Происхождение жизни (упорядоченный хаос приобретает интеллект)

Контекст наших исследований автоматически выходит на решение вопроса возникновения и формирования жизни. Причём, возникновение жизни предстаёт не чудесным и уникальным феноменом, а именно закономерным и широко распространённым явлением.

Из Большой советской энциклопедии можем почерпнуть такое определение и рассуждение о жизни: «Жизнь, высшая по сравнению с физической и химической форма существования материи, закономерно возникающая при определённых условиях в процессе её развития. Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ – непременным условием жизни, способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т. д. Однако строго научное разграничение на живые и неживые объекты встречает определённые трудности. Так, до сих пор нет единого мнения о том, можно ли считать живыми вирусы, которые вне клеток организма хозяина не обладают ни одним из атрибутов живого: в вирусной частице в это время отсутствуют метаболические процессы, она не способна размножаться и т. д.».

Простейшими живыми организмами являются прокариоты (Prokariota). Эти организмы не обладают клеточным ядром и хромосомным аппаратом. К прокариотам относят бактерии, синезелёные водоросли, риккетсии, микоплазмы и др. Материальный субстрат, связанный с передачей и реализацией наследственной информации, представлен у прокариот нитью дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Она имеет обычно кольцеобразную форму и локализована более или менее в центральной части организма. Эта часть, называемая нуклеоидом. Синезелёные водоросли были, вероятно, первыми автотрофными организмами, появившимися на Земле в процессе эволюции жизни. Напомним, автотрофные организмы – организмы, синтезирующие из неорганических веществ необходимые для жизни органические вещества. Одноклеточными прокариотами являются археи. Они устойчивости к факторам внешней среды (большая часть – экстремофилы).

 

1. Пространственно обособленные открытые системы

Для клеточной жизни характерно то, что она всегда представлена в виде определённых структур, пространственно обособленных от внешней среды, но постоянно взаимодействующих с ней по типу открытых систем. Поэтому следующим этапом эволюции на пути возникновения жизни было формирование определённой структурной организации абиогенно синтезированных органических соединений. Этот этап эволюции в настоящее время уже не является плодом умозрительных построений. Пространственно обособленные открытые системы можно получить экспериментальным путём из различных исходных компонентов.

С. Фокс (S. Fox), охлаждая растворённые в воде протеиноды, получил микроскопические частицы, названные им микросферами, которые обладали определённой внутренней организацией и рядом интересных, с биологической точки зрения, свойств. Смешивание раствора гуммиарабика и желатины приводит к формированию другого вида микроскопических структур, названных коацерватными каплями. Позднее было показано, что коацерваты возникают в результате объединения различных полимеров, например полипептидов и полинуклеотидов, при этом для получения коацерватов основное значение имеет не специфичность внутримолекулярного строения образующих их компонентов, а степень их полимеризации. Такие пространственно обособленные открытые системы, построенные из полимеров, были названы протоклетками (прогеноты).

Рис. 1. Протеиноидные микросферы С. Фокса.

Микросферы можно рассматривать в качестве модели протоклетки. Протеиноидные микросферы имеют сферическую форму, диаметр их в зависимости от условий получения колеблется от 0,5 до 7 мкм (см. рис. 1). По величине и форме они напоминают кокковые формы бактерий, иногда образзуют цепочки, похожие на цепочки стрептококков, Каждая микросфера содержит около 10 в степени 10 молекул протеиноида. Протеиноидные микросферы обладают определённой стабильностью: не разрушаются при центрифугировании, в солевых растворах устойчивее многих препаратов коацерватных капель.

При изменении условий внешней среды наблюдали движение материала внутри частицы от центра к периферии, деление микрочастицы и образование двойного пограничного слоя. Окрашивание по Граму обнаружило, что микросферы, образованные из кислых протеиноидов, грамотрицательны; микросферы, в состав которых входят в достаточном количестве основные протеиноиды, грамположительны. Из других свойств, присущих микросферам и представляющих интерес с эволюционной точки зрения, можно указать на существование у них барьеров с избирательной проницаемостью; способность к делению и почкованию; подвижность, возрастающую после добавления к суспензии микросфер АТФ; способность к наращиванию массы микрочастицы; тенденцию к контактированию друг с другом. В протеиноидных микросферах найдена ферментоподобная активность, которой обладали образующие их протеиноиды.

Рис. 2. Синтез и гидролиз крахмала в коацерватной капле: Ф1 – фосфорилаза; Ф2 – бета-амилаза.

Коацерватные капли отделены от раствора четко выраженной поверхностью, способны избирательно поглощать из среды некоторые вещества (аминокислоты, сахара, мононуклеотиды) и выделять в среду продукты протекающих в них реакций. Один из наиболее интересных опытов с коацерватными каплями состоял в том, что в коацерваты, образованные из гистона и гуммиарабика, вводили фермент фосфорилазу, а затем эти капли помещали в раствор глюкозо-1-фосфата. Коацерватные капли поглощали из раствора глюкозо-1-фосфат, и в них осуществлялось ферментативное превращение глюкозо-1-фосфата в крахмал, за счет скопления которого увеличивались размеры капли. Если в коацерватные капли вводить два фермента (фосфорилазу и бета-амилазу), то в них имеет место последовательно ферментативное превращение глюкозо-1-фосфата в крахмал и крахмала в мальтозу, которая диффундирует из капли в раствор (см. рис. 2).

Из приведенного примера видно, что коацерватные капли являются хорошей моделью открытой системы. Они способны поглощать из окружающей среды вещества и энергию, преобразовывать их в продукты синтеза или распада; продукты синтеза входят в состав капли, обеспечивая наращивание её массы, а продукты распада выделяются в среду. Скорости ферментативных реакций в коацерватных каплях существенно выше, чем в гомогенных растворах. Особенно чётко различие в скоростях проявляется при сочетании действия двух ферментов. Опыты с коацерватами показали важность надмолекулярной структурной организации и, в частности, ее значение для функционирования клеточных катализаторов.

Рис. 3. Пути клеточной эволюции. Тонкими стрелками обозначено эволюционирование разных групп прокариот, том числе давших начало митохондриям (1), хлоропластам (2), эукариотному ядру и цитоплазме (3). Жирными стрелками обозначено эволюционирование разных групп эукариот.

На модели коацерватных капель была показана связь между уровнем внутренней организации капель и их способностью к наращиванию массы. Оказалось, что в одинаковых условиях капли, обладающие более совершенной экспериментально созданной внутренней организацией, наращивают массу быстрее, чем капли, внутренняя организация которых менее совершенна. Для последних характерны также меньшая стабильность и более быстрый распад. Естественно, что дальнейшая судьба обоих типов коацерватных капель неодинакова. Очевидно преимущество коацерватов, обладающих большей стабильностью в условиях окружающей среды и более длительным временем существования.

Пространственно обособленные системы с определенным уровнем структурной организации приобрели новые свойства, отсутствующие у образующих их органических соединений. Эти свойства (зачатки метаболизма, способность к самоподдержанию структуры и наращиванию массы) присущи более высокому уровню организации материи, поэтому их можно рассматривать как зачатки тех свойств, дальнейшее развитие которых в совокупности привело к возникновению живых клеток.

2. Формирование белков

Представим, пожалуй, самое фундаментальное определение понятия: жизнь – форма существования белковых тел.

Все известные ныне объекты, обладающие несомненными атрибутами живого, имеют в своём составе два основных типа биополимеров: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Белки, протеины, высокомолекулярные природные органические вещества, построенные из аминокислот и играющие фундаментальную роль в структуре и жизнедеятельности организмов. Именно белки (ферменты и др.) осуществляют обмен веществ и энергетические превращения, неразрывно связанные с активными биологическими функциями.

Выше мы показали, как С. Фокс осуществил абиогенный синтез полипептидов. Они состояли из 18 природных аминокислот с молекулярной массой от 3000 до 10000 Да. Особенностью первичной структуры этих полимеров была обнаруженная у них определенная последовательность аминокислотных остатков в цепи, обусловленная, вероятно, структурными особенностями самих аминокислот. Полученные полимеры обладали многими свойствами, сближающими их с природными белками: служили источником питания для микроорганизмов, гидролизовались протеиназами, при кислотном гидролизе давали смесь аминокислот, обладали каталитической активностью и способностью к образованию микросистем, отграниченных от окружающей среды мембраноподобными поверхностными слоями. Из-за большого сходства с природными белками полипептиды, синтезированные С. Фоксом, были названы протеиноидами (белковоподобными веществами).

Белок всех организмов состоит из 20 видов аминокислот. В молекулах белка аминокислоты соединены между собой пептидными связями (–СО–NH–) в линейной последовательности. Аминокислотные (полипептидные) цепи, содержащие аминокислоту цистин, в местах его расположения скреплены дисульфидными связями (–S–S–). Между аминокислотами в белке, как правило, не существует иных химических связей, кроме пептидных и дисульфидных. Для каждого белка не только состав, но и последовательность аминокислот в полипептидной цепи – первичная структура – строго индивидуальны; любое звено цепи – вполне определённая аминокислота. Все многочисленные виды белков, существующие в природе, различаются по первичной структуре; потенциально возможное их число практически неограниченно.

Рис. 4. Глицин.

Аминокислоты содержат наряду с карбоксильной группой –COOH аминогруппу –NH₂. Все белковые вещества построены из аминокислот. Двадцать важнейших аминокислот, входящих в состав белков, отвечают общей формуле RCH(NH₂)COOH и относятся к ?-аминокислотам. К ?-аминокислотам относятся RCH(NH₂)CH₂COOH. Представим некоторые аминокислоты:

• Глицин – NH₂CH₂COOH
• Аланин – CH₃CH(NH₂)COOH
• Цистеин – CH₂(SH)CH(NH₂)COOH
• Метионин – CH₂(SCH₃)CH₂CH(NH₂)COOH
• Валин – (СН₃)₂СНСН(МН₂)СООН
• Аспарагиновая – HOOCCH₂CH(NH₂)COOH
• Глутаминовая – HOOC(CH₂)₂CH(NH₂)COOH

Рис. 5. Кривая изменения ионизационных потенциалов в зависимости от атомного номера Z. С увеличением Z значение ионизационного потенциала в пределах одного периода возрастает, а в пределах одной группы – падает. Точки на кривой соответствуют химическим элементам.

Элементарный состав большинства белков – ¹H, ⁶C, ⁷N, ⁸O, ⁹F, ¹⁵P, ¹⁶S, из них: 50,6 – 54,5% углерода, 6,5 – 7,3% водорода, 21,5 – 23,5% кислорода, 15 – 17,6% азота, 0,3 – 2,5% серы; в состав ряда белков входит и фосфор.

Судя по рис. 5, минимальные уровни энергии требуются для синтеза именно этих элементов. И, как мы показали выше, именно эти элементы являются наиболее распространёнными во Вселенной, причём их распространённость зависит не только от энергии синтеза, но и от мощности «белой» дыры. Поясним, «белой» дырой в физике называется объект, посредством которого Природа решает задачу перевода пространства в вещество. В основе этого процесса лежит эффект рождения пар. Противопоставленным «белой» дыре объектом является «чёрная» дыра. Посредством неё Природа решает обратную задачу – перевод вещества в пространство, а в основе лежит эффект аннигиляции.

Для начала синтеза «белая» дыра должна минимально выдавать энергию, достаточную для синтеза водорода. И, если этот процесс будет длиться достаточно долго, то небесное тело будет состоять из нескольких групп элементов: 1 – водород и гелий и 2 – элементы группы «А» (наше обозначение). Если уровень энергии «белой» дыры будет ещё выше, то к этим прибавятся элементы группы «B» и т.д.

В группу «А» входят последовательно расположенные элементы – ⁶C, ⁷N, ⁸O, ⁹F. В группу «B» входят ещё два – ¹⁵P, ¹⁶S. Химические элементы группы «А» расположены на одном уровне энергии синтеза. Химические элементы группы «B» (фосфор, сера, хлор) расположены на том же уровне энергии синтеза, но, если элементам группы «А» требуется для синтеза 5 – 7 протонов (водород-1), то элементам группы «B» требуется от 14 до 16. То есть вероятность получения элементов группы «B» более низкая, чем вероятность получения элементов группы «А», хотя уровень энергии одинаков.

Все белки при полном гидролизе (расщеплении с присоединением воды) распадаются до свободных аминокислот, играющих роль мономеров в полимерной белковой молекуле. Аминокислоты – растворимы в воде. Их температура плавления высока – t_пл = 220 – 315°С. При биосинтезе белка порядок, последовательность расположения аминокислот задаются генетическим кодом, записанным в химической структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Таким образом, для зарождения жизни на любом небесном теле необходим комплекс условий, среди которых главные:

1.  
   1. наличие химических элементов, используемых в аминокислотах, – в первую очередь ¹H, ⁶C, ⁷N, ⁸O и во вторую – ¹⁵P, ¹⁶S;
   2. наличие условий, пригодных для химических реакций аминокислот.

Для сравнения приведём химический состав Юпитера: водород (H₂) – 89,8±2,0%; гелий (He) – 10,2±2,0%; метан (CH₄) – ~0,3%; аммоний (NH₄⁺) – ~0,026%; дейтерид водорода (HD) – ~0,003%; этан (CH₃–CH₃) – 0,0006%; вода (H₂O) – 0,0004%; гидросульфид аммония (NH₄SH). Юпитер излучает (в основном в инфракрасной области спектра) на 60% больше энергии, чем получает от Солнца. За счёт процессов, приводящих к выработке этой энергии, Юпитер уменьшается приблизительно на 2 см в год.

3. Условия окружающей среды

Археи широко распространены в окружающем мире, занимая, в том числе, и такие экологические ниши, которые недоступны другим живым организмам. В горячих источниках живут археи-термофилы, устойчивые к температурам +45 – +113°C; психрофилы способны к размножению при сравнительно низких температурах (–10 – +15°C); ацидофилы живут в кислотных средах (pH 1 – 5); алкалифилы предпочитают щелочи (pH 9 – 11). Барофилы выдерживают давление до 700 атмосфер, галофилы живут в соляных растворах с содержанием NaCl 25 – 30%. Ксерофилы выживают при минимальном уровне влаги.

Эти данные в совокупности с химическими требования аминокислот являются основными, которыми ограничена возможность существования жизни. В связи с этим, в первую очередь, определяющей для жизни на планете является стабильная работа «белой» дыры, находящейся в центре этой планеты. В недавней статье, опубликованной в журнале «Astrophysical Journal Letters», приведены расчёты, показывающие, что для планеты массой от 0,1 до 10 масс Земли с приблизительно таким же соотношением воды и суши, как на нашей планете, под внешней коркой льда может в течение длительного времени сохраняться слой жидкой воды толщиной несколько километров. На планете массой около 3,5 земных вода будет оставаться в жидком состоянии в течение 5 миллиардов лет. Кроме того, активная вулканическая деятельность приведёт к выбрасыванию углекислого газа, который, замерзая, будет покрывать планету толстым слоем, изолирующим внутренние слои от холода космического пространства. В таких условиях жидкая вода может сохраняться даже на планетах массой около 0,3 земных.

Вода в жидком виде может существовать на планете Gliese 581d, обращающей вокруг красного карлика Gilese 581, удалённого от Земли на расстояние 20,5 световых лет. Такой вывод сделали авторы статьи, опубликованной в журнале «Astronomy and Astrophysics». Масса Gliese 581d больше земной в семь или восемь раз, и, по всей видимости, это каменистая планета. Она находится на самой внешней границе зоны обитаемости своей звезды. Доказательств тому, что Земля не единственное место во Вселенной, где обитают живые организмы, становится все больше. Изучая снимки спутников Сатурна, полученные с межпланетного зонда Cassini, ученые обнаружили реки и озера с жидким метаном на Титане, атмосферу с кислородом на Рее и океан на Энцеладе.

Изучив снимки шестого по величине спутника Сатурна Энцелада, ученые выяснили: под застывшей поверхностью скрывается океан соленой воды, что указывает на вероятность присутствия каких-то форм жизни. Зонд Cassini сделал уникальные снимки гейзеров, извергающихся на Энцеладе в районе длинных разломов, названных тигровыми полосами. Учёные предположили, что источником водяного пара в загадочных выбросах является подземный океан воды. Тот же аппарат Cassini приблизился на 4330 миль к другому спутнику Сатурна – Елене. По результатам сближения аппарата в марте 2010 года учёные смогли заметить, что вся поверхность Елены покрыта инеем. Восемнадцатого июня 2011 г. зонд пролетел над границей тёмной и светлой областей ледяной глыбы.

Ранее астрономы обнаружили, что на еще одном спутнике планеты Титане есть озера и реки, регулярно происходят пыльные бури, а над его поверхностью находятся облака, подобные тем, что иногда фиксируют в верхних слоях земной атмосферы. Облака на Титане состоят из мельчайших частиц льда и пара. Крайне низкая температура на поверхности Титана для жизни не пригодна, однако в глубине его океанов теоретически температура может быть выше. Существует ряд предположений, что там условия вполне благоприятные для зарождения живых организмов.

4. Анализ зарождения жизни на небесных телах

Феномен под названием «жизнь» является закономерным развитием материального мира. На этом пути происходит следующая цепь распространённых событий. По мере формирования небесного тела, на нём устанавливаются некоторые условия, называемые «окружающей средой», а само тело формируется из некоторого набора химических элементов. Этот набор химических элементов практически во всех случаях достигает такого состава, которого достаточно для образования аминокислот и других необходимых составляющих белков.

Если условия окружающей среды на небесном теле соответствуют требованиям существования белковых тел, то белковые тела начинают образоваться в силу наличия на небесном теле случайно сформировавшихся нуклеиновых кислот. Переходной формой, вероятно, являют коацерватные капли, которые были созданы абиотическим путём, но вместе с тем, в них реализованы первичные функции живой клетки. Некоторым техническим аналогом этому можно рассматривать транзисторную ячейку, на основании которой в последствие были построены микросхемы и компьютеры.

Большинство небесных тел, способных сформировать твёрдую оболочку и называемых планетами, в определённый момент своего существования создают на своей поверхности условия, необходимые и достаточные для формирования аминокислот и белков, которые могут развиться далее в биологическую жизнь.

При наличии на небесном теле всех условий возникновения жизни решающую роль играет стабильная работа «белой» дыры, располагающейся в недрах небесного тела, на протяжении длительного времени. По опыту Земли, на процесс зарождения жизни начального этапа потребовалось около 4 млрд. лет. Только после этого жизнь приобрела действительно распознаваемые формы. Далеко не все небесные тела могут обеспечить стабильность условий, необходимых для течения жизни. В частности, «белая» дыра Луны функционировала всего 2 – 3 млрд. лет и не смогла обеспечить необходимых условий. То же касается и Марса.

Небесных тел – планет, – на которых возникла жизнь, во Вселенной множество. Различия между ними существуют в стадиях, на которых находится развитие жизни.

5. Переход к живым организованным структурам

Кроме существования в белковой форме, жизнь есть также и проявление интеллекта: уровень его – отдельный вопрос. Определений понятия «интеллект» множество. Большинство из них сводятся к следующим: интеллект (лат. intellectus – познание, понимание, рассудок), способность мышления, рационального познания; или: интеллект (лат. intellectus – ум, рассудок) – разум, способность мыслить, проницательность, совокупность умственных функций.

Сложно определить границу между познанием, понимание, рассудком, умом, разумом, проницательностью и способностью мыслить. И, не смотря на это обилие синонимов, они так и остаются таковыми, не производя принципиальной расшифровки существа термина «интеллект». Вряд ли мозг каждого в мире живого существа способен доказать исследователю то, что он, мозг того или иного существа, в состоянии воплотить все названные качества. Однако, несмотря на кажущееся отсутствие интеллекта у тех же растений, они умудряются не только выживать, но и вполне успешно существовать на протяжении многих поколений. Причём проявление той или иной степени приспособляемости, которая к тому же закрепляется генетически, говорит о состоявшихся процессах познания и запоминания. И это – у растений!

В связи с этим новая фундаментальная наука Организмика предоставляет более адекватное определение: интеллект – способность организма проявлять свои цели. Названные выше качества – рассудок, ум, разум, проницательность и способность мыслить – также являются целями определённого организма, и только их применение говорит о существовании интеллекта. Такое определение позволяет исследователю рассматривать феномен интеллекта, находясь непосредственно на границе этого явления. И эта граница, как полагают исследователи, проходит через уровень коацерватных капель.

Как мы уже сказали, была показана связь между уровнем внутренней организации коацерватных капель и их способностью к наращиванию массы. Если наращивание массы капли принять за единичную цель, то капли проявляют эту цель путём стремления и последующего её воплощения в увеличении своей массы. По мере изучения оказалось, что в одинаковых условиях капли, обладающие более совершенной экспериментально созданной внутренней организацией, наращивают массу быстрее, чем капли, внутренняя организация которых менее совершенна. Следовательно, качество внутренней организации является значимым событием на пути проявления целей даже для коацерватных капель.

Понятие «организация» есть ни что иное как «внутренняя упорядоченность», а также «согласованность взаимодействия более или менее дифференцированных и автономных частей целого, обусловленная его строением». Таким образом, мы видим, что даже на уровне коацерватных капель – то есть на начальном уровне перехода от неживого к живому – определяющим для этого разграничения является закон Организмики: упорядоченный хаос приобретает интеллект. Он и приводит внутреннюю структуру организации к проявлению согласованных взаимодействий.

Если же окончательно под «жизнью» организма понимать процесс перегруппировки информаций под действием способностей организмов, то очевидно, что у коацерватных капель этот признак присутствует. И воплощается он в том, что последовательность трансляции химических соединений через структуру коацерватной капли, сопровождающаяся сменяющими друг друга реакциями, в результате которых часть вновь полученных химических веществ идёт на поддержание и увеличение размеров структуры капли, а другая часть выводится за пределы структуры капли.

Такое поведение коацерватных капель соответствует определению: организм является живым, если он имеет в своей структуре матрицу, управляющую поддержанием структуры этого организма в стабильном виде в течение определенного промежутка времени. И этот же организм является разумным – разумный организм, такой организм, который имеет способность изменять состояние своей структуры в зависимости от воздействующих на него факторов в нужную для себя сторону.

Свойства коацерватных капель как живых организмов проявляются в особенностях их существования. Для капель, обладающих менее организованной структурой, характерна меньшая стабильность и более быстрый распад. То есть боле сложная внутренняя структура обеспечивает большую стабильность в условиях окружающей среды и более длительное время существования, то есть жизни.

6. Выводы

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Возникновение жизни является закономерным процессом развития материального мира на любом комическом теле, достигаемом необходимых для формирования и поддержания жизни условий.
2. Эти условия, необходимые для формирования как самого организма, так и окружающей его среды, достигаются космическим телом в том случае, если располагающая с его недрах «белая» дыра обладает мощностью, достаточной для синтеза химических элементов, входящих в состав нуклеиновых кислот.
3. При наличии указанных условий, переход от неживой формы существования материи к непосредственно жизни осуществляется случайным образом путём создания абиотических пространственно изолированных структур.
4. С началом упорядочения внутреннего устройства этих структур происходит формирование зачатков интеллекта: упорядоченный хаос приобретает интеллект.
5. Последующая эволюция живых организмов на данном космическом теле зависит от способности «белой» дыры длительное время поддерживать на этом космическом теле стабильные условия окружающей среды, необходимые и достаточные для существования и развития в них сформировавшихся организмов.

Дикусар В.В., доктор физико-математических наук,
ВЦ РАН; Тюняев А.А., академик РАЕН, ВЦ РАН, 08.08.2011 г.