А. КЕРНС-СМИТ - Первыми организмами могли быть кристаллы глины

Не так уж трудно представить себе эволюционный процесс, в результате которого первичный, геохимический генетический материал был постепенно замещен совсем другим материалом — органохимической природы. Я называю этот процесс генетическим захватом.

Если на ранних этапах эволюции центральной биохимической контролирующей машины действительно происходил генетический захват (или захваты), то вряд ли можно ожидать, что компоненты первичного генетического материала сохранились в современном молекулярном конструкторе. На первый взгляд это соображение подрывает гипотезу генетического захвата. Но у последней есть и достоинства: если следовать такой модели, открывается возможность использовать совершенно новые представления, предлагаемые химией. Наш третий тезис концентрирует внимание на мире минералов; при этом мы не оставляем в стороне основные соображения о том, каковы должны быть самые общие свойства генетического материала.

Вот что говорил Мёллер о природе генетического материала четверть века назад, еще до того, как стала известна роль ДНК: «В роли вещества генов может выступать любое соединение, которое в определенных условиях (в протоплазме или где-то еще) способно самовоспроизводиться с сохранением специфического состава и которое, кроме того, периодически изменяется — мутирует — и тем не менее сохраняет способность к самовоспроизведению во всем разнообразии своих форм».

Вывод о том, что в процессе репликации генов должны фигурировать какие-то матрицы, следует из этого высказывания со всей очевидностью. Трудно не увидеть в «специфическом составе» (генетической информации) некую специфическую пространственную организацию (паттерны), которая копируется за счет специфического расположения и связывания воедино контактирующих с нею мономеров. (Именно так обстоит дело при репликации ДНК и РНК.) Если матричный синтез представляется и не единственно возможным путем репликации сложных, мутабельных структур, то он во всяком случае принадлежит к числу простейших и наиболее прямых.

Теперь нам стоит поразмыслить о генетическом материале, составные части (мономеры) которого устроены проще, чем у ДНК. Нам нужно представить такой тип мономеров, которые могли бы образовываться на Земле с легкостью и постоянно в течение длительного времени. Специфических помощников — ферментов — тогда не было: компоненты первичного генетического материала должны были в той или иной мере обходиться самосборкой.

Теперь мы рассмотрим еще один тезис:

4. Гены должны включать большое число атомов.

Ген никогда не мог быть малочисленным объединением атомов, так как должен был содержать информацию в количестве выше среднего уровня, что позволяло ему эволюционировать. Более того, гены должны были представлять собой хорошо упорядоченные образования.

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. (Дж. Бернал пошел еще дальше: по его мнению, «кристаллизация - это смерть».)

На мои взгляд, возражения такого типа скрывают еще два ложных постулата:

3) структуры кристаллов слишком однообразны;

4) для живого лучше всего подходит углерод.

Первый из них не может рассматриваться всерьез, потому что корни его лежат в представлении о существовании идеальных кристаллов, которых на самом деле не бывает. Верно то, что у кристаллов есть основной тип строения, для которого характерна высокая периодичность, но в каждом реальном кристалле эта структура имеет дефекты. Даже сама конечность объекта (то, что он имеет форму и размер) - это уже «дефект», хотя, почти наверняка, найдутся и многие другие такие особенности. Некоторые структурные блоки могут отсутствовать или замещаться другими; образно говоря, большие или меньшие «куски обоев» могут быть смещены относительно друг друга в той или иной степени. Некоторые из таких нарушении могут быть весьма незначительными. Все 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.

Остается разобраться с последним тезисом. Здесь мы опять-таки имеем дело не с истиной, а с предположением. Можно согласиться, что молекулы органических соединений — это наилучшие вещества для жизни. Но наилучшим, надо думать, является то, к чему эволюция пришла; начиналась же она, как мы вправе предположить, с наиболее доступного. Наиболее же доступная форма самосборки — это спонтанная кристаллизация простых, распространенных мономеров. Все эти рассуждения приводят к глине.

ВОКРУГ нас постоянно происходит процесс кристаллизации минералов глины из слабых растворов кремниевой кислоты и гидратированных ионов металлов, которые образуются при выветривании горных пород. В целом поверхность Земли можно уподобить гигантской фабрике по производству минералов глины.

Движущих сил здесь две. Во-первых, имеется геологический цикл, существующий за счет энергии радиоактивного распада, разогревающей недра. Этот цикл включает целый ряд процессов, в которых происходит захоронение осадочных пород, их преобразование при высоких температурах, погружение в более глубокие горизонты и наконец выход видоизмененных пород обратно на поверхность. В этих условиях они оказываются не полностью стабильными и с легкостью растворяются водой с образованием простейших составляющих — кремниевой кислоты и ионов металлов, которые могут кристаллизоваться, образуя совсем новые вещества — разнообразные минералы глины. В конце концов эти минералы в более или менее измененном состоянии вновь попадают в осадочные породы и опять подвергаются захоронению. За счет второго цикла обеспечивается поступление воды. Этот цикл зависит от Солнца: вода испаряется из морей, возникают облака, идут дожди, образуются грунтовые воды, ручьи и реки, а завершается все опять в морях.

Конечно, условия на Земле во время зарождения на ней жизни были иные. Из того, что мы знаем, впрочем, следует, что эти отличия не так уж велики. Метаморфизированные осадочные породы принадлежат к числу древнейших; это позволяет предположить, что климатический цикл действовал уже 3,8 млрд. лет назад. Вполне вероятно, что жизнь древнее таких пород. Возможно, она возникла в условиях, когда глины еще не могли формироваться, но для этой гипотезы нет особых оснований.

Не менее вероятно, что примитивные гены представляли собой микрокристаллические минералы, отличные от слоистых силикатов, т.е. «глин» в более широком понимании этого слова. Тем не менее я буду рассматривать именно обычные минералы глин.

ОДНО из следствий принятой мною линии рассуждений таково: простейший генетический материал (или что-то подобное ему) должен и сегодня образовываться на Земле. Как приступить к поиску этого материала? Из абстрактных описаний генетических кристаллов разных типов и из того, что мы знаем о минералах глин, мы можем составить представление о том, как они должны выглядеть, и заняться поисками реальных глин, которые соответствуют этим представлениям.

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.