17 января 2019 г., Брок Хауссамен
Я следил за дискуссиями в Ассоциации религиозных натуралистов о происхождении жизни и исследованиях ученых Терренса Дикона и Джереми Шермана. Их идеи сложны, взяты из физики, химии, математики и философии. Но по мере того, как я усваивал основы, они углубляли мое понимание жизни. Вот тезис: живые существа, вероятно, возникли как циклы, в которых группы молекул самоорганизуются, обновляются и воспроизводятся. Вот что я узнал: подобные циклы пронизывают все уровни жизни.
Этот подход к происхождению жизни начинается с пристального взгляда на вещи, которые не являются живыми. Неживые газы, жидкости и твердые тела рано или поздно теряют свою молекулярную организацию: молекулы газа рассеиваются; жидкости испаряются; твердые тела, даже камни, со временем разрушаются. Напротив, определенные группы молекул собираются вместе и реагируют друг с другом таким образом, что они не выдыхаются и не распадаются легко. Чтобы объяснить, два термина нуждаются в некотором введении.
Катализатор - это то, что ускоряет реакцию, не изменяясь при этом само. Джереми Шерман сравнивает катализатор с тачкой: с ним мы можем перемещать кучу камней быстрее и легче, чем без него, и мы можем использовать тачку снова и снова. Еще одним катализатором является химическое вещество в выхлопной системе автомобильного каталитического нейтрализатора. Он превращает загрязняющие газы от двигателя в углекислый газ и воду, выходящие из выхлопной трубы, при этом сам не расходуется. Наконец, наши тела полагаются на повторно используемые ферменты, катализаторы основных реакций, таких как пищеварение.
Другой термин - инкапсуляция - помещение чего-либо в капсулу или другой контейнер. Ограждения есть везде в организмах. Животные носят кожу; растения покрывают себя эпидермисом или корой; клетки, артерии и нейроны зависят от мембран и стенок. Даже вирусы заключены в «капсиды», которые удерживают их вместе. Такие границы удерживают компоненты вместе и защищают от внешнего мира (как это происходит в социальной жизни многих животных).
Сценарии, которые следуют, являются моим способом описания ряда реакций, которые сначала не будут, а затем, в конце концов, станут активными достаточно долго, чтобы органическая эволюция закрепилась. Этой цели можно достичь с помощью различных комбинаций химических веществ. Но в отчетах Шермана и связанных с ним материалов основное внимание уделяется не результатам лабораторных исследований. Это взаимодействие, необходимое для создания циклов стабильности, самовосстановления и самообновления.
Взаимодействия здесь могут быть трудными для понимания в первый раз - они были для меня - но держитесь. Это начало жизни, о котором мы говорим.
Сценарий 1
Молекулы A и B, дрейфующие в окружающей среде, иногда сталкиваются друг с другом, подходят друг к другу (поскольку молекулы имеют форму) и связываются, образуя молекулу Y. Но скорость таких взаимодействий ничем не отличается от обычный. Здесь нет признаков жизни.
Сценарий 2
Иногда A и B плавают и объединяются в присутствии молекулы катализатора X, что облегчает и ускоряет связывание A и B, поскольку они образуют молекулу Y. Cat X остается неизменным и продолжается. чтобы облегчить ту же реакцию с другими As и B поблизости. Но и в этой реакции нет ничего необычного, пока доступны катализаторы, и она затухает после того, как As и B в этой области превращаются в Ys. Еще один тупик.
Сценарий 3
A и B быстро и легко соединяются, образуя молекулу Y благодаря помощи Cat X. Но сам Cat X, конечно же, является продуктом некоторой химической реакции. Выяснилось, что категория X образуется, когда две другие молекулы, M и N, соединяются, образуя молекулу X. Cat X является продуктом M и N.
Теперь катализаторы работают только для конкретных реакций. Cat X связывает только A и B. Таким образом, для быстрого связывания M и N требуется другой катализатор. Бывает, что молекула, катализирующая M и N, оказывается Y, молекулой, которую производят A и B. Таким образом, Y является катализатором, который быстро связывает M и N вместе, образуя X. Иными словами, X и Y служат катализаторами реакции, в результате которой образуется другой.
Еще раз: каждый катализатор ускоряет реакцию, в результате которой образуется другой катализатор. Катализатор X ускоряет реакцию, в результате которой образуется Катализатор Y, который ускоряет реакцию, в результате которой образуется Катализатор X. Это автокатализ (ав-то-ка-тал-и-сис).
Итак, мы имеем быструю, по сути, ускоряющую реакцию. Но может ли это продолжаться очень долго? Когда молекулы топлива (A, B, M и N) закончатся, закончится и реакция. Катализаторы уйдут. Куда мы отправимся отсюда? Можно ли как-то сдержать и заправить катализаторы?
Сценарий 4, часть a
Да, могут. A и B, M и N производят побочные продукты L, которые имеют тенденцию связываться друг с другом и образовывать капсулу или оболочку. Такое образование капсида или инкапсуляция характерны для некоторых больших молекул. Капсиды, образующиеся вокруг бурлящей автокаталитической реакции, будут иметь усиливающий эффект, по крайней мере, на какое-то время. Шерман пишет: «Представьте себе автокатализ, происходящий внутри контейнера. Это будет немного похоже на очень простую клетку - химический взрыв популяции, происходящий внутри чего-то вроде клеточной мембраны». Важно отметить, что контейнер также предотвращает унос катализаторов X и Y, когда им уже нечего катализировать.
Сценарий 4, часть b
Но любая капсула, предоставленная самой себе, рано или поздно распадется. Когда это произойдет, катализаторы внутри будут плавать и вступать в контакт с новыми молекулами топлива (A, B, M и N) в окружающей среде, и цикл начнется снова. Все дело во времени: контейнер формируется вовремя, чтобы ограничить диспергирующие катализаторы, и вовремя распадается, чтобы позволить им найти новые молекулы, которые помогут соединиться.
Терренс Дикон называет эти самогенерирующиеся, иногда замкнутые, не совсем клетки автогенами. Со временем, когда некоторые типы автогенов превзойдут числом другие, отбор будет отдавать предпочтение тем, которые несут дополнительные усовершенствования. Например, некий шаблон может сохранять предыдущие последовательности - раннюю версию ДНК. И некоторые капсулы могут иметь поверхности, которые, скорее всего, раскроются среди обилия молекул свежего топлива. По мере того, как аутогены сохраняются, обновляются и развиваются, они приближаются к статусу полной клетки - к жизни.
Уроки
Такие рассказы о возможных циклах и саморегулирующихся реакциях могут показаться надуманными, но оглянитесь вокруг. От микробов до млекопитающих все живые существа функционируют как циклы, в которых два процесса ограничивают друг друга. Мы принимаем такие циклы как должное, но они составляют жизнь. Например, там, где я сейчас живу, зима, и растения закрылись на сохранение и отдых; вскоре они проснутся и зацветут, дав затвердевшие закрытые семена, которые раскроются в следующем сезоне. Мы, люди, утомляемся ночью, закрываем свое тело для сна, а затем просыпаемся, заправляемся и возвращаемся к работе над своим биологическим самовосстановлением, самозащитой, воспроизводством. Наши сердца, легкие, желудочно-кишечный тракт и другие органы наполняются и опорожняются на протяжении всей жизни, содержа наши процессы, поддерживающие вместилища.
Шерман схватывает суть этого: «Я сопротивляются небытию» (192). Живые существа, включая людей, заняты тем, что выживают. Быть живыми - это наше великое достижение, с которым мы родились. Но я не заметил паутины активных и сдерживающих фаз, магических катализаторов и гениальности контейнеров, которые действуют.
В конце концов, я, семейная собака и папоротник на кухонном окне не смогут повторить циклы в другой раз. А до тех пор мы принимаем участие в миллиардах лет жизни, настраиваясь на игру материи и энергии и на ритмы планеты.
Подпишитесь на The Spiritual Naturalist Society
Узнайте о членстве в Обществе духовных натуралистов
Источники:
Эта статья основана на книге Джереми Шермана «Ни призрак, ни машина: возникновение и природа самости», 2017. Книга Шермана, в свою очередь, представляет собой презентацию идей его наставника и друга Терренса Дикона из Калифорнийского университета., Беркли. И этот подход к происхождению жизни был впервые исследован Стюартом Кауфманом в книге «Происхождение порядка: самоорганизация и отбор в эволюции», 1993.
Центральная статья Википедии о происхождении жизни - «Абиогенез».