Хотя мы и не знаем точно, но ясно, что «бульон», из которого произошла жизнь, тесно связан с минералами, горными породами и геологическими процессами. Сейчас имеется ряд представлений, облегчающих это понимание. Конечно, в первую очередь должен был существовать раствор. В нем были все компоненты, из которых произошла клетка. Иными словами, должно было быть что-то вроде кристаллизационного раствора.
Поскольку все это происходило самопроизвольно, то должна была быть и вода. Ведь клетка на 90% состоит из воды. С образованием гидросферы — водного раствора органических и неорганических соединений — наступает стадия формирования биогеосферы. По современным представлениям сама вода обладает квазикристаллической (почти кристаллической) структурой, что в значительной мере определяет свойства и структуру растворенных в ней молекул, в том числе и биологически важных. Предполагается, что пролог космической эры человечества начался в море — приблизительно 3 млрд. лет назад на мелководьях древнего океана в теплой и хорошо прогретой солнцем воде. Там неживая материя перешагнула таинственный рубеж: зародилась жизнь. Это одна из гипотез.
Неспециалисты считают, что извержение вулкана является фантастическим зрелищем. Но помимо этого вулканы — своеобразные источники разнообразного минерального сырья. Действительно, вулкан за одно извержение выбрасывает тысячи тонн органических веществ со всеми компонентами, необходимыми для жизни. В нашей стране такие вулканы есть на Дальнем Востоке. Аналогичные подводные вулканы существовали и в глубокой древности. Химики считают, что углерод насыщал воду. Там образовывались все более сложные соединения углерода — своеобразный бульон. Создавались предпосылки для возникновения жизни — определенного порядка, определенной системы из неупорядоченной питательной среды. Вода — растворитель. Она к моменту образования жизни накопила в себе простейшие химические соединения, содержащие фосфор, азот, углерод, кальций.
Нельзя забывать, что в этом процессе участвовали и геофизические поля. Какие? Те же, что действуют на живую клетку и сейчас — электрические, магнитные, гравитационные и др. Они воздействуют и на все геологические процессы, включая образование кристаллов.
Что могло послужить толчком для начала процесса формирования клетки? Возникновение и кристаллизация ее частей? Безусловно, что это были физико-химические причины.
Магнитное поле, свет, гравитация, механические колебания — все могло действовать в момент зарождения жизни. Молния — электрические разряды — также содействовали образованию живого на Земле. Установлено, что гидравлический удар способствует полимеризации молекул, а живое состоит и из полимерных цепей. В те далекие времена землетрясения были чаще и сильнее. Они вызывали сотрясения дна океана, приводившие к образованию гидравлических ударов, и вместе с ними развивались очень сильные давления в воде. Сверхдавления разлагали соединения, а затем составляли из них полимерные нити, из которых создавались позднее аминокислоты. Могло влиять и тепло. На образование простейших органических соединений оказывают действие физические поля как закономерная часть геологических процессов в земной коре и атмосфере.
Из аминокислот, растворенных в первобытном океане, сначала образовались сгустки белка. Они сделали первый шаг на пути жизненного прогресса — стали обмениваться веществами с окружающей средой. Разрываясь, начали размножаться, постепенно приобрели и другие жизненно важные качества. Вытянутым сгусткам — «белковым палкам» удалось сохранить в первородном хаосе свою индивидуальность, так как они приобрели удивительные свойства — наследственность.
Переход к настоящим клеткам потребовал обязательного возникновения индивидуальных фазовообособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей средой, используя ее вещества и энергию, и на этой основе способных расти и подвергаться естественному отбору.
Как можно подойти экспериментально к изучению этой стадии эволюции? Акад. А. И. Опарин отмечал, что в условиях современной биосферы можно непосредственно наблюдать только начальное образование таких систем. Их эволюция, обычно очень кратковременная в присутствии уничтожающих микробов, усложнена современными условиями.
На сегодня наиболее близкой к обособленной системе клеток биологической моделью являются коацерватные капли. Коацерватные капли были получены в 30-х годах Буненберг де-Ионгом из смеси водных растворов желатины и гуммиарабика.
В условиях обычных температур из раствора выделяются капли, содержащие молекулы обоих веществ. Эти капли А. И. Опарин рассматривал как модели открытых систем — далеких предков клеток и широко использовал в своих построениях.
В их числе есть образования из белков, нуклеиновых кислот, полигликозидов, фосфатидов, хлорофилла и др. В процессе коацервации в капле происходит концентрация полимеров, в десятки и сотни раз превышающая концентрацию в растворе. В капле могут быть «вакуоли», где концентрация сильно снижена.
Известны случаи, когда наблюдается структурированность отдельных участков в пределах капли. Что же такое коацерват? Не есть ли это специфический кристалл из полимеров? Со своими газовожидкими включениями?
Одной из важных особенностей систем коацерватных капель является способность избирательно поглощать вещества из внешней среды, что особенно хорошо видно, если добавить к внешней среде красители. В этом случае можно увидеть, что краска концентрируется в капле, а раствор обесцвечивается.
При лабораторных исследованиях высокомолекулярных органических полимеров наблюдается помутнение растворов, связанное с выделением обособляющихся сгустков вещества. Это позволило создать предшественников таких фазовообособленных систем. Биологом Р. Гольдейкром проведены наблюдения над образованием на поверхности природных водоемов небольших обособленных пузырьков, которые находятся в белково-липоидной оболочке. Пузырьки с водой появляются при сморщивании ветром пленки, которая находится на поверхности воды, — это уже простая система, которая может взаимодействовать с внешней средой.
Образование пузырьков Гольдейкра (а) [по Опарину А. И., 1977 г., с. 124] и микросфер (б) [по Фоксу С., 1978 г.]. 1-4 — последовательные стадии
Теория происхождения жизни в наших земных условиях свидетельствует, что жизнь возникла на основе углеводородных соединений, из которых сформировались элементы для строительства живого, — белки и нуклеиновые кислоты. Эти процессы происходили в «бульоне», где самопроизвольно произошла сборка (кристаллизация?) простейших органических веществ и полимеров (полипептидов и полинуклеотидов). Из этих составных частей формировались открытые (предбиологические) системы — коацерваты, которые посредством отбора по скорости роста и размножению преобразовывались впоследствии так или иначе в простейшие клетки — обособленные системы. Сегодня известно, что кровь содержит столько же минеральных веществ, сколько их есть в морской воде. Предполагают, что это также свидетельство далекого от нас процесса зарождения жизни в морской лагуне.
Стройный набор взаимосвязанных структур — ядра, мембраны, митохондрии, вакуоли, трубочки и другие части, расположенные в одной оболочке, — вот что такое клетка сегодня.
Известно основное положение биологии: «все живое происходит только от живого». А в общем плане можно сказать — подобное происходит от подобного. В чем состоит способность организма к воспроизведению? В простейшем случае клетка делится пополам, причем каждая половина вырастает в дочернюю клетку, воспроизводящую до мельчайших подробностей строение материнской клетки.
Акад. А. И. Опарин еще в 1924 г. приводил такой пример: «Возьмем кристалл какого-либо вещества, хотя бы квасцов, расколем его на две. половинки и бросим эти последние в перенасыщенный раствор того же вещества. И вот оказывается, что брошенные в раствор половинки кристалла сравнительно быстро восполнят за счет частичек, ранее свободно плававших в растворе, недостающие у них грани, углы и ребра». Свойство воспроизведения — регенерация присуща не только организмам, но и всем без исключения природным телам, обладающим определенной структурой. Встает вопрос: мы раскололи кристалл насильственно, а деление клетки осуществляется самопроизвольно? Однако деление клетки также происходит под влиянием физических сил, таких как поверхностное натяжение или капиллярность. После деления образуются две клетки, идентичные исходной по генетическим свойствам и с обновленным составом ядра и протоплазмы. Процессы самовоспроизведения хромосом, их деления, образования двух ядер и деления протоплазмы составляют в совокупности митотический цикл клетки. Сам процесс деления заснят на пленки и фотографии, подробно изложен в учебниках по биологии, и в частности в прекрасной научно-популярной книге И. И. Акимушкина «Занимательная биология».
Как сейчас установлено, процесс деления практически «вечен». Так, на рисунке показан небольшой организм, существовавший 2 млрд. лет назад в Гренландии, который «увековечен» в камне в момент воспроизводства делением.
Небольшой организм, живший 2 млрд. лет назад в Гренландии. Запечатлен в камне в момент воспроизводства делением
Мы знаем, что деление имеет свою физическую основу. И чудес здесь нет. Возьмём пример из области физики. В 1939 г. только что открытый процесс деления атомных ядер был объяснен в работах Н. Бора, Дж. Уиллора и Я. И. Френкеля с помощью модели классической заряженной капли. В ней действовали кулоновские силы, разрывающие каплю, и силы поверхностного натяжения, препятствующие разрыву. Взаимодействие сил приводило к тому, что капля распадалась на две части. Оказывается, что ее могут вполне ощутимо «трясти» электрические силы. Так, Г. В. Остроумовым в 1960-х годах был сделан опыт, когда на каплю воды действовали электрическим полем. Капля начинала раскачиваться в стороны от положения равновесия. При этом форма ее напоминала восьмерку. Но восьмерка — это та форма, к которой клетка подходит при делении.
Интересно, что отдельные высокодифференцированные клетки совсем не делятся. В первую очередь это клетки крови. Они существуют некоторое время, затем разрушаются, а кроветворные органы производят новые.
Химические реакции в протоплазме осуществляются при помощи особых агентов, которые принадлежат к веществам — ускорителям реакции. Таким катализатором, в частности, является вода. Отметим, что в геологических процессах катализатор — тоже вода. Человек наблюдал и использовал многие превращения, происходящие в живых организмах и взятых из них материалах.
Это свертывание крови, дозревание и разложение мясных, рыбных и растительных продуктов. В начале XIX в. в биологических объектах были обнаружены активные вещества, вызывающие подобные превращения. Они получили название ферментов. Первые выделенные в 30-х годах нашего века опять в виде искусственных кристаллов чистые ферменты оказались белками, и все полученные потом (сейчас их известно около двух тысяч) также являются особым видом белков. Химические реакции происходят в присутствии ферментов без высоких температур и давлений в миллионы и миллиарды раз быстрее.
Жизнедеятельность организма, обмен веществ, представляет собой, как было отмечено, совокупность бесчисленных химических реакций, которые идут в клетках строго упорядоченно. Своеобразными организаторами порядка являются ферменты. Отсюда ясно, какую важную роль играют они в обмене веществ.
Ферменты — это белковые биологические катализаторы, синтезируемые (кристаллизуемые?) живыми клетками и регулирующие скорость и специфичность тысяч химических реакций, протекающих в протоплазме. Различные ферменты работают в «сотрудничестве» друг с другом; при этом продукт одной ферментативной реакции служит основой для последующей. Внутренность клетки представляется в виде завода с множеством различных сборочных и разборочных конвейеров, действующих одновременно. Любой такой «конвейер» состоит из ряда ферментов, каждый из которых осуществляет одну стадию процесса. Каждый фермент находится под контролем особого гена.
Вместе с тем наличие ферментов, как и обмена веществ, — особенность не только живой природы. Акад. А. И. Опарин приводил пример с губчатой платиной, помещенной в водный раствор перекиси водорода. Она имеет много пор и, как следствие, большую поверхность. Перекись водорода поглощается платиной, образуя на поверхности гидрат перекиси платины, который очень быстро разлагается на платину, воду и кислород. Сама перекись водорода — устойчивое соединение. Платина позволяет ускорить ее разложение. Небольшой кусочек платины при этом сохраняется целиком, его снова можно будет бросать в перекись водорода и разлагать ее.
А. И. Опарин подчеркивал, что в рассмотренном примере изложена идея схемы обмена веществ, поскольку уже здесь имеется поглощение вещества из окружающей среды, его усвоение, разложение и происходящее впоследствии удаление продуктов распада. Кусочек платины ведет себя аналогично, например, бактерии, которая находится в растворе с питательной средой. Бактерия поглощает раствор, усваивает его и разлагает, выделяя продукты распада. Отмечается, что в обоих. случаях наблюдается не только внешнее совпадение процесса, но и тождественность его механизма; обмен веществ производится с помощью ферментов, если говорить на биологическом языке.
Заканчивая, отметим, что в «правильных», на взгляд биолога, кристаллах обнаружены разнообразные дефекты, среди которых часто встречаются газово-жидкие включения — небольшие полости с электролитом, кристалликами и газовыми пузырьками. С точки зрения уровней организации вещества по своему структурному положению они отдаленно напоминают своеобразные «клеточки» в мире неживой природы. Геологи считают, что газово-жидкие включения — своеобразное чудо неживой природы.
Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982