С образованием коацерватов как предвестников живой клетки В. Вернадский связывает появление первичного круговорота веществ в природе, обусловленного взаимным обменом органических веществ в процессе их синтеза или распада. При этом уже имел место процесс естественного отбора: более устойчивые образования сохранялись, а неустойчивые – распадались. В процессе отбора устойчивые коацерваты не теряли свою структуру даже при делении. Это характеризует уже самоорганизацию и самовоспроизводство.
Переход систем к самовоспроизведению, то есть к матричному синтезу белков являлся огромным качественным скачком в эволюции материи. Как произошел этот скачок, пока не ясно. Основная сложность в том, что для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для создания белков – нуклеиновые кислоты. Как разорвать этот круг? Как объяснить, что на стадии предбиологического отбора произошло объединение способностей к самовоспроизводству полинуклиотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях разобщения в пространстве и времени начальных и конечных продуктов реакции.
Наиболее перспективными в этом отношении являются гипотезы, основывающиеся на принципе самоорганизации и представлениях о гиперциклах.
Гиперциклы – это системы, связывающие самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В них происходит самоорганизация химических реакций, так что циклическая организация одного уровня является элементом цикла другого, уже более высокого уровня. По мнению немецкого физико-химика М. Эйгана (род. в 1927 г.), гиперциклы определяют репродукцию последующих белков, а также осуществляют роль самовоспроизводящейся системы химических реакций. Гиперцикл, сформировавшийся из нуклеиновых кислот, которые способны с помощью ферментов синтезировать белки, обеспечивает отбор макромолекул с объемом информации, достаточным для возникновения живого организма. Циклические реакции в процессе эволюции повторяются, и каждое повторение ведет к образованию новых, более совершенных систем управления. Такое развитие обеспечивает последующему поколению организмов все большую адаптацию к окружающей среде, увеличивая дальнейшее разнообразие их реакций. При этом происходит усложнение структур, возрастает уровень их организации, что уменьшает энтропию внутренних состояний.
Следовательно, можно предположить, что гиперциклы являются тем мостиком, через который природа организовала переход от молекул неживой природы к биомакромолекулам живой, преодолев барьер между живым и неживым.
Дальнейший предбиологический отбор и развитие коацерватов, вероятно, шли несколькими путями. Один из них – это выработка и накопление специфических белковоподобных полимеров, ускорителей химических реакций. В связи с этим строение нуклеиновых кислот имело «направленность на размножение» систем, когда удвоение нуклеиновых кислот шло при участии ферментов. По-видимому, на этом направлении и произошло образование циклического обмена веществ в живых системах.
Второй путь связан с отбором в системе коацерватов самих нуклеиновых кислот в наиболее удачных сочетаниях последовательности нуклеотидов. На таких направлениях формировались гены. Сформировавшиеся гены делают систему уже самовоспроизводящейся, со сложившейся определенной вполне стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Эти системы уже могут по определению называться живыми. Так, предположительно, сформировалась первичная самовоспроизводящаяся живая система – примитивные первичные организмы.
Конечно, в проблеме возникновения живого еще много неясного. Неразрешенным остаются вопросы, почему белковые полимерные цепи содержат только «левую симметрию», а вот спираль молекулы ДНК закручена вправо; какие причины предбиологической эволюции могли привести к такой закономерности в асимметрии живого.
Асимметричные молекулы, отклоняющие луч света вправо или влево, в химии называются стереоизомерами. Само же свойство зеркальной асимметрии носит название хиральности или киральности (от греч. cheir – рука).
Известно, что в неживой природе хиралъные (киралъные) молекулы равновесно встречаются как в левом, так и в правом варианте. В живой природе – только в левом или только в правом. В этом смысле молекулы неживой природы симметричны и хирально нечисты, в то время как молекулы живых организмов хирально чисты. Например, молекула воды зеркально симметрична, а вот молекулы глюкозы, фруктозы, аминокислоты зеркально асимметричны. Это явление представляет собой один из признаков отличия живого от неживого. Так, попадая в организм растения, вода и углекислый газ, то есть хирально нечистые молекулы, в результате фотосинтеза «переконструируются» в хираль-но чистые молекулы органических веществ (белки, сахара и т. д.).
Таким образом, отличие «живых» молекулярных конструкций от «неживых» состоит не только в том, что первые построены из органических веществ молекул, но еще и в том, что биомолекулы вмонтированы в эту конструкцию оригинальным образом с учетом только либо левой, либо правой формы.
Сейчас с помощью экспериментов доказано, что такое разделение имеет место при нелинейной динамике протекания химических автокаталитических реакций. Это значит, что переход от симметричных молекул неживого к асимметричным биомолекулам живой природы вполне реально мог происходить при определенных условиях на стадии предбиологической эволюции материи. Таким образом, одним из необходимых условий перехода от неживого к живому является спонтанное, возможно скачкообразное, нарушение зеркальной симметрии как результат реакций автокаталитического типа. Образование жизни – это процесс самоорганизации, когда из хаотического состояния левых и правых неорганических и органических молекул соединений (энантиомеров) стали образовываться упорядоченные, хирально чистые органические только левые или только правые молекулы.
По-видимому, именно естественный отбор в процессе химической (предбиологической) эволюции привел к хиральной чистоте нуклеиновых кислот и белков, их несовместимости со своими зеркальными отображениями. По подсчетам ученых, для этого потребовалось около 1 млн лет.
Некоторые современные исследователи генетической программы строения белков живого организма с позиций хиральности рассматривают уникальную последовательность звеньев в определенных биополимерных цепях. Такое свойство живой материи они называют гомо-хиральностью. Согласно этим выводам, основные биологические макромолекулы представляют собой гомохиральные полимеры. Однако механизм образования гомохиральности пока остается загадкой.
Клетка как элементарная единица живого
Все живое состоит из клеток как отдельных единиц и размножается из клеток. Поэтому клетку можно считать мельчайшей единицей всего живого. Клетка характеризуется всеми признаками живого. Каждая отдельная клетка является микроносителем жизни, так как в ней заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Жизнь каждой отдельной клетки организма подчинена деятельности организма в целом. Клетке свойственны все признаки живого: раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Это сложная самоорганизующаяся биохимическая «лаборатория», состоящая из большого количества четко и согласованно функционирующих органоидов. Отдельные клетки способны самостоятельно существовать только в случае, если они представляют собой одноклеточный организм. Клетки же многоклеточного организма неспособны к самостоятельному существованию в открытой среде. Основной составляющей клетки являются биополимеры, призванные осуществлять важнейшие функции в общей системе согласованных автокаталитических циклов, которые составляют основу жизни биологических систем.
Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления. С ростом клетки постепенно замедляются процессы жизнедеятельности вследствие ухудшения условий питания отдельных ее элементов. Рост клетки сопровождается также построением копий ее составляющих элементов. В связи с этим способности управления внутренними процессами клетки снижаются, растет энтропия, что способствует переходу в неустойчивое состояние. Далее идет деление клетки на две дочерние как выход из неустойчивого, неравновесного состояния. При делении клетки лишняя энтропия сбрасывается наружу, а образовавшиеся две новые клетки обретают устойчивость до момента следующего деления. На протяжении всей жизни в любом организме идет непрерывная замена старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизнедеятельности клеток человека – один-два дня. Каждый день в организме человека погибает около 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов, которые заменяются на новые. Полная замена клеток крови человека происходит в течение четырех месяцев. Нейроны – нервные клетки – не восстанавливаются, но в течение всей жизни человека непрерывно перестраиваются.