Однако дело не только в длине цепи биополимера. Белок приобретает свои биологические (ферментативные) свойства только в том случае, если аминокислоты в его цепи расположены в определенном порядке.
Первичное абиогенное, т. е. без заранее заданной программы, случайное образование такого большого полимера, да еще со строго определенной последовательностью аминокислот, – событие случайное и маловероятное. Природе потребовались сотни миллионов лет, чтобы такое событие свершилось. Вероятность образования таких соединений увеличивалась свойствами водной среды – свойствами воды.
Все разнообразные полимеры на своей углеродной цепи имеют участки с различными свойствами. Некоторые участки гидрофильны, то есть стремятся раствориться в воде, другие участки гидрофобны – стремятся оттолкнуться, выйти из воды, как масло или нефть. Уходя от воды, гидрофобные участки прижимаются друг к другу, сближаются. Вот это свойство, гидрофобное взаимодействие – притяжение, и привело к тому, что в мировом океане полимеры собираются в коллоидные частицы. В этих частицах резко повышена концентрация, и значит, и вероятность взаимодействия веществ. Происходит ускорение разнообразных реакций и химических превращений.
Наш великий ученый А. И. Опарин еще в 1923 г. издал первую теорию абиогенного возникновения жизни. Он описал, как биополимеры – белки, жиры, углеводы – собирались в мировом океане в надкомплексные коллоидные частицы – коацерваты – и как из них могли образоваться предклеточные системы, а затем и живые клетки.
Гениальность А. И. Опарина иллюстрируется в целом правильностью его теории, хотя он и наука тогда не знали роли электронных возбужденных состояний, нуклеиновых кислот и гидрофобного взаимодействия.
А. И. Опарин писал: «Эволюция органических веществ на Земле могла иметь место только в отсутствие живых организмов, а также в отсутствие свободного кислорода в тогдашней атмосфере и при широком доступе ультрафиолетовых лучей».[109] Сложность этапа абиогенного образования белков и нуклеиновых кислот как очень больших и специфичных биополимеров, осуществляющих основные функции живых организмов, и заставляет спрашивать: «А что же такое жизнь или, точнее, жизнь на Земле?»
Определений жизни очень много. Мы попытаемся обобщить определения различных ученых:
«Жизнь на Земле – это этап эволюции открытых, неравновесных стационарных соединений полимеров углерода, которые выбрали определенный способ существования, т. е. адаптировались структурно к водной среде и солнечной энергетике, создав хиральность в условиях Земли, приобрели способность к трем типам движения: перемещению, росту и самовоспроизведению».
Из этого определения ясно, что где-то в космосе к условиям Земли мы адаптироваться не могли. Представьте только, что мы возникли на другой планете, где моря и океаны состоят не из воды, а из жидкого аммиака, кремниевой или серной кислоты. Представьте, что вместо солнечного света там инфракрасная или рентгеновская радиация. Из чего бы мы тогда состояли? Возможно, из полимеров кремния. Прилетев на Землю, мы либо расплавились, либо растворились бы в воде. Так что остается нам возникать самостоятельно на нашей Земле.
Наибольшую трудность в понимании процесса дальнейшего усложнения органических веществ в первичном океане на Земле представляет двойственная роль УФ-излучения. Оно активировало синтез (образование новых веществ) и одновременно разрушало уже созданные, препятствуя образованию больших полимеров.
Это противоречие расшифровали недавно русские ученые, применив новые хемилюминесцентные методы исследования белков и нуклеиновых кислот. Раньше было хорошо известно, что белки и нуклеиновые кислоты очень активно поглощают кванты УФ-излучения. Теперь совершенно неожиданно оказалось, что излучение они поглощают, однако обратно его не излучают, не светят и не светятся, т. е. не люминесцируют и не хемилюминесцируют. Была предложена гипотеза очередного этапа изменений на Земле, которая заключалась в следующем.[110]
Среди многих изменяющихся первичных полимеров в коллоидных участках – коацерватах – случайно образовались некоторые отдельные, которые поглощали УФ-излучение Солнца, но сами не излучали, не теряли полученную энергию и не разрушались. Они использовали эту энергию для химических реакций присоединения, то есть для своего роста и движений. Структура с такими свойствами, по теории вероятности, могла образоваться случайно не чаще, чем раз в 10–100 миллионов лет. Эти полимеры и стали первыми биополимерами – белками со свойствами ферментов. Ясно, что свойство поглощать и не излучать может иметь полимер из аминокислот со строго определенной их последовательностью, с закономерным расположением их электронных уровней, т. е. системы, адаптированные к солнечному излучению. И действительно, в состав наших белков входят только L-аминокислоты, т. е. аминокислоты, вращающие плоскость поляризации солнечного луча влево, – левовращающие изомеры.
Таким образом, для возникновения жизни на любой планете необходимы 2 условия:
1) мощный, непрерывный во времени поток электромагнитного излучения (рентгеновских лучей, света, УФиолета, инфракрасного излучения) от своего Светила;
2) наличие жидкой среды – морей и океанов из воды; серной кислоты; жидкого аммиака; кремниевой кислоты.
В радиообозримой нами части Вселенной насчитывается не менее миллиона планет обладающих такими условиями. Так что жизнь во Вселенной весьма вероятна и на других планетах.
Через некоторое время на своей поверхности первичные белки собрали другие молекулы среднего размера – пуриновые и пиримидиновые основания, или, как их называют, нуклеотиды, и соединили их в другой биополимер – в нуклеиновые кислоты, например в дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Такой комплекс белков и нуклеиновых кислот еще больше поглощал солнечный УФ и совершенно не излучал, а за счет поглощенной энергии мог быстрее расти и двигаться, не разрушаясь. Поэтому такие комплексы начали уже не случайно, а закономерно быстро накапливаться в мировом океане.
Их накопление ускорялось и другим свойством нуклеиновых кислот – их способностью к самовоспроизведению, к сборке-синтезу точно таких же молекул, как они сами, они оказались способны к «рождению» себе подобных молекул, а также к сборке-синтезу белков, на которых они первично были собраны и структуру которых «запомнили» – запрограммировали. Современные нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами нуклеотидов. Они достигают огромных размеров – до нескольких десятков миллионов нуклеотидов. Такой размер дает им возможность «запоминать», кодировать и воспроизводить структуры молекул белков, как бы спечатывая их со своей поверхности, как с матрицы, почти без ошибок при повторении.
Этот основной принцип молекулярной наследственности (принцип матричности) открыл великий русский ученый Н. Кольцов.
Ошибки-мутации очень редки, т. к. последовательность аминокислот в белке, синтезируемом с помощью нуклеиновых кислот, определяется последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте, т. е. по строго заданной программе.
В науке идут непримиримые споры о том, что возникло раньше – белки или нуклеиновые кислоты. Выбирайте сами. Однако если вы решите, что сначала появились нуклеиновые кислоты, т. е. программа по созданию того, чего еще нет, тогда признавайте и существование всевышнего программиста.
Если мы возьмем определение жизни на Земле и сравним со свойствами этих белково-нуклеотидных комплексов, то получим полное совпадение. Мы можем с уверенностью сказать, что начало жизни на Земле – это момент образования белково-нуклеотидных комплексов в водной среде и при солнечном освещении за счет их главного свойства – поглощать и не излучать солнечный свет.
Такое молекулярное – абиогенное – начало жизни возникло, вероятно, 2–3 миллиарда лет назад.
Гениальным ученым был А. И. Опарин. В его время еще ничего не было известно о нуклеиновых кислотах и о том, что именно они обладают свойство самовоспроизведения. Это свойство нуклеиновых кислот было открыто Уотсоном и Криком в 1952 г. Опарин приписывал это свойство белкам. Он такую теорию создал, что ее никто ни подтвердить, ни опровергнуть не может: свидетелей с тех пор не осталось. Одни ученые утверждают, что действительно все было так, как пишет Опарин: собрались в огромном мировом океане биополимеры (белки, жиры, углеводы) в крохотные комочки – коацерваты, и далее развились из них первые живые клетки растения и животные. Другие ученые требовали сначала объяснить, как эти биополимеры образовались сами. А то получалось начало без начала. Теперь мы это знаем и знаем, что в коацерватах должны были присутствовать и нуклеиновые кислоты. Но главное, что А. И. Опарин так стимулировал развитие мысли, что до сих пор все спорят, а он на фоне этих дискуссий считается великим ученым. Так что, если вы хотите стать великим ученым, создайте теорию, которую никто ни подтвердить, ни опровергнуть не сможет, и сразу войдете в историю науки.
