Согласно библейской истории, Бог сотворил человека из глины. По крайней мере, такая версия происхождения первого человека - Адама - представлена в «Коране». Казалось бы, не стоит путать религию и науку, однако одна из недавних теорий о происхождении жизни берет в качестве отправной точки эту историю. Ученые задают вопрос - что если живые организмы произошли от кристаллов, к которым, в том числе, относится глина?
Кирпичики жизни
Для начала определим, что мы имеем в виду под происхождением жизни. Речь не о том, что из глины был сразу вылеплен человек. Разнообразие многоклеточных организмов, в числе которых человек, скрывает тот факт, что внутри каждого из них находится генетический код. Когда-то этот код был простой молекулой, плескавшейся в доисторических океанах Земли. Основное отличие этой молекулы, называемой репликатором, от всех остальных - способность к самокопированию. Вопрос состоит в том, как из «пассивных» молекул, которые не самовоспроизводятся, вдруг получилась такая, которая стала безостановочно делать копии себя.
Долгое время в науке превалировала теория «первичного бульона». Согласно ей, атмосфера нашей планеты 4 млрд лет назад представляла собой бульон из химических веществ. Водород, углекислый газ, аммиак, метан и другие простые органические газы - отличная комбинация для спонтанного синтеза органики. Опыт провели в лабораторных условиях - через колбы пропустили разряды электричества, а также ультрафиолетовые лучи. Это должно было соответствовать атмосфере древней Земли. В результате получились органические соединения, например, аминокислоты. Образовались также первые строительные блоки ДНК и РНК, но вот самих молекул не было.
Даже если репликатор и смогут синтезировать в лаборатории описанным выше методом, то это будет означать, что в создании жизни большую роль играла случайность. Однако механизм работы ДНК и РНК настолько точен и выверен, что возникают сомнения в том, что к этому могла привести одна спонтанная химическая реакция. Вот здесь мы и подходим к теории возникновения жизни из глины.
Станки и чертежи
Но прежде чем перейдем к ней, давайте вообще разберемся, как работает молекула-репликатор. Возьмем клетку - нашу или бактерии. Это огромный химический завод, которым управляют последовательности ДНК. Чтобы завод работал, в нем есть «печатные станки» - белки-ферменты. Что они выпускают? Различные химические соединения, необходимые для работы клетки. «Приказы» от ДНК к белкам переносит молекула РНК. Так вот, представим себе станок, который делает РНК, которая делает РНК, которая делает РНК и так до бесконечности. Это не отвлеченный пример - сейчас я описал механизм работы вируса в клетке бактерии, так называемого «монстра Шпигельмана». Вирус Qbeta содержит только РНК с инструкцией постоянного самокопирования. Когда такой вирус попадает в клетку, он захватывает все ее станки, и они начинают безостановочно плодить вирус. Клетка лопается, и миллионы копий разлетаются в стороны.
Это, конечно, зловещий пример, но он отлично демонстрирует модель работы станка-репликатора. Химики проводили эксперименты со станками, которые по научному называются РНК-репликазой. В приборки добавляли РНК-репликазу, а также все необходимые химические элементы для синтеза РНК. Позже туда добавляли шаблон для станков - саму молекулу РНК. Репликаза сразу начинала делать ее копии. Был также проведен эксперимент без добавления РНК. Удивительно, но через некоторое время она возникла спонтанно! Причем это происходило в нескольких разных экспериментах независимых ученых. Все это наталкивает на мысль, что «станки» вовсе не знают, зачем они что-то производят. Это просто их запрограмированная деятельность - штамповать копии молекул. А вот теперь перейдем к кристаллам.
Колосс на глиняных ногах
Что если первые репликаторы были неорганическими? Таким вопросом задался химик Грэм Кернс-Смит 20 лет назад в книге «Семь подсказок о возникновении жизни». Поскольку органические соединения менее надежны, чем неорганические, он предполагает, что саморепликация впервые возникла именно у последних, а именно - у кристаллов. У атомов и молекул кристалла есть уникальное свойство - они укладываются строго определенным образом. Каждая отдельная часть кристалла организована точно так же, как и любая другая. Именно поэтому кристаллы так манят взгляд - их форма кажется чересчур упорядоченной посреди хаоса природы. Однако их стремление к определенной форме есть лишь следствие их атомных свойств.
Следующий вопрос - могут ли кристаллы самовоспроизводиться? Не просто могут, а именно так они и образуются. Кернс-Смит приводит пример с раствором гипосульфита в своей книге:
«Осторожно снимите с мензурки крышку, бросьте на поверхность раствора крошечный кристалл гипосульфита и с изумлением наблюдайте за происходящим. Кристалл будет увеличиваться у вас на глазах, время от времени разваливаясь на куски, которые тоже мгновенно пустятся в рост… Вскоре ваша мензурка окажется битком набитой кристаллами, некоторые из которых будут достигать нескольких сантиметров в длину. Через несколько минут все прекратится».
Итак, атомы кристаллов самопроизвольно укладываются в форму при наличии «заготовки» и наращивают кристалл. По сути, это и есть самокопирование. А теперь возьмем пример с углеродом. Из него состоят как алмазы, так и графит. Два вещества имеют разные свойства из-за разного уложения атомов углерода. Алмаз твердый, а графит - мягкий. Попробуем синтезировать и алмаз, и графит в растворе. Конечно, это не получится с углеродом, как с гипосульфитом, но проведем мысленный эксперимент. Мы получим множество оседающих в растворе копий алмазов и графита. По сути, мы повторили процесс работы органического репликатора. Но у него есть одно важное отличие - в неорганическом процессе нет мутаций, необходимых для эволюции. Или все-таки есть?
Дело в том, что даже в идеальной форме кристаллов бывают дефекты. Так, узоры атомов могут сдвигаться или на поверхности появляются швы, меняющие направление. И, если такой дефект есть, а он есть почти всегда, то он будет повторяться и при воспроизведении кристалла. Допустим, на глине образовалась трещина, изменившая форму, она отлепилась, и ее понесло в сторону течением. Тогда в другом месте будет расти другой кусок глины, со своей уникальной структурой.
Еще одно важное требование для репликатора - высокая вероятность его повторения. То есть, он должен обладать свойствами, нужными для выживания. Например, у органических репликаторов низкая липучесть - то есть, они высвобождают свои копии достаточно быстро. Можно предположить, что репликаторы с высокой липучестью просто не прошли естественный отбор. Есть ли что-то подобное у глины?
Здесь можно только строить догадки. Глина состоит из кремниевой кислоты и ионов металла. Если, допустим, их смывало из горной породы потоком воды, то они образовывали осадки в разных местах по ходу течения. Со временем осадки росли и уже сами влияли на водный поток. Вполне вероятно, образовывалась такая глина, которая вовсе замедляла поток и способствовала дальнейшему росту глины этого типа. Получается, что глина как бы управляла потоком для цели самовоспроизводства.
Можно представить и жизненный цикл такой глины. Перегороженный поток приводит к образованию заводей с водой. Поток пересыхает, высыхает и глина. Ее пылинки с определенной структурой, которая образует заводи, переносятся по воздуху в другие места, оседают в воде и цикл продолжается снова в другом месте. Мы уже говорили, что раствор принимает форму брошенного в него кристалла, поэтому такой вариант «переноса» вполне возможен.
Можно придумать много вариантов подобного отбора, только надо отдавать себе отчет, что никакой воли у самих кристаллов нет. Мы говорим о взаимодействии природных процессов, которое в наибольшей степени могли привести к поощрению саморепликации. Осталось только перекинуть мостик от неорганического вещества к органическому. Это довольно просто - химики давно признают, что глинистые минералы гораздо быстрее синтезируются посредством органических веществ. Как пример можно привести танины, использующиеся в нефтяной промышленности для облегчения бурения. На другом примере можно сломать язык, но минерал монтмориллонит разрыхляется, если в растворе присутствует органическое соединение карбоксиметилцеллюлоза.
Из рассуждений Кернса-Смита следует, что первой возникла все-таки РНК, которую неорганические репликаторы копировали для структурных нужд глины. Она образовывала наружную оболочку, защищавшую минерал. Уже потом неорганический репликатор был постепенно заменен органическим, а система «репликатор-РНК» (или «станок-шаблон») ушла в свободное плавание, приведя в конце концов к появлению многоклеточных организмов и человека.
Даже если вышеприведенная теория кому-нибудь покажется натянутой и слишком фантастической, все-таки нельзя отрицать возможную роль глины в создании органической жизни. О похожести развития кристаллов и живых клеток писал еще Циолковский в 1922 году. И видится вполне логичным, что структурная упорядоченность атомов в минералах оказала влияние на такую же упорядоченность в генетическом коде жизни. Ведь структура ДНК есть не что иное, как именно кристалл.
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.