Я - атеист
|   Начало   |   Анастасия   |   О верах и религиях   |   О науке   |   Религия и общество   |   Религия и люди   |   Атеизм   |   Христианство   |   Иудаизм   |   Ислам   |   Славянская мифология   |   Это интересно   |   Атеисты и агностики   |   Записки атеиста   |   Юмор   |   Словари   |   Дополнительные материалы   |   Карта сайта  |   Поиск по сайту  |

Сегодня
День рождения: Мелье Жан

Вы здесь: Главная страницаО наукеОб эволюцииОб эволюции жизни на ЗемлеОт неживого к живому

Об эволюции жизни на Земле
От неживого к живому

Я-атеист Я-атеист

Однако органическое соединение еще не есть живое. Никто не станет утверждать, что такие хорошо известные органические соединения, как сахар, спирт, метан (он же природный газ), нефть (там целая смесь разной органики) являются живыми организмами.

Общая формула аминокислот
Общая формула аминокислот

Аминокислоты живыми организмами также не являются.

А что вообще отличает живое от неживого?

Самой главной особенностью живого является его возможность к самовоспроизводству.

Второй важный признак живого - гомеостаз, т.е. способность сохранять свое внутреннее состояние в течение жизни.

То есть живым организмом могла бы быть признана молекулярная структура, которая самовоспроизводит сама себя и которая обладает достаточной стабильностью, чтобы не распадаться на части достаточно длительное время.

В целом на сегодняшний день абиогенный синтез простых органических веществ - строительных блоков для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, - уже не является проблемой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), а также другие важные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться первые репликаторы - молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.

Начиная с 80-х годов 20 века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль первой молекулы жизни. Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий (такие реакции в химии называются автокаталитическими). Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых строительных блоков - азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, - синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие эксперты признали необходимость поиска других путей.

На сегодняшний день удалось нащупать два таких пути. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли вещества наследственности выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК, ТНК и ГНК. Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой - вполне способны выполнять роль вещества наследственности. Что касается природных, то к ним относят ксенонуклеиновые кислоты (XNA). Цепи XNA стабильны и могут взаимодействовать с белками.

Второй путь разрабатывался химиком Джоном Сазерлендом и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков - сахаров и азотистых оснований, а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований. По словам Сазерленда, реакции хорошо идут при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. Если такой водоем время от времени подвергается высыханию, это может сильно ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся мелких лужах. Так что Дарвин с его "маленьким теплым прудом", возможно, был недалек от истины.

Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению. Однако и эта проблема постепенно решается. Очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс из Скриппсовского института в Сан-Диего (Калифорния, США). Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. Модель, с которой работали ученые, состояла из двух молекул РНК, состоящих из двух частей. При этом каждая из молекул являлась катализатором для формирования другой (таким образом, процесс воспроизведения является самоподдерживающимся). В одну среду было помещено 12 различных видов пар, а также обеспечен свободный приток "строительного материала" - составных частей РНК. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго.

Большую часть времени молекулы копировали себя без ошибок, однако иногда возникали "мутации", то есть молекулы, не похожие на своих "родителей". В результате некоторые из новых видов оказались способны воспроизводить себя быстрее и в больших количествах, а некоторые вымерли.

Результаты оказались потрясающими. За 30 часов популяция в благоприятных условиях может вырасти в 100 миллионов раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рибозимы с повышенной скоростью размножения.

В отличие от прежних опытов, в которых удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК, в данном случае процесс идет без участия белковых ферментов. Единственное, что не позволяет назвать этот результат окончательным решением проблемы самовоспроизведения РНК - это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, то есть с довольно длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.

Таким образом, между результатами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из простой органики) и Линкольн-Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.

Команда ученых из Гарвардской медицинской школы в Бостоне (США), создала протоклетки. Протоклетки используют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью осуществить весь цикл репликации РНК (они выполняют только отдельные этапы этого процесса). Цель исследования - добиться того, чтобы протоклетки не только росли и размножались, но и эволюционировали. По мнению ученых, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции - по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно питаются, поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал.

И здесь я хочу процитировать статью, которая находится здесь.

Происхождение жизни

1. Вначале был органический бульон, в котором возник РЕПЛИКАТОР. Это уже жизнь.

Возник он очень просто, естественным путем. Представьте древнюю Землю. На ней есть вода со всякими простыми органическими соединениями (нуклеотиды, аминокислоты), которые не могут себя реплицировать. На ней есть горячие источники рядом с вулканами. Она крутится вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси, таким образом, на ней есть день и ночь. Этого достаточно.

А теперь совершается чудо.

В воде нуклеотиды (А, Г, У, Ц) под действием ультрафиолета соединяются в цепочку ковалентными связями. Чистая химия. Солнышко заходит - вода остывает. Цепочка перестает наращиваться и начинается сборка второй цепочки из свободных кирпичиков-нуклеотидов. Они соединяются достаточно слабыми водородными связями по принципу комплементарности.

Наступает день - солнышко нагревает воду до температуры 80 градусов по Цельсию (горячий же источник), и водородные связи разрываются. Образуются две отдельные, но комплементарные цепочки. Солнышко светит ультрафиолетом, цепочки наращиваются ковалентными связями со следующими нуклеотидами. Наступает ночь - водичка остывает. Цепочки еще раз присоединяют комплементарные кирпичики. И понеслась: ночью присоединяют кирпичики, днем расходятся, ночью опять кирпичики, днем расходятся. Получилась РЕПЛИКАЦИЯ. Естественным путем.

Простой пример. Допустим, у нас есть короткая РНК-цепочка: АГУЦ. Ну скажем днем наросла случайной комбинацией атомов (вероятность вполне реальная). Ночью она создает комплементарную цепочку АГУЦ УЦАГ.

Днем водичка нагревается, водородные связи разрываются и она расходится на две цепочки: АГУЦ и УЦАГ.

Следующей ночью она опять создает комплементарную цепочку, только уже две: АГУЦ УЦАГ и УЦАГ АГУЦ.

Днем они расходятся и начинают наращиваться под действием ультрафиолета: АГУЦАГУЦ, УЦАГУЦАГ.

И понеслась репликация.

2. Дальше возникают рибозимы.

Теперь цепочка удлиняется и начинает соединяться комплементарными связями сама с собой. Один конец соединяется с другим. Или вторая четвертинка соединяется с предпоследней четвертинкой. В результате мы имеем вторичную структуру молекулы, которая сворачивается определенным образом и обладает каталитическим свойством. Она ускоряет собственную репликацию (или репликацию несвернувшихся соседей).

Раньше было 2 цепочки в сутки, а теперь стало 2000 цепочек в сутки. Ускорение химической реакции в тысячу раз - это ерунда. Современные белковые ферменты ускоряют химические реакции в миллионы и сотни миллионов раз, но до них мы еще доберемся. Короче, процесс УСКОРЯЕТСЯ.

Репликация ускорилась неимоверно и перестала зависеть от смены дня и ночи, хотя и нуждалась в постоянном притоке энергии от горячей воды и ультрафиолета солнышка.

3. Мутации и естественный отбор. Мы уже имеем древний фотоаппарат/ксерокс, который размножает молекулы по принципу Позитив-Негатив-Позитив. Но бывают ОШИБКИ. Не всегда комплементарность соблюдается на 100%. Отсюда получаем разнообразие. Начинает действовать естественный отбор: из всего многообразия выживают только те, кто умеет копироваться и делает это БЫСТРЕЕ, т.е. обладает более совершенной каталитической способностью собственной репликации.

4. Теперь допустим, что одна из "ошибочных" копий репликатора приобрела способность разрезать сама себя (самосплайсинг). В этом нет ничего фантастического. Установлено, что некоторые молекулы РНК умеют разрезать сами себя.

Подведем промежуточные итоги. Получилась ПРОИЗВОДЯЩАЯ система, которая принципиально может произвести любой продукт в виде РНК-молекулы, в том числе катализирующей что-то (нас только такие и интересуют ибо жизнь есть фантастически ускоренная химическая реакция). Эта производящая система, или другими словами ФАБРИКА, начала производить (отрезать от себя) различные виды РНК, некодирующие белки. Сплайсинг стал очень разнообразным. Фабрика РНК-молекул постепенно расширяла свой ассортимент.

Благодаря нескольким ключевым событиям произошел постепенный переход к белковому миру.

Была произведена рибосомная РНК, которая составляет активный центр, катализирующий образование пептидной связи между аминокислотами. Сначала она работала без всякой программы, случайно соединяя аминокислоты.

Были произведены транспортные РНК, доставляющие аминокислоты к проторибосоме и реализующие генетический код (нуклеотиды -> аминокислоты). Белки стали производиться по программе, зашитой в РНК.

Стали возникать нуклеопротеиды - комплексы из РНК и белков. Они стали усложняться за счет все новых белков.

Неэффективные рибозимы из РНК заменяются на эффективные белковые ферменты, произведенные по программе, зашитой в РНК. Повышается скорость и точность копирования РНК, точность воспроизведения белков.

Переход к белковому миру состоялся, но даже в наши дни РНК участвует в ключевых, жизненно важных процессах в каждой клетке.

Далее возникла ДНК, как надежное средство хранения информации.

5. РНК превращается в ДНК путем замены одного нуклеотида (урацил на тимин) и одного сахара (рибозы на дезоксирибозу). Одноцепочечная РНК превращается в двойную спираль ДНК. Это повышает сохранность информации, химическую устойчивость, а также дает возможность исправлять ошибки, восстанавливая информацию со второй спирали по принципу комплементарности.

Постепенно возникает протоклетка.

6. Вся фабрика окружает себя липидной мембраной и выходит за рамки пористой минеральной структуры типа глины.

7. Ядро отделяется от остальной части клетки (эукариоты). Синтез белка (рибосомы) выносится из ядра. В ядре остаются ДНК и процессинг всех видов РНК, включая информационные (матричные) и некодирующие (рибосомные, транспортные, регуляторные и прочие).

Эукариотическая клетка сформировалась 2 миллиарда лет назад.

8. Повышается разнообразие белков, происходит дальнейшее увеличение точности и скорости копирования ДНК за счет белковых ферментов. Возникает сплайсинг белков.

9. Появляются различные органоиды клетки, состоящие из белков. Они специализируются на своих функциях, участвуя в общем процессе копирования репликаторов. Главная цель остается прежней - копирование репликаторов, более быстрое и более точное.

Эпоха сотрудничества и конкуренции.

10. Одноклеточные начинают кушать друг друга, возникают первые хищники.

11. Происходит симбиогенез больших одноклеточных с малыми одноклеточными: митохондриями и хлоропластами.

12. Появляются простые многоклеточные, состоящие из одинаковых или очень похожих одноклеточных.

Важным этапом эволюции был момент, когда клетки, произведенные последовательными делениями, склеивались вместе, а не расходились в независимое существование. Вследствие этого могли появляться структуры более высокого порядка.

13. Начинается специализация за счет регулирования экспрессии генов. Происходит генерация соматических клеток для образования различных тканей многоклеточного организма. Для соматических клеток устанавливается предел деления - предел Хейфлика. Выделяются половые клетки.

14. Появляются виды, далее читаем Дарвина.

Извините, что не уложился в одну неделю Творения, но две недели тоже вполне неплохо.

Если вы думаете, что такое невозможно, приведу следующий пример.

Существует вирус QP. Это вирус РНК - то есть вместо ДНК его гены состоят из РНК. В "диком" виде QP является бактериофагом - паразитом кишечной бактерии Escherichia coli.

Как работают вирусы? Рабочая часть вируса - молекула РНК. Внешне она неотличима от любых других РНК, которые плавают в клетке, отойдя от клеточной ДНК. Однако вирусные РНК копируются гораздо быстрее обычных РНК клетки.

Когда вирус проникает в клетку, РНК-репликаза клетки, которая занимается тем, что снимает копии с молекул РНК, начинает в огромном количестве производить вирусную РНК. Рибосомы клетки обрабатывают ее, как собственную и производят белки. Однако белки, которые при этом образуются, полезны вирусу, но не бактерии-хозяину. Это белок оболочки, нужный для защиты вируса; белок для прикрепления к клетке; белок-бомба, который разрушает клетку и высвобождает десятки тысяч вирусных частиц, каждая из которых будет блуждать в своей белковой оболочке, пока не встретит новую клетку. Это обычный жизненный цикл вирусов в природе.

Сол ШпигельманПрофессор Сол Шпигельман изолировал в своем опыте два компонента: фермент-репликазу и вирусную РНК. Он поместил их в воду вместе с некоторыми низкомолекулярными веществами - строительными элементами для синтеза РНК - и принялся ждать. РНК захватывала маленькие молекулы и синтезировала собственные копии. Причем она справлялась с этим без помощи бактерии хозяина, белковой оболочки или какой-либо иной части вируса. При этом синтез белка, который в естественных условиях является одной из обычных функций РНК, был полностью изъят из цикла. Получилась голая система репликации РНК, создающую свои копии, не утруждаясь синтезом белков.

И тут Шпигельман в искусственном мире - в пробирке, в отсутствие каких либо клеток - запустил действующую модель эволюции. Его установка представляла собой ряд пробирок, содержащих репликазу и строительные элементы, не содержащих РНК. В первую пробирку он поместил небольшое количество вирусной РНК, и она послушно синтезировала множество своих копий. Взяв каплю полученной жидкости, Шпигельман поместил ее во вторую пробирку. Эта "затравочная" РНК принялась реплицироваться во второй пробирке, и через некоторое время Шпигельман извлек оттуда каплю жидкости и перенес в третью пробирку. И так далее. Это позволило добиться эволюции путем естественного отбора в ее самой простой форме.

Этот выживший кусочек РНК, размером менее десятой части своего "дикого" предка, стал известен как "монстр Шпигельмана". Благодаря небольшому размеру, эта экономичная конструкция репродуцируется быстрее, чем конкуренты, и поэтому естественный отбор постепенно увеличивает ее численность.

Позднее Лесли Оргел и его коллеги провели дополнительные эксперименты. Они добавляли в раствор вредное вещество - бромистый этидий, который замедляет синтез РНК, обволакивая репликазу.

Оргел и коллеги начали с разбавленного раствора яда. Сначала темп синтеза был замедлен, но после примерно девяти "пробирочных поколений" эволюции отселектировалась новая порода РНК, стойкая к яду. Темп синтеза РНК был сопоставим с таковым для нормальной РНК при отсутствии яда.

Тогда Оргел удвоил концентрацию яда. Снова темп репликации РНК понизился, но после следующего десятка поколений снова вывелась порода РНК, иммунная к более высокой концентрации яда. Тогда концентрация яда была удвоена снова. Так, последовательным удвоением концентрации, они сумели "вывести" РНК, которая могла самокопироваться при очень высоких концентрациях бромида этидия, вдесятеро больших той, что замедляла оригинальную прародительскую РНК.

Результаты этих экспериментов показывают, что загрязнение раствора разными химическими веществами способствует эволюции организмов с разной специализацией.

Внимательный читатель спросит: если Шпигельман взял готовую вирусную РНК, то где же здесь доказательство того, что подобная сложная молекула могла возникнуть сама?

Справедливо. Шпигельман в экспериментах избрал отправной точкой РНК "дикого" типа. Однако Манфред Сумпер и Рюдигер Люче провели другой опыт. Они показали, что при определенных условиях в пробирке, в которой нет РНК, а есть лишь компоненты для ее синтеза и фермент-репликаза, может спонтанно синтезироваться самореплицирующаяся РНК. В подходящих условиях она эволюционирует, превращаясь во что-то вроде "монстра Шпигельмана" всего за несколько дней. Процесс этот многократно происходил в последующих независимых экспериментах. Тщательная проверка показала, что экспериментальный материал не мог быть случайно инфицирован молекулами РНК извне. Молекула РНК была создана постепенно нарастающей эволюцией.

Можно также указать на то, что в экспериментах использовалась готовая репликаза. Где гарантия, что на заре жизни, когда репликаторы только что возникли, в окружающей среде присутствовали ферменты, помогающие им реплицироваться? Однако уже упомянутый Оргел проделывал эксперименты, в которых никакого фермента не добавлялось. Молекулы РНК самокопировались и в этих условиях, хотя и очень медленно.

Первоначально механизмы, ускоряющие репликацию, могли быть и неорганическими. Например, кристаллами типа тех, что встречаются в глинах.

Кристалл - это большое упорядоченное множество атомов или молекул твердого тела. Атомы и молекулы склонны упаковываться в фиксированной и упорядоченной структуре в зависимости от их свойств. Любая часть кристалла точно повторяет другую его часть, кроме мест, где имеются дефекты кристаллической решетки.

Кристаллы состоят из слоев атомов или молекул, где каждый слой построен на низлежащем слое. Атомы или ионы свободно плавают в окружающем растворе, но если они сталкиваются с кристаллом, то встают в определённую позицию на поверхности кристалла. Так, раствор поваренной соли содержит ионы натрия и хлора, расположенные в нем хаотично, но кристалл поваренной соли - это упорядоченный массив ионов натрия и хлора, чередующихся друг с другом под прямыми углами. Когда плавающие в воде ионы наталкиваются на твердую поверхность кристалла, они прикрепляются к нему, причем в такие места, чтобы новый слой добавился к кристаллу точно так же, как и низлежащий слой.

Иногда кристаллы начинают формироваться в растворе спонтанно, иногда им требуется затравка - частицы пыли или маленькие кристаллики, вброшенные в раствор снаружи.

Глина, ил и камни состоят из крошечных кристаллов. Если посмотреть на поверхность некоторых видов глины и других полезных ископаемых в микроскоп, то можно увидеть, что кристаллы растут как ряды цветов или кактусов, сады неорганических лепестков роз, спирали, угловые формы, свернутые наросты. Но в этом рисунке присутствует жизненно важный элемент - дефекты. Посреди упорядоченного рисунка "елочкой" может быть заплата, идентичная остальному рисунку, но повернутая вокруг оси. Или узор может идти в том же самом направлении, но каждый ряд соскальзывает на полряда в сторону. Почти все естественные кристаллы имеют дефекты. И как только дефект появился, он, скорее всего, будет скопирован, так как последующие слои кристалла строятся по образцу предыдущего. Дефекты могут случаться где угодно на поверхности кристалла.

Глина под микроскопом
Глина под микроскопом

Химики, поддерживая теорию органического первобытного бульона, давно воспринимали глинистые минералы как помощников. РНК-подобные молекулы, благодаря отрицательному заряду своих оснований, имели бы склонность обволакивать частицы глины. Согласно Д. М. Андерсону, "Широко распространено мнение, что абиотические химические реакции и процессы, приведшие к возникновению на Земле реплицирующихся микроорганизмов, происходили в истории Земли на поверхности глинистых минералов и других неорганических подложек".

Когда стало понятно, что все белки в живых организмах собраны из левозакрученных изомеров (L-конфигурации), креационисты сразу стали подсчитывать вероятность того, что из равновесной смеси двух изомеров аминокислот (левозакрученного и правозакрученного) вдруг когда-то в древности сложилась молекула белка длиной 50-100 аминокислот. Та же ситуация с молекулами РНК и ДНК, где природой используются правозакрученные основания. Оказалось, что есть относительно простые способы получения так называемой хиральной чистоты из растворов аминокислот. Один из них - адсорбция аминокислот на кристаллах минералов. Некоторые типы минералов имеют хиральные грани, при этом в целом сам кристалл не хирален. Например, широко распространенный кальцит, составляющий основу известняков и мела, адсорбирует на одну грань аминокислоты только L-конфигурации, на другую только D-конфигурации. Этот процесс прост и естественен. Существуют и другие способы получения хиральности. Другой вопрос - каким из них воспользовалась природа при образовании первых белков. Но совсем разные вещи: понимать, что какой-либо процесс в природе без чуда и сверхъестественного вмешательства невозможен или иметь относительно простые естественные способы достижения результата, но не быть уверенным в том, какой из них в итоге был применен эволюционно.

Есть и другие возможные пути самокоприрования РНК-цепочек. Это и эволюция рибозимов-полимераз в среде рибозимов-лигаз при участии минералов, что снимает ряд проблем самокопирования рибозимов-полимераз. И неферментативное копирование РНК в водном растворе с высокой концентрацией солей магния или цитрата - лимонной кислоты, что снимает вопрос разрушения РНК-цепочек под воздействием магния. И копирование РНК в тепловых ловушках естественного происхождения типа микропор под воздействием конвекции и концентрирования. И способности РНК-полиндромов к формированию шпилек, которые лежат в основе древней РНК-цепочки тРНК. В общем, уже поставлено очень много экспериментов и выявлено множество возможных деталей процесса самокопирования РНК-цепочек.

Манфред Эйген Еще одной проблемой стал порог Эйгена - фундаментальный предел, ограничивающий достоверность репликации. В 1971 году биофизик Манфред Эйген показал, что произведение частоты ошибок (мутаций) и информационной емкости системы (размер генома) должно быть ниже определенного значения (порога Эйгена), чтобы происходило стабильное наследование и, следовательно, эволюция. Если эта величина выше порога, то мутационная катастрофа и вымирание неизбежны. Порог Эйгена лежит в интервале от 1 до 10 мутаций на цикл репликации. В большинстве экспериментов количество мутаций на одну копию РНК исчисляется процентами. Однако и это не является основанием полагать, что возникновение самореплицирующихся молелкул невозможно. Это говорит о том, что есть другие пути, до которых наука еще не дошла.

Само происхождение первых организмов создает видимость парадокса, поскольку для репликации необходима некоторая минимальная сложность, а репликация с высокой точностью требует кодирования еще большего объема информации. В то же время уровень точности репликации в данной точке эволюционной траектории ограничивает объем информации, которая может быть закодирована в геноме. Таким образом, на первый взгляд, рост сложности генома представляется невозможным. Однако комбинация естественного отбора и генетического дрейфа превращает этот, казалось бы, порочный круг в, казалось бы, бесконечную спираль возрастающей сложности (цикл Дарвина-Эйгена). Даже малые приобретения в точности репликации идут системе на пользу потому, что увеличивают число жизнеспособных копий генома и тем понижают репродукционные издержки. Сам по себе большой геном является скорее обузой для системы из-за высоких репродукционных издержек. Однако умеренное увеличение генома, такое как дупликация частей генома или рост вследствие рекомбинации, способно закрепляться в малых популяциях. Репликаторы, обладающие достаточно высокой точностью, могут использовать этот случайно закрепленный и изначально бесполезный генетический материал для эволюции новых функций, не превышая "порог Эйгена". Среди этих новых, улучшающих приспособленность функций будут и повышающие точность репликации, что позволяет затем увеличить объем кодируемой информации. Таким образом, цикл Дарвина-Эйгена повторяет себя в спиральной прогрессии, приводя к непрерывному увеличению размера генома.

Возможно, на первых этапах эволюции не нужна была абсолютная точность репликации молекул. Нужно было количество и разнообразие. Из которого потом "выжили" те, кто оказался наиболее химически устойчив и мог реплицировать себя максимально точно.

Наконец, в 2020 году польские ученые создали компьютерную программу, которая выдавала все варианты химических реакций между заданными веществами. Главный вопрос пребиотической химии всегда заключался в том, чтобы понять, какие химические реакции привели к возникновению жизни на Земле. Несмотря на то, что наука за последние годы значительно продвинулась в области органического синтеза, нужно учесть огромное количество повторяющихся химических реакций с последовательным образованием все более сложных продуктов. Теперь это стало возможным с программой, способной отображать пребиотический синтез сложных биохимических соединений из простейших предшественников.

В качестве примера авторы взяли шесть веществ, которые гарантированно присутствовали на ранней Земле - воду, азот, сероводород, метан, аммиак и синильная кислота. Для расчета реакций ученые использовали проверенные химические механизмы, реализуемые в тех условиях, которые существовали на Земле, когда на ней зарождалась жизнь.

Расчеты выполнили сначала для шести субстратов, взаимодействующих между собой, а затем последовательно для каждого поколения их продуктов. Это позволило построить полную сеть возможных пребиотических химических реакций.

Моделирование показало, что на первом этапе синтеза из шести исходных соединений произошли десять новых, но все они были абиотические, то есть не имеющие отношения к живым системам. Однако уже на втором этапе появилась первая простейшая аминокислота - глицин.

На пятом этапе число синтезированных молекул достигло десяти тысяч. Большая часть этих новых веществ - абиотические, но есть среди них и сложные стабильные биотические молекулы, которые синтезируются в более узком диапазоне условий.

Авторы отмечают, что программа не только выдала все известные биотические соединения, получаемые при синтезе заданных предшественников, но и показала ранее неизвестные маршруты пребиотического синтеза многих органических соединений - ацетальдегида, диглицина, яблочной, фумаровой, лимонной и мочевой кислот. Все эти маршруты исследователи подтвердили экспериментально.

Алгоритм позволил выявить даже целую реакционную систему, ранее неизвестную химикам - саморегенерирующийся цикл иминодиуксусной кислоты, а также определил три основных пути пребиотического синтеза: через возникновение соединений, которые на следующем этапе выполняют роль катализаторов; функциональные химические системы и циклы самовосстановления; образование поверхностно-активных примитивных биомолекул.

Да, ученые до сих пор не знают, каким конкретно образом появилась первая клетка, но за последние десятилетия поставлено столько экспериментов в отношении разных химических этапов формирования ранней жизни, открыто столько природных механизмов, что говорить о невероятности самоорганизации материи из неживого в живое путём абиогенеза становится попросту бессмысленным.

Изучение машинерии современной клетки сродни обратному проектированию в инженерии - разбираем механизм постепенно на детали и предполагаем за что каждая из них отвечает, как её отсутствие сказывается на работе целого механизма. Сложная задача, но вполне разрешимая. А вот пути и проблемы абиогенеза похожи на разбор шахматной партии без записи предыдущих ходов. Мы имеем непротиворечивую шахматным правилам позицию на доске и нужно просчитать в обратном направлении последовательность ходов, приведших к ней. С учетом фигур, которые были "съедены" на предыдущих шагах. С учетом того, что мы можем не знать, какие вообще фигуры существовали в этой игре ранее и по каким правилам они играли. Исходя из шахматных правил и комбинаторики, эта позиция имеет не одно, а множество решений. Мы будем иметь огромное количество вариантов партий, приводящих к определённой (рассматриваемой нами) позиции на доске. Учёные путём экпериментально-комбинаторных практик выявляют отдельные элементы "партии", непротиворечивые паттерны и возможные ходы "противников", но достоверно сложить всю цепочку ходов пока не могут.


Оглавление
Об эволюции жизни на Земле

Назад
Первые аминокислоты

Дальше
Время и место

Яндекс.Метрика
0.031