[дядюшка Ро]

В статье обсуждаются вопросы, связанные с загадкой происхождения жизни на Земле и возможностью повторения такого процесса во Вселенной. Рассматриваются границы познания биологической эволюции с учётом того, что она "заметает свои следы".

1. Судьба предвидений.
Всего сто лет назад не было ни теории относительности, ни квантовой механики, ни генетики, ни компьютера, ни космических ракет, ни атомной бомбы. Замечательные фантазии Верна, Уэльса, Беляева, Ефремова, Булычева и других сегодня выглядят архаичными сказками по сравнению с реальными знаниями и технологиями, достигнутыми в ходе естественного хода научно-технического прогресса. Если бы кто-либо в 1911 году всерьёз рассказал о них, то вполне мог угодить в психиатрическую лечебницу. Весьма убого выглядят и прогнозы весьма уважаемых учёных, высказанные в 1975-м насчёт 2000-го. Так и сегодня - наши фантазии насчёт будущего заведомо обречены. Хотя, и так по-настоящему смелых фантазий почти нет. (Некоторые всё же обсуждались в сообществе "Экскалибур". И скорее всего, если (вернее, когда) они будут реализованы, то на иных физических принципах и неизвестной ныне технической основе).

2. Уникальность, обязательность или вероятность?
Очевидно, что то, что уже изобретено, открыто, создано - могло быть изобретено, открыто, создано. В принципе могло!
Но это никогда достоверно неизвестно до-, и всегда становится доподлинно известно только после-. Но пост-фактум не есть предсказательный факт, а лишь тривиальное свидетельство. У современников всё новое вызывает удивление и восхищение, а у потомков - уже никаких сильных эмоций. Для них это норма, что-то привычное и естественное. Интеллигенция по-прежнему воспитывается на почитании гениев прошлого, а все остальные эгоистично пользуются "безличными" достижениями прогресса. Воистину "ничего личного", когда "за всё заплачено":)
Спросим себя, было ли предопределено появление, скажем, радио? Обычно, получаем два стандартных ответа:
1) Из того, что это произошло, совершенно не следует, что это должно было случиться! Нам просто дико повезло.
2) Из того, что это произошло, определённо следует, что это должно было случиться! Не раньше, так позже.
И хотя ответы противоположны, оба они неправильны. Наверное, наиболее логичный ответ должен иметь статистическую основу:
3) При большом числе опытов, благоприятных условиях и достаточном времени эволюции вероятность повторения такого события, как появления радио во Вселенной, отлична от нуля.
Фактически он означает, что мы ничего не можем сказать о существовании ещё одной высокоразвитой цивилизации во Вселенной, пока не обнаружим её. Можно верить, можно не верить - это личное дело каждого, его философская позиция.

3. Поставим вопрос иначе: как снова пойдёт НТ эволюция, если запустить её с нуля? Например, если забросить группу необразованных людей (скажем, детей) на необитаемый континент или на другую благоприятную (аналогичную) планету и наблюдать за ними в течении тысячелетий. Что будет? Или точнее: когда они дойдут до тех или иных изобретений и открытий? Когда создадут автомобиль, самолёт, корабль, радио, двигатель, ракету?
Вряд ли кто будет всерьёз спорить, что их путь будет уникален, отличен от нашего как скоростью, так и последовательностью достижений.
А если подготовить миллионы планет и запустить на них людей, то мы получим колоссальный спектр эволюций. Изучив их все, можно набрать статистику и сделать обобщения. Наверное, даже можно будет установить общие законы НТ эволюции.
Вообще говоря, на родной Земле мы такой опыт имеем на примере культурно-этнической эволюции географически изолированных народов, начавшейся где-то 50 тысяч лет тому назад. (И во многом закончившейся с глобализацией). К слову, социальные феномены культуры, языка и религии действительно получились уникальными (сильно разошлись), а феномены власти и экономики, наоборот, оказались универсальными (сходящимися, вырожденными).
Но если забросить на благоприятные планеты не людей, а семена растений, то уверенности в успехе сильно поубавится. Нет никакой гарантии, что эволюция жизни обязательно приведёт созданию к мощного интеллекта ещё раз, стартуя очень уж издалека.

4. Эволюция заметает следы?
Парадоксально, но по отношению к прошлому мы оказываемся в такой же ситуации, как и по отношению к будущему!
Нет никакой возможности восстановить вид первого самолёта братьев Райт по Конкорду или Бурану, первое радио Попова с когерером по МР3 приёмнику, разностную машину Беббиджа по персональному компьютеру и т.п. Если бы не музеи техники и раритетные манускрипты, то техническая история человечества могла бы кануть в лету бесследно. Современным инженерам и конструкторам совсем не обязательно знать эту историю - в их работе ничего из тех старых знаний не используется. И наука, и техника, и технология ушли далеко вперёд. Только основополагающие идеи и ключевые компоненты остаются нетленными, но их реализация прошла множество пертурбаций и сегодня совершенно иная.
Историкам и биологам в этом смысле тоже повезло - археология и палеонтология позволяют им хотя бы пунктирно заглянуть в прошлое. Но машина времени у биологов, к сожалению, совсем не работает на одноклеточном мире - от его эволюции никаких ископаемых следов не осталось. А жаль, ведь современные клетки - это чудо природы, по сравнению с которыми весь многоклеточный мир выглядит скромным учеником!

5. Эволюция: необратимая поступь
Если какое-либо изменение обратимо, то сделан эволюционный шаг, означающий топтание на том же месте эволюционного древа. Если сделано несколько шагов, взаимно обратимых, то первый и последний тоже обратимы. Но если хотя бы одно промежуточное звено в цепочке теряет обратимость, то между первым и последним шагом образуется ступенька. Это означает маленькую революцию - разветвление. Если оно устойчиво, то новый образец пойдёт дальше уже своей собственной эволюцией. Каждое такое разветвление аналогично фазовому переходу в физике, происходящему локально. Поэтому нет проблемы с энтропией - она скачком падает.
Например, развитие компьютеров на базе ламп и транзисторов не предвещало всеобщую компьютерную революцию. Только появление БИС привело к тому, что миниатюризация переросла в распространение специализированных чипов с ограниченными ресурсами и функциями. Это одно из направлений революции, хотя формально, по-бюрократически - шаг назад. Аналогично "регрессу" от клетки к вирусам и транспозонам. Возврат же назад по эволюционному древу к механическим устройствам - калькулятору Лейбница или сумматору Паскаля, например, вообще невозможен. Их можно "переоткрыть", если начинать с нуля, но не "вычислить" .

6. Загадка происхождения жизни на Земле (ЗПЖ)
ЗПЖ сегодня - это провал между органической химией и цитологией.
С одной стороны, доказано, что нуклеотиды, аминокислоты, белки, липиды, другие кирпичики живой материи образовывались в заметных количествах ещё на ранних этапах естественной геологической эволюции Земли. (Нет необходимости рассчитывать только на кометы и астероиды). С другой стороны, минимальными живыми частицами являются очень сложные биологические конструкции - органеллы. И дело не только в сложности их конструкции. Функционирование органелл является настолько чётко организованным и настолько сложным технологическим процессом, что трудно представить себе его создание. А если точнее, то невозможно. Тем более, что процесс этот не столько автоматизирован, сколько компьютеризирован - работает по весьма изощрённому алгоритму.
Очевидно, что эволюция органической материи от химических кирпичиков до живой клетки прошла длинный путь. Было бы интересно, конечно, восстановить его если не в деталях, то хотя бы основные ступени. Но необходимо признать - это нереально. Так что фраза Чарльза Дарвина: "Рассуждать в настоящее время о возникновении жизни просто нелепо. С таким же успехом можно говорить о возникновении материи",- по-прежнему актуальна. А что мы точно можем, и что ещё важнее - это понять устройство жизни. Тогда генетика сможет творить настоящие чудеса!

7. ЗПЖ - современное состояние.
Плодотворной является попытка реконструкции процесса появления жизни на Земле с нуля, вернее, с химических кирпичиков жизни.
1) Первой такой считается теория Опарина — Холдейна и положенное ей направление голобиоза. В ней доказана особая роль мембран, которым для обмена веществ вполне могло хватать пассивных механизмов диффузии и осмоса. Слабые места теории - отсутствие механизмов наследственности и размножения.
2) Мир РНК - популярная ныне теория из разряда генобиоза. В ней предполагается, что первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК, а прообразом их мог стать автокаталитический цикл, образованный теми рибозимами, которые способны катализировать синтез своих собственных копий. (Исследователям даже удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимеразы).
Важные факты в пользу теории:
- РНК способны создавать двойную цепочку, самореплицироваться. (Например, репликация рибозимов происходит по типу катящегося колеса).(
- Открытие явления обратной транскрипции, объясняющее более позднее возникновение специализированного хранилища генетической информации — ДНК, при котором РНК сохранилось как посредник.
- Возможность абиогенного синтеза РНК. (В 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда удалось продемонстрировать возможность синтеза уридина и цитидина в условиях ранней Земли). Этот результат идёт в зачёт гипотезы мира полиароматических углеводородов, которая предлагает вариант химической эволюции от них и до РНК-подобных цепочек.
Слабое место теории - слишком уж большой скачёк от замкнутого и самодостаточного РНК-мира к белковому.

ЗПЖ - некоторые альтернативные идеи.

8. "Лингвистическая аналогия".
Человеческая речь, очевидно, началась с целых слов, а язык сложился стихийно. При последующем анализе речи выяснилось, что слова состоят из небольшого набора звуков, которым можно поставить в соответствие буквы. Так же обнаружилось, что различные упаковки корня внутри слова придают ему вторичную функцию, положение в предложении - третичную, в контексте - четвертичную. Так и белки - язык жизни. Мог ли язык сложиться сам по себе, а потом занять своё место в памяти? Риторический вопрос. Поэтому логично предположить, что белки и РНК с самого начала развивались вместе. Для развития идеи нужно идти от современной рибосомы в сторону упрощения её строения при сохранении основной функции.
1) Рибосома
В 2009 году "канадские" биохимики Константин Боков и Сергей Штейнберг из Монреальского университета, исследовав трёхмерную структуру рибосомной РНК современных бактерий E.coli, пришли к выводу, что рибосомы могли сформироваться в результате постепенной эволюции из очень простой маленькой молекулы РНК — «проторибосомы», способной катализировать реакцию соединения двух аминокислот. Все остальные структурные блоки рибосомы последовательно добавлялись к проторибосоме, не нарушая её структуру и постепенно повышая эффективность её работы. Так, у низших грибов и некоторых бактерий до сих пор существует способ биосинтеза белков, который не требует участия рибосом, а синтез пептидов проводится высокомолекулярным белковым комплексом НРС-синтазой. Скорее всего, её предок был ещё более простым и весьма распространённым в "первичном бульоне".
2) тРНК
Современные тРНК являются живыми свидетелями прямой связи антикодона с аминокислотой (буквы со звуком). Возможно, примитивные и поэтому очень короткие предки тРНК могли соединяться в цепочки, параллельно образуя полипептидную (вместо комплиментарной). Последняя, отколовшись от матрицы, обретала ту или иную пространственную структуру - вторичную и третичную. Преимущество во времени жизни приобретали те полипептиды, которые сворачивались в глобулы и защищали свою РНК оболочкой. (Фибриллы появились позже). Таким образом происходил естественный и параллельный отбор и белков, и их геномов. Да и четвертичные структуры возникали сплошь и рядом. Таким образом на заре эволюции обходились без механизма трансляции. А рассматриваемую структуру можно считать простейшим вирионом (или нуклеокапсидом), способным к саморепликации.
3) Манфред Сампер и Рудигер Льюс из лаборатории Эйгена продемонстрировали, что в смеси, вообще не содержащей РНК, а содержащей только нуклеотиды и Qβ-репликазу, может при определённых условиях спонтанно возникнуть самореплицирующаяся РНК, которая эволюционирует до нечто подобного Монстру Шпигельмана.
Такая "паразитическая" эволюция может происходить только в среде, обладающей достаточным запасом строительных материалов и в условиях мягких температурных колебаний. (В этом смысле вся фауна паразитирует на флоре - и ничего, живёт себе припеваючи).
Если образование высших структур белка сопровождается выделением энергии (энергия связи) большим, чем они могут получить при максимальном естественном нагревании среды, то структура получается устойчивой. Так возникает локальная необратимость и "фазовый переход" к новой разновидности частиц биохимической материи.

9. "Реабилитация" вирусов.
Сегодня вирусы для своего размножения используют только чужие клетки. Поэтому их считают поздними дефектами сплайсинга (точнее, жертвами аборта) и не придают никакой эволюционной роли в прошлом. Несмотря на то, что геном человека более чем на 32 % состоит из информации, кодируемой вирус-подобными элементами и транспозонами. Да и нахальные ретровирусы дают явный намёк на генную обратную связь. Они используют для репликации своего генома механизм обратной транскрипции: вначале синтезируют одну нить ДНК на матрице вирусной РНК, а затем уже на матрице синтезированной нити ДНК достраивают вторую, комплементарную ей нить. Образуется двунитевая молекула ДНК, которая, проникнув через ядерную оболочку, интегрируется в хромосомную ДНК поражённой клетки.
Но это современные вирусы. А на заре эволюции могли быть простые и "чистые" РНК-вирусы, чей геном кодирует только белок (один или несколько) собственного капсида (мембраны).
Могли ли они размножаться без клеток и если да, то на чём?
Кандидаты известны - НРС-синтаза и простейшие рибосомы. Которые образовались в первичном бульоне и наполняли его. Впрочем, эти "ретрансляторы" и сами скорее всего являются результатом эволюции простейших вирионов.
Во всяком случае, исчезнувший "вирусный мир" многое мог бы объяснить относительно ранних стадий ЗПЖ. А именно, неразрывную связь нуклеотидов и аминокислот, бурную эволюцию белков и мембран. И возможно, появление простейших органелл.