Первыми организмами могли быть кристаллы глины

ПРИ ВСЕМ разнообразии ныне существующих на Земле форм жизни у них есть общее: главные молекулярные механизмы у современных организмов, как было неоднократно показано, одни и те же. Установление этой общности биохимической организации - одно из крупнейших открытий за последние сто лет. Нет никакого сомнения, что оно проливает свет и на историю эволюции. Но, как мне кажется, при рассмотрении самых первых этапов эволюции концепция единства биохимической организации не приносит большой пользы.

ОЧЕВИДНО, что современные живые существа на всех уровнях их организации устроены очень сложно. Классическим примером сложного многокомпонентного устройства может служить глаз, который, для того чтобы вообще иметь практическую ценность, должен быть устроен именно так, как он устроен. "Как может такой орган возникнуть за счет малых эволюционных изменений?" - спрашивают антидарвинисты, думая, что попали в цель. Пусть они успокоятся: здесь нет ничего парадоксального. Высокий уровень организации может возникать за счет постепенных эволюционных изменений.

    Представьте себе простои аналог "парадоксальной" структуры - каменную арку. Как можно построить арку постепенно, камень за камнем? Ответ: ее нужно собирать на опоре. А для начала нужно собрать эту опору, в которой нет ничего парадоксального, причем собрать по кусочкам - элемент за элементом.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ СИСТЕМЫ, использующей принцип кооперативное™ (например, арки из камней), можно представить себе как результат случайных маловероятных событий (слева). Гораздо разумнее ожидать, однако, что система возникла на некой "опоре", которая исчезла в прошлом и не доступна нашим наблюдениям (справа).Неорганические глины могли служить такого рода опорой - каркасом, на котором эволюция построила ныне существующую молекулярную машину.

    Рассуждая подобным образом, мы можем сказать о первых организмах следующее.

    1. Они могли эволюционировать.

    2. Они были просто организованы.

    3. Они состояли из веществ геохимического происхождения.

Не были ли первые вещества наследственности кристаллами? Ведь кристаллы - это наиболее часто встречающиеся образования, способные к самосборке. Аналогия между процессом кристаллизации и основными процессами жизнедеятельности проводилась неоднократно, но в конечном счете от нее отказывались как от слишком приблизительной.

У кристаллов есть основной тип строения, для которого характерна высокая периодичность, но в каждом реальном кристалле эта структура имеет дефекты

это делает реальные кристаллы потенциально высоко информационноемкими. 

    ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ могут приводить к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций, что является необходимым условием для хранения информации. На рисунке показаны наиболее обычные дефекты кристаллов: незанятые места в решетке (а), замещение отдельных элементов или доменов (Ь), краевые дислокации (с), вращательные дислокации (tf) и зернистые границы между решетками (е). В двойниковых кристаллах (f) по-разному ориентированные их части имеют общую плоскость взаимодействующих составляющих (стрелки). В некоторых кристаллах (g) большие домены имеют один и тот же состав, но различаются упаковкой составляющих их элементов.

Можно ли представить себе какие-либо структуры с дефектами, которые бы реплицировались в процессе роста кристалла? Ответ будет положительным. Это может происходить в кристаллах нескольких типов, обладающих подходящей комбинацией особенностей структуры, закономерностей роста и свойств спайности.

Наиболее доступная форма самосборки - это спонтанная кристаллизация простых, распространенных мономеров. Все эти рассуждения приводят к глине.

     Рассмотрим вначале одномерный ген. Он должен быть обычен для глин, которые, по-разному сочетаясь, могут давать различные слоистые структуры. Возможна ситуация, когда слои одного типа наложены друг на друга различным образом или когда имеется последовательность слоев разных типов. Если вспомнить, что кристаллит глины, даже построенный из нескольких слоев, может быть весьма гибким и что одномерный кристаллический ген способен расти только в стороны, на ум легко придет некая структура, образованная определенным образом свернутыми (а может быть, и разветвленными) мембранами или лентами постоянной толщины. Существует множество глин с нерегулярной упаковкой слоев, которые весьма схожи с этим описанием.

    КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ГЕНЫ должны были обладать правильной комбинацией структурных и ростовых признаков и признаков делимости. Информация могла храниться в одномерных или двумерных кристаллических генах. В случае одномерного гена (вверху) она содержалась в детальной структуре ряда взаимодействующих слоев (выделено цветом), которая сохранялась при репликации генов (а, b). Рост происходил только по окрашенным граням, а разделение шло только в параллельном им направлении. Физические свойства слоев, несущих информацию, могли быть различными (например, это могли быть по-разному уложенные кристаллические структуры); то же касается их химического состава. В двумерных кристаллических генах (внизу) информация могла храниться в форме специфической пространственной организации (в отношении и физических, и химических свойств) на грани кристалла (показано цветом).

 Эта организация сохранялась при репликации гена (с, d) за счет роста на окрашенной грани и при его расщеплении по плоскости, параллельной этой грани.

С. Бейли и К. Мэнсфилд, сотрудники Висконсинского университета в Мадисоне, провели рентгеноструктурный анализ крупных кристаллов вермиформного (червеобразного) каолинита и обнаружили в них интересные дефекты структуры. Отдельные слои каолинита представляют собой мозаично расположенные небольшие домены, составляющие в целом весьма прихотливый рисунок. В каждом домене все атомы алюминия имеют одну из трех возможных ориентации. В таких структурах может храниться очень много информации, и эта информация может быть реплицирована при условии, что во вновь образующемся слое ориентация атомов алюминия будет зависеть от их ориентации в том слое, на котором он формируется. В идеальных кристаллах каолинита ориентация атомов алюминия в слоях сохраняется, но в реальных кристаллах нередки "ошибки".

Даже в таких относительно простых условиях могут проявляться весьма тонко действующие силы отбора - некие факторы, обусловливающие причины преимущественного развития определенных структур с дефектами (в данном случае имеются в виду главным образом их форма и размеры). В результате мутаций появятся варианты таких структур; по этой причине в разных частях растущих участков будут часто находиться кристаллы, несколько отличающиеся дефектами своей структуры. Это может привести к тому, что в одних местах рост пойдет быстрее, чем в других, одни части будут лучше переносить периодические неблагоприятные условия, чем другие. 

    ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЗАХВАТ, каким он представляется автору, был важнейшим этапом ранней эволюции. Вначале существовали лишь "голые" гены, состоявшие из какого-то не известного нам первичного генетического вещества(черные квадратики слева), которые эволюционировали таким образом, что стали контролировать условия окружающей их среды путем управления образованием все более сложных, окружающих их фенотипов {голубые многоугольники). Возник новый тип генов {красные квадратики), которые могли "работать" только в границах довольно сложно устроенного фенотипа, но были более "работоспособными", чем исходные гены. Новые гены постепенно захватывали контрольные функции при формировании фенотипов, так что в конечном счете начальная

форма генов была ими полностью вытеснена.

Нетрудно представить себе, каким образом дефектная структура в генетическом кристалле могла самым прямым способом осуществлять контроль над ростом аналогичных образований: это могло происходить за счет эпитаксии, т.е. под влиянием специфических дефектов предсуществовавших структур на кристаллизацию вторичных глин на поверхности генетических глин. 

    БОЛЬШИНСТВО ГЛИН образовано стопкой слоев. В каолините (а) асимметричные слои скреплены водородными связями. Каждый слой образован сеткой из атомов алюминия и гидроксильных групп, слитой воедино с сетью из атомов кремния и кислорода (b). В других глинах слои симметричны. В них кремний-кислородная сеть с обеих сторон слита с металл-гидроксильной сетью. Эти слои заряжены отрицательно и взаимодействуют при участии положительно заряженных ионов (с). В иллитах (d) большая часть отрицательных зарядов появляется в результате замещения атомов кремния атомами алюминия.

Некоторые из малых органических молекул (например, аминокислоты или ди- и трикарбоновые кислоты) могли способствовать солюбилизации ионов металлов, например алюминия. Таким образом, они выступали в роли катализаторов при синтезе глин. Молекулы других типов (например, гетероциклические основания и полифосфаты) обладают повышенным сродством к глинам, что часто приводит к изменению физических свойств геля глины. Органические молекулы способны также сильно влиять на форму и размер неорганических кристаллов, подавляя рост некоторых их граней. Это могло иметь особо большое значение для контролируемой репликации кристаллических генов. Кроме того, влияние на структуры могли иметь и полимерные органические соединения. Они могли удерживать частицы глины рядом друг с другом.

Генетический захват, который привел к становлению существующих сегодня механизмов биохимического контроля, мог начаться, согласно этой гипотезе, с того момента, когда РНК стала реплицирующейся молекулой. То был новый тип "сотрудничающего" генетического материала, роль которого вначале была невелика. Для того чтобы отойти от основы - глиняного каркаса, - требовалась длительная эволюция. Возможно, это произошло уже после того, как возникла сложная система механизмов белкового синтеза. Об эволюции такой системы можно рассуждать, поскольку она происходила в пределах образовавшегося организма. Сначала она могла эволюционировать как побочная система, но постепенно становилась все более полезной и сложной, а когда каркас исчез, стала совершенно необходимой.

Самая сложная и важная задача исследований сегодня - обнаружить кристаллические гены, и не одного типа, а многих типов, причем не только минеральные. Представьте себе эксперименты с кристаллами, способными к эволюции. Мы могли бы создавать разные формы давления отбора, и смотреть, как они ведут себя в таких условиях. Вне всякого сомнения, это было бы увлекательным занятием независимо от того, из чего состояли бы кристаллы. Мы очень скоро смогли бы решить, возможно ли существование реплицирующихся систем на минеральной основе, хотя в результате, быть может, мы бы и утратили интерес к самым отдаленным нашим предкам, ведь у нас в руках оказались бы совсем иные первичные организмы - первые организмы нашего собственного изобретения.