Кажется, что все усилия исследователей, которые пытаются ответить на вопрос о том, каков механизм образования жизни, представляют собой тщетные попытки объединить в единую цепь последовательных событий лишь какие-то фрагменты (биологи свои, химики свои и т.д.), которые участвовали, а может и не участвовали в формировании этой непрерывной последовательности превращений. К тому же все без исключения экспериментаторы и наблюдатели не учитывают главные факторы: время, случайность событий (формирование структур, химических связей) или превращений в длительной истории становления биосферы, изменение сред. Исследователи, кажется, утонули в деталях (бес действительно скрывается в деталях!), а сам факт превращения из неживого в живое мог оказаться куда более как простым.

Почему именно в воде возникла жизнь? Видимо, потому, что при всех особенностях жидкостей формировать молекулярные структуры, способные к репликации, структура воды является в этом смысле уникальной. А именно, ее полиморфная структура представляет собой готовые кластеры, способные влиять на механизм формирования коацерват Опарина-Холдейна. Образованные ДНК могли передавать информацию наследственным путем на основе матричного копирования описания структуры воды, которая становилась основой для формирования протобиополимеров по схеме: ДНК → РНК→ белки.

Еще работами С.Фоке устанавливается возможность образования пептидов в условиях температур 180 – 200ºС при нормальных атмосферных условиях. В этих условиях могут образовываться продукты расщепления – небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями. В условиях адсорбции на поверхности коллоидов, которые могли выступать в форме глин (Дж.Д.Бернал, Кэрнс-Смит), могли ослабляться некоторые связи, что приводило к разрушению одних и образованию других химических соединений.

Авторы низкотемпературной теории образования протобиополимеров К.Симонеску и Ф.Дениш экспериментально доказывают возможность их абиосинтеза в условиях холодной плазмы.

Переход от химической к биологической эволюции по коацерватной концепции А.Опарина и Дж.Холдейна связано с возникновением индивидуальных фазово-обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой (водой), используя ее вещества и энергию и на этой основе расти, множиться и подвергаться естественному отбору.

При этом, образование полимеров из многомеров могло происходить как в космосе, так и на Земле. Везде основанием для синтеза их могла служить полиморфная структура воды. Только в космосе это процесс не пошел далеко в связи с кратковременностью существования жидкой воды (он останавливался на нуклеозидах), а на Земле этот процесс перешел в стадию эволюции по цепочке1:

Предшественники аминокислот→азотистые основания

+ нуклеозиды

простые молекулы → рибоза (моносахарид)

+ →нуклеотиды →полимеризация→РНК

фосфорная кислота

Сущность возникновения первой клетки – как основы живого – на кластерной модели структурных полиморфных превращений воды, может включать следующий механизм.

Вода представляет собой кластерную структуру, близкую к структуре льда, зависящую и меняющуюся от температуры (340, 270, 225, 165, 112, 80, 43, 4, 0ºС). В этих особых температурных точках происходит инверсия, а точнее скачкообразное изменение структуры, названное структурным полиморфизмом воды2. Эти изменения не зависят от времени и систем, в которых они возникают, вплоть до гидротермальных растворов, связанных с минералообразованием 3. Возможные условия образования пептидных связей включает температуру 180 – 200 ºС. Следовательно, диапазон структурных перестроек воды для образования высокомолекулярных соединений может включать температурные точки 165, 112, 80, 43ºС. В этих условиях могут образовываться продукты расщепления – небольшие олигомеры, в которых мономеры соединяются пептидными связями. В условиях понижения температуры воды еще в атмосфере (не в океане!) могли возникать сложные органические молекулы, которые, попадая затем в водную среду на поверхности Земли (в условиях формирования протоокеана), могли образовывать коацерваты Опарина. Органеллы практически мгновенно при достижении благоприятных условий могли наследовать структуру полиморфных превращений воды путем матричного копирования, а затем нуклеотиды «записали» генетическую информацию скопированной структуры и передали ее будущим поколениям, но уже в структурной форме ДНК и далее по схеме РНК→белки.

Устойчивость органических структур повышалась с понижением температуры воды. Наследственные признаки или команда на строительство будущих структур зависела от условий окружающей среды (воды), то есть возникал механизм эволюции. Деление (способность к репликации) органических структур возникало в условиях первых структурных перестроек воды до тех пор, пока случайная флуктуация структур (бульона Холдейна) не была закрепленной наследственным путем вышеуказанным способом. Далее наследственные программы мутировали в зависимости от условий среды. Строительство первых клеток на белковой основе стало возможным только при температуре структурного полиморфизма воды 42,5ºС (начало сворачивания белков). До этого температурного рубежа могли формироваться лишь сернистые бактерии (тиосульфаты) и вирусы. Эти условия могли реализоваться в гидротермальных источниках на океанском дне (в условиях «черных курильщиков»), в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита (сульфид железа FeS2), либо апатитов4.

Кристиан де Дюв (Рокфеллеровский университет; Нобелевская премия 1974 г.) особое место в происхождении жизни отводит соединениям серы – тиоэфирам. Для синтеза тиоэфиров нужны высокие температуры и кислая среда – т.е. условия, существующие вблизи как раз гидротермальных источников (например, «черных курильщиков» на дне океанов), где образовываются сернистые соединения сульфидов железа, цинка и других металлов. В этом смысле последовательность формирования структур должна быть регрессивной: от ранних тиоэфиров до тиосульфатов (от высокотемпературных 180 – 200ºС) до поздних структур, в которых белок становится устойчивым при температуре ниже 42,5ºС . То есть, преджизнь начала зарождаться в более горячей среде, но сама жизнь сформировалась в условиях более низких температур на температурном рубеже + 42,5ºС .

При таком сценарии становится понятна роль воды в формировании жизни.

  1. Вода является основой не потому, что только является раствором, а потому что служит структурной основой происходящих в воде обменных процессов, закрепляемых наследственным механизмом трансляции структуры воды протоорганеллами.

  2. Структурная основа полиморфизма воды ниже температуры 0 ºС создает необходимые условия «консервации» органических структур, которые могут существовать в таком виде до момента перехода в жидкость (новый полиморфизм). То есть в условиях космического холода преджизненные формы могут существовать сколь угодно долго5.

  3. Наличие жидкой воды в начальных условиях формирования планет способствовало практически мгновенному возникновению аминокислот в космической пыли, метеоритах, кометах, где сейчас установлены преджизненные формы.

  4. В условиях, наподобие земных, длительный процесс (миллиарды лет) структурных перестроек воды, органеллы, копируя структуру воды с помощью первых молекул ДНК, могли получить от них команду по схеме ДНК →РНК на строительство белковых структур, которые постепенно наследовали способ деления, «запомнив» условия структурных перестроек воды. ДНК органелл могли копировать и способные к росту структуры глинистых минералов посредством коллоидов, сорбирующих на своей поверхности органические вещества.

  5. Случайные флуктуации в структурном полиморфизме воды, закрепленные на уровне «голого» гена, возникли в бесконечном множестве вариантов перебора структурами коацерват структур полиморфизма воды, один (случайный) вариант из которых и стал носителем информации первичной «копии» структуры воды. Другими словами, «бацилла» жизни возникла случайно, а, возникнув, она мгновенно размножилась в протоокеане и уже не могла быть уничтоженной в лоне носителя структуры – воды. Жизнь, раз возникнув, уже не сможет быть уничтоженной на Земле, доколе будет существовать вода в жидком состоянии на ее поверхности или в ее недрах.

Ссылки

  1. Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки. -М.:ГРАНД,2005. ↩

  2. Овчинников Л.Н., Масалович А.М. Экспериментальные исследования гидротермального рудообразования.-М.:Наука, 1981. ↩

  3. Кокин А.В. Соответствие ступеней минералообразования температурным точкам полиморфизма воды и кварца в гидротермальных месторождениях Якутии// ДАН СССР,т.262,№1,1982. с. 198-201. ↩

  4. В последние годы получила значительное развитие физика различных процессов и явлений, происходящих на поверхности и вблизи нее. Атомы и электроны на поверхности вещества располагаются иначе, чем в его глубине. Например, пленка поверхностного натяжения у воды, обуславливающая появление менисков и явления капиллярности. Кристаллическая решетка приповерхностного слоя может иметь иную структуру или магнитное упорядочение. Еще более своеобразна физика фазовых переходов в двумерных и квазидвумерных системах – тонких пленках и слоях. ↩

  5. В Израиле замороженный человеческий эмбрион находился в течение 12 лет. Потом эмбрион был имплантирован женщине, а из него она родила двойню. ↩