Современные концепции сущности жизни

       Результатом этих реакций и стали коацерваты - пространственно обособившиеся  целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать  из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой. А уже функционировавший «естественный отбор» способствовал «выживанию» наиболее устойчивых коацерватных систем. Иными словами, первичная клеточная структура, описанная Опариным, представляла собой открытую химическую микроструктуру и уже была наделена способностью к первичному метаболизму (обмену веществ), хотя еще не имела системы для передачи генетической информации на основе функционирования нуклеиновых кислот.

       В ходе развивавшегося «естественного отбора»  возникли важнейшие свойства жизни, отличающие ее от предыдущего этапа  развития. Возникшие целостные многомолекулярные  системы, фазовообособленные от окружающей среды определенной границей раздела, сохраняют с ней взаимодействие по типу открытых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и даже способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых существ.

       Естественный  отбор сохранял те целостные системы, в которых более совершенной  была функция обмена веществ (еще  один характерный признак жизни), способствовавшая быстрому росту системы  и ее динамической устойчивости в  данных условиях существования, этим и объясняется целесообразность строения живых объектов, то есть приспособленность внутримолекулярного и надмолекулярного строения частей к выполняемым ими функциям и приспособленность организма в целом к существованию в данных условиях внешней среды.

       Выживающие  в ходе естественного отбора системы  имели специфическое строение белково- и нуклеоподобных полимеров, которые  и обусловили появление третьего качества живого - наследственности, специфической  для живого формы передачи информации.

       Органическая  химия знает примеры реакций  такого типа. Их отбор и выживание  следует рассматривать как возможный  качественный скачок, создавший предпосылки  для перехода от химической к биологической  эволюции. Вместе с отбором и совершенствованием циклических комплексов происходил отбор и совершенствование участвующих в этих реакциях органических молекул.

       Популярность  концепции Опарина в научном  мире очень велика. Его ученики  и последователи и сегодня  продолжают исследования в этом направлении. Но у этой концепции есть как сильные, так и слабые стороны.

       Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее теории химической эволюции, согласно которой в процессе добиологической (абиогенной) эволюции материи зарождение жизни - закономерный результат. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первобытной Земли, но и коацерватов, которые имитируют доклеточный предок жизни и его функциональные способности.

       Слабой  стороной концепции А.И. Опарина  является допущение возможности  самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие молекулярных систем с функциями генетического кода. Существование этих систем объяснялось наличием у них свойств открытых микросистем, выживающих за счет вовлечения в них ферментов, находящихся в готовом виде в окружающей среде. А это значит, что в рамках концепции Опарина не удается решить главную проблему - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, раскрыть причину таинственного скачка от неживой материи к живой. Возможно, эта проблема будет решена в концепции открытых каталитических систем Руденко, о которой речь шла выше.³  

       2. Современные концепции  происхождения и  сущности жизни

       2.1. Современное естествознание  о проблемах появления  и сущности жизни  на Земле 

       Ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса  о происхождении жизни, самым  сложным считают характеристику структурных и функциональных особенностей протобиологической системы, то есть доклеточного предка. Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот - основы генетического кода - необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Поэтому предметом дискуссии издавна служили два взаимосвязанных вопроса. Первый: что было первичным - белки или нуклеиновые кислоты? Второй: если признать, что оба эти класса биополимеров возникли не одновременно, а последовательно, то на каком этапе и как произошло их объединение в единую систему, способную к функциям передачи генетической информации и регуляции биосинтеза белков?

       Рассматривая  ответы на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы - голобиоза и генобиоза.

       Рассмотренная нами концепция Опарина относится  к группе голобиоза - методологического подхода, основанного на идее первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно еще назвать субстратной.

       Сторонники  генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно также назвать информационной. Примером этой точки зрения может служить концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, а потому названная им «голым геном».

       Вплоть  до 1980-х годов имело место четко  выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше - голый ген или белковый протобионт, или в иной терминологии - генетическая репродукция или метаболизм. В новых категориях эта дискуссия стала известной в 80-е годы как противостояние двух концепций, каждая по-своему трактующих характер доклеточного предка - информационной (генетической) и субстратной (обменно-метаболической).

       Очень привлекательной гипотезой, принадлежащей к направлению голобиоза, была концепция английского биохимика П. Деккера. Согласно ей, структурной основой предка - биоида - были жизнеподобные неравновесные диссипативные системы, то есть открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом. Это означает, что он был подвержен дарвиновской эволюции благодаря переходам (мутациям) из одной стадии (вида) к другой, более устойчивой, приобретающей все новые биты (единицы измерения) информации.

       Примеров  подобного рода моделей, построенных на идеях гипотезы голобиоза, можно было бы приводить довольно много. Объединяют их два главных момента. Первый - признание первичности белковой субстанции, способной к автокатализу, близкому к ферментативному. И второй - отсутствие даже упоминания о наличии в протеиноидных структурах молекулярных систем с функциями генетического кода: появление генетического механизма матричного типа на основе макромолекул нуклеиновых кислот считается вторичным событием в эволюции протеиноидных структур.

       Нужно отметить, что эта гипотеза не имела всеобщего признания. Некоторые исследователи, сознавая слабость ее именно в вопросе генетического контроля над реакциями обмена веществ доклеточного предка, стали сторонниками некоего промежуточного варианта между голобиозом и генобиозом. Их объединяет общая идея: белковые и нуклеиновые молекулы появились одновременно, объединились в единую систему в пределах структуры доклеточного предка и подверглись коэволюции, то есть одновременной и взаимосвязанной эволюции.

       Однако  и этот компромиссный вариант не получил всеобщего признания. Главный аргумент против него - белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны, они не могли появиться одновременно в ходе химической эволюции, в связи с чем нереально их сосуществование в протобиологической системе.

       Ослабляя  позиции гипотезы голобиоза, эти  соображения усиливали одновременно позиции противоположной гипотезы - генобиоза, утверждающей первичность  макромолекулярной системы с  функциями генетического кода.

       Позиции гипотезы генобиоза стали заметно укрепляться в 1970-е годы, а к 1980-м годам, когда слабости гипотезы голобиоза  стали  очевидными,  она  оказалась  доминирующей в; представлениях о доклеточном предке.

       Кроме того, с идеей генобиоза оказалось  также тесно связано самостоятельное сегодня направление в естествознании, занимающееся изучением еще одного фундаментального свойства живой материи (в дополнение к трем вышеперечисленным) - ее способности к стереоспецифической комплементарной репродукции. Это направление было заложено еще в ранних трудах основателя научной микробиологии Л. Пастера.

       Дело  в том, что до того, как в 1860-е  гг. Пастер окончательно доказал отсутствие самозарождения современных нам  микроорганизмов, предметом его  научных интересов в 40-50-е годы XIX века было явление, обнаруженное им в ходе исследований строения кристаллов веществ биологического происхождения. Речь идет об открытии асимметричного (асимметрия - отсутствие у объекта свойства быть зеркально симметричным), а в его терминологии - диссимметричного строения кристаллов солей виноградной кислоты, имеющих биологическое происхождение. К этому выводу Пастер пришел, обнаружив способность отклонять поляризованный луч, то есть оптическую активность, не только у самих кристаллов, но и у их водных растворов, что свидетельствовало о молекулярной природе этого явления. У растворов из веществ небиологического происхождения это свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

       Сегодня эта идея Пастера подтвердилась, и считается доказанным, что молекулярная диссимметрия (асимметрия, стерео-изомерия), а согласно современной терминологии, молекулярная хиралъностъ (от греческого - рука), присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. А если это так, то возникает вопрос, как возникло это явление. Не следует ли искать в его происхождении и истоки самой жизни? Уже сам Пастер задавался этим вопросом. И ответ его был достаточно определенным. Да, превращение молекулярно-симметричных веществ неживой природы в молекулярно-диссимметричные живой неразрывно связано с происхождением живой материи. А это означает, что необходимо выяснить, как неживая молекулярная симметрия превращается в живую молекулярную диссимметрию. По мнению Пастера, это могло происходить постепенно, по мере воздействия на неживую косную материю особых диссимметрических сил, вызывающих диссимметризацию молекул этой материи. Согласно Пастеру, силы эти носили космический характер, ибо жизнь такая, какой она нам известна, есть функция диссимметрии Вселенной. Такими диссимметрическими силами могли быть мощные электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца, появление Луны и т.д. Правда, эксперименты в лаборатории по моделированию таких условий успехом не увенчались. Тем не менее,  Пастер непоколебимо верил в свою правоту.

       Основанием  для отнесения взглядов Пастера  именно к гипотезе генобиоза  служит тот факт, что проблему зарождения живого из неживого Пастер рассматривал на молекулярном уровне, хотя и не поднимал вопроса о самовоспроизведении той диссимметричной молекулярной системы, образование которой было, по его убеждению, первым и необходимым этапом к зарождению жизни. Можно поэтому говорить о том, что Пастер первым вывел изучение проблемы происхождения живого на молекулярный уровень, и в этом его историческая заслуга перед наукой.

       Эти идеи получили сегодня широкое развитие в естествознании, причем не столько  в биологии, сколько в химии  и физике. Сегодня считается, что  если молекулярная хиральность - изначальный  и фундаментальный признак живой  материи, то способность возрождать хирально чистые молекулярные блоки зародилась так же рано, как и способность к генетически детерминированной саморепродукции. Иными словами, одновременно с генетическим возник и стереохимический код. Его функцией стало кодирование построения хирально чистых мономеров, наличие которых необходимо для комплементарного взаимодействия молекул субстрата и ферментов при биохимических реакциях.

       Но  что же представляют собой эти  мономеры, то есть каковы по своей химической природе те хирально чистые молекулярные «блоки», которые и составили основу для зарождения живого? Нужно отметить, что хиральность может быть  двух типов - левой (L - конфигурация), отклоняющей луч света влево, что характерно для белковых молекул; и правой (D-конфигурация), отклоняющей луч света вправо, что характерно для молекул нуклеиновых кислот ДНК и РНК.

       Общее признание в рамках гипотезы генобиоза  получила идея, согласно которой такими блоками были макромолекулы ДНК  или РНК. Но какая из этих информационных молекул появилась первой и смогла сыграть роль матрицы для первичной комплементарной полимеризации?

       Этот  неизбежно возникающий вопрос сразу  же вступил в противоречие с центральным  положением молекулярной генетики: генетическая информация идет в направлении от ДНК к РНК и белку. Кроме того, стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая полинуклеотидная система в отсутствие ферментов, то есть белков, если допустить, что появление последних было вторичным?

       Ответ на эти вопросы был получен  только к концу 1980-х годов. Он гласил, что первичной была молекула не ДНК, а РНК.