Я хочу узнать, как Господь создал этот мир. Мне неинтересно отдельно то или иное явление, спектр того или иного элемента; я хочу знать Его мысли. Всё остальное – детали.
А. Эйнштейн
Содержание:
Введение
1. Линейная затравка жизни
2. «Возьмёмся за руки, друзья!»
3. "Встаньте в черёд, не толпитесь!"
4. Молекулярный литерный текст
5. Универсальная биолингвистика
6. Выход эволюции из рацемического тупика
7. Линейный принцип биологической архитектоники
8. Текстилизация как фактор антропогенеза
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
Исторически сложилось так, что научная мысль, в своих попытках раскрыть сущность жизни, сосредоточилась главным образом на функциональных аспектах этого величайшего космического феномена, а с некоторых пор - и на возможности его описания мерой абстрактной сложности. Безотносительно уже к какому-либо конкретному материальному субстрату. Развитию именно такой, отвлеченной и умозрительной тенденции в значительной мере способствовали математики (А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов), кибернетики (Н. Винер, А.А. Берг) и астрофизики (Ф. Дайсон, Ф. Хойл).
«Жизнь есть скорее процесс, чем структура», - утверждал создатель общей теории систем Л. Берталанфи. «Химическим аспектам возникновения жизни я придаю большее значение, нежели физической форме», - подчеркивал в своих трудах выдающийся физик-кристаллограф Дж. Бернал. «Сущность жизни связана с организацией, а не с субстанцией», - вторил им позднее Ф. Дайсон. Этот могучий лейтмотив, заданный в свое время столь крупными научными авторитетами, настойчиво повторяется и ныне в различного рода публикациях, как научного, так и особенно философского характера.
Но давайте отойдем от этих стереотипов и посмотрим на столь многосложный предмет иначе, под другим углом зрения. Разумеется, с самых общих, принципиальных позиций, но опираясь при этом, все-таки, на строгие и тщательно выверенные научные факты. По традиции, идущей от Э. Шрёдингера, вновь зададимся вопросом: «Что же такое жизнь?». Но теперь уже, с иной стороны: а именно, с точки зрения структуры, «субстанции» и «физической формы».
Как уже было сказано мною ранее в статье «Сеть жизни» (Химия и жизнь, 1, 2021, с. 24 - 29), в архитектонике живой материи явно прослеживается основополагающая и руководящая структурная идея – нематоморфизм (от греч. nema - нить). Нить как элементарное линейное образование проникла снизу доверху во все сферы жизни. В союзе с водой нить образовала внутреннюю среду жизни. Нить стала универсальным строительным материалом всякой живой плоти, которая по своим физико-механическим свойствам приобрела в силу этого принципиальные отличия и преимущества перед господствующей в природе трехмерной кристаллической решеткой.
Живая клетка изначально проявила себя в качестве текстильной фабрики, непрерывно производящей нити для различных строительных нужд как внутри клетки, так и за ее пределами. На определенном этапе эволюции текстилизация стала в биосфере не только фактором межвидовых отношений, но и глобальным экологическим фактором. И даже фактором антропогенеза (Химия и жизнь, 2, 2020, с. 32 - 33).
Но каким образом все могло так замечательно сложиться и устроиться в одном? Каковы были к тому объективные предпосылки? Как могла космическая эволюция выйти в процессе самоорганизации на столь удачное и совершенно необходимое для жизни многофункциональное «техническое решение»? В силу каких причин и следствий?
1. ЛИНЕЙНАЯ ЗАТРАВКА ЖИЗНИ
Вся история человеческой цивилизации указывает нам на то, что в разные времена, по разному поводу, осознанно и бессознательно, а подчас и независимо друг от друга люди создавали для своих нужд различные технические решения, которые настойчиво повторяли в той или иной форме запись, хранение и воспроизведение всякого рода кодированной информации на линейной основе. Причем, этот процесс шел во времени по нарастающей. Сначала для памяти наносили по дереву или камню выстроенные в ряд зарубки, завязывали на нити различные узелки, нанизывали на нее те или иные предметы, имевшие условно-смысловое значение. Позднее появились литерное письмо (а, вслед за ним, стало быть, и многоязычная литература), числовые ряды, нотная строка, грампластинка, телеграфный текст, кинолента, магнитная дорожка, кардио-, энцефало-, аудио- и тому подобные технограммы, компьютерные диски...
Очевидно, только на линии достигается последовательное выстраивание, перестановка и комбинирование элементов множества. Только так осуществляется их полная иерархизация (упорядочение): каждое звено в цепи занимает единственное, строго определенное и только ему принадлежащее место - после чего-то, перед чем-то. Линейная выстроенность смыслонесущей конструкции ориентирует на восприятие ее содержания как единого целого, отсекая всевозможные ответвления, которые в него бы не вписывались. Вся внутренняя организация линейной строки текста направлена на то, чтобы предполагаемый читатель однозначно и как можно скорее воспринял структуру и логическую схему передаваемого содержания. Наконец, и это крайне важно, линейный порядок наиболее доступен не только для считывания, но и для воспроизведения кодированной информации.
В русском языке изобилуют устойчивые словосочетания «живая очередь», «поставить на очередь», «пропустить очередь», «вне очереди» и т.д. "Встаньте в черёд, не толпитесь!", - говорят в народе.
Как увидим дальше, глубокий биологический смысл таят в себе эти простые и хорошо знакомые нам в быту слова.
Почему в армейских подразделениях принято линейное (по очереди, друг за другом) построение пехотинцев? Да потому, что так все они вместе и каждый в отдельности всегда на виду. Их легко наблюдать, ими удобно управлять и манипулировать (например, выстраивать в линейную шеренгу, а при необходимости - немедленно перестраивать в групповую колонну), используя для этого в командно-информационной системе минимум звуковых кодовых сигналов (типа «первый-второй»). Неупорядоченной толпой управлять намного труднее и нельзя держать в поле зрения одновременно всех: в толпе можно и затеряться…
Почему в мировом земледелии с давних пор и по сие время применяют на полях главным образом линейное (очередное, строчное, рядковое) размещение культурных растений? Да потому опять же, что одномерный порядок не только позволяет относительно точно дозировать расход семян, одинаково заглублять их в почву и получать тем самым дружные всходы. Но и дает возможность с наименьшими затратами труда и времени «считывать» и постоянно контролировать посевы (формировать их оптимальную густоту, выбраковывать нестандартные растения, проводить фитосанитарные мероприятия, периодически рыхлить в междурядьях почву, вносить удобрения и т.д.). То есть, осуществлять всю необходимую технологическую систему ухода за сельскохозяйственной культурой вплоть до уборки урожая, особенно при использовании соответствующих этим операциям земледельческих машин.
Но вот что удивительно! Много раньше на линейный путь решения «практических задач» эволюции вышла премудрая природа. Именно таким образом, то есть аналогично линейной строке текста, записанного отдельными литерами, осуществлено на генетическом молекулярном уровне полное и точное описание живого организма во всех мельчайших подробностях, включая потенциальные возможности, специфические особенности и наклонности каждого индивидуума. Ведь, как это ни парадоксально, но всякий биологический вид есть, по существу, литературное (от лат. littera - буква) произведение природы, созданное ею по определенным «грамматическим правилам» и выпущенное в свет задолго до того, как у людей появилась письменность, а тем более была сдана в типографский набор первая рукопись.
Судьба каждого биологического индивидуума (включая человека) по самому большому счету изначально держится на тонкой, очень длинной в масштабах микромира, но в то же время достаточно жесткой материальной нити, которую при определенных условиях можно потрогать, измерить, разделить на части, смотать в клубок, сфотографировать и т. д.
Линеаризация материальных образований, в результате которой некоторые атомы и молекулы (мономеры) выстроились в ряд и, соединившись, заняли определенное, строго фиксированное положение (перед чем-то, после чего-то), имела принципиальное значение для возникновения живой системы на фоне неодушевленной природы. Именно это обстоятельство, открывшее возможность линейной записи (а затем хранения и воспроизведения) кодированной информации на молекулярном уровне, следует рассматривать в качестве пускового механизма созидания жизни, ее первоосновы и ее первоисточника.
Понятно, что человек, ничего не ведая (до самого новейшего времени) о сокровенных тайнах природы на молекулярном уровне, приходил к тем или иным линейным техническим решениям самостоятельно, своим изобретательным умом. К тому же у него была заинтересованность и практическая мотивация. Но как могла безучастная к этому природа (задолго до появления в ней человека, по существу, в самом начале предбиологической эволюции) спонтанно выйти на линейный информационный текст, приведший ее к жизни?
2. «ВОЗЬМЕМСЯ ЗА РУКИ, ДРУЗЬЯ!»
В природе существует удивительное, но по достоинству (особенно в контексте понимания сущности и происхождения жизни) еще не оцененное правило. Однородные элементы (материальные образования как носители идентичных свойств и качеств) стремятся отнюдь не к отталкиванию (как это мы хорошо знаем из физики электричества), а к объединению и обособлению. Подобное притягивается подобным, однородности имеют склонность к плотной упаковке.
Пути реализации этой тенденции разные. Движущие силы и механизмы могут сильно отличаться друг от друга в зависимости от генезиса и материальной специфики каждого конкретного случая. Но итог, в принципе, всегда один и, более того, - он вполне очевиден. Вот лишь некоторые примеры.
Относительное содержание химического элемента золота составляет на Земле ничтожно малую величину - 0,0000005%. Казалось бы, в чистом виде золото не должно существовать в природе. Тем не менее, известна не только высокая концентрация этого металла в некоторых рудах. Встречаются довольно внушительные самородки золота, которые представляют собой тесное средоточие неисчислимого количества однородных атомов.
В котлах тепловых электростанций, во избежание накипи, применяют, как известно, наиболее чистую воду. Атомы меди составляют в такой воде миллионные доли процента. Тем не менее, на стенках котлов с течением времени вырастают в процессе эксплуатации обособленные комки (агломераты) чистой меди массой до нескольких килограммов.
Эти примеры являются отражением широко распространенного в природе и очень значимого класса физических явлений и процессов, называемых кристаллизацией. О том, насколько широка и масштабна кристаллизация, очень наглядно свидетельствует твёрдая часть Земли (литосфера), представляющая собой мощный кристаллический панцирь, охватывающий всю планету слоем, толщиной в десятки и сотни километров. Важно заметить, что исходным материалом для образования литосферы явилась горячая и жидкая магма, в которой все составляющие ее химические элементы хаотически перемешены друг с другом. А вот в остывшей и закристаллизованной литосфере они распределены посортно!
Теперь обратимся к объектам живой природы. Если растереть в однородную кашицу ткани печени и почки, то сохранившие жизнеспособность клетки будут активно выделяться из общей массы и фракционироваться («кристаллизоваться») столь же посортно. Живые клетки ведут себя в данной ситуации по принципу «возьмёмся за руки, друзья!».
Очень вероятно, что нечто подобное (то есть объединение и обособление группы однородных клеток), а не деление гипотетической клетки, которое почему-то не дошло до конца (как это по традиции принято считать в биологической науке), породило когда-то в скоплениях одноклеточных эукариотных особей сначала колониальные формы, а затем привело к образованию в процессе эволюции и настоящих многоклеточных организмов.
Это нам только внешне кажется, что разные живые существа (скажем, совместно обитающие травянистые растения на поляне), хаотически и безучастно перемешаны друг с другом. На самом же деле особи каждого биологического вида, характеризующиеся общностью морфологических, физиологических и генетических признаков, объединены незримыми связями в отдельные группировки - популяции. Впрочем, когда подвижные животные (насекомые, рыбы, птицы, млекопитающие и др.) собираются в стада или стаи, реальность этих связей становится вполне очевидной.
Еще больше стремятся к объединению в группы существа разумные - люди, особенно если их связывают общие интересы. Отсюда происходят кружки, клубы, общины, политические партии, профессиональные, национальные и религиозные организации и тому подобные формы социальной упаковки. Безграничные и качественно новые возможности для реализации этой тенденции открыл ныне Интернет, позволивший создавать различного рода социальные сети и сообщества.
Короче, в нашем мире существует всеобщий закон ассоциации идентичных образований. Есть достаточные основания полагать, что реализация именно этого закона имела пусковое значение для космической эволюции в сторону жизни. И вот почему.
3. "ВСТАНЬТЕ В ЧЕРЕД, НЕ ТОЛПИТЕСЬ!"
Вернёмся к физическому явлению кристаллизации как частному, хотя и чрезвычайно широкому и очень значимому случаю проявления всеобщего закона ассоциации. Тут следует особо выделить два крайне важных (для информационной составляющей грядущей жизни) обстоятельства. Во-первых, атомы разных химических элементов способны иногда в процессе кристаллизации замещать друг друга, если только они имеют близкие характеристики (размеры, форму, заряд, химическое сродство). А это значит, что в принципе объединяться в кристаллы могут совместно не только совершенно идентичные, но и квазиидентичные частицы. Во-вторых, как мы хорошо знаем, наиболее часто кристаллизация порождает в природе объёмные, трехмерные структуры (в соответствии с трехмерной кристаллической решеткой). Но (к великому счастью для жизни) бывает и по-другому. Случается, что рост кристалла идет только в одном направлении. Образующие его элементы выстраиваются в цепь, в результате чего и возникают одномерные, линейно организованные структуры - нити.
Наше представление о нитях (а что может быть проще и доступнее нити?) преимущественно связано с органическими линейными полимерами (натуральными или синтетическими). Всем хорошо знакомы, например, швейные нити. Однако нити широко распространены и в неорганической природе. Более того, минеральные нити первичны по своему происхождению. Они стали появляться уже вслед за образованием твердой земной коры из горячего расплава.
Во всех классах неорганических минералов встречаются ныне нитевидные (одномерные, линейно организованные) кристаллы. Известны самородные волокнистые кристаллы упомянутого золота, а также серебра, меди, олова, свинца, селена, серы, имеющие нередко значительную длину. Так, тончайшие нити самородного серебра достигают в длину до 0,5 м. Они обычно сильно изгибаются, скручиваются и спутываются в клубки. Тончайшие нити карбоната кальция и гипса, образующиеся в пещерах, способны в силу своей гибкости наматываться и завязываться узлом. Природные нитевидные кристаллы часто срастаются в различного рода агрегаты (гипс, самородное серебро). Широко распространены, например, параллельно-волокнистые (асбесты) и спутанно-волокнистые (нефриты, пилорические асбесты) агрегаты. В форме нитей и волокон в природе кристаллизуется множество силикатов, сульфидов, фосфатов, галогенидов, окислов и гидроокислов, боратов, карбонатов и многих других минеральных химических соединений.
4. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ЛИТЕРНЫЙ ТЕКСТ
Линейные минералы не только предшествовали природным органическим полимерам. Они создали условия для их образования и дальнейшего усложнения. Суть в том, что в результате химической эволюции Земли (которая последовательно шла от геологического к биологическому, от минерального - к органическому) на ее арену с течением времени вышли простые поначалу производные углерода. Возможность абиогенного синтеза органических соединений типа аминокислот, пуринов, пиримидинов, сахаров и многих других в условиях древнейшей Земли была подтверждена экспериментально еще в 50 - 60-х годах прошлого столетия. Довольно сложные органические молекулы найдены затем и в околозвездном пространстве. В общем, образование подобных мономеров в условиях Космоса и ранней Земли нисколько не противоречит законам физики и химии.
Но особую (для будущей жизни) эволюционную перспективу в этом контексте приобрели (как мы теперь хорошо знаем) два класса соединений – нуклеотиды и аминокислоты.
Специалисты подчеркивают, что в условиях водной среды, с которой чаще всего (и не без основания) связывают зарождение жизни, линейная кристаллизация как тех, так и других мономеров весьма затруднительна. Для этого требуются внешний источник энергии и присутствие катализаторов. Однако в природе уже существовала, как сказано выше, линейно организованная силикатная проматрица, способная аккумулировать солнечную энергию и обладающая к тому же каталитической активностью. Весьма вероятно поэтому, что именно силикаты могли инициировать на границе гидросферы и литосферы (скорее всего, в условиях геотермальных источников) линейный матричный синтез («по образу и подобию») первых органических молекул - сравнительно коротких поначалу РНК-овых молекул, а возможно, и полипептидов. И, стало быть, кремний как химический элемент (содержание которого в современной земной коре составляет, кстати, 29,5% от её массы против 2,3;10-2 % углерода), выполнил тем самым свою великую историческую миссию в качестве предшественника главному элементу нынешней жизни - углероду.
В любом случае, появление в природе линейных органических соединений следует рассматривать как революционный, качественно новый скачок в химической эволюции Вселенной, который открыл беспрецедентные технические (как мы сказали бы теперь) возможности для конструирования первой строки информационного текста, набранного несколькими молекулярными буквами, различное сочетание и расположение которых на линии способно кодировать информацию и, следовательно, придавать ей те или иные смыслы. Суть в том, что на линии эффективно достигается последовательное и не имеющее ограничений выстраивание, перестановка и комбинирование элементов множества.
Иными словами, по этой причине в природе возник совершенно новый (неведомый ей ранее) прецедент: была запущена в ход первая строка литерного текста, набранная различными по своей форме молекулярными буквами. И, стало быть, в принципе открылась потенциальная возможность созидания (путем комбинаторики на линии мономеров-букв) определенных «слов», а затем «фраз» и других смыслонесущих конструкций, закрепляемых в процессе естественного отбора.
5. УНИВЕРСАЛЬНАЯ БИОЛИНГВИСТИКА
В порядке реализации этой тенденции определились с течением времени два «языка». С одной стороны, - четырехбуквенный нуклеотидный, включающий сравнительно несложные по своему строению нуклеотиды, содержащие азотистые основания аденин, гуанин (производные пурина), цитозин, урацил и тимин (производные пиримидина). С другой, - двадцатибуквенный аминокислотный, включающий двадцать важнейших (как мы теперь говорим применительно к определившейся и благополучно существующей ныне жизни) аминокислот, отвечающих общей формуле RCH(NH2)CH2COOH.
Организованные на линейной основе, эти разные языки не только нашли, но и сумели понять друг друга. А это открыло перспективу для своеобразной транслитерации - передачи текста, написанного с помощью одного алфавита, средствами другого, то есть возможности перекодирования линейной последовательности нуклеотидов в линейную же последовательность аминокислот. Двадцатибуквенный аминокислотный язык вошёл в смысловое понимание с четырехбуквенным, вступил с ним в кодовые отношения. Последовательность аминокислот в полипептидах стала опосредованно соответствовать последовательности нуклеотидов. Возникла универсальная биолингвистика, или, говоря математическим языком, произошло отображение одного множества в другое.
Симбиотически дополнив друг друга и утратив уже способность существовать и функционировать отдельно, эти две линейно организованные макромолекулярные системы поделили между собой потоки информации (полинуклеотиды), а также вещества и энергии (полипептиды), которые в своем неразрывном единстве и составили фундаментальную основу принципиально нового вида материи. На этой основе и сложилась жизнь, ставшая формой существования белково-нуклеиновых систем.
При всем этом следует особо выделить то лидирующее положение, которое захватила в самом начале жизни полинуклеотидная нить. Тому способствовал целый ряд объективных причин и счастливых совпадений. У полинуклеотидной нити оказался данный ей от природы весьма стабильный и некапризный (в химическом отношении) характер, простое и предельно четкое пространственное строение: жесткий фосфатно-углеводный остов (рибоза у РНК и дезоксирибоза у ДНК), на который нанизаны собственно кодирующие элементы - азотистые основания. Она метаболически достаточно инертна, что очень важно для длительного и надежного сохранения сложившейся на определенном отрезке эволюции последовательности нуклеотидов, а значит, и закодированной в них информации. В то же время высокая способность к самоинструктированию (путем узнавания комплементарных звеньев) объективно предрасполагает полинуклеотидную нить к точному самокопированию (матричному воспроизведению) как исходного, так и измененного (мутированного) состояния, разумеется, при наличии необходимых для этого строительных материалов. Даже будучи in vitro, то есть в пробирке, содержащей в растворе полный набор нуклеотидов, молекулы ДНК и РНК (при соблюдении некоторых дополнительных условий) самоудваиваются и отделяют от себя готовые копии независимо от последовательности оснований, образующих исходную нить.
Кроме того, внешние поверхности нуклеотидов оказались способными к попарной пространственной взаимодополняемости (взаимному соответствию по принципу «ключ-замок») за счет образования в строго определенных местах вторичных водородных связей и взаимного притяжения спаренных оснований (по схеме а - т(у), г - ц), надежно противостоящих тепловому разрыву. Эта тенденция, известная теперь под названием «комплементарность», получила в природе мощное и далеко идущее развитие. Она и привела, в конце концов, к двойной спирали ДНК со всеми вытекающими отсюда последствиями для прогресса будущей жизни.
Сочетая в себе одновременно такие экстраординарные способности (обусловленные, подчеркну еще раз, структурно-геометрическими и физико-химическими свойствами), нуклеотидный код приобрел (если только были другие возможные претенденты на эту роль) монопольное значение в природе вследствие своего превосходящего совершенства, а полинуклеотидная макромолекула стала в итоге универсальным и единственным на Земле носителем генетической памяти (от прокариот и вирусов до человека).
Полинуклеотидная нить, как бы мы ее ни представляли в молекулярно-биологическом и биохимическом свете, есть строка литерного текста, который набран предельно мелким «шрифтом» (т. е. элементами молекулярной структуры) из малого числа букв. В ДНК их всего четыре: аденин, гуанин, тимин, цитозин, - поэтому такой текст предрасположен к легкому и быстрому прочитыванию и воспроизведению при минимальных энергетических затратах, хотя сама строка достигает колоссальной длины - до 3,5 млрд. нуклеотидных пар.
В этой строке при необходимости может быть закодирован такой объем информации (путем образования из литер определенных «слов», «фраз» и других смыслонесущих конструкций), что для простейшего изображения последней с помощью четырех букв русского алфавита (а, г, т, ц), соответствующих указанным нуклеотидам и плотно выстроенных в одну линию, потребовался бы миллион страниц типографского текста. А это не одна тысяча увесистых томов.
Совершенно естественно, что полинуклеотидная нить, в силу ее уникальных природных качеств, с самого начала захватила инициативу в новообразованной гетерогенной системе, подчинив задаче собственного существования и размножения все происходящие в ней процессы молекулярного метаболизма. В эволюции материи возник беспрецедентный случай, на который в свое время обратил внимание еще физик-теоретик Э. Шрёдингер: регулярное течение событий в природе никогда ранее не было следствием какой-либо одной упорядоченной, приведенной в систему группы атомов. Теперь же именно конкретная линейная структура привела в движение закономерные и динамические процессы, которые оказались в тесной связи не только между собой, но и с экологическими факторами внешней среды как источником материально-энергетических ресурсов, необходимых для протекания и воспроизведения этих процессов. Полинуклеотидная нить в полном смысле стала в природе неким мощным системообразующим фактором, приведшим в конечном итоге не только к созданию на Земле эволюционирующей биосферы, но и появлению в ней человека.
При всем этом ни в коей мере не следует упускать из виду тот энергетический фон, на котором возникало и формировалось триумфальное шествие на Земле нуклеотидной генетической нити. Помимо нуклеотидмонофосфатов, образовавших генетическую нить, огромное значение в судьбе грядущее жизни приобрели существующие в свободном состоянии макроэргические нуклеотиддифосфаты и нуклеотидтрифосфаты. Особенно важную роль получила аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – универсальный аккумулятор энергии и непосредственный её источник для всех процессов жизнедеятельности. Запасённая в макроэргических связях (P-O-P) потенциальная энергия освобождается при гидролитическом отщеплении одной фосфатной группы и превращении АТФ в АДФ. Более того, эти соединения стали непосредственными предшественниками (исходным субстратом) для биосинтеза нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Образование и гидролиз АТФ происходят ныне во всех типах живых клеток непрерывно.
Важно подчеркнуть, что в объективно сложившихся условиях на молекулярном уровне установилась с самого начала обратная (нашему стереотипному представлению, т.е. по человеческим меркам) иерархия и субординация. Низшее (оно же самое стабильное и детерминированное) звено стало оказывать направляющее влияние на свойства и функции высшего. Иначе говоря, установилась жёсткая и обязательная к исполнению вертикаль власти, идущая, однако, снизу вверх, а не сверху вниз. Установилась диктатура генома. Биологические процессы стали инициироваться и проистекать от изначальной (имманентной), объективно обусловленной способности генетической нити осуществлять конвариантную (по Н.В. Тимофееву-Ресовскому) редупликацию.
Линейная последовательность нуклеотидов стала определять как функции, так и структуры жизни. Случайные (и неслучайные), вертикальные и горизонтальные изменения в нуклеотидном тексте (мутации) стали порождать (через систему молекулярно-биологических и биохимических процессов) адекватные им новые биологические формы, закрепляемые естественным отбором уже целенаправленно, в соответствии с внешними требованиями. Сначала (если рассматривать исторически) в качестве одноклеточного организма, а затем позднее - и многоклеточного.
В начале жизни, выходит, и в самом деле было «слово». Но словом этим стал линейно организованный ген. Иначе говоря, известный каверзный вопрос, «что было в начале: яйцо или курица?», получает в этом свете вполне определенный ответ: в начале было яйцо (то есть, надо понимать, первозданный ген).
Именно в это русло (в эти «узкие врата») была втиснута с самого начала биологическая эволюция. Именно в этом ключе земная жизнь, меняясь с течением времени, по сути дела, только в лицах, неуклонно гнёт свою линию от возникновения первой прокариотной клетки до сегодняшнего дня.
В этом свете извечный и мучительный для нас вопрос о смысле жизни получает простой и весьма прозаический (с естественнонаучных позиций) ответ: смысл жизни состоит в жизни генетического смысла.
При всем этом отнюдь не пассивная и не второстепенная роль в жизненной эпопее выпала и на долю полипептидной нити. Однако её великое призвание проявилось в другой ипостаси. Выстроенные из аминокислотных остатков длинные полипептидные цепи приобрели тенденцию сворачиваться (конформировать) в неповторимые по своей замысловатости трехмерные макромолекулярные конструкции - глобулярные белки, в полном соответствии с той информацией, которая была предварительно закодирована в первичной (опять-таки линейной) последовательности аминокислот.
Химические свойства традиционных органических молекул (жиров, углеводов и тех же нуклеиновых кислот) воспроизводят свойства входящих в их состав мономеров и, следовательно, могут быть описаны предсказуемым набором реакций, соответствующих классической теории А.М. Бутлерова. Биохимику достаточно изобразить на плоскости цепочку уравнений - и смысл стоящих за ними событий будет понятен. С белками этот номер не проходит! Здесь на сцену выступает качественно новый фактор пространственной структуры. Функциональное (химическое) поведение изначально одномерной белковой системы стало всецело зависеть от её конечной трехмерной структурной организации. Ничего подобного природа ранее не знала. Эта очередная ее (революционная) находка повлекла за собой беспрецедентный, потрясающий своей внезапной неожиданностью качественный скачок.
Глобулярные белки - это по сути дела уже автоматически управляемые программные системы, первые нанороботы, созданные по природной технологии. Им суждено было составить впоследствии гигантскую, практически неограниченную функциональную ёмкость: узнавание, катализ, регулирование, транспорт, структуризация, иммунозащита и многое другое. Сама генетическая нить с ее молекулярным информационным текстом оказалась (к её же благу!) под непрестанной и неусыпной опекой различных белков.
В общем, что бы ни говорили и ни фантазировали по части научных определений и дефиниций, а жизнь (если иметь в виду ее единственное, достоверно известное нам состояние) - это природная самоорганизующаяся система, в основу которой положена линейная строка генетического текста, или, попросту говоря, генетическая нить.
6. ВЫХОД ЭВОЛЮЦИИ ИЗ РАЦЕМИЧЕСКОГО ТУПИКА
После всего изложенного мы подошли, наконец, к вопросу необычайной важности для понимания природы живой материи, происхождения и сущности жизни. Скажу даже - для самого решения проблемы жизни в современном естествознании.
Ведь жизнь на Земле (при всех описанных выше благоприятных для нее молекулярно-информационных и генетических предпосылках) могла бы и не состояться! На ее пути изначально стояло очень серьезное, казалось бы даже, непреодолимое препятствие стереохимического порядка. Суть в том, что на ранней Земле (в предбиологический период) безраздельно господствовали органические рацематы - равновеликая (эквимолярная) смесь правых и левых стереоизомеров, в которой левые и правые изомеры содержатся поровну. Изомеры в чистом виде (как «левые», так и «правые»), термодинамически гораздо менее устойчивы, чем их относительно равная смесь. Отсюда каждый изомер имеет склонность к самопроизвольному превращению наполовину в свою стереохимическую противоположность. И, стало быть, составленная любым из них молекулярная совокупность с течением времени самопроизвольно переходит в энергетически более выгодную форму - равновесный рацемат.
Короче, жизнь исторически возникала на симметричном молекулярном фоне.
Но эта симметрия была нарушена, причем раз и навсегда. Открывая дорогу к жизни, эволюция решительно отвергла рацематы. Жизнь пошла наперекор сложившемуся в неживой природе порядку. Она не потерпела равноправия левых и правых. Жизнь стала распознавать, принимать и воспроизводить в своем непрерывном метаболизме только D-сахара и только L-аминокислоты. Соответственно белковые молекулы, составленные из линейной последовательности различных аминокислот, закручены только влево, а двойная спираль молекулы ДНК (как имеющей углеводный остов) - только вправо.
Один из выдающихся физиков Ричард Фейнман опрометчиво заметил как-то: «На 99,9 процента природе все равно, что левое, что правое. И вдруг одно едва приметное явленьице выходит из ряда вон и оказывается совершенно однобоким. Ни один человек пока еще не имеет ни малейшего представления о том, как объяснить эту загадку».
Как это «все равно»? И как это «едва приметное явленьице»? Жизнь на молекулярном уровне линейно зависима как в структурном, так и в функциональном отношении. Многообразные процессы, которые осуществляются в живой клетке (прежде всего репликация, транскрипция и трансляция) и неизбежно сводятся к строительно-монтажным работам на линии (очень точным, выверенным, строка в строку), естественно, требуют определенной, строго фиксированной пространственно-геометрической стандартизации исходных строительных элементов.
Понятно, что столь сложные динамические микропроцессы, где первостепенное значение имеет фактор узнавания, затрудняются или же вовсе становятся невозможными, если, например, одна часть молекул какой-либо белковой аминокислоты «левша», а другая - «правша». Кто сможет без напряжения и раздражения читать большое литературное произведение, напечатанное пусть даже хорошо известными, но перевернутыми вверх ногами буквами пополам с нормально ориентированными? Кто возьмется оценить его художественные достоинства?! Тем более для прочтения и точного воспроизведения линейного генетического текста, безусловно, куда более содержательного и сложного, требуется строгая геометрическая упорядоченность в пространстве его элементарных составляющих. Особенно если учесть еще «редактирование и «корректирование», а также обогащение этого текста семантикой.
Если же текст набран вперемешку левыми и правыми буквами, то считывающие молекулярные механизмы, узнающие литеры по их форме и пространственному положению, будут вынуждены то и дело выяснять, «левая - правая, где сторона?». Неизбежно структурное усложнение этих механизмов либо двукратное их увеличение в числе (отдельно для левых и отдельно для правых антиподов). А это уже явное расточительство, на которое природа никак не могла пойти в процессе самоорганизации. Кроме того, не следует забывать, что сам по себе рацемат есть особое химическое соединение, которое сильно отличается по своим свойствам от каждого из входящих в его состав компонентов.
Рацематы - это тупик для биохимической эволюции в сторону жизни. Грядущей жизни в самом её начале во Вселенной реально угрожала рацемическая симметрия.
Отсюда со всей определенностью следует, что оптическая асимметрия имеет фундаментальный биологический смысл. И разрушение симметрии на молекулярном уровне вовсе не случайно. Оно необходимо продиктовано центральной идеей, то есть, линейной доминантой, которая изначально была положена природой в основу созидания и конструирования живой материи. Жизнь критически зависит от асимметрии, остро нуждается в ней: есть асимметрия – есть и жизнь, нет асимметрии - нет и жизни.
Молекулярная асимметрия органически связана с линейной природой живой материи и находится с ней в теснейших и неразрывных причинно-следственных отношениях.
Линейный порядок и асимметрия взаимосвязаны по принципу дополнительности. Причина и следствие в этой связке попеременно меняются своими значениями. Каждый из них есть причина и следствие для другого.
Нарушение оптической симметрии стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни на фоне безжизненной природы. Отсюда само происхождение жизни мы не то, что вправе, а просто обязаны рассматривать в единой связке с разрушением рацематов и возникновением оптической асимметрии. Жизнь возникла именно благодаря молекулярной асимметрии. Жизнь в полной мере есть порождение асимметрии, её счастливое производное. Без нарушения оптической симметрии космическая эволюция материи не пошла бы в сторону жизни.
Подробнее об этом, включая историческую справку и возможные механизмы разрушения симметрии в процессе предбиологической молекулярной эволюции в моей статье «Левое и правое – главная загадка жизни» (Химия и жизнь, 6, 2021, с. 20 - 23).
Теперь относительно второй части приведенной цитаты: «Ни один человек пока еще не имеет ни малейшего представления о том, как объяснить эту загадку». Да, тут Ричард Фейнман прав. Именно так и было до самого последнего времени. Но линейная теория жизни кладет конец этому вопиющему пробелу в естественнонаучном знании.
7. ЛИНЕЙНЫЙ ПРИНЦИП БИОЛОГИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТОНИКИ
Легендарный русский биолог Н.В. Тимофеев-Ресовский образно и весьма удачно называл живую клетку фабрикой макромолекул. Но поскольку макромолекулы представляют собой нити, способные своим переплетением создавать различного рода текстильные конструкции, живую клетку логично назвать еще и текстильной фабрикой.
Будучи порождением линейного порядка, белково-нуклеиновая функциональная система любой живой клетки неуклонно поддерживает и бесконечно воспроизводит его в себе. Эта «технология» заработала уже в первой клетке (возможно даже в протоклетке) в связи с реализацией генетических инструкций.
Надо полагать, именно в этот начальный момент полимерная нить раскрылась еще и как универсальный строительный материал (а не только как носитель генетической информации). Будучи достаточно длинной, тонкой, эластичной, нить способна, изгибаясь, повторять и описывать любые геометрические формы и очертания. В то же время полимерная нить чрезвычайно предрасположена к прочному сцеплению и переплетению с себе подобными, что открывает путь к безграничному пространственному формообразованию. Из нити можно сделать (связать) всё. И природа не прошла мимо такой феноменальной возможности. Нематоморфизм (от греч. nema - нить) и текстуральность (от лат. texo - тку, сплетаю и textum - ткань) приобрели в построении биологических систем всеобъемлющий, если говорить языком физики, не только ближний (начиная от внутренней среды живой клетки), но и дальний порядок.
Жизнь – это бесконечный и непрерывный процесс внутриклеточного прядения и вязания. Сходящие с матриц элементарные фибриллы собираются в нити более высокого ранга (аналогично тому, как в текстильном производстве из коротких и сравнительно тонких волокон формируется пряжа). На их основе в конечном итоге и создаются (кристаллизуются) различного размера белковые структурные нити.
Наряду с ними вторично, но уже на самых ранних этапах существования биосферы (с появлением фотосинтеза) приобрёл грандиозное по масштабам своего выражения биосинтез линейных полисахаридов, которые получили главным образом строительное назначение. У растений - это целлюлоза (в общей массе органических соединений биосферы она заняла с течением времени первое место), а в мире гетеротрофных организмов (членистоногие, грибы и др.) - целлюлозоподобный хитин.
И в этой связи нашу земную жизнь (которую по традиции именуют белково-нуклеиновой) вернее было бы назвать белково-нуклеино-углеводной жизнью.
Очень важно: текстилизированная вдоль и поперек живая плоть приобрела особую, качественно новую физико-механическую специфику и большие преимущества относительно прочности в сравнении с твердыми физическими телами, построенными на основе трехмерной кристаллической решетки. В поисках специфических (или, как еще говорят, атрибутивных) признаков жизни, которые можно было бы противопоставить неживой природе, остался совершенно без внимания реальный, в принципе весьма простой и к тому же вполне доступный для наблюдения факт. От механического удара твердый камень дробится на части, а какая-нибудь мягкая биологическая плоть в этой ситуации, напротив, сохраняет свою целостность, лишь по месту приложения силы могут возникать некоторые локальные дефекты. Налицо диаметрально противоположное отношение к прочности как способности сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок (ими обычно являются растяжение, сжатие, изгиб).
Соударяясь с твердыми телами и друг с другом, падая и ушибаясь, вступая в физическое единоборство, преодолевая сопротивление воздушных и водных потоков, меняя в зависимости от обстоятельств внешние очертания, проникнутые и армированные нитями живые существа (поначалу, исторически представленные единственной клеткой) не распадаются на части. В противном случае жизнь уже по этой только причине (сугубо механического, структурного свойства) была бы в земных условиях абсолютно невозможна.
8. ТЕКСТИЛИЗАЦИЯ КАК ФАКТОР АНТРОПОГЕНЕЗА
Примечательно, что и в материальной деятельности человек пошел (как и в случае с линейной информацией) по пути, изначально найденному природой. Манипуляции с нитями (прядение, вязание, ткачество) с ранних пор стали важнейшим занятием человека, превратившись с течением времени в грандиозную текстильную индустрию. И в этой связи особенно следует выделить замену стационарного мехового покрова обезьяноподобных предков человека на сменную (текстильную по своей физико-механической сути) одежду.
Создав вокруг себя оптимальный и легко регулируемый в зависимости от обстоятельств микроклимат, человек с помощью сменной одежды упрочил свою относительную независимость от окружающей среды. С полным основанием можно сказать, что это было крупнейшее и беспрецедентное в животном мире экологическое завоевание, которое человеку удалось свершить уже на ранних этапах своего развития (возможно, отчасти еще на уровне Homo habilis - человека умелого).
Именно этот признак - ношение сменной одежды вместо неотделимой от тела стационарной меховой шубы - выделяет человека разумного (как бы не в первую очередь) из животного мира. Нет сомнения: если бы шерсть не была заменена на одежду (с ее феноменальной технологичностью и полифункциональностью), обезьяна никогда бы не стала завершенным человеком. Без этой замены, без этого великого преобразовательного процесса антропогенез застрял бы где-то на самых ранних своих этапах и никогда не дошел бы до Homo sapiens. А это значит: замена шерсти на одежду (тестилизация обезьяны) в ходе антропогенеза есть (по самому большому счету) фактор самого антропогенеза и в то же время фундаментальная проблема биологической антропологии. Подробнее об этом в моей статье "Homo vestitus - Человек одетый" (Химия и жизнь, 3, 2020, с. 32 - 33).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Жизнь – несомненно, многосложный процесс, который, однако, никак не состоялся бы без линейно организованной структуры, положенной в само основание жизни и определившей ее происхождение в процессе космической эволюции. Причем, эта структура исторически шла впереди функции.
ЛИНЕЙНАЯ ДОМИНАНТА И ЕСТЬ ГЛАВНОЕ В ЭВОЛЮЦИОННОМ "ЗАМЫСЛЕ" ЖИЗНИ, ЕЕ АЛЬФА И ОМЕГА. ВСЕ ОСТАЛЬНОЕ - ДЕТАЛИ(которым, собственно, и посвящена вся необъятная научная литература о происхождении жизни).
Когда говорим о предсказательной силе теории (как ее способности не только правдоподобно объяснять наблюдаемые явления, но и формулировать положения относительно ещё не исследованных объектов и явлений мира, исходя только из данных самой теории и без обращения к эмпирическим свидетельствам), чаще всего и главным образом имеем в виду теоретическую физику. Но такой способностью обладает и рассмотренная здесь линейная теория жизни. Ее предсказание можно сформулировать следующим образом:
Внеземная жизнь (если только она существует где-либо в нашей Вселенной) информационно, морфологически и функционально организована на линейной (и, следовательно, гомохиральной) основе.
Чтобы убедиться в этом, дело совсем за «малым»: всего-то и нужен сколь угодно малый образец внеземной плоти для лабораторной экспертизы.