Происхождение жизни: маленький теплый водоем - Фолсом К.
Скачать (прямая ссылка):
4-266
Меньшую степень сложности-автомата можно скомпенсировать за счет соответствующего повышения сложности инструкций.
Джон фон Нейманн
Рассмотрев вероятные пути возникновения протоклеточ-ных структур, мы еще не обсуждали ни их деятельности, ни их возможности к эволюции. Эта глава будет посвящена теоретическому анализу свойств и требований к конструкции простейших модельных органических автоматов, а также взаимосвязи между модельными системами и вероятными событиями в ходе возникновения первых про-тобионтов.
Считают, что автомат является устройством, способным к самопроизвольным действиям. Человеческий организм и бактериальная клетка — природные автоматы изумительной сложности; искусственные механические сооружения, такие, как вычислительная машина или телефонный коммутатор, тоже автоматы, но гораздо более просто устроенные. В этой главе мы поставим мысленный эксперимент, задачей которого будет создание простейшего из возможных органических автоматов с учетом в 'качестве граничных условий наших представлений о биологии клетки и знаний о характере внешней среды 4000 млн. лет назад. Как мы увидим, эти автоматы могут быть крайне простыми, но только в том случае, если окружающая среда имеет сложный характер.
Первое граничное условие: биологическая клеточная теория. Для того чтобы отграничить часть внешней среды, требуется граница раздела фаз, или мембрана. В водных системах граница раздела фаз должна быть гидрофобной. Нанося липиды на поверхность воды при перемешивании, можно получить сферулы, возникающие в результате самосборки липидов. Действительно, как показано в опытах с коацерватами Опарина, протеиноидны-ми микросферами Фокса и органическими микроструктурами, полученными мною, частично гидрофобный материал в водных системах способен к самосборке с образованием сферических частиц.
Второе граничное условие: энергия и ее рецепторы. Что касается энергии, то здесь, видимо, имеется широкий
Рис. 8.1. Скелет иорфириновой молекулы. Порфирины различаются органическими функциональными
группами, присоединенными в положениях 1—8, и способностью к ком-плексообразованию с разными ионами металла, связывающимися с четырьмя пиррольными азотами.
6 5
набор возможностей — от использования потенциальной химической энергии солнечного происхождения, заключенной в малых органических молекулах, до непосредственного использования солнечной энергии. Разберем последний случай (которому я отдаю предпочтение), поскольку солнечная энергия являлась и является преобладающей формой доступной энергии. В настоящее время и в последующие 2500 млн. лет наиболее высокоэнергетической частью солнечного спектра будет коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Этот вид энергии является достаточно мощным для непосредственного образования и разрушения химических связей между биоэлементами и легко поглощается разнообразными органическими соединениями. Поэтому использование в качестве энергии солнечного ультрафиолетового излучения очень удобно.
Чтобы эта энергия не была утрачена, необходимо использовать специальные рецепторы ультрафиолета. Обычно рецепторы моделируют по типу тех, которые используются фотосинтезирующими организмами, т. е. по типу порфиринов. Порфирины представляют собой плоские сопряженные системы, построенные из четырех молекул пиррола, удерживаемых вместе метиленовыми мостиками. Порфирины различаются между собой заместителями, расположенными с внешней стороны пиррольных групп (рис. 8.1), и обладают целым рядом общих полезных свойств. Все они поглощают как видимое, так и ультрафиолетовое излучение и служат поэтому превосходными рецепторами энергии. Все они гидрофобны и очень плохо растворяются в воде: в основном они присоединя-
1 5
4*
ются к гидрофобным границам раздела фаз органического автомата. Все они образуют комплексы с ионами металлов.
Четыре атома азота пиррольпых колец смотрят внутрь, и их пространственное расположение и заряд способствуют удержанию ионов металлов, валентность которых может меняться. Это позволяет такому металлооргаиическо-му рецептору переносить электроны, переходя при этом из одного состояния в другое. Порфирины могут образовываться путем сочетания пирролов, которые легко получить в экспериментах по имитации химической эволюции.
Третье граничное условие: устойчивая внешняя среда. Сложное строение биологических систем позволяет им приспосабливаться к меняющимся внешним условиям и в свою очередь измепять их. Для органических автоматов мы должны допустить паличие постоянных внешних условий. Это допущение поможет нам перенести потенциальную сложность автомата в область инструкций — в саму внешнюю среду. Поэтому при создании впешней среды мы обеспечим: 1) постоянный и неограниченный приток всех необходимых малых органических молекул в постоянных концентрациях; 2) постоянный приток энергии излучения и постоянные физические параметры, такие, как температура, pH и содержание солей.
