Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
называемые протеноиды) вследствие своей пространственной структуры — складок цепи — обладали разнообразными каталитическими свойствами (Kaplan, 1978; Segal, Komer, Leiterer, 1982). В силу этого спонтанно возникавшие в достаточных количествах протеноиды могли решающим образом ускорить протекание процессов синтеза и репликации. Вещество обрело тем самым важнейшее свойство самовоспроизведения и вступило в новую фазу эволюции — фазу самоорганизации через самовоспроизведение. При этом решающую роль стали играть образование модификаций (мутантов) исходных молекул при небольших ошибках копирования и последующий отбор благоприятных вариантов. Возможно, появились даже целые сети полинуклеотидов и полипептидов, обладавшие способностью к репликации. Эти гипотетические структуры получили название гиперциклов (Айген, Шустер, 1982) и циклов рибонуклеиновые кислоты—репликаза (Ebeling, Feistel, 1979).
Решающим процессом, приводившим к локальному повышению концентраций макромолекул, по-видимому, было образование коацерватов (Опарин, 1963; Segal, Komer, Leiterer, 1982). Коацерватами называются каплевидные сгустки. Они возникают в тех случаях, когда в растворах высокомолекулярных соединений сольватные оболочки («шубы») ионизованных макромолекул отчасти состоят иэ других заряженных молекул и сливаются. Коацервация является одной из форм процесса, противоположного перемешиванию: коацерватная фаза содержит макромолекулы в гораздо более высокой концентрации, чем остальная жидкая фаза. Опарин (i960) придавал огромное значение коацерватам как одной из возможных ступеней, предшествующих возникновению жизни. С коацерватами тесно связаны исследованные Фоксом микрошарики. Речь идет о крохотных шариках протеноидов диаметром до 3 мкм (Fax, Dose, 1972). В коацерватах и микрошариках могли протекать реакции, поэтому их в некотором смысле можно рассматривать как химические микрореакторы. Эти микрореакторы обладают способностью к росту и к делению, а также к обмену веществ с окружающей средой и тем самым к мутации своего состава. Наряду с репликативными сетями коацерваты выступают как новые репликативные единицы (Ebeling, Feistel, 1982; Feistel, 1983). Образование микрореакторов является важным шагом на пути к пространственному ограничению биологических особей. Такая индивидуализация несомненно представляется решающим скачком в биогенезе.
Другим шагом, имевшим особенно большое значение, стало образование молекулярного языка биополимеров. Что, собственно, следует понимать в данном случае, говоря о языке? Рассмотрим для простоты немецкий язык (письменную речь). Формально немецкая письменная речь состоит из последовательностей символов, насчитывающих всего 35 знаков: 26 букв, пробел и знаки препинания. Эти символы упорядочены в различные последовательности. Пробелами, запятыми, точками, отступами, нумерацией глав и т. д. последовательности символов делятся на слова, части предложения, предложения, абзацы, главы и т. д. Этим подпоследовательностям символов придается различный смысл. Порядок следования слов отнюдь не произволен, а подчиняется правилам грамматики. Формальному описанию грамматических структур мы обязаны выдающемуся языковеду Хомскому (Хомский, 1962). Нетрудно видеть, что понятия языкознания применимы к описанию биополимеров (Ratner, 1974; Ратнер, 1983, 1986; Eigen, Winkler, 1975; Ebeling, Jimenez-Montano, 1980; Ebeling, Feistel, Herzel, 1987; Kuppers, 1986; Никтис, Пригожим, 1990). «Элементарный язык биологической системы — это химический язык» (Scheler, Mohr, 1979). Этот химический язык имеет алфавит, состоящий из различных сортов нуклеотидов и аминокислот; он обладает грамматическими правилами и позволяет выстраивать последовательности символов различной длины — единицы мутации, кодирования и рекомбинации (цистроны и более длинные участки). В биологическом отношении такие подпоследовательности символов имеют строго определенное значение, например,
они кодируют определенные метки или ферменты. Элементы этого молекулярного языка должны были образоваться в протоокеане. Предпосылкой тому было существование носителей информации, наделенных способностью к репликации. В протоокеане эту роль исполняли полинуклеотиды — сначала РНК, а впоследствии ДНК.
Эффективная репликация осуществлялась в связи с сетями с помощью специальных ферментов — репликаз. Возникали все более сложные репликативные системы, конкурировавшие друг с другом. Одни репликативные системы, обеспечивавшие быстрое и надежное (с относительно малым числом ошибок) копирование прототипа, оказывались впереди, другие отставали. В качестве «сырья» служили репликативные системы всюду встречающихся простейших органических молекул, таких, как аминокислоты и «заготовки» нуклеотидов, образующиеся под действием солнечного света, ударов молний и извержений вулканов. Со временем протоокеан все более заполнялся быстро копирующими репликативными системами, и сырьевой ресурс все более истощался, обмен веществ при репликации становился все более ограниченным. Происходил жесткий естественный отбор, определенные репликативные единицы, работавшие на основе полинуклеотидов и полипептидов, усовершенствовались. Они пространственно изолировались от окружающей среды (возможно, путем стабилизации микрореакгоров) и отделились от внешнего мира мембранами, через которые происходил обмен веществ с окружающей средой: произошло рождение первых живых существ.
