Это свойство можно назвать «специфичной сложностью». Биологическая сложность белковых и других молекул, о которой идет речь, определяет их функцию (подобно белковому коду ДНК). Такие образцы сложных структур в корне отличаются от простых повторяющихся элементов, возникающих в процессе кристаллизации (Meyer. 1998. P. 134).
Илья Пригожин выдвинул теорию, согласно которой самовоспроизводящиеся организмы могли возникнуть вследствие реакций химических соединений, собранных воедино конвекционными потоками термальных источников, которые далеки от термального равновесия. Это несколько отличается от процесса кристаллизации, который подразумевает фазовые переходы в точке термического равновесия или близкой к ней. Брэдли, тем не менее, приходит к выводу, что, хотя упорядоченное поведение химических веществ в системах Пригожина имеет более сложную природу, чем в системах, находящихся в термальном равновесии, их порядок все же «более напоминает порядок в кристаллах и лишь в незначительной степени – порядок, который наблюдается в биополимерах» (Bradley. 1998. P. 42). К тому же, наблюдаемый в процессе экспериментов порядок можно отнести на счет сложного технического оснащения данных экспериментов. Цитируя Уолтона (Walton. 1977), Мейер утверждает: «даже самоорганизация, которую Пригожин наблюдал в конвекционных потоках, не превосходит по сложности организацию или информацию, заданную техническими средствами, которые используются для создания этих потоков при проведении данных экспериментов» (Meyer. 1998. P. 136).
Манфред Эйген полагает, что этапом на пути к возникновению самовоспроизводящихся живых организмов было появление групп взаимодействующих химических веществ, которые он именует «гиперциклами» (Eigen, Schuster. 1977; Eigen, Schuster. 1978a; Eigen, Schuster. 1978b). Однако Джон Майнард-Смит и Фриман Дайсон выявили недостатки в этом предположении (Maynard-Smith. 1979; Dyson. 1985). Мейер пишет: «Прежде всего, они показывают, что гиперциклы Эйгена предполагают наличие длинной молекулы РНК и около 40 специфичных белков. И, что более важно, они показывают, что, поскольку гиперциклам недостает безошибочного механизма самовоспроизведения, они подвержены разного рода катастрофическим ошибкам, а это в конечном итоге приводит к сокращению, а не к увеличению информационного содержания системы с течением времени».
Стюарт Кауфман из института Санта Фе применил другой подход к исследованиям сложноорганизованных молекул и проблемы самоорганизации. Он определил жизнь как сеть катализированных химических реакций, которые репродуцируют каждую молекулу в сети. Сами по себе молекулы не участвуют в воспроизведении себе подобных. Но, по его утверждению, в системе, состоящей по крайней мере из миллиона белковообразных молекул, велика вероятность того, что каждая из них катализирует формирование другой молекулы в системе. Поэтому в целом система способна воспроизводить саму себя. Достигнув определенной стадии, она, предположительно, претерпевает фазовое превращение, давая начало новому уровню сложности в организации всей системы. Однако концепция Кауфмана целиком основана на компьютерных моделях, имеющих мало общего с реально существующими живыми системами вступающих в реакцию химических веществ (Bradley. 1998. P. 44).
Прежде всего, следует отметить, что названная Кауфманом цифра в один миллион молекул слишком мала для создания условий, при которых каждая из них смогла бы катализировать формирование в системе молекулы другого вида. Но даже если бы миллиона видов молекул было достаточно, вероятность того, что определенная катализирующая молекула вызовет появление химических компонентов, нужных для возникновения другой молекулы, ничтожно мала (Bradley. 1998. P. 45).
Кроме того, компьютерные модели Кауфмана должным образом не учитывают экзотермическую природу формирования биополимеров – реакции берут энергию у системы и быстро истощают ее, приводя систему к «смерти». Кауфман предполагает, что энергообразующие реакции в системе компенсируют энергию, затраченную на формирование биополимеров. Однако Брэдли указывает, что эти реакции тоже требуют нахождения определенных молекул в нужном месте в нужное время для участия в реакциях (Bradley. 1998. P. 45). Модели Кауфмана не дают удовлетворительного объяснения, как это должно происходить. Брэдли добавляет: «Дегидрация и конденсация с преобразованием в субстраты – два возможных решения термодинамических проблем – только усложняют картину того, как 1 000 000 молекул могут организоваться в систему, в которой все катализаторы находятся на своих местах относительно реагентов, что позволило бы осуществиться их каталитическим функциям» (Bradley. 1998. P. 45). Иными словами, система Кауфмана не дает реалистичного объяснения того, как все молекулярные элементы могут оказаться на своих местах для осуществления всех необходимых каталитических и энергообразующих реакций. Это может не представлять важности в компьютерной программе, но только не в реальной жизни.
Мир РНК
Величайшая проблема, с которой сталкиваются все сценарии возникновения жизни – это подробное объяснение происхождения первой репродуктивной системы ДНК, присутствующей в современных клетках. Попытки объяснить, как репродуктивная система ДНК могла возникнуть непосредственно из молекулярных блоков, оказались связаны с такими трудностями, что ученые были вынуждены от них отказаться. В наше время многие исследователи сосредоточивают свои усилия на объяснении возникновения основанной на РНК репродуктивной системы, которая играет вспомогательную роль в процессах воспроизведения современных клеток. Согласно их представлениям, в ранние периоды истории жизни на Земле существовал так называемый «мир РНК», который предшествовал нынешнему миру ДНК. РНК – это нуклеиновая кислота, обладающая способностью к самовоспроизведению при определенных условиях. Белки не могут репродуцировать себя без помощи энзимов, которые катализируют процесс самовоспроизведения. Решить эту проблему и позволяет молекула РНК. Остается предположить, что система репродуцирования, заложенная в молекулах РНК, на определенном этапе начала воспроизводить белки, строительные блоки организма.
Основная проблема, связанная с миром РНК, заключается в том, что ученые не могут дать удовлетворительного объяснения спонтанного возникновения РНК. Джералд Джойс и Лесли Орджел, два выдающихся исследователя РНК, признали тот факт, что трудно представить себе, как РНК могла самоорганизоваться на ранних этапах существования Земли. Две главные составляющие РНК – нуклеиновые кислоты и сахара – обладают свойством взаимооталкивания. Джойс и Орджел называют идею самоорганизации РНК «маловероятной в свете современного понимания добиологической химии» и говорят о «мифе возникновения самовоспроизводящейся молекулы РНК из первичного бульона, состоящего из хаотичного набора полинуклеотидов» (Joyce, Orgel.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204
Илья Пригожин выдвинул теорию, согласно которой самовоспроизводящиеся организмы могли возникнуть вследствие реакций химических соединений, собранных воедино конвекционными потоками термальных источников, которые далеки от термального равновесия. Это несколько отличается от процесса кристаллизации, который подразумевает фазовые переходы в точке термического равновесия или близкой к ней. Брэдли, тем не менее, приходит к выводу, что, хотя упорядоченное поведение химических веществ в системах Пригожина имеет более сложную природу, чем в системах, находящихся в термальном равновесии, их порядок все же «более напоминает порядок в кристаллах и лишь в незначительной степени – порядок, который наблюдается в биополимерах» (Bradley. 1998. P. 42). К тому же, наблюдаемый в процессе экспериментов порядок можно отнести на счет сложного технического оснащения данных экспериментов. Цитируя Уолтона (Walton. 1977), Мейер утверждает: «даже самоорганизация, которую Пригожин наблюдал в конвекционных потоках, не превосходит по сложности организацию или информацию, заданную техническими средствами, которые используются для создания этих потоков при проведении данных экспериментов» (Meyer. 1998. P. 136).
Манфред Эйген полагает, что этапом на пути к возникновению самовоспроизводящихся живых организмов было появление групп взаимодействующих химических веществ, которые он именует «гиперциклами» (Eigen, Schuster. 1977; Eigen, Schuster. 1978a; Eigen, Schuster. 1978b). Однако Джон Майнард-Смит и Фриман Дайсон выявили недостатки в этом предположении (Maynard-Smith. 1979; Dyson. 1985). Мейер пишет: «Прежде всего, они показывают, что гиперциклы Эйгена предполагают наличие длинной молекулы РНК и около 40 специфичных белков. И, что более важно, они показывают, что, поскольку гиперциклам недостает безошибочного механизма самовоспроизведения, они подвержены разного рода катастрофическим ошибкам, а это в конечном итоге приводит к сокращению, а не к увеличению информационного содержания системы с течением времени».
Стюарт Кауфман из института Санта Фе применил другой подход к исследованиям сложноорганизованных молекул и проблемы самоорганизации. Он определил жизнь как сеть катализированных химических реакций, которые репродуцируют каждую молекулу в сети. Сами по себе молекулы не участвуют в воспроизведении себе подобных. Но, по его утверждению, в системе, состоящей по крайней мере из миллиона белковообразных молекул, велика вероятность того, что каждая из них катализирует формирование другой молекулы в системе. Поэтому в целом система способна воспроизводить саму себя. Достигнув определенной стадии, она, предположительно, претерпевает фазовое превращение, давая начало новому уровню сложности в организации всей системы. Однако концепция Кауфмана целиком основана на компьютерных моделях, имеющих мало общего с реально существующими живыми системами вступающих в реакцию химических веществ (Bradley. 1998. P. 44).
Прежде всего, следует отметить, что названная Кауфманом цифра в один миллион молекул слишком мала для создания условий, при которых каждая из них смогла бы катализировать формирование в системе молекулы другого вида. Но даже если бы миллиона видов молекул было достаточно, вероятность того, что определенная катализирующая молекула вызовет появление химических компонентов, нужных для возникновения другой молекулы, ничтожно мала (Bradley. 1998. P. 45).
Кроме того, компьютерные модели Кауфмана должным образом не учитывают экзотермическую природу формирования биополимеров – реакции берут энергию у системы и быстро истощают ее, приводя систему к «смерти». Кауфман предполагает, что энергообразующие реакции в системе компенсируют энергию, затраченную на формирование биополимеров. Однако Брэдли указывает, что эти реакции тоже требуют нахождения определенных молекул в нужном месте в нужное время для участия в реакциях (Bradley. 1998. P. 45). Модели Кауфмана не дают удовлетворительного объяснения, как это должно происходить. Брэдли добавляет: «Дегидрация и конденсация с преобразованием в субстраты – два возможных решения термодинамических проблем – только усложняют картину того, как 1 000 000 молекул могут организоваться в систему, в которой все катализаторы находятся на своих местах относительно реагентов, что позволило бы осуществиться их каталитическим функциям» (Bradley. 1998. P. 45). Иными словами, система Кауфмана не дает реалистичного объяснения того, как все молекулярные элементы могут оказаться на своих местах для осуществления всех необходимых каталитических и энергообразующих реакций. Это может не представлять важности в компьютерной программе, но только не в реальной жизни.
Мир РНК
Величайшая проблема, с которой сталкиваются все сценарии возникновения жизни – это подробное объяснение происхождения первой репродуктивной системы ДНК, присутствующей в современных клетках. Попытки объяснить, как репродуктивная система ДНК могла возникнуть непосредственно из молекулярных блоков, оказались связаны с такими трудностями, что ученые были вынуждены от них отказаться. В наше время многие исследователи сосредоточивают свои усилия на объяснении возникновения основанной на РНК репродуктивной системы, которая играет вспомогательную роль в процессах воспроизведения современных клеток. Согласно их представлениям, в ранние периоды истории жизни на Земле существовал так называемый «мир РНК», который предшествовал нынешнему миру ДНК. РНК – это нуклеиновая кислота, обладающая способностью к самовоспроизведению при определенных условиях. Белки не могут репродуцировать себя без помощи энзимов, которые катализируют процесс самовоспроизведения. Решить эту проблему и позволяет молекула РНК. Остается предположить, что система репродуцирования, заложенная в молекулах РНК, на определенном этапе начала воспроизводить белки, строительные блоки организма.
Основная проблема, связанная с миром РНК, заключается в том, что ученые не могут дать удовлетворительного объяснения спонтанного возникновения РНК. Джералд Джойс и Лесли Орджел, два выдающихся исследователя РНК, признали тот факт, что трудно представить себе, как РНК могла самоорганизоваться на ранних этапах существования Земли. Две главные составляющие РНК – нуклеиновые кислоты и сахара – обладают свойством взаимооталкивания. Джойс и Орджел называют идею самоорганизации РНК «маловероятной в свете современного понимания добиологической химии» и говорят о «мифе возникновения самовоспроизводящейся молекулы РНК из первичного бульона, состоящего из хаотичного набора полинуклеотидов» (Joyce, Orgel.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204