Жизнь как она есть: её зарождение и сущность

Крик Фрэнсис

Для комбинаторики эта задача не представляет трудности. Предположим, что длина цепи около двухсот аминокислот; то есть она, во всяком случае, намного короче средней длины белков всех типов. Так как мы имеем только двадцать возможностей на каждом месте, то количество возможностей — это двадцать, умноженное на само себя около двухсот раз. Это удобно записать как 20²⁰⁰, и оно приблизительно равняется 10²⁶⁰, то есть единице с 260 нулями!

Это число всецело находится за пределами наших обычных представлений. Для сравнения возьмем количество фундаментальных частиц (проще говоря, атомов) во всей видимой Вселенной, не только в нашей галактике с ее 10¹¹ звездами, но во всех миллиардах галактик, вне пределов видимого пространства. Это число, которое по оценке должно составить 10⁸⁰,

действительно незначительно по сравнению с 10²⁶⁰. Более того, мы лишь рассмотрели полипептидную цепь довольной средней длины. Если бы мы также рассмотрели более длинные цепи, то эта цифра оказалась бы еще более необъятной. Можно доказать, что с тех пор как на Земле появилась жизнь, количество различных полипептидных цепей, которые могли бы быть синтезированы за все это долгое время, составляет только незначительную долю вообразимого их числа. Значительное большинство последовательностей вообще никогда не могло быть синтезировано, ни в какое время.

Эти подсчеты учитывают только последовательность аминокислот. Они не принимают во внимание тот факт, что многие последовательности не сворачивались удовлетворительным образом в устойчивую компактную форму. Какая часть всех возможных последовательностей сделала это — неизвестно, хотя есть предположение, что она явно невелика.

Поясним это с помощью свободной аналогии. Возьмем абзац текста, написанный на английском языке. В нем используется набор символов, состоящий примерно из тридцати знаков (буквы и знаки препинания, без учета заглавных букв). В типичном абзаце примерно столько же букв, сколько в типичном белке аминокислот. Таким образом, подсчет, подобный описанному выше, покажет, что количество различных последовательностей букв соответственно огромно. На самом деле существует ничтожно малая надежда, что миллиард обезьян на миллиарде пишущих машинок когда-либо правильно напечатают хотя бы один сонет Шекспира в течение нынешней жизни Вселенной. Многое из того, что было напечатано, окажется совершенно невразумительным. Если мы поинтересуемся какая часть возможных абзацев будет иметь хоть какой-то смысл, то обнаружим, что она также окажется весьма незначительной.

Тем не менее, количество полных смысла абзацев также очень значительно, даже если у нас нет простого способа вычислить это число. Точно также, количество возможных, различных, компактных устойчивых белков может быть очень большим.

Как мы узнали, даже на этом самом основном уровне, существуют сложные структуры, которые встречаются во множестве совершенно идентичных копий — то есть те, которые организовали сложность и которые не могли возникнуть по чистой случайности. Жизнь, с этой точки зрения, является бесконечно маловероятным событием, и все же мы видим, что она кишит вокруг нас во всех проявлениях. Как же такие маловероятные явления могут быть столь распространенными?

Лишенный многих своих очаровательных сложностей основной механизм очень прост. Его предложили как Дарвин, так и Уоллес, каждый из которых понял его принцип, прочитав Мальтуса. Живые организмы обязательно должны бороться за пищу, самца или самку, жизненное пространство, особенно с другими особями своего вида. Они должны избегать хищников и других опасностей. В силу всех этих различных причин некоторые оставляют больше потомства, чем другие, и последующим поколениям будут преимущественно передаваться генетические характеристики именно таких, получивших преимущество репликаторов. На более специальном языке, если ген наделяет повышенной «приспособляемостью» своего обладателя, то такой ген, вероятнее, обнаружится в генофонде следующего поколения. В этом состоит сущность естественного отбора. На первый взгляд, это кажется почти тавтологией; однако здесь имеют значение не слова, а лежащие в основе всего механизмы. Можем ли мы выразить самыми абстрактным терминами, какими они должны быть?

Первое очевидное требование касается репликации и к тому же довольно точной репликации. Нам необходимо передать значительное количество информации в качестве инструкций, чтобы создать ту сложность, которая характеризует жизнь, и если эта информация не копируется с приемлемой точностью, то механизм будет разрушаться под накопившимся грузом ошибок. С другой стороны, абсолютная точность не требуется. Несомненно, всем копиям не следует быть абсолютно тождественными. Многие ошибки копирования окажутся помехой, но некоторые из них, вероятно, приведут к улучшению, позволяющему гену функционировать более эффективно. Они нам необходимы для того, чтобы заработал естественный отбор. Таким образом, нам нужны мутации, как называются эти генетические ошибки, но их не должно быть слишком много. На практике необходим исключительно низкий процент ошибок, действительно столь низкий, что клетка обычно должна принимать особые меры предосторожности, чтобы исправить большинство этих ошибок, оставляя только некоторые для создания нужного разнообразия, если вид должен в дальнейшем сохранить свои позиции и развиваться.

Важно отметить, что сами мутации должны копироваться с помощью механизма репликации. Те ошибки, которые нельзя скопировать, бесполезны, так как они только запутают всю систему. Подобные ошибки каким-то образом должны быть устранены. Столкнувшись с такой химической ошибкой, система копирования может пропустить ее и поместить наугад в одну из стандартных букв. Для того, чтобы заработал естественный отбор, не имеет большого значения, какая сделана ошибка, пока конечным результатом не станет изменение, которое можно точно скопировать в последующих поколениях.

Репликация и мутация — это два важнейших требования. Отсюда вытекает, что ген может быть более или менее «приспособлен». Самое минимальное преимущество, которое он может иметь, заключается в том, что его можно быстрее и чаще копировать по сравнению с его собратьями. Обычно он получает эту способность более опосредованными путями. Он может направлять создание информационной РНК, которая кодирует белок, имеющий некоторое особое и желательное свойство с тем, чтобы организм, который им обладает, получил некоторое преимущество в борьбе за появление более многочисленного и лучшего потомства На научном языке, улучшенный ген обычно непременно изменяет не только генотип (совокупность генов в организме), но также свой фенотип (приблизительно, свойства, которые он демонстрирует миру.) Как правило, это непременно основывается на свойствах или избытке одного или более белков, так как белки управляют большей частью химических процессов, происходящих в теле, тогда как нуклеиновая кислота, особенно ДНК, выполняет немного функций, за исключением репликации и кодирования белков, а также некоторых структурных молекул РНК.

Существует одно окончательное общее требование. Мы должны избегать «перекрестного питания». Вообще, мы не хотим, чтобы соперничающий организм извлек пользу из результата развития наших генов. Мы хотим, чтобы эти результаты помогали только нашим собственным генам. Это означает, что мы должны каким-то образом хранить ген и результаты его развития вместе. На самых низших уровнях для хранения генов и большей части результатов их развития удобно пользоваться одной и той же сумкой. Эта сумка называется клеткой, и она окружена очень тонкой полупроницаемой мембраной, которая мешает большей части молекул внутри клетки покинуть ее до тех пор, пока для присутствия этой молекулы за ее пределами не будет достаточных оснований. В мембране существуют особые ворота и насосы, чтобы доставлять пищу и другие молекулы в клетку извне и выпускать наружу отходы и выборочно другие молекулы.

Вышесказанное в общих чертах характеризует главные требования к информационной системе, необходимой для жизни, но из них вытекают более безотлагательные и земные требования. Так как нам необходимо снимать копии некоторого количества молекул, то у нас должен быть достаточный запас сырья. За исключением самых особых случаев, эти химические соединения необходимо преобразовать в другие, близкие им соединения. В настоящее время каждый такой шаг в клетках обычно катализирует особый белок, фермент, характерный лишь для данной реакции. При зарождении жизни этот сырьевой материал, в основном, должно быть, имел уже готовую для немедленного использования форму, так как в то время могло существовать лишь незначительное число специфических катализаторов, если таковые вообще имелись, для того, чтобы первозданный бульон стал более аппетитным.

Для проведения органического синтеза необходим запас энергии, и это должна быть доступная энергия На научном языке она называется свободной энергией, что вовсе не означает, что вы получаете ее даром. (В термодинамике у данного термина есть довольно точное значение.) Таким образом, система не находится в состоянии равновесия, в узком смысле этого слова, хотя она может быть в состоянии динамического равновесия. Весьма приблизительной аналогией было бы сопоставление спокойного пруда, равновесие которого статично, и бегущей реки, которая продолжает неизменно течь во многом как бы одинаковым образом. Живая система напоминает реку. В нее втекают сырье и свободная энергия, тогда как вытекают отходы и тепло. С научной точки зрения, это открытая система. Только таким способом она может продолжить синтез, необходимый для повторяющейся химической репликации.