. Серед різноманітних молекулярних утворень обов'язково були такі, які могли з'єднуватися у плівки. Такі плівки відразу після своєї появи виявлялися вигідними для "популяції" як зручний субстрат для розміщення, тобто був великий стимул до "научению" сінтезізіровать їх самостійно, включити це "вміння" в процес відтворення. Невідомо яким чином, але рано чи пізно це повинно було статися.
Коли в молекулярній "популяції" з'явилися "спадкові" виробники оболонки, вони найпримітивнішим чином повинні були укласти своїх побратимів в окремі мішечки. Подальший розвиток пішло в цих мішечках, концентрація речовин у них незрівнянно збільшилася, процеси пішли швидше, найбільш вдалі мішечки росли і ділилися, зливалися в знову розділялися. Якщо не вдаватися занадто пильно на те, що у них всередині - за всіма зовнішніми ознаками вони вже були зовсім як живі ... Зелені (якщо металом для фотосинтезу був нікель, але могли бути й інші), виділяють кисень, ростуть, розмножуються. Не те з'їдають сусідів, не те злягаються з ними - поки що немає різниці ... Усередині них і між ними повним ходом йде бурхливий розвиток, природний добір і боротьба за існування ...
Так як ще було дуже далеко до особливих механізмів поділу клітини, в такі мішечки при поділі надвоє випадково потрапляло різну кількість потрібних і непотрібних молекул. З цієї причини, природний відбір повинен був зробити їх досить великими, щоб кожен потрібний тип молекул зустрічався там всередині в багаторазовому повторенні.
І ось, всього цього для першого створення життя досить, більше вже нічого принципового не потрібно. Такі клітини - мішечки з озерною водою могли існувати як завгодно довго, могли нескінченно розмножуватися, виділяти кисень і виробляти органічні речовини хоч у всесвітніх масштабах. Подальший їх розвиток до високих форм життя теж було забезпечено, це було всього лише питанням часу і удачі.
Судячи з того, що всі нині існуючі живі організми мають однаковий спадковий апарат і клітинну будову, видове різноманіття життя виникло набагато пізніше, тільки після дуже тривалого еволюційного розвитку. А "наші" перші ці мішечки, та й багато їх нащадки, не вміли передавати з покоління в покоління строго певний набір спадкових ознак, успадкування залишалося корелятивні хоча б у сенсі набору хромосом. Тому, вони також не вміли, напевно, чітко розділяти своє від чужого, поїдання від злиття. Але це вже було життя ... У деякому, "поетичному" сенсі, навіть "золотий вік" ...
... Уявіть собі, наостанок, винесення таких, не те щоб живих, але напівживих мішечків, схожих на ікринок, з рідного озера по річці на морську затоку ... Через реакцію виділеного ними кисню з дігідроксідом заліза, затоку, напевно, убрався в моторошний криваво-червоний колір ... А потім, через деякий час, зазеленів ... І так пішло життя на планеті Земля ...
10.01.2008
Автор - Міфтахов Зубаер Мударісовіч,
(Біолог)
Якщо на час відкинути з голови все вищесказане, і уявити, що життя все-таки, якимось чином виникла до фотосинтезу, і ось вже така клітина плаває у воді, ворушить вусиками - то ми знову опинимося перед повним абсурдом: чому ж вона тоді харчувалася? Все так само чекала подачок від випадкових гроз в атмосфері? А адже всередині клітини, навіть якщо вона зовсім не ворушиться, не витрачає енергію, повинні бути дуже активні і притому ніжні органічні сполуки, які так і рвуться з чим-небудь відреагувати і нейтралізуватися. Навіть сухе пшеничне зерно через два-три роки стає через це мертвої ... Не кажучи вже про всілякі сторонніх отрути ... Не кажучи про те, що так довгоочікувана нова порція активної речовини від грози в дев'яносто дев'яти випадках від ста просто прийде і зруйнує, ніж розвине далі ... З'їдати сусідів дуже невигідно в тому ж енергетичному плані: як же їх нагнати, відкусити або відсмоктати без великого і впевненого запасу енергії? І чи багато від них отсосешь без "обробки" киснем? Це ж все одно що відкрити дві консервні банки, злити в один і законсервувати знову ... Збирати залишки "первинного бульйону" теж немає сенсу - адже вони вже (при допущенні, що взагалі були) давно нейтральні, знаходяться на самому дні "енергетичної ями", щоб вичавити з них ще хоч щось, обов'язково потрібен той же кисень .. .
Ну звичайно, давню життя "рятують", зводячи її до анаеробного харчування, навіть шкільні підручники повторюють про це ... Але, що ж це таке насправді? Насправді - сучасні анаеробні бактерії просто вправно користуються високоактивними, предостатньо насиченими киснем речовинами, створеними аеробами і фотосінтезаторамі, виробляють невелику внутрішню перебудову, окислюючи один недоокислених атом вуглецю, які стояли поруч недовідновлення атомом кисню. Навіть це вони можуть виконати тільки зі строго обмеженими видами органічних сполук, головним чином з вуглеводами.
Навіть якщо, вже вкотре, відставити всі сказані заперечення - де і в якому етапі неорганічного розвитку могли утворитися речовини з майже зайвими, "висячими" атомами кисню? І як вони могли вижити в пекельних умовах розплавленого металу, так жадібного до окислювачів? Ну добре, закриємо очі й на це ... Але тоді ще питання - чи так вже важко було вміє хоч якось розмножуватися живим істотам-анаеробів перебродити все, що бродить? Уявіть собі океан свіжого молока - скільки днів буде потрібно, щоб з нього вийшов океан кисляку? А далі що? Дуже вчасно, день-у-день наспів фотосинтез, до якого природа не могла додуматися ось вже багато мільйонів років? - Скільки, однак, повних абсурдів, але ж при всьому при тому - живуть і процвітають в серйозній науці ...
З уже згаданих тут мимохіть заперечень проти "класичних" абсурдів, слід, мабуть, особливо зупинитися на двох найбільш важливих, здатних поставити під сумнів взагалі будь-яке виникнення життя.
Перше з них - проблема високої мутагенності будь-якого зовнішнього спонтанного харчування. Для перших ступенів виникнення життя ми ж розглядаємо харчування саме, головним чином як засіб для мутацій. А мутагени, як відомо, в тисячах і мільйонах випадків руйнують, перш ніж в одному випадку хоча б не нашкодити. Якщо, приміром, імовірність нешкідливо мутацій одно 1 / 1000, то дві нешкідливі мутації поспіль випадуть з імовірністю 1 / 1000000 - в грубому наближенні, от у таку "гру" грала знову виникає життя, харчуючись навіть "нашими" самими м'якими випадковими речовинами з фотосинтезуючих комплексів. Є тільки одна "лазівка" - чим примітивніше вже наявне будова, тим менше ймовірності шкоди від мутацій - ось і повинна була нова життя як-то "проскочити" випадкове мутагенну харчування і встигнути дорости до "натурального", тобто чітко налагодженого способу харчування, перш ніж згадана "гра" стала вже зовсім безнадійною. Всі сучасні живі істоти, як відомо, харчуються або собі подібними, або суворо конкретними речовинами від фото-і хемосинтезу. Доразвіться до такого рівня - чи не найбільша ризикована стадія при виникненні життя. Але, раз ось ми сидимо-пишемо про це, значить, доразвілісь як-то, "проскочили" ...
Висока мутагенність речовин, одержуваних від гроз, від космічного жорсткого випромінювання, від жару або отрути земних надр, робить їх, навіть не враховуючи всі вже сказані інші заперечення, абсолютно непридатними для харчування первинної життя. До того ж цього, "класичні" теорії адже нічого нового не пропонують вже якось вдало виникли живим істотам, залишаючи їх чекати все тих же гостро мутагенних речовин протягом довгих мільйонів років.
Друга, не менш критична проблема - побіжно згаданий випадок з пшеничним зерном ... Дуже тонко влаштовані молекули живого життя, тим більше у воді, ніяк не можуть спокійно чекати своєї наступної удачі протягом довгих тисяч і мільйонів років ... З фізики широко відомо, що навіть у теплій воді в двадцять градусів, є окремі частинки зі швидкістю, що відповідає багатьом сотням градусів - їхній удар по живій молекулі буде адекватним додатком розжареного заліза. Навіть сучасні, мають багато спеціальних захисних механізмів живі істоти рятуються від такої напасті тільки постійним оновленням внутрішніх структур і швидкою зміною поколінь. Щоправда, можуть заперечити, що деякі бактерії десятки тисяч років залишаються життєздатними під товщею вічних льодів, або виживають на місячній поверхні ... Але ж це не самі бактерії, ах їх спеціально на те пристосовані суперечки, де все необхідне скручено в щільний сухий клубочок, а ми ведемо мову про найбільш примітивних, ледь виникли, вірніше, ще виникають істот, вільно розпластаних в рідкому середовищі.
Так що, життя повинна була, по-перше - з самого початку мати "своє власне", місцеве харчування і швидко встигнути виробити единообразность, стандартність цього харчування, а по-друге - дуже швидко встигнути доразвіться від неживого до живого, з активним обмінів речовин і зміною поколінь, а не розтягувати цей процес на мільйони років.
Всім вищезазначеним жорстким вимогам, на нашу думку, відповідає тільки один шлях розвитку - шлях, яка відразу ж починається з фотосинтезу, основного джерела живлення майже всіх живих істот і до цього дня.
Фотосинтетичні харчування і корелятивне спадкування - два ключові властивості первісної життя
Занадто наївним було б також вважати, що хлорофіл виник одного разу відразу в результаті якоїсь чудесної мутації у вже процвітаючому живому організмі, це неможливо хоча б через занадто велику складність цього з'єднання. Фотосинтез, тобто світлові реакції, широко поширені і в неживій природі, йому здатні дуже багато речовин. Тут ми вже припустили, що синтез земної органіки розпочався саме на них. Одночасно повинен був початися і довгий шлях еволюції хлорофілу.
Отже, природні комплексні сполуки металів на дні "нашого" озера створили навколо себе певну кількість активних речовин, серед них і органічних молекул різної складності ... Наступним кроком буде вже виникнення нових і нових фотосінезірующіх комплексів з участю цих же речовин. Так як вони дуже різноманітні, фотосинтетична активність нових комплексів теж буде різноманітною. Найактивніші з них, краще стимулюючи процес, створять навколо себе якісь "зелені острівці", тим самим ще більше підсилять подальший розвиток. Все, що може бути досягнуто таким спонтанним чином, в кінці кінців буде досягнуто. На цьому етапі ще немає спрямованого відбору, немає "стимулу", мало зворотних зв'язків і впливів, все відбувається чисто фізично, але результат напевно буде хорошим. І виникнуть досить непогані умови для початку складної хімічної еволюції органічних речовин.
Одночасно з появою простих органічних молекул почнеться і їх полімеризація, незабаром на піщинах і в навколишній воді з'являться більш-менш довгі нитки. На полімеризацію в м'яких умовах найбільше здатні амінокислоти і вуглеводи, серед мономерів напевно переважали вони, може навіть два чи три мономеру, але при однотипності в основному, повинно було мати місце і велике розмаїття в деталях. (Як, наприклад, з мільярдів однакових в основному людей кожен відрізняється чимось своїм особливим.)
Як у відомій казці з ведмедем і мужиком, у нас, звичайно, тут вже виникає "головний" питання - а молекули ДНК серед них були? Якщо ще ні, то як побудувати теорію, щоб вони неодмінно з'явилися, притому природним чином, прямо з води? Проте, вірогідність мимовільного виникнення потрібних для ДНК компонентів і їх випадкової збірки в подвійні ланцюги практично дорівнює нулю ... Саме на цій підставі і робляться висновки про те, що мимовільне виникнення життя неможливо. Які б хороші речі в природі не з'явилися, мовляв, без ДНК їх не можна буде передавати наступним поколінням ...
Між тим, однак, вся природа, все життя навколо нас же влаштовані дещо інакше ... У них так мало точної чіткості, чорного і білого, одиниць і нулів, все тримається на півтонах, на схожість, на тонких натяках і нагадуваннях ... На кореляціях ... Але й у мікросвіті, виявляється, відбувається майже те ж саме, хоча на це вчені-хіміки тільки недавно почали приділяти більш пильну увагу. Більшість "питань" і серед молекул вирішують не повні плюси і мінуси, не окремі кульки електронів і атомів, а тонкі "віяння" сусідніх хмар і плавні вигини тіл ... Спробуємо-ка і ми підійти до "наших" стародавнім озерним полімерам з такої точки зору.
Будь-яка полімерна нитка, нехай навіть поліетиленова, має деяку поверхневу активність, і слабенько притягує до себе інші молекули. Пропливають повз нитки молекула, тому, прилипне до неї на деякий час, і там буде чекати собі іншої пари. Іншими словами, полімерна нитка служить субстратом, запалом для побудови вздовж себе нової полімерної нитки. (Явище, дуже широко поширене в природі: навіть крапельки дощу обов'язково утворюються навколо якоїсь порошинки.) При цьому, прилипання на нитку полімеру буде відбуватися не абияк, а по щільності електронної хмари на цьому місці - розрідження на полімері буде притягувати ущільнення на мономере і навпаки. Таку ж велику роль відіграє і конфігурація молекул - вони легше притягнуться туди, куди найбільше підходять як ключ до замка. І все це, зауважте - всього лише схильності молекул, тут немає ще точних відповідностей, на одне і те ж місце можуть прилипнуть десятки різних сортів, новий мономер може прирости до полімеру і без жодних сусідніх впливів ... Новий полімер, що виріс вздовж старого, аж ніяк не буде точною дзеркальною копією його. Але, все ж таки буде його дзеркальним нагадуванням, успадкує в собі його деякі особливості.
При цьому, зауважимо ще раз, не має значення тип органічного полімеру і складових його мономерів. Вони можуть бути амінокислотними, нуклеїновими, вуглеводними і всякими іншими, а також сумішами. Передача "у спадок" "натяків" буде мати місце в будь-якому випадку.
Третій полімер, що виріс вздовж другого, буде вже не дзеркальним, а прямим "нагадуванням" першого ... - Ось, власне, і весь секрет давньої, первісної передачі ознак у спадок ... Залишається тільки додати, що ті полімери, які більш точно передавали свої ознаки новим, поступово збільшувалися в кількості, інакше кажучи, розмножувалися.
Правда, це розмноження однотипних полімерів саме по собі ще нічого не дає для подальшого розвитку: тому що в цьому немає "вигоди" в еволюційному сенсі. Щоб з'явилася "вигода", повинна з'явитися зворотна залежність між корелятивні розмноженням полімерів і продуктивністю фотосинтезуючих комплексів. Просування вперед повинен привести до кращого харчування.
Іншими словами, той полімер, який "вміє" більш точно відтворювати самого себе, одночасно повинен був "вміти" створювати більш ефективні фотосинтезуючі комплекси. Такий збіг зовсім не здається малоймовірним, бо довгі молекулярні нитки вже самі по собі є хорошими переносниками електронний збурень. Але все ж не можна категорично, безпосередньо пов'язувати самі "копіюється" полімери з процесом фотосинтезу, зв'язок могла бути і більш складною, опосередкованої. Наприклад, на полімерній нитки (на іншому боці, скажімо) могли з'явитися ділянки, попутно синтезують інші речовини. Корисними могли бути просто обривки ниток. Синтез того чи іншого речовини уздовж нитки міг залежати від первісного мономеру (тобто, в одних випадках - "копія", а в інших - каталізатор). Природа усіма своїми явищами займається одночасно і постійно, не можна сказати, що ось мовляв, вона створила фотосинтез, потім приступила до полімерів, а потім до ферментів, і ось на черзі зачатки рибосом - все могло відбувається зовсім не так і не в такому порядку, як ми собі уявляємо. Ми зараз можемо говорити і писати лише в найзагальніших рисах, вловити якісь великі напрямки, але не більше. - Так чи інакше, скажімо тому, з'явилася залежність між розмноженням схожих полімерів і зростанням ефективності фотосинтезу. Це в свою чергу дало більше їжі для тих же самих полімерів. І таким чином, почав працювати перший, але вже цілком дарвінівський природний відбір. До чого воно призвело, ми теж не можемо наочно описати, але, давайте чисто умоглядно припустимо, що до кінця цього етапу "наші" полімери вже вміли якось каталізувати синтез своїх же мономерів, а самі почали перебудовуватися на "класичні" нуклеотиди. І в озері розцвіли великі "зелені" поля, засіяні цими першими зачатками життя.
Що потрібно для великого палацу, те ж саме потрібно і для маленької хатини, кажуть у народі. Най-най початкової, ще тільки хімічною життя, за такою ж логікою, могло знадобитися всі одразу: і мономери, та каталізатори, і всілякі синтезатори, і закріплювач-збирачі, і багато іншого. Забезпечити все однією довгою ниткою, звичайно, було неможливо. Природно припустити, що хімічна "життя" в озері була колективною, в її забезпеченні брали участь десятки і сотні різних молекулярних сполук. Вони, ймовірно, іноді з'єднувалися, схрещувалися, злипалися разом, гілкувалися, забирали від сусідів шматки, самі обривалися ... Тобто, були вже в наявності всі ознаки живого життя. нічого потім не виникло на зовсім порожньому місці.
Головне - в цій гіпотезі немає ніякого "каменя спотикання", принципово важкого до здійснення моменту. Все могло статися в чіткій причинно-наслідкового послідовності, логічним чином. І, ймовірно, не тільки в одному місці, а скрізь, де тільки були вище згадані, самі природні умови. Очікувана час такого розвитку також не здається розтягнутим на багато мільйонів років - з-за неймовірної кількості варіантів і "досвідчених зразків", час хімічної еволюції могла уміщатися навіть на кілька десятків років, а то й на один сезон ... Попутно робимо висновок, що такий розвиток могло відбуватися по кілька разів, якщо через якийсь глобальної катастрофи перші спроби виявлялися невдалими. І звичайно ж, такі прості умови обов'язково повинні існувати в багатьох місцях Всесвіту.
Перші клітини - просто мішечки з озерною водою
Такі "напівживі" молекулярні колективи могли заповнювати і все озеро, як справжній "первинний бульйон", але найімовірніше, вони містилися невеликими колоніями на каменях. Можливо і поява вільно плаваючих грудок, "коацерватів". З часом на поверхні води повинні були утворитися плівки підсихаючою органіки, вони теж могли служити прекрасним житлом для "наших" колоній. Але для того, щоб зробити новий якісний стрибок в еволюції, ці молекулярні співтовариства повинні були вже одягнутися у власні, самими створені оболонки, відокремитися тим самим в окремі індивіди ...
Якщо врахувати сказані вище припущення, це також не видається занадто вже складним. Серед різноманітних молекулярних утворень обов'язково були такі, які могли з'єднуватися у плівки. Такі плівки відразу після своєї появи виявлялися вигідними для "популяції" як зручний субстрат для розміщення, тобто був великий стимул до "научению" сінтезізіровать їх самостійно, включити це "вміння" в процес відтворення. Невідомо яким чином, але рано чи пізно це повинно було статися.
Коли в молекулярній "популяції" з'явилися "спадкові" виробники оболонки, вони найпримітивнішим чином повинні були укласти своїх побратимів в окремі мішечки. Подальший розвиток пішло в цих мішечках, концентрація речовин у них незрівнянно збільшилася, процеси пішли швидше, найбільш вдалі мішечки росли і ділилися, зливалися в знову розділялися. Якщо не вдаватися занадто пильно на те, що у них всередині - за всіма зовнішніми ознаками вони вже були зовсім як живі ... Зелені (якщо металом для фотосинтезу був нікель, але могли бути й інші), виділяють кисень, ростуть, розмножуються. Не те з'їдають сусідів, не те злягаються з ними - поки що немає різниці ... Усередині них і між ними повним ходом йде бурхливий розвиток, природний добір і боротьба за існування ...
Так як ще було дуже далеко до особливих механізмів поділу клітини, в такі мішечки при поділі надвоє випадково потрапляло різну кількість потрібних і непотрібних молекул. З цієї причини, природний відбір повинен був зробити їх досить великими, щоб кожен потрібний тип молекул зустрічався там всередині в багаторазовому повторенні.
І ось, всього цього для першого створення життя досить, більше вже нічого принципового не потрібно. Такі клітини - мішечки з озерною водою могли існувати як завгодно довго, могли нескінченно розмножуватися, виділяти кисень і виробляти органічні речовини хоч у всесвітніх масштабах. Подальший їх розвиток до високих форм життя теж було забезпечено, це було всього лише питанням часу і удачі.
Судячи з того, що всі нині існуючі живі організми мають однаковий спадковий апарат і клітинну будову, видове різноманіття життя виникло набагато пізніше, тільки після дуже тривалого еволюційного розвитку. А "наші" перші ці мішечки, та й багато їх нащадки, не вміли передавати з покоління в покоління строго певний набір спадкових ознак, успадкування залишалося корелятивні хоча б у сенсі набору хромосом. Тому, вони також не вміли, напевно, чітко розділяти своє від чужого, поїдання від злиття. Але це вже було життя ... У деякому, "поетичному" сенсі, навіть "золотий вік" ...
... Уявіть собі, наостанок, винесення таких, не те щоб живих, але напівживих мішечків, схожих на ікринок, з рідного озера по річці на морську затоку ... Через реакцію виділеного ними кисню з дігідроксідом заліза, затоку, напевно, убрався в моторошний криваво-червоний колір ... А потім, через деякий час, зазеленів ... І так пішло життя на планеті Земля ...
10.01.2008
Автор - Міфтахов Зубаер Мударісовіч,
(Біолог)