Машина создания(Фрагмент.
Ссылка на источник) — Наблюдения Дарвина не годятся для объяснения того, как же произошла жизнь, — говорит академик РАН Эрик Галимов. — Естественный отбор на молекулярном уровне должен выглядеть следующим образом: выживают более быстрые или, например, более устойчивые молекулы. Но это обычная термодинамика. А обычная термодинамика ведет к максимуму энтропии, к разупорядочению! Как биологи выходят из положения? Они за отправную точку берут случайное событие: каким-то образом появились первые сложные молекулы, а затем уже начали эволюционировать. Меня же интересовал как раз этот момент — как произошло первичное упорядочение.
Концепция естественного отбора — главная догма современной биологии. Дарвинизм очень здорово объясняет, каким образом может происходить эволюция. Но он ничего не говорит о том, почему в ходе эволюции организмы становятся все сложнее. Логика теории в том, что случайные (и маловероятные) изменения могут накапливаться и привести к чему-то сложному, но могут и не привести. Какого-то специального механизма производства все более высокоорганизованных видов ни в дарвинизме, ни в современной генетике не описано. На эту проблему постоянно указывают критики теории, а в вопросе зарождения жизни она становится просто непреодолимой. Об этом мы и беседуем с академиком Галимовым в его директорском кабинете в ГЕОХИ, где этажом ниже лабораторная установка, оптимистично постукивая, «производит жизнь».
— Мне хотелось показать, что в природе есть такая «машина», которая делает обязательным процесс упорядочения, — говорит академик. — Упорядочение — это не усложнение, потому что может быть сложное, но неупорядоченное.
Упорядочение — это нарастающая степень несвободности поведения. Все живые организмы высокоупорядочены. В полимерной молекуле каждая ее часть — мономер — ограничена в поступательной и вращательной степенях свободы. Белки-ферменты катализируют только определенный путь реакции, то есть ограничивают выбор пути. Генетический код устроен так, что каждому триплету оснований соответствует только одна аминокислота. И так далее. Разные части системы точно соответствуют друг другу, это и есть упорядочение. Так вот, по законам термодинамики такого быть не должно. Видите ли, есть второй закон термодинамики, который, на мой взгляд, не полностью описывает действительность. (Второй закон говорит, что энтропия, то есть мера беспорядка любой системы, может только возрастать. — «РР».) Второй закон описывает разупорядочение, а нужно описать упорядочение как обязательный процесс. Если бы я был помоложе, я бы, наверное, занялся еще и этим. Но сейчас я хочу показать, как это приводит к возникновению жизни.
— Есть ли доказательства, что такой процесс вообще существует?
— Есть серьезные основания так считать. Я занимался, да и сейчас занимаюсь геологическим фракционированием изотопов. В 80−е годы мы изучали поведение изотопов в биологической системе. У углерода два основных изотопа — 12−й и 13−й. До войны вообще считалось, что их соотношение — константа. Но довольно быстро поняли, что внутри организмов белки, жиры, углеводы различаются по изотопному составу. Как раз в это время мы занимались еще одной работой — происхождением нефти. Для нее нужно было знать термодинамические константы для разных углеводородов. Расчет этих констант к тому времени был сделан только для самых простых соединений, потому что он довольно трудоемок. Я искал метод попроще и нашел. Тогда я стал, можно сказать, для смеха вычислять константы для самых разных биологических молекул. И когда я сопоставил их с тем, что измерено, оказалось, что есть хорошая корреляция между ними и изотопным составом… Я вижу, вас никак не поражает это обстоятельство.
— А почему оно меня должно поражать?
— Потому что на самом деле это абсолютно невозможное явление — чтобы была такая корреляция между наблюдением и равновесными константами! Потому что организм в нашем понимании — это нечто абсолютно удаленное от равновесия! Вот когда организм погибает и превращается в совокупность газов — тогда это равновесие!
— Равновесие, насколько я помню из курса химии, это когда скорости прямой и обратной реакции равны. Сколько продуктов образуется, столько же и расходуется. Я думал, что в организме около этой точки все и крутится, там же идет много реакций. Каждая в отдельности должна быть близка к равновесию, а в целом — да, потихонечку накапливается необратимость.
— Ну вот если вы так считаете, то вы изначально мой союзник.
— Хорошо, но я все же не понимаю, какое отношение это имеет к упорядочению и к происхождению жизни.
— Я пришел к выводу, что химия живого — проста. Это множество реакций, которые сами по себе неравновесные, но недалеки от равновесия. Что происходит в живых системах? Они обмениваются с внешней средой. Вы все время добавляете в реакцию вещество, и реакция идет. И если вы будете давать вещество понемножку, то система будет все время находиться близко к состоянию равновесия. Такие процессы называют стационарными. И вот в них идет упорядочение.
— За счет чего?
— За счет сопряжения с внешней средой. Есть теорема Пригожина, которая говорит, что в такой системе производится минимум энтропии. Все именно так, как и происходит в жизни: система выбрасывает наружу высокоэнтропийный продукт, и за счет разупорядочения среды увеличивается упорядочение в данной системе. На все это обязательно нужна энергия. На любой приход вещества система отвечает производством низкоэнтропийного продукта внутри себя. А это и есть та самая машина, которая обязательно должна производить упорядочение.
— Здорово! Как это выглядит в реальности? В обстановке ранней Земли?
— Во-первых, нужна энергия, процесс упорядочения в системе должен сопрягаться с внешней средой. Самой подходящей для такого процесса является молекула АТФ, аденозинтрифосфат. Что мы имеем спустя четыре с половиной миллиарда лет после начала? Во-первых, молекулы АТФ обслуживают всю энергетику организма, то есть как раз сопрягают ферментативные реакции с расходом питательных веществ. Во-вторых, аденин входит в состав нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Поэтому я думаю, что АТФ — молекула номер один в процессе зарождения жизни. Она появилась на ранней Земле из простых веществ — метана, воды, азота.
— Ну, появилась. А что дальше? От довольно простой АТФ до клетки — как от Москвы до другой галактики.
— Дальше моя концепция состоит в том, что вся эволюция подчинена процессу упорядочения. Цели нет. Может возникнуть вопрос: почему вообще идет какой-то направленный процесс? И вот здесь жизнь связана с особенностями соединений углерода. С тем, что во Вселенной с самого начала очень много ограничений. Упорядочение может идти в огромном числе случаев: звезды, кристаллы, кремниевые цепочки… Но это все два-три шага: кристалл закристаллизовался — и все, у него нет путей эволюции. Но углерод — уникальный элемент во Вселенной. Он может создавать цепочки, двойные связи. Еще необходим водород, он дает водородные связи, которые связывают цепочки ДНК в двойную спираль… Вообще-то у природы было не так уж много вариантов. Допустим, кремний может создавать цепочки, но не дает двойных связей. Дальше. Появились углеродные соединения — аминокислоты, нуклеотиды, короткие цепочки. Машина продолжает работать. Чтобы степени свободы уменьшать, нужен катализ, он ограничивает выбор вариантов химических реакций. Так вот, лучших катализаторов, чем белки, в природе нет. Даже короткая цепочка из нескольких аминокислот обеспечивает очень высокую селективность. Но есть предел у пептидного упорядочения — они не могут передавать свою упорядоченность по наследству. Зато есть другие соединения — нуклеиновые кислоты. Лучше, чем они, ничего не реплицируется.
— Вот это, насколько я понимаю, один из самых сложных моментов: как установить соответствие между пептидами и, допустим, РНК.
— Если вы меня спросите, как это произошло, то ответить конкретно трудно. Но поскольку машина упорядочения работает, она все время ищет возможность упорядочивать дальше. Как легче всего создать низкоэнтропийный продукт? Из двух предшественников — низкоэнтропийных продуктов. Жизнь очень консервативна, она конструирует из того, что уже было. И дальнейшая возможность — установить соответствие между механизмом запоминания и механизмом катализа. То есть создать генетический код. Как только такая система сложилась, она двинулась дальше семимильными шагами вплоть до создания клетки. Представьте себе лабиринт, в котором масса тупиков и одна дорожка вперед. Упорядочение — это ваша возможность тыкаться вперед. Попробуйте в лабиринт заливать воду — она же пройдет! Наша дорожка состоит в том, чтобы пептиды стали себя воспроизводить через другие молекулы.
— Все, что вы рассказываете, очень хорошо в теории, но молекулярная биология — наука очень конкретная: молекула туда, фермент сюда… Пока экспериментов не будет, вам не поверят.
— Я думаю, что точные эксперименты на лабораторном столе поставить нельзя. Есть процессы, для которых требуются миллионы лет. По геологическим меркам это быстро, а в лаборатории даже при идеальных условиях могут понадобиться тысячи лет.
— А можно частями? Или нет?
— Смысла нет. Сейчас ведь тоже можно создать живое из неорганических молекул: подобрать катализаторы, синтезировать пептиды, нуклеиновые кислоты, потом отобрать из них те, про которые заведомо известно, что они соответствуют друг другу. И это ничего не даст, потому что вы будете делать это руками, а для доказательства нужно, чтобы процесс шел сам. Поэтому я думаю, что нужно сделать правильную математическую модель. Мы над этой моделью работаем. Не скажу, что полностью удовлетворен результатом, но он есть. В чем состоит? Мы задаем условия компьютеру и смотрим, найдет ли машина, что другого пути, кроме как установить соответствие между аминокислотами и основаниями, нет. Если найдет, это будет значить, что генетический код мог возникнуть сам собой. У нас пока этого не получилось. Только если мы начинаем подсказывать. Но мы хотим, чтобы машина сама изобрела алгоритм.
