Эволюция биосферы - Камшилов Михаил Михайлович - Страница 10

Существенный этап в развитии жизни — формирование отдельных организмов, различающихся особенностями обменных процессов. Предложено несколько гипотез, позволяющих понять закономерность этого этапа. Наиболее разработана гипотеза А. И. Опарина о коацерватной стадии в развитии жизни.

Органические вещества, накапливающиеся в толще водоемов, распределялись в ней, видимо, неравномерно, образуя отдельные сгущения, своеобразные молекулярные рои. Наряду с этими сгущениями должны были возникать комплексы коллоидных частиц — коацерваты (coacervatus по-латыни — накопленный, собранный). Коацерваты образуются в растворе гидрофильных коллоидов как органического, так и неорганического происхождения (рис. 2). Они могут, например, возникать из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле, при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, разделяется на два слоя — слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от коллоидов. В некоторых случаях коацерват образуется в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Основное условие образования коацерватов — одновременное присутствие в растворе двух или нескольких разноименно заряженных высокомолекулярных веществ. В водах первичного океана это условие было соблюдено. Значит, коацерваты должны были образовываться.

Для коацервации характерны следующие замечательные особенности:

во-первых, коацерваты представляют собой системы частиц, отграниченные от окружающей среды;

Рис. 2. Трехкомпонентный коацерват из желатины, гуммиарабика и рибонуклеиновой кислоты. Увеличено в 320 раз

во-вторых, концентрация высокомолекулярных соединений в коацерватных частицах достигает больших степеней. Так, при коацервации в 1%-ном растворе желатина свыше 90% этого вещества входит в состав коацервата. При более низких концентрациях различие между коацерватом и равновесной жидкостью оказывается еще более значительным;

в-третьих, состояние коацервата определяется не только особенностями веществ, входящих в его состав, но и внешними условиями. Водородные ионы, одно- и двухвалентные катионы, температура, влияя на взаимную растворимость веществ, слагающих коацерват, определяют степень его устойчивости;

в-четвертых, в результате образования поверхностной пленки на границе раздела коацервата и равновесной жидкости коацерват адсорбирует из раствора различные органические и неорганические вещества. Адсорбция наблюдается в равновесной жидкости даже при концентрации веществ, равной 0,001%. Замечательно, что эта адсорбция имеет избирательный характер, т. е. одни вещества извлекаются из окружающей жидкости, а другие нет.

В водах первичного океана в растворе находилось большое количество органических соединений, способных давать комплексные коацерваты.

Поскольку процесс коацервации происходил не в чистой воде, а в растворе различных неорганических и органических веществ, коацерваты адсорбировали эти вещества. В результате внутреннее строение коацервата изменялось, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т. е. к росту и, наконец, к изменению химического состава, повышающего устойчивость коацервата. Судьба капли определялась тем, какой из этих процессов преобладал. Так как среда, в которой находились коацерватные капли, по своему составу мало отличалась от самих коацерватов, то сохранение относительной устойчивости не испытывало больших затруднений. Сохранялось и росло то, что на первых порах не особенно отличалось по своему составу от среды; наоборот, разрушалось все резко от нее отличное. А. И. Опарин отмечает, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор капель, наиболее устойчивых в данных условиях.

Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распасться на дочерние. Те из дочерних капель, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост; резко отличающиеся коацерваты распадались. Если сходство со средой обеспечивало на первых порах возможность существования коацерватной капли, то относительная преемственность в организации «материнской» и «дочерней» капель позволяла сохранять структуру материнской капли и после ее распада на дочерние. Естественно, только те коацерватные капли продолжали существовать, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего строения.

Миллионы лет шел процесс естественного отбора коацерватных капель. Бесчисленное их количество разрушалось, растворившись в водах первичного океана. Ничтожная часть сохранялась. И, однако, сохранение каждой капли означало прогресс в совершенствовании ее организации. Способность к избирательной адсорбции, свойственная самым простейшим коацерватам, постепенно преобразовалась в специфику обмена веществ. Капли приобрели способность адсорбировать не всякие вещества, а лишь такие, которые обеспечивали их устойчивость. Параллельно увеличивалось различие между структурой капли и окружающей средой.

В процессе длительного естественного отбора сохранялись лишь те капли, которые при распаде на дочерние но теряли особенности своей структуры, т. е. приобретали свойство самовоспроизведения.

С возникновением самовоспроизведения окончилась предыстория развития жизни. Коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. На этой стадии были соблюдены пять условий прогрессивной эволюции:

1. Имелась масса относительно простых органических веществ — молекул сахаров, аминокислот, азотистых оснований, жирных кислот, а также минеральных соединений.

2. Эти компоненты взаимодействовали, образуя более сложные комплексы, в частности коацерваты.

3. Под воздействием свободной энергии в виде ультрафиолетового излучения Солнца шел синтез более сложных соединений из относительно простых, а также, видимо, ускорялись синтетические процессы у протоорганизмов.

4. Неоднородность среды формирования обеспечивала в одних условиях деструкцию возникающих комплексов, в других — оптимальный режим для протекания реакций синтеза. Взаимодействие процессов синтеза и деструкции привело к круговороту органического вещества — зародышу будущего биотического круговорота.

5. Способность к самовоспроизведению открыла широчайшие возможности прогрессивной эволюции.

И на этом этапе эволюции материи развивающееся новое, более сложное могло существовать лишь вместе со своим относительно простым предшественником, используя его энергию и вещество. При этом рассеянная информация, содержащаяся в химических элементах, равно как и во всем окружении, интегрировалась в форме новой организации. Способность к самовоспроизведению возникла путем элементарных форм отбора.

Известный американский математик Джон фон Нейман попытался решить проблему самовоспроизведения автоматов. Полученные им результаты представляют исключительный интерес. Оказалось, что способность к самовоспроизведению является функцией сложности организации: «...„сложность“ на своем низшем уровне является, по-видимому, вырождающейся, т. е. ...каждый автомат, который может воспроизводить другие автоматы, на этом уровне будет производить только менее сложные автоматы. Существует, однако, некоторый минимальный уровень, начиная с которого эта склонность к вырождению перестает быть всеобщей. Преодоление этого уровня делает возможным создание автоматов, которые воспроизводят себя или даже строят еще более сложные вещи. Тот факт, что сложность, точно так же, как и структура организмов, ниже некоторого минимального уровня является вырождающейся, а выше этого уровня может стать самоподдерживающейся и даже расти, несомненно, играет важную роль во всякой будущей теории рассматриваемого нами предмета»[34].

Теория автоматов, таким образом, показывает принципиальную возможность возникновения самовоспроизведения на основе прогрессирующего усложнения организации. Естественный, хотя и весьма длительный путь к этому — концентрация в малом объеме свойств (информации), рассеянных в Космосе.