Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - Бобби Азарян

физик-теоретик и автор, недавно направивший свое внимание на проблему происхождения жизни, отлично объясняет этот «навороченный» вариант автокатализа в книге 2018 года «Демон в машине»:

Таким образом, возникает петля обратной связи: группы молекул катализируют собственное производство. Если масштабировать это, то можно представить обширную сеть органических молекул, образующих квазистабильную систему автокатализа со множеством взаимосвязанных цепей обратной связи, объединяющихся в запутанную сеть реакций – самоподдерживающихся и бурных.

Под словом «самоподдерживающиеся» Дэвис подразумевает, что автокаталитическая система может непрерывно создавать и восстанавливать все свои химические компоненты, пока окружающая среда дает энергию, необходимую для протекания цикла. Когда система способна поддерживать и обновлять себя, она оказывается на шаг ближе к тому, чтобы стать «живой». В философской литературе это замечательное свойство жизни известно как аутопоэзис, и мы вернемся к нему во второй части.

Коллективный автокатализ не просто изящная теоретическая концепция. Он был продемонстрирован в лаборатории с использованием простых молекул-предшественников. Ученым не удалось искусственно создать нечто столь сложное, как клетка, но они постепенно приближаются к этой цели. В 2004 году команда Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, создала автокаталитический набор из девяти пептидов из предшественников аминокислот, что приблизило нас на один шаг к созданию белков – обязательных ингредиентов жизни.

В 2012 году ученые из Портлендского государственного университета в Орегоне смогли создать способный к саморепликации автокаталитический набор из нереплицирующихся фрагментов РНК. Уточним: эти наборы не являются ни адаптивными, ни достаточно автономными, чтобы заслужить титул «живых», однако они демонстрируют, как химические системы, использующие положительную обратную связь, могут становиться все более комплексными в ходе самоусиливающихся петель. Ученые также предполагают, что формирование биологической клетки было постепенным процессом, а не единичным событием.

Хотя понятие автокаталитических наборов существует по крайней мере с конца 1960-х годов и было впервые описано такими учеными, как Манфред Эйген, Илья Пригожин и Стюарт Кауфман, диссипативная адаптация значительно облегчает объяснение того, как они могут сложиться. Без соответствующего механизма первоначальное формирование породившего жизнь сложного автокаталитического набора вероятно потребовало бы крайне маловероятного объединения только определенных молекул и только определенным способом. Но если коллективному автокатализу способствует диссипативная адаптация, то абиогенез, возможно, был неизбежным результатом постоянных движущих сил, созданных далекими от равновесия условиями. В этом случае самоорганизация жизни является результатом организующего закона, а не случайной сборки. Ваш одноклеточный предок не был просто природной случайностью!

Несмотря на все механистические объяснения естественного возникновения жизни в результате слепых физических процессов, наша проблема остается нерешенной. Автокаталитические комплексы при всей их сложности все еще далеки от клеток, которые содержат целый «лабиринт» нуклеиновых кислот и белков, хитроумно связанных внутри жировой мембраны из липидов. И когда химическая смесь основных жизнеобразующих элементов – углерода, водорода, кислорода, азота, серы и фосфора – выводится из равновесия в процессе нагревания или пропускания через нее электрического тока, ни одна из таких крупных органических молекул обычно не возникает.

Можно произвести лишь сравнительно простые аминокислоты или пептиды, и хотя это вызвало большой ажиотаж в 1950-х годах благодаря первой демонстрации биохимиков Стэнли Миллера и Гарольда Юри, энтузиазм угас, как только ученые поняли, что столь простыми методами не добиться чего-то существенно более сложного на выходе. Горькая неудача в воссоздании жизни в лаборатории наводила на мысль, что ее появление не могло быть простым результатом попадания в теплый пруд вспышек молнии или даже сильного и устойчивого солнечного света, как предполагала популярная теория «первичного бульона».

Итак, нерешенные вопросы заключаются в следующем: каковы были особые, далекие от равновесия условия на Земле, создавшие настоящую клетку, как именно это произошло и почему ее так трудно воспроизвести сейчас? Хотя мы можем никогда не узнать всех подробностей о том, как это случилось на нашей планете, исследователи происхождения жизни и ученые, занимающиеся теорией сложных систем, недавно предложили убедительное объяснение, которое согласуется с представленным в этой главе термодинамическим описанием.

4

Возникновение жизни на Земле

В предыдущей главе мы точно определили термодинамические механизмы, объясняющие, как неодушевленные молекулы могут самособираться естественным образом, образуя сложные химические сети. Однако эти процессы, похоже, не приводят в полной мере к возникновению чего-то такого, что достойно называться живым, и попытки изготовить живую клетку в конечном счете провалились. Учитывая грандиозность вызова, связанного с этой задачей, мы не должны слишком удивляться своей неудаче.

Чтобы обладать способностью к самовоспроизведению, а это базовая биологическая жизненная потребность, клетке требуется большое разнообразие сложных биомолекул, действующих согласованно. Наиболее важные из этих молекул – ДНК и РНК – хранят и передают генетическую информацию. Они как чертежи и инструкции по постройке клетки. Белки необходимы для физического построения клетки по этим инструкциям. Кроме того, для катализации всех химических реакций, необходимых клетке для функционирования и усвоения энергии, требуются специальные белки, называемые ферментами. Ни одну из этих молекул пока невозможно собрать в лаборатории из атомов, которые их составляют, и трудно представить, чтобы какая-либо из них могла возникнуть спонтанно, ведь для создания ДНК или РНК нужны белки, а для возникновения белков нужны ДНК или РНК.

Таким образом, перед нами загадка, напоминающая старую головоломку про курицу и яйцо. Вдобавок ко всему эти большие молекулы еще и должны быть связаны вместе и защищены от окружающей среды полупроницаемой мембраной из молекул жира – липидов. Однако происхождение всех этих важнейших сложных биомолекул (ДНК, РНК, белков и липидов) становится куда как менее загадочным, если мы возьмем за отправную точку процесс метаболизма. Хотя мы, вероятно, никогда не узнаем всех подробностей того, как на Земле произошел абиогенез, мы можем, по крайней мере, построить теорию, которая наилучшим образом и с наименьшим количеством допущений объясняет факты.

Поток энергии, организация и метаболизм

Илья Пригожин был не единственным ученым своего поколения, который размышлял о происхождении жизни с точки зрения неравновесной термодинамики. В не слишком известной, но важной книге 1968 года «Поток энергии в биологии» биохимик Йельского университета Гарольд Дж. Моровиц сделал легко запоминающееся и прозорливое утверждение: «Поток энергии, проходящий через неравновесную систему в состоянии, далеком от равновесия, приводит к структурированию системы»[5]. Как и Пригожин, Моровиц считал, что существенной особенностью жизни является процесс метаболизма, поскольку именно он поддерживает структуру и функции организма, позволяя свободной энергии – извлекаемой из солнечного света или пищи – непрерывно проходить через систему, оживляя ее. По его мнению, объяснение происхождения жизни начинается с объяснения происхождения метаболизма.

Метаболизм возможен благодаря последовательности химических реакций, происходящих внутри клеток и катализируемых определенными ферментами. Некоторые метаболические пути расщепляют крупные органические соединения для выработки энергии, тогда как другие используют энергию для создания