Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Перейдем теперь к вопросу о том, как возникает жизнь. Среди бесчисленных солнечных систем нашей Метагалактики находится одна весьма своеобразная с семью крупными планетами, среди которых находится планета Земля, с твердой поверхностью, средней плотностью 5,51 г ¦ см-3, отстоящая на расстоянии
1,5 - 10й М от центральной звезды — Солнца, масса которой составляет около
2 - Ю30 кг. Образование этой планеты Земля произошло около 4,5 эонов (миллиардов лет) назад. Космическая эволюция шла дальше, рождались и погибали новые звезды, звездные системы и солнечные системы. Звезды, эволюционируя, превращались в красные гиганты, белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Мы не будем прослеживать их эволюцию более подробно, так как для нас основной интерес представляет самоорганизация и эволюция материй, происшедшие 4,5 зона назад на выделенной модельной планете Земля. Предшествующая космическая эволюция явилась для развертывающейся теперь драмы не более, чем прологом. Мы сознательно изложили этот пролог лишь в общих чертах, чтобы его действие могло развертываться и так, и эдак. Неопределенные расплывчатые места по ходу действия пролога связаны главным образом с открытой проблемой гравитационных неустойчивостей турбулентных газовых облаков. Унзольд (Unsold, 1975) говорит по этому поводу следующее: «Большие нерешенные проблемы в астрофизике сегодня имеют по существу гидродинамическую природу. Это связано с тем, что большинство космических течений турбулентны». Интересно отметить, что успехи астрофизики тесно связаны с решением старых проблем классической теоретической физики. В силу предыстории своего развития наша планета окружена газовой оболочкой. Земные горные породы выделяют газы, водород и гелий улетучиваются в окружающее пространство, поэтому состав газовой оболочки Земли непрестанно изменяется. На протяжении двух эонов земная атмосфера состояла главным образом из метана, водяного пара, аммиака, водорода и сероводорода. Такая газовая оболочка на первый взгляд может показаться «негостеприимной». Но, как выяснилось, такая газовая смесь таила в себе большие эволюционные потенции. Газовая смесь подвергалась действию интенсивного солнечного излучения. В бурной атмосфере бушевали грозы, действующие вулканы создавали локальные очаги высоких температур и значительные градиенты. Некоторые газы, в частности водород, конденсировались и скапли-
вались в низинах, образуя зародыши протоокеана и конкурируя с потоками лавы, изливавшимися из вулканов. В этих условиях, как следует из гипотезы, впервые выдвинутой Опариным (Опарин, 1924, 1960), возникли первые, еще примитивные, органические молекулы, в частности аминокислоты и нуклеиновые кислоты. Ныне эти процессы можно наблюдать экспериментально. В 1953 г. Миллер, тогда еще студент, пропуская в лаборатории Ури день за днем электрические заряды сквозь газовую смесь, моделировавшую протоатмосферу Земли, обнаружил в образовавшейся смеси аминокислоты. Работы Миллера и Ури породили огромное число аналогичных исследований. Было установлено, что при подводе энергии (например, в форме электрических разрядов, ультрафиолетового излучения, радиоактивного излучения и тепла) к газовой смеси, содержащей углерод, водород, кислород и азот, в восстановительной среде образуются все важнейшие детали для построения биовеществ: аминокислоты, гидроокиси, caxapd, пуриновые и пиримидиновые основания {Kaplan, 1978; Роппатрегита, 1972; Fox, Dose, 1972; MiUer, Orgel, 1973; Кбтег, 1974, 1977, 1979, Амбарцумян и др., 1986).
С инициацией химических процессов на планете Земля началась фаза химической эволюции. Она началась около 4-4,5 эонов назад и длилась около 1 эона. Основным результатом первой стадии химической эволюции стала интеграция простых атомов Н, С, N, Р,... в относительно сложные органические молекулы. Следующий эволюционный процесс состоит в интеграции этих молекул в макромолекулы. Некоторые из возникших в протоатмосфере органических молекул соединяются в цепи: полипептиды и полинуклеотиды образуются в постоянной конкуренции с разрушающим цепи процессом гидролиза. Множество полимерных цепей состоит из мономеров не одного, а нескольких сортов, т. е. являются самыми настоящими гетерополимерами. Тем самым возникает определенный линейный молекулярный «узор» — эталон, или паттерн. С момента своего образования паттерн начинает играть основополагающую роль (Bresch, 1977). Химическая эволюция по существу завершается. Ее основной результат состоит в интеграции атомов химических элементов во многие сложные органические молекулы, а молекул — во многие еще более сложные цепные молекулы. Важную роль в этих превращениях играли следующие химические элементарные процессы: -гомогенный и гетерогенный катализ, автокатализ, бистабильность и колебания.
Рассмотрим следующую фазу эволюции: через некоторое время возникают особые органические цепные молекулы, наделенные способностью к самовоспроизведению или саморепродуцированию. В случае полинуклеотидов это свойство основано на том, что водородные связи между нуклеотидами имеют различную силу. Молекулу рибонуклеиновой кислоты мы представляем в виде линейной цепи, состоящей из «кирпичиков» (звеньев) четырех сортов: аденина, цитозина, гуанина и урацила. Нуклеотид аденин обладает способностью образовывать относительно прочную водородную связь с нуклеотидом урацилом, а нуклеотид цитозин — с нуклеотидом гуанином. Вследствие этого исходная цепь нуклеотидов может присоединять к своим звеньям дополнительные (в указанном выше смысле) звенья. В результате образования химических связей между ассоциируемыми нуклеотидами может возникнуть дополнительная цепь (Kaplan, 1978). Таким образом, относительно короткие цепи рибонуклеиновой кислоты могут инициировать образование дополнительных цепей, а те в свою очередь — инициировать образование исходного прототипа. Тем самым за конечное число шагов происходит удвоение молекул-прототипов. Впрочем, из-за недостаточной каталитической поддержки и весьма слабых концентраций спонтанная репликация молекул происходила в водах протоокеана чрезвычайно редко. Все переплетение этих трудностей переносится и на полипептиды. Ныне экспериментально доказано,, что еще первичные абиогенно возникшие полипептиды (так
