Наука и удивительное(Как человек понимает природу)
Шрифт:
Жизнь начала существовать после того, как нуклеиновые кислоты смогли производить белки типов а), б), в), г). Здесь мы уже имеем нечто, похожее на бактериальную клетку. Когда такая единица появилась в луже воды, которая содержала сахар и некоторые простые химические вещества, она действительно стала жить. Аминокислоты и нуклеотиды производились в ней самой: первые складывались в нужные белки с помощью нуклеиновой кислоты, служившей шаблоном, нуклеотиды использовались при воспроизведении нуклеиновой кислоты. Когда эта единица стала слишком большой, она разорвалась, и каждая нуклеиновая кислота образовала свою новую единицу. Этот разрыв и переформирование могли быть первым и простейшим способом деления клеток. То был довольно расточительный способ, так как многие вещества при этом терялись. Теперь у клеток существует гораздо лучший способ деления — без потери вещества.
Но даже и такая усовершенствованная химическая единица не могла бы вечно размножаться, так как она «питалась» простейшими химическими веществами, такими, как сахар, фосфат и аммиак. На Земле нет недостатка в аммиаке и фосфатах. Это простые соединения с малой энергией, и их количество достаточно велико. Но возможности получения сахара были ограниченными. Сахар, химическое соединение с большой энергией, производился только ультрафиолетовыми лучами Солнца, и притом в малых количествах. Когда образовавшийся в воде сахар истощался, живые единицы не могли больше размножаться. Одни разрушались внешними причинами, такими, как столкновения, действие избыточной радиации, или от потери белков в примитивном процессе деления и т. д. Не возмещаясь, они должны были вымирать.
Отсюда ясно, почему белок д) имеет такое огромное значение. Нуклеиновая кислота, которая в добавление к белкам а) — г) может производить и белок д), находится в весьма привилегированном положении: живая единица, содержащая эту кислоту, не зависит больше от сахара, находящегося в воде. Такая живая единица производит собственный сахар с помощью обычного (не ультрафиолетового) солнечного света как источника энергии и нуждается для этого только в очень простых химических веществах с малой энергией, таких, как вода и углекислота.
Важно понять, что все пять типов белков только ускоряют естественные процессы. Например, белки а) и б) производят из более простых веществ те же белки и аминокислоты, которые уже образовывались в воде, но без этих белков процесс шел с гораздо меньшей скоростью. Белок в) доставляет энергию в «готовой расфасовке», но энергия была и раньше, только в форме тепла, форме очень неэффективной. Белок г) образует небольшое собственное тело из воды для каждой нуклеиновой кислоты и этим колоссально ускоряет химические реакции. Белок д) создает вещество, которое, используя весь солнечный свет, производит сахар гораздо продуктивнее, чем это делалось с помощью ультрафиолетовых лучей. Таким образом, белки — это исключительно действенные катализаторы естественных процессов.
Эволюция жизни. Теперь мы достигли момента, когда природа готова к бурному развитию. Подведем итог. В некоторых местах на Земле возникли определенные комбинации цепных молекул. Эти комбинации обладают замечательным свойством воспроизводить самих себя, если есть сырой материал в виде простых молекул. Это воспроизведение осуществляется с помощью специальной цепной молекулы — нуклеиновой кислоты. Действительно, только нуклеиновая кислота воспроизводит самое себя. Каждое новое повторение этой молекулы вызывает образование тех же белков и создает вновь те же единицы.
Однажды возникнув, такие комбинации должны накопляться в больших количествах. В частности, быстро размножаться будут те комбинации, которые, воспроизводясь, эффективно используют как сырой материал простые химические соединения, потому что этого сырья много на Земле.
Дальнейшее развитие основано на взаимодействии двух факторов. Один — это самовоспроизведение единиц, другой называется «мутацией» строения нуклеиновой кислоты. Мы называем «мутацией» следующее явление: в процессе самовоспроизведения нуклеиновая кислота обязательно в отдельных случаях не повторяет себя в точности, время от времени происходят изменения.
Надо ожидать двояких изменений. Во-первых, в процессе повторения происходят ошибки. Новая нуклеиновая кислота не точно такая же, как старая. Если новая форма оказывается неспособной производить необходимые белки, единица, в которой произошло изменение, больше не способна развиваться. Если же, несмотря на изменение, новая форма нуклеиновой кислоты тоже производит необходимые белки, изменение будет повторяться дальше в каждом воспроизведении и с этого момента сохранится в потомстве.
Во-вторых, нуклеиновая кислота может добавлять к себе новые группы нуклеотидов и увеличивать тем самым свою длину. Несомненно, что цепи первых нуклеиновых кислот были очень коротки, они служили шаблонами только для немногих белков. Когда случайно добавлялись новые нуклеотиды, эти добавки воспроизводились в повторениях. В большинстве случаев они были бесполезны для производства белков. Но за долгие периоды время от времени должно было случаться так, что получались лучшие белки или что от удлинения нуклеиновой кислоты образовывались новые белки, позволявшие более эффективно использовать сырые материалы для воспроизведения. Когда это происходило, новый тип единиц быстро замещал старый, так как он быстрее размножался и употреблял для этого весь имевшийся материал [57] .
57
Существует процесс, в котором получаются более длинные цепи нуклеиновых кислот. Вероятно, он происходит часто при воспроизведении. Копия не отделяется полностью от исходного оригинала: концы остаются связанными. Так получается цепь двойной длины. Новая цепь не может производить белки нового типа: получаются те же белки, но в двойном количестве. Такая удвоенная цепь подвергается меньшей опасности при дальнейшем повторении: если где-либо в одной половине происходит изменение, другая половина остается нетронутой и может производить необходимые белки. Изменения могут быть переданы в этом случае следующим поколениям, а не будь удвоения, они были бы смертельны для этого белка. После нескольких таких мутаций удвоенная цепь станет способна производить новые белки в добавление к тем, которые производила исходная цепь.
Может случиться и так, что новые белки позволят единице размножаться при других внешних условиях. Например, старая единица лучше всего размножалась в теплой воде, а новая будет размножаться в более холодной, или старая — в более глубоких слоях воды, а новая — в более мелких вблизи берегов. Тогда новые типы не вытеснят старые, а населят области Земли, где существуют новые условия.
Здесь мы видим процесс естественного отбора. Он с необходимостью вступает в игру, когда определенные единицы обладают способностью самовоспроизведения и когда программа, ими управляющая, испытывает случайные изменения. Оба эти фактора, самовоспроизведение и мутация, работают рука об руку. Если мутации не влияют на воспроизведение, ничего особенного не происходит, изменения только передаются по наследству. Если мутации таковы, что уменьшают размножение, то пораженные единицы вымрут, а если мутации благоприятствуют размножению, — заменят старые единицы. Так идет медленное развитие к единицам, лучше приспособленным к размножению в существующих условиях.
Есть характерная тенденция в этом развитии — единицы становятся все сложнее. Они теряют простые черты, которые были в начале истории их жизни. Большинство изменений происходит в сторону большей дифференциации, к более длинным цепям нуклеиновых кислот, производящим больше белков для специализированных целей. Поэтому с того момента, как возникают единицы, способные самовоспроизводиться, развитие идет в сторону более и более сложных единиц. Лучшее приспособление к внешним условиям почти всегда ведет к более сложным единицам.
Рис. 59. Старейшая из известных форм жизни, существовавшая около 1600 миллионов лет назад. Она несколько напоминает водоросль.
Это развитие во многом напоминает развитие наших автомобилей. Каждый год конструкторы пытаются улучшить автомобили путем небольших добавок здесь и там. Машина становится все сложнее. Несомненно, что можно делать гораздо лучшие и менее сложные машины, но только если перепроектировать их совсем заново. Можно перепроектировать автомобиль, но природа не может сделать этого в отношении процесса естественного развития и отбора. В природе может происходить развитие только путем накопления малых изменений здесь и там, за счет изменения программы в нуклеиновых кислотах. Природа не может начать заново с наброска. Она может только прибавить что-то к предыдущему развитию. Поэтому прогресс в природе почти всегда достигается путем перехода к более сложным формам.
Этот механизм обладает воистину замечательным свойством. Он дает возможность природе совершенствоваться, «строить» все более и более сложные структуры, и притом «естественным» путем, без нарушения каких-либо законов физики и химии и без обращения к заранее установленному плану. Этот процесс тем более замечателен, что в неорганическом мире мы чаще всего замечаем противоположную тенденцию: сложные структуры распадаются на более простые, порядок всегда превращается в беспорядок. Процесс построения возможен только благодаря явлению самовоспроизводства. Он автоматически умножает более сложные структуры тогда и только тогда, когда они лучше приспособлены к окружению [58] .
58
Эта тенденция к усложнению в живых структурах не противоречит всеобщему закону термодинамики, который гласит, что полная энтропия (мера беспорядка) постоянно увеличивается. Увеличение «порядка» в живых структурах всегда сопровождается уменьшением порядка в окружающей физической среде. Это равновесие исключительно важно для построения органических молекул в растениях, в котором участвует солнечный свет. Для создания каждой молекулы должно поглотиться известное количество световой энергии. Оно образовалось за счет большой потери «порядка» в веществе Солнца, испускающего свет.