А вот из ведра с колючками вывалится плотный ком. Колючки сцепятся и образуют сложную систему, которая будет обладать устойчивостью. После этого повторить эксперимент с колючками уже не удастся, так как разорвать связи между колючками гораздо сложнее, чем образовать их. Назовем это явление принципом автосборки, который сыграл определяющую роль в возникновении жизни на Земле.
Роль колючек в процессе образования органических веществ играют молекулы углерода, которые легко образуют связи.
Кстати, схожими свойствами обладают молекулы кремния. И на Земле могла бы быть кремниевая жизнь, но мы – углеродники – успели сделать это первыми.
Соединения углерода отличаются образованием большого количества межатомных связей, что приводит к появлению макромолекул, включающих тысячи и миллионы атомов. Кроме этого, внутри молекулы существует большое количество менее прочных связей между ее частями. Все это позволило углеродсодержащим макромолекулам создать миллионы различных веществ, которые затем стали основой зарождающейся жизни.
Ученые многократно проводили опыты по смешиванию метана, аммиака и водяного пара и воздействовали на эту смесь электрическими разрядами. В результате подобных опытов легко получаются простейшие молекулы. Самое любопытное в этих экспериментах то, что проще всего получить органические молекулы, потому что они более устойчивые. Собственно, поэтому они и получили название органических, так как именно устойчивые молекулы стали основой жизни.
Образование сложных органических молекул происходило в следующей последовательности.
Смесь газов метана, аммиака, водяного пара, цианистого водорода под влиянием электрических разрядов (проще говоря, молний) превращалась в набор аминокислот, азотистых оснований, порфиринов. А эти простейшие органические соединения послужили основой для образования белков и нуклеотидов – основы жизни. Белки – это кирпичики, из которых мы сложены. А нуклеотиды – это буквы, которыми записан чертеж нашего тела.
Матричное копирование
Теперь рассмотрим важное свойство нуклеотидов. Нуклеотиды бывают четырех типов, сокращенно обозначаемых буквами А, У, Ц и Г. Они легко образуют длинные цепочки, называемые полинуклеотидами. Нуклеотиды А и У, а также Г и Ц попарно образуют специфические химические связи. Это значит, что если нуклеотид А случайно встретится с нуклеотидом У, то они сцепятся, как две колючки.
В результате каждый полинуклеотид может служить матрицей для получения другого полинуклеотида. Если, например, полимерную цепочку, состоящую из нуклеотида аденина (А), поместить в среду несвязанных нуклеотидов урацила (У), то благодаря специфическим химическим связям молекулы урацила также выстроятся в полимерную цепочку (рис. 1). То есть нуклеотиды могут управлять построением полимерных молекул.
Рис. 1. Матричное копирование
В свою очередь, получившийся полинуклеотид может служить матрицей для получения аденина. В результате одна молекулярная цепочка может породить другую, и это приведет к тому, что несвязанные молекулы скоро займут свое место в одной из цепочек.
Таким образом, матричное копирование, или репликация, является чрезвычайно мощным механизмом копирования органических структур. Фактически матричное копирование – это самый примитивный способ влияния на окружающую среду. Забравшись в раствор органических молекул, макромолекула начинает выстраивать свое собственное зеркальное отражение.
Полинуклеотиды любят закручиваться в спирали. Поэтому в процессе репликации рядом с исходной спиралью выстраивается зеркальная спираль, и макромолекулы «сплетаются в объятиях».
С момента появления в первичном бульоне первых нуклеотидных цепочек хаотическое движение нуклеотидов прекращается, и все холостые нуклеотиды начинают выстраиваться в строго упорядоченные парные спирали – предшественники великой спирали ДНК.
Сама ДНК также состоит всего из четырех видов нуклеотидов. Эти четыре нуклеотида составляют алфавит жизни. Строение всех живых организмов, в том числе и нас, записано буквами этого алфавита.
Катализ репликации
Следующим шагом эволюции стало образование таких полимеров, которые могут катализировать собственный процесс репликации. Катализатор – это вещество, которое ускоряет химические реакции. Следовательно, ускоряется образование именно тех полимеров, которые сами ускоряют данный процесс. В результате определенный набор полимеров становится более устойчивым и образует систему, в которой преобладает определенный вид макромолекул.
Начинается естественный отбор органических систем. Теперь при встрече двух цепочек побеждает та, которая сумела катализировать свой процесс репликации, а неудачная цепочка распадается. Хотя мы и называем этот процесс естественным отбором, мы все еще имеем дело с неживым организмом. Идет простая химическая реакция, результатом которой становится преобразование неустойчивых макромолекул в устойчивые.
В соответствии с нашей теорией, живые системы должны иметь систему отражения, а здесь пока идет прямое химическое воздействие.
Синтез белков
Нуклеотиды имеют относительно слабые возможности для построения специфических функциональных систем, но способны направлять синтез полипептидов, то есть белков. Для синтеза белков используется специальный генетический код, в котором определенные триплеты нуклеотидов кодируют определенные кислоты. Этот код одинаков у всех живых организмов. Из этого следует, что в результате естественного отбора появилась определенная органическая система, сумевшая синтезировать белки, которая вытеснила все прочие полинуклеотидные системы. Все существующие сейчас живые организмы являются потомками одной органической системы. Короче, наша нуклеотидная цепочка забила всех остальных. Ну так им и надо!
Эта органическая система и есть первобытная ДНК. Именно эта нуклеотидная цепочка сумела первой поставить себе на службу белки и добиться подавляющего преимущества перед другими полинуклеотидами.
Хотя организм человека содержит около квадриллиона клеток, каждая из них включает в себя ДНК, в которой записана полная информация о строительстве этого организма. Данная информация представляет собой руководство, описывающее те белки, которые требуется синтезировать для создания организма.
Способность направлять синтез белков позволила создавать практически любые органы и ткани, что в дальнейшем привело к чрезвычайно большому разнообразию живых систем.
Заключение в мембрану
Заключительной частью появления первых клеток было появление мембраны. Это произошло благодаря свойству определенных органических молекул, называемых фосфолипидами, образовывать в воде замкнутые двухслойные пузырьки.
Так как для синтеза белков необходима физическая близость молекул, то наиболее устойчивыми системами синтеза оказывались наборы макромолекул, попавшие внутрь фосфолипидных пузырьков, которые в итоге стали клеточными мембранами. В результате заключения их в мембрану появилась возможность гораздо более эффективного синтеза белков, так как катализаторы всегда находились в контакте с полипептидами и могли точнее направлять их синтез. После этого появилась возможность построения всех остальных подсистем клетки.
Первая живая система
Таким образом, появление первых клеточных систем на Земле основано на следующих основных свойствах органических молекул:
• автосборка;
• матричное копирование;
• репликация систем;
• синтез белка;
• образование мембраны.
В результате эволюции органических молекул появились замкнутые органические образования, которые в дальнейшем эволюционировали в живые системы. Для появления живой системы должна была возникнуть система реагирования, которая заставила бы клетку отвечать не на само воздействие, а на информацию о нем.
Первой живой системой была клетка, которая изменила свое поведение в ответ на информацию о воздействии.
Появление такой клетки стало возможным путем создания специальных видов белков, которые стали не просто материалом для строительства клетки, а полноценными устройствами для восприятия и обработки информации.
Первые клетки были крайне примитивны. Все органические образования, включая ДНК, были перемешаны и разбросаны по всей клетке. Органические соединения они вырабатывали, питаясь неорганическими соединениями, метаном и двуокисью углерода.
Подобные бактерии встречаются и в наше время, но они могут существовать только в экзотических местах: в горячих минеральных источниках и вблизи действующих вулканов.
Системы отражения первых клеток представляют собой молекулы белка, которые реагируют на концентрацию химических веществ. Двигательным аппаратом являются так называемые жгутики, которые позволяют клетке перемещаться относительно градиента химических веществ.