А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Таким путем биологическая эвол<оция шла бы недопустимо медлею<о, а скорее всего и не шла бы вовсе. На самом деле имеются особые механизмы, манипулирующие в этих «текстах» целыми «словами» и «предложениями». Вам интересно их устройство? Советуем прочитать для начала книжку [15! из списка литературы, А нас ждет следующий вопрос. Мы рассказали немножко о молекулярной картине эволюции живого— постепенного развития более сложных форм жизни из менее сложных. Но откуда взялись самые простые формы живого? В духе дарвинизма ответ очевиден: развились постепенно из неживой природы. Как же это происходило? Свидетелей, как вы понимаете, не осталось (хотя свидетельства есть!), поэтому мы не можем опереться на данные наблюдений и принуждены обратиться к теории и эксперименту.
Что же известно о предбиологической эволюции? 9.3. Зарождение жизни и эволюция Вселенной Иногда предполагают, что жизнь вообще не зародилась на Земле, а была занесена откуда-нибудь из космоса. Но такое предположение, даже если бы к нему были основания (а их, но-видимому, нет), ш<чему не помогает, так как остается вопрос — откуда же взялась жизнь там? Однако обращение к космосу заставляет вспомнить, что возраст жизни на Земле (3,9 10' лет) сопоставим с возрастом Вселенной (около 10'" лег).
Поэтому зарож- 175 двине жизни и последующую биологическую эволюци!а «::,'",»»» естественно понимать кяк составную часть космологиче. "':,';~«»",'. ской эволюции Вселенной. Согласно современным твердо установленным пред-: »~« ставлениям, история Вселенной началась примерно !О" лет ':„";,""- тому назад с Большого взрыва. Сразу после начала Все лишая была очень маленькой, невообразимо плотной н '-',:."!~).".''к ~браней, в ней был только свет — фотоны. Под давлением:,":.")-.'»: «веча Вселенная расширялась, при расширении постепенно:;.".,'-;.
разреживаясь и охлаждаясь, н эти процессы .;~у;„' надо сказа~ь, нродолжа- .-,!!)"": ются по сей день. По ".'.".'"-".",.; мере охлаждения Все-;,-'.,;": ленной в ней стали но- "'-'-;!.: являться другие частиРнс. 9.!. Демонстрзпня возможное- цы — элеат)эоны и нозитн непрерывного нзменення кажу- троны, потом протоны, щейся размерности «прострвнствв» нейтроны и соответст- вующие ант ичастицы, потом атомные ядра и т. д. Вам, должно быть, инте.
р спо, откуда наука все это узнана? Мы очень советуем изтересующимся популярную книгу С. Вайнберга «Первые три минуты». А в нашем слишком кратком изло. ж нии все это выглядит, наверное, недостагочно понятно и очень сложно. Между тем основной принцип прост: каждая частица «конденсируется» при такой температуре, какую может выдержать «не развалившись» з). И на что мы хотим обратить особое внимание — это то, что при каждом значении температуры образу|отея частицы всех приемлемых по энергии сортов. Вселенная не была все время однородной — ведь и сейчас в ней есть галактики и межгалактическое пространство, звезды и межзвездшдй газ и т.
д. Лаже размерность пространства в разных местах Вселенной, но-види. «. мому, разная1 (Это очень легко себе представить: склсйте из бумаги трубочку„ диаметр которой меняется, скажем, от 1 мм до 10 см (рис. 9.!); для живущих на такой бумаге занят ля во (твет еря (0« т. д. есн ды пр лед), о прн К вз — че« ми взм факта срзтуре 287 К бу К ((оо'с) молекулы «рз в выбннзются е температуре звестны н темп ~ун Л атоме вы«н *) Ср физике: д кристаллы ренне), пр потом прн плазма) н вещество, мн в более (О 'С) «резв — жидкие к звзлнвзются электроны тем мель привычной влнвзются» нплн (нспя» нз атомы„ (обрззуется ~е дробится существ размером в 1 см один конец их мира будет казать«я одномерным, а другой — двумерным.) Спрашивается: почему же мы живем именно в таких физических условиях, а не в других, именно в этом месте Вселенной, а не н другом? Ответ ва это дает принятый в космологии антропный принцип: мы являемся свидетелями процессов только определенных тинов, потому что процессы всех других тинов проходят без свидетелей (формулировка Л.
Л. Зельмановз). Другичи словами, жизнь могла зародиться и развиться только там, где для этого были подходящие условия. 9.4. Химическая эволюция на ранней Земле Чем же замечательна наша область Вселенной? В свое время здесь возникли звезды, педра которых стали «нроизводить» ядра всевозможных атомов. Затем среда вокруг звезд остыла достаточно для конденсации планет, где появились разнообразные молекулы, пошли химические реакции и стартовала химическая эволюция; 4,0 миллиарда лет назад эти процессы начались и на нашей Земле.
Надо сказать, что положение Земли с температурой поверхности -1О' К напоминает положение колеса водяной мельницы. Ведь мельница крутится потому, что находится на пути падения воды сверху вниз; точно так же Земля находится на пути «цадения» света от горячего Солнца с температурой -10» К к холодному окружающему пространству, где излучение имеет температуру всего около 3 К. И все хорошо внакат, что эта мельница н но ссй депь вращает колеса всего живого. Но как она начала работу на первобытной Земле? Что было тогда на Земле? Была атмосфера, суша и водоемы, Был, как уже сказано, солнечный свет, Лктивво шли всевозможные процессы: дули ветры, бились волны, текли реки, со сверканием молний гремели грозы, извергались вулканы...
Основными комнонентами атмосферы были простейшие газы — азот, окись углерода, водяной нар, водород (активно улетучивающийся из верхней атмосферы). Что же особенного могло случиться в таких непритязательных условиях? Из азота Й и окиси углерода СО с участием водорода Н, легко могли получаться соответстгенцо аммиак гчН«и (с выделением воды) метан СН,. л.
ю. Гг.с"..срг, л. Р. хо«ло» Из... Но нужны ли примеры? Ведь довольно естественно '."-':~~":-'. предположить, что любое не слишком сложное (а на самом:.'"!~' деле — не полимерное) химическое соединение из имев- .'!е!' шихся элементов могло образоваться — в каком-то месте (вода, атмосфера, мелководье, поры среди песчинок„,), в какое-то время (за почти 10' лет), в большем или меньшем количестве, путем тех или иных реакций. Если реакция .ц ебовала затраг энергии — ее можно было получить нз ультрафиолетового излучения Солнца, электрических разрядов молний, горячих вулканических продуктов, ударных волн и т. д. Глины могли играть роль катализаторов. Нмелись суточные циклы освещения — затенения, нагревания — охлаждения, высыхания — увлажнения...
Конечно, здесь есть широчайшее поле для фантазий и пе менее широкое для научных исследований. В каких количествах образовывались те или иные вещества, о какой скоростью, что с чем смешивалось и что, наоборот, от чего отслаивалось... Подобных вопросов очень много. Для нх исследования ставятся особые лабораторные эксперименты, кстати, несложные по идее: в герметический сосуд загружается подходящая смесь твердых, жидких и газообразных ингредиентов, включается надлежащее::::,",'3 освещение, электрические разряды и т.
д.; яркость света, число «молний» и т. п. подбирают так, чтобы, скажем, неделя опыта была по количеству вложенной энергии эквивалентна периоду реальной истории продолжительностью в 50 000 лет — и после этого тщательно анализируют состав получившейся смеси. Что же получается? Едва ли пс все что угодно — по списку продуктов можно изучать химию. В заметных количествах образуются и такие «кирпичикнэ живой природы, как аминокислоты, нуклеотиды и пр. Короче, можно сказать, что в химической эволюции ранней Земли по-прежнему соблюдался принцип, отмеченный выше в связи с космологической эволюцией: образуются частицы (на химической стадии — молекулы) практически всех допустимых по энергии сортов. В опытах Фокса (1968) удалось получить и белковоподобные поли- м меры — так называемые протеиноиды. Означает,пи это, что среди прочего самопроизвольно могли образоваться белки, ДНК ...
и что загадка проис. хождения жизни решается простой ссылкой на случайность? Конечно, нет: все сказанное выше касается только простых неполимерных молекул. Вообще проницательным людям давно было ясно, что 1тз биологическая эволюция сложнее космологическогь Иап имер, великий немецкий ученый и философ Иммануил Кант (1724--1801) — кстати, автор первой нау'нюй шь потезы о форьшроваиии Вселенной (представление о которой тогда сводилось к Солнечной системе) из раскаленной туманности, писал около 200 лег назад: «Легче понять образование всех не~есных тел и причину их движений, короче говоря, происхождение всего современного устройства мироздания, чем выяснить на основании механики возникновение одной только былинки или гусешщьм.
Теперь же мы знаем, что качественное изменение всего характера эволюционного развития связано именно с полимеризапией. й.б. Предбиологическая эволюция: полимеры «объедают» друг друга Итак, в первичном бульоне (так называется смесь продуктов химической эволюции на ранней Земле) имелись мопомеры и они при надлежащих условиях начинали соединяться в полимерные цепи. Это экспериментально установленный факт. Более того, некоторые из получавшихся цепей обладали, хоти и в очень слабой степени, свойствами катализаторов (см. раздел 3.7), т. е. в жнейшим свойством современных биополимсров.
Это тоже установленный факт. Ио что было дальше — не столь ясно. Одна из формулировок проблемы про~ с;ождения жизни в знаменитый вопрос о том, что было раньше, курица илн яйцо. Молекулярная биология этого вопроса не решила, но заменила его похожим: чю было раньше — ДИК, кодирующая белок, или белок, синтезирующий ДИК7 А последний вопрос напоминает нам, что главная в конечном счете фушсция системы современных биополимеров — -циклическое самовоспропзведение. Сказанное побуждает обдумать такую простейшую модель.
Допустим, что случайно образовавшаяся цепочка обладает свойством катализировать производство собственных копий„т. е. ускоряет соединение мономеров из окружающего бульона в новые цепи с той же первичной структурой. Конечно, это допущение уводит нас от островка твердо установленных фактов в океан малообоснованных гипотез. Поэтому мы будем сейчас не обсуждать то, как обстояло дело в действительности, а просто постараемся гонять, что могло произогпи в том или ином случае. Кстати говоря, подобным образом часто приходится рассуждать тео вгику, если он столкнулся с трудной задачей.
ак что же произойдет, если одна из возможных первичных структур обладает свойством тиражировать свои копии? Пока таких автокатализнрующих цепочек в бульоне нет, не произойдет, конечно„ничего. Но если случайные соединения звеньев дадут одну цепочку с автокаталитичсской первичной структурой, то дальнейшие события приобретут характер взрыва; первая цепочка сразу начнет производить копии, каждая из возникших новых копий тоже начнет производить следующие копии и т. д.— ясно, что размножение будет идти в темпе геометрической прогрессии вплоть до исчерпания запаса мономеров в бульоне. Чтобы приблизить паши рассуждения к представлениям о современной живой клетке, можно рассмотренную модель немножко обобщить. Допустим, что макромолекулы типа А (скажем, ЛНК определенной первичной структуры) катализируют синтез цепей типа В (белок), а В в свою очередь катализирует синтез А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
