Одна из гипотез о первых организмах

У всех современных организмов главные молекулярные механизмы одинаковы, что проливает свет на всю эволюционную теорию.

Только некоторые из важнейших биокомпонентов получить достаточно легко, но биохимические процессы сложны и взаимосвязаны, и первые организмы не могли быть так сложно устроены. Может быть, аминокислоты и не участвовали «в самом начале»? Принято считать, что до возникновения первых организмов происходила химическая эволюция, возник набор молекул, из которого, как из конструктора, собраны организмы. В этот набор включают аминокислоты, сахара и некоторые другие молекулы. Но, самое главное, это не набор деталей, а план организации, который одинаков.

В процессе биосинтеза белка код перевода текста РНК в последовательность везде одинаков, как и набор аминокислот. Но этот сложный и хорошо подогнанный механизм не мог возникнуть разом. Он должен был сложиться позже появления первых организмов, и в них должны действовать более простые правила. Первые организмы должны состоять из веществ геохимического происхождения, быть способными к эволюции и просто устроенными. Поэтому, когда Мелле-ра спросили, что нужно было первым организмам, кроме гена, он ответил - «ничего». Но для развития процесса должны откуда-то поступать и исходные вещества.

Что касается способности к эволюции, то должно быть что-то связующее поколения, и этим связующим может быть только форма или информация, а не вещество. Она должна храниться в материальном субстрате, в неких генах, и как-то проявляться (давать фенотип), что способствует ее сохранению и размножению. В этом процессе могут участвовать и другие вещества, но передаваться и долго сохраняться может только информация.

В ходе передачи информации могут происходить и случайные изменения - мутации. Они могут накапливаться при передаче через поколения и менять фенотип, потому и должен быть механизм контроля за отбором нужной информации. Есть предположения, что первыми организмами могли быть РНК, имевшие план, причем для эффективности работы этой информации процесс трансляции не обязателен. РНК, как показали опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Необходимый для этого фермент достаточно сложен, чтобы считать его продуктом геохимической эволюции ранней Земли. Если даже использовать более простые катализаторы, то они должны быть богатыми энергией нуклеотидами.

В связи с этими сложностями возникла идея, что в ходе эволюции первичный геохимический генетический материал постепенно; был заменен другим, уже органическим. Американский ученый. А. Керн-Смит предложил процесс генетического захвата, подсказанный особенностями роста кристаллов и минералов. Известно, что кристаллы - наиболее часто встречающиеся; образования, способные к самосборке. Еще Бернал проводил подобное сравнение, говоря, «кристаллизация - это смерть». Если кристаллы кажутся слишком однообразными для зарождения жизни, то не надо забывать, что практически в любом из них есть дефекты. Некоторые блоки в них могут заменяться или смещаться относительно друг друга, т.е. кристаллы высокоинформационны. Вокруг нас непрерывно происходят процессы кристаллизации глины из слабых растворов кремниевой кислоты и гидратированных ионов металлов под действием двух факторов.

Имеется геологический цикл, который существует за счет энергии радиоактивного распада, разогревающий недра планеты. Сюда входят захоронение осадочных пород, преобразование их при высоких температурах, погружение в глубины и выход на поверхность в измененном виде. В этих условиях они могут быть не очень стабильными и легко растворяться водой с образованием кремниевой кислоты и ионов металлов, которые кристаллизуются, производя новые вещества - минералы глины. Эти минералы вновь вовлекаются в цикл, погружаясь в недра. За счет второго цикла, сильно зависящего от Солнца через испарение воды, выпадение осадков и т.д., происходит поступление воды. По проверенным данным эти циклы существуют уже 3,8 млрд лет, и, возможно, что первые примитивные гены представляли собой микрокристаллические кристаллы глины, отличные от слоистых силикатов, т.е. более широкого класса глин.

Но даже в самых распространенных видах глин имеется последовательность слоев разных типов, которая может расти в обе стороны, что похоже на модель одномерного гена. Другой тип глины, каолинит, напоминает двухмерный ген. Отдельные слои коалинита представляют собой, согласно ренттеноструктурному обследованию, мозаично расположенные небольшие домены.

В каждом домене атомы алюминия имеют одну из трех возможных ориентации. В таких структурах может храниться уже много информации, и она может реплицироваться при условии, что во вновь образованном слое ориентация атомов алюминия будет связана с ориентацией предыдущего слоя. В идеальных кристаллах все соблюдено, а в реальных - встречаются ошибки. Эти кристаллы похожи на червей, у них ясно выраженная организация поперечного строения. А. Вейсс в Мюнхене исследовал слои кристаллов смектита и установил, что каждый новый слой выстраивается в соответствии с особенностями строения предыдущего, как бы получая от него информацию о строении.

При образовании песчаника растворы, содержащие продукты выветривания, просачиваются сквозь него, и в порах происходит кристаллизация глин. Процесс происходит одновременно в нескольких участках, в каждом из которых будут находиться миллионы кристаллов с определенными дефектами структуры. Где-то формы и размеры кристаллов будут таковы, что при прилегании друг к другу они образуют водонепроницаемый заслон. Где-то вода будет протекать свободно, а где-то кристаллы закрепятся в углублениях пор, и так начнут действовать некие факторы отбора кристаллов с определенными дефектами. В результате мутаций появятся новые варианты таких структур, и в разных участках возникнут структуры, отличающиеся своими дефектами. Это может привести к тому, что в одних местах рост пойдет быстрее, чем в других, одни части начнут лучше переносить периодические неблагоприятные условия, чем другие.

В более реальных (и более сложных) условиях почвенные растворы из песчаника попадают в быстро текущий поток, который из-за малой концентрации вещества в нем и повышенной кислотности, например, не обеспечивает условий для синтеза глин, но содержит один из компонентов, недостающих в песчанике. Может случиться, что это как раз тот компонент, которого недостает для образования «генетическойглины». Наиболее подходящим с точки зрения химии для образования такой глины будет поверхность раздела между средами. Эта поверхность невелика и меняется, поэтому с физической точки зрения такие условия далеки от идеальных, и образующиеся кристаллы могут вымываться потоком или растворяться вновь. Но она может и стабилизироваться другими кристаллами, прилепленными к песчанику. В результате около этой поверхности может держаться какая-то клейкая масса. Происходящие процессы, как мутации, будут менять форму образующихся кристаллов и их пористость, влияющих на кислотность и градиенты концентрации отдельных ионов. Таким путем естественного отбора находятся условия, подходящие для синтеза глин в данном месте, и наилучшие шансы получит тот «комок генов», который будет в самых подходящих условиях.

Такие организмы, состоящие только из генов, могли существовать, поскольку сам набор генов уже обладал фенотипом, или характеризовался комплексом физико-химических свойств, определяемым имеющейся в генах информацией, от которой зависит его эволюционная судьба. В реальных условиях этот набор частично загрязнялся другими глинами, но их совместная кристаллизация иногда могла и улучшить свойства агрегатов. Одновременно могли происходить мутации генов, попавших под действия отбора, который приводил к образованию «вторичных» глин.

А.Дж. Кернс-Смит из Кембриджа, сторонник зарождения жизни в кристаллах глины, считает, что предшественники РНК, появившиеся в развитых глиняных организмах, в первую очередь играли структурную роль. РНК-подобный полимер с отрицательно заряженным остовом молекулы должен был стремиться связываться с краями частиц глины, которые обычно заряжены положительно. Гетероциклические основания (типа молекул аланина) имеют склонность проникать между слоями глины. Возможно, некий РНК-полимер возник для взаимодействия с глинами или даже для «чтения» информации, запечатленной на краях одномерных глиняных «генов».

Как только РНК стала реплицирующей молекулой, произошел «генетический» захват, приведший к становлению существующих ныне механизмов биохимического контроля. Так возник новый тип «сотрудничающего» генетического материала. Чтобы отойти от глиняного каркаса, потребовалась длительная эволюция. И в этом важную роль сыграла сложная система механизмов белкового синтеза, которая постепенно усложнялась, а после исчезновения каркаса стала необходимой.

Трудно понять объединение сложных молекул в отсутствие ферментов. Такая сложная система подгонки и очистки должна была работать в строгой последовательности и не могла быть результатом случайности. Для развитых организмов, «сделанных» из глины, этим организующим фактором стал естественный отбор. Вероятно, до белковых молекул были какие-то катализаторы, которых скорее всего уже нет.