Природничі науки.
Минуле, сучасне та можливе майбутнє людства і біосфери
Розділ ІІІ. Виникнення та розвиток життя на Землі
Блок D. Життя на Землі

Задача D2. Природничі науки спираються на математику, яка є одним зі способів вивчення причинності. Математики у своїй діяльності давно встановили одне важливе правило: перед тим, як використовувати певні поняття, слід їх однозначно визначити. Визначення не може спиратися на те поняття, яке пояснюється, і має бути побудоване таким чином, щоб його було неможливо зрозуміти неправильно.

Цей тиждень курсу присвячений появі життя. Щоб визначити, коли і як з’явилося життя, ми маємо навчитися відрізняти живе від неживого. Це ж так просто, хіба ні?

Після того, як ми визначимо поняття життя, нам слід встановити, завдяки чому його прояви є настільки досконалими. Який процес робить живі системи настільки доцільними? Далі ми сможемо впевнитися, що сама поява життя пов’язана з цим самим процесом.

Що таке життя? Не ваше особисте, а як явище, частиною якого є й ваше існування? Як воно виникло, чи є його існування випадковістю? 

Головні поняття D2. Онтогенез, філогенез. Каталіз, автокаталіз, автокаталітичні реакції. Відкриті системи. Природний добір. Стійкість.«Світ РНК». Автотрофи, гетеротрофи. Фотосинтез, дихання. Субстрати, продукти. Гіперцикли.

D2-1.Чим живе відрізняється від неживого?

D2-1.1. Як визначити поняття «життя»?

Як визначити життя?

Деякі з відомих з історії визначень життя є швидше афоризмами:
— життям ми називаємо будь-яке живлення, зростання і занепад тіла, що мають основу в самих собі (Арістотель);
— життя — це експансія (А.Д. Сахаров, радянський фізик та дисидент, творець водневої бомби).

Не ставтеся зневажливо до цих визначень. Якщо ви замислитеся над ними, ви зрозумієте, що Арістотель розумів, що живий організм функціонує у відповідності до певної внутрішньої програми, яку вчені змогли відкрити лище через 2 тисячі років. Сахаров звертає увагу на те, що об’єднує біологічне та соціальне життя. Саме завдяки прагненню до експансії (поширенню за наявні межі) й відбувається розвиток життя! Але, на жаль, такі афористичні визначення мало чим допомагають у відмежовуванні живого від неживого.

Чи можна знайти певну ознаку, що відрізняє усі живі системи від усіх неживих?

Для пошуку відповіді на це питання слід розглянути ознаки біосистем.

D2-1.2. Загальні властивості біосистем

Ви пам’ятаєте, що біосистеми нижчих рівнів є частинами вищих (див. A4-1.3. Ієрархія біосистем), і що ця здатність називається ієрархічністю організації. Життя проявляє себе одночасно на багатьох рівнях, кожен з яких має свої особливості.

Біосистеми різних рівнів суттєво відрізняються. Розглядаючи молекулярний рівень, можна говорити лише про неживі об’єкти. Навіть найскладніші молекули не є живими системами. Одноклітинний організм, що складається з таких молекул є окремою системою з певними межами, а екосистема і біосфера містять як живі компоненти, так і їх неживе середовище. Втім, порівнюючи біосистеми різних рівнів, можна знайти багато спільних рис.

Певний склад і впорядкованість. До складу всіх біосистем, вищих за молекулярний рівень, входять певні органічні речовини, деякі неорганічні сполуки, а також велика кількість води. Для всіх біосистем характерна висока впорядкованість (див. B4-1.2. Міра невпорядкованості), яка постійно підтримується. Впорядкованість клітини, наприклад, виявляється в тому, що вона складається з певного набору клітинних компонентів (наприклад, поверхневого апарату, цитоплазми та ядра), які пов’язані одне з одним.

Обмін речовин — це сукупність хімічних перетворень і переміщень речовин. На клітинному і організменому рівнях обмін речовин пов'язаний з живленням, газообміном і виділенням.

Потік енергії через біосистеми тісно пов'язаний з їх обміном речовин. Необхідною умовою існування будь-якої живої системи є потік через неї енергії, яку вона отримує із зовнішнього середовища. Для біосфери в цілому  джерелом енергії є Сонце.

Динамічність (стан безперервних змін). Життя всіх біосистем визначається  обміном речовин і інформації, а також потоком енергії. Так, клітина лишається сама собою, хоча в результаті обміну речовин змінюються речовини, з яких вона утворена. Для клітин й організмів характерним проявом динамічності є рухливість — здатність до зміни положення і форми.

Здатність до розвитку. Розвиток окремого організму називають онтогенезом; еволюційний розвиток виду — філогенезом. Усі біосистеми виникають і удосконалюються в ході еволюції.

Пристосованість — відповідність між особливостями біосистем і властивостями середовища проживання. Пристосування видів відбувається завдяки їх еволюції. Пристосування клітин і організмів забезпечує подразливість — здатність реагувати на зовнішні або внутрішні чинники.

Саморегуляція. Біосистеми постійно обмінюються з довкіллям речовинами, енергією і інформацією. Цей обмін має вдовільняти потреби живих систем, отже він тонко налаштовується и регулюєтся.  Наприклад, клітини і організми підтримують сталість свого внутрішнього середовища, а біосфера підтримує певний температурний режим на поверхні нашої планети.

Як пояснювалося в A4-1.1 (Поняття «система»), цілісність — необхідна умова для розгляду будь-якого об'єкту як системи. Взаємозалежність і сумісне функціонування частин біосистеми породжують  її системні властивості.

Унікальність. Усі біосистеми, починаючи від клітинного рівня, неповторні і відрізняються від аналогічних систем. Навіть організми, що мають ідентичну спадкову інформацію (однояйцеві близнюки, клони тощо) усе ж відрізняються через те, що на них по різному впливало середовище, і іх саморегуляція в процесі розвитку призвела до цілковитої неповторності..

Здатність до відтворення. Біомолекули синтезуються клітиною; самі клітини і деякі внутрішньоклітинні структури відтворюються діленням. Відтворення організмів ми називаємо розмноженням. Спадкоємність поколінь обумовлена спадковістю, а можливість еволюції — мінливістю. Відтворення популяцій та екосистем забезпечується не лише розмноженням організмів, але й розселенням .

Яка з перелічених ознак біосистем дозволяє розмежувати живе та неживе?

Жодна! Наприклад, живі організми мають особливий хімічний склад, до якого належать білки та нуклеїнові кислоти. Такий самий хімічний склад матиме й суміш цих речовин, проте вона не є живою системою. Мертвий організм має характерну структуру та хімічний склад, є результатом індивідуального розвитку та еволюції, навіть здійснює певний обмін речовин, але все ж не є живим. Уявіть собі звичайну калюжу: випадання опадів, випаровування води й реакції між розчиненими у воді речовинами мають багато спільного з обміном речовин в організмі. Існування вірусів ще більш ускладнює проблему. Вірусам, що перебувають у клітині організму, притаманно багато властивостей живого, але поза клітинами віруси не виявляють ознак життєдіяльності. До відтворення собі подібних здатні не лише живі організми, але й ядра кристалізації солі в її насиченому розчині, а також комп'ютерні віруси. Навіть еволюція є характерною не лише для живих систем: наприклад, еволюціонують і комп’ютерні віруси.

Більше за те, перелічені ознаки притаманні не всім системам, які ми впевнено називаємо живими! Так, клітини вашої нервової системи, завдяки яким ви сприймаєте цей текст, не здатні до розмноження. У висохшому тихоході або у сухому насінні не відбувається обмін речовин. Різні ділянки біосфери дуже різняться за своїм складом і може бути так, що біосфера нездатна до розмноження...

D2-1.3. Визначення за кількома ознаками

Хімічний підхід. Однією з головних особливостей відомих нам живих систем є їх здатність синтезувати білки за програмами, закодованими нуклеїновими кислотами, а також синтезувати нуклеїнові кислоти з допомогою білків. Одні компоненти живих систем каталізують реакції, в яких утворюються інші, і так, потенційно, нескінченно.

Ви же пам’ятаєте, що таке каталіз?

Каталіз — це явище прискорення хімічних реакцій у присутності речовин, які не витрачаються в їх ході. Роль каталізатору полягає в тому, що він полегшує перехід від початкових речовин до продуктів реакції (а також і зворотний процес). Завдяки цьому хімічна рівновага досягається набагато швидше. Автокаталіз — це здатність певної речовини (автокаталізатору) прискорювати своє утворення (рис. D2-1.1).

Таким чином, правомірними можуть бути такі визначення:
— живими називають системи, які мають у своєму складі нуклеїнові кислоти та білки і здатні самі синтезувати ці речовини;
— життя — це циклічний автокаталітичний комплекс реакцій, що підтримує себе, переробляючи ресурси середовища.

Перше визначення досить задовільно відповідає майже всім сучасним живим організмам Землі (за винятком вірусів, що самі не синтезують біополімери), але вірогідно, непридатне щодо організмів періоду виникнення життя. До речі, можна уявити собі якісь інопланетні організми, що побудовані на іншій, ніж земне життя, хімічній основі!

Друге визначення, навпаки, є занадто загальним. Вірогідно, у світі навкруги нас є процеси, що задовольняють цьому визначенню. В усякому разі, автокаталітичну систему, що відтворює сама себе, перетворюючи ресурси середовища, можна зробити штучно. Прикладом такої реакції може бути реакція Бутлерова, детально розглянута у додатку.

Фізичний підхід. Життя породжує на диво впорядковані структури.

Як узгоджується складність живих систем з другим началом термодинаміки, згідно з яким усі процеси мають йти у бік зростання ентропії, міри невпорядкованості (Рис. B4-2.5)?

Узгоджується повністю! По-перше, друге начало термодинаміки описує те, що відбувається з ізольованими системами, тобто такими системами, що не взаємодіють з середовищем. Усі живі системи є відкритими, вони обмінюються з середовищем речовинами, енергією та інформацією. Крім того, внаслідок активності живих систем невпорядкованість зростає, а не зменшується!

Розглянемо це на важливому прикладі. Найскладнішими, найвпорядкованішими тілами, що нам відомі, є мозок високоорганізованих істот. Найбільший  мозок має кашалот, а найвпорядкованіший, ймовірно, людина. Як могло виникнути таке диво?

І людина, і кашалот розвинулися з однієї клітини. Ця клітина росла, ділилася, знову росла… Спочатку організм отримував поживні речовини від матері, в якій розвивався, потім — з їжі, яку отримував із середовища. Ось молодий кашалот пірнув на кілька кілометрів у глибину, спіймав гігантського кальмара і з’їв його. Тіло кальмара було високо впорядковане. Кашалот зруйнував його, та «спалив» більшу частину поживних речовин тіла кальмара в своєму обміні речовин. Впорядковані речовини кальмара, наприклад, білки його м’язів, зруйнувалися, перетворилися на вуглекислоту, воду, сечовину. Енергія, що виділилася у цьому процесі, нагріла океан. Внаслідок життєдіяльності кашалота невпорядкованість океану, зросла! Отже відбулося два протилежних процеси: значне зростання невпорядкованості середовища через руйнування тіла кальмара, та значно менше збільшення впорядкованності під час розвитку гігантського тіла кашалота.

Якщо розглядати живі організми спільно з їхнім середовищем, ми впевнимося, що життя підвищує невпорядкованість, а не знижує; зменшення невпорядкованості у самих організмах з надлишком компенсується зростанням невпорядкованості у середовищі.

Тому ми можемо запропонувати таке визначення:
живі системи — це відкриті системи, які завдяки потоку енергії, що тече через них, підтримують власний впорядкований стан за рахунок зростання невпорядкованості середовища.

Це визначення стосується дуже важливої особливості життя, але… у звичайному аккумуляторі, що заряджається від джерела струму, відбуваються подібне.

Можна дати ще немало визначень життя. Вони будуть краще або гірше вказувати на якусь особливість біосистем, але при цьому стосуватися окремих, не найголовніших якостей, і, крім того, можуть мати немало виключень.

Інформаційний підхід. Життєдіяльність клітини — це результат роботи її генетичної програми. Ця програма передається від клітини до її нащадків (і навіть іноді — до інших клітин). В ході еволюції виникли складні організми, психіка яких складаєьтся з певних програм які використовують інформацію та створюють нову. Ці програми також можуть передаватися від однієї живої системи до іншої. До речі, якщо клітина або організм стикається з загрозою, ці живі системи демонструють захисні реакції, які підтримують їх існування. Те, якими будуть ці реакції, визначається програмами, які зберігаються у генотипі або психіці.

Таким чином, можна сформулювати й таке визначення:
життя — це характерний стійкий стан певної хімічної системи, яка підтримує своє існування завдяки інформації, яка кодується особливими молекулами.

Втім, межа між живим та неживим, яку створює це визначення, не є достатньо чіткою. Поширені типи сучасних комп’ютерів не відповідають цьому визначенню, тому що їх підтримують переважно фізичні процеси. Але, вже зараз конструюються комп’ютери, що працюють на хімічних процесах, і навіть на молекулах ДНК. Чи вважати такі системи живими?

Еволюційний підхід. Організація, яка найближче підійшла до моменту, коли треба буде вирішувати, чи є якесь космічне диво живим, це Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору Сполучених штатів Америки, скорочено — NASA. Задля своїх пошуків NASA розробило визначення життя. Воно таке:
життя — це хімічна система, що підтримує сама себе та здатна до дарвіновської еволюції.

Чому NASA надає таке велике значення ознаці життя, яку звичайно не згадують, коли шукають визначення для нього?

D2-1.4. Чому живі системи такі досконалі?

Шановні учні, перед тим, як розглянути сутність життя та механізм його появи, ми розповімо вам дещо про вас самих — про кожного з вас.

Кожен із вас має батьків. Ваші батьки змогли дожити до зрілості і залишити, як мінімум, одного нащадка. Насправді, це — велика вдача. Таким чином, ви є нащадком тих, кому пощастило залишити потомство.

Ви маєте двох дідів та двох бабусь. Вони також дожили до зрілості і залишили хоча б одного нащадка. Те ж саме можна сказати про чотирьох ваших прадідів та чотирьох прабабусь. Про вісім прапрадідів та вісім прапрабабусь…

Зупинимось поки що на цьому рівні. Дуже приблизно можна розрахувати, що вони народилися більше, ніж століття тому. Більшості дітей, що народилася в один час з вашими прапрадідами та прапрабабусями, не пощастило дожити до зрілості. Ще деякі вижили, але не лишили дітей. Ще деякі лишили дітей, яким не вдалося вижити або залишити нащадків…

Ви познайомилися з поняттям ймовірності (A2-3.1. Поняття ймовірності). Припустимо, що ймовірність вижити та успішно залишити нащадків для покоління ваших прапрадідів та прапрабабусь дорівнювала ½ (насправді, вона була меншою, а таке припущення ми робимо для спрощення розрахунків).  

Визначте, якою була ймовірність вижити та залишити дітей  для 8 хлопчиків та 8 дівчат з покоління ваших прадідів і прабабусь, якщо вірогідність такої перемоги у житті для їх покоління складала ½ ?

При розрахунку ймовірності кількох незалежних подій ймовірності кожної з них слід перемножити. Ймовірність такої удачі— (½)16, тобто 0,0000152587890625. Лише у п’ятнадцяти спробах з ста тисяч удасться досягти такого результату! Втім, існування кожного з вас  — наслідок такої удачі! Ті вісім хлопчиків та вісім дівчат, яким ви наслідуєте, усі виявилися переможцями. Кожен з нас — нащадок справжнього ланцюга з переможців!

Чи можна заздалегідь визначити, чи буде дитина «переможцем» у тому сенсі, який ми обговорюємо?

У більшості випадків впевнено визначити це неможливо (точніше, це можливо лише у протилежному сенсі, коли йдеться про носіїв дуже важких хвороб). Втім… Здорові люди (і будь-які інші живі істоти) частіше доживають до зрілості та лишають нащадків, ніж ті, хто мають слабке здоров’я. Красиві — частіше, ніж менш привабливі. Розумні — частіше, ніж ті, хто роблять помилки у своєму житті. Ті, хто ретельно піклувався про своїх дітей, частіше лишали нащадків ніж ті, хто кидав їх напризволяще. Втім, зараз ми обговорюємо ймовірнісні процеси, і невдача може наздогнати найздоровішого, найкрасивішого, найрозумнішого, найкмітливішого...

Наші розрахунки стосувалися послідовності наших предків, що тягнеться у минуле приблизно на століття. Але ми можемо зазирнути далі у минуле, адже наші прапрадіди та прапрабабусі також були нащадками переможців…

Життя на Землі існує довше, ніж три мільярди вісімсот мільйонів років. Кожен з нас є нащадком у ланцюзі переможців, що проходить через весь цей час!

Це не так просто усвідомити, правда? Врахуйте те, що протягом більшості часунашу планету населяли одноклітинні істоти, тривалість покоління яких була дуже короткою. Кількість перемог, що є причиною нашого існування, є просто астрономічною!

Ми називали всіх наших предків, що вижили та розмножилися, переможцями. Переможцями в чому?

У природному доборі. Природний добір (у біологічному сенсі) — це переважне виживання та розмноження організмів, які краще відповідають своєму середовищу. Наслідком природного добору є біологічна еволюція, зміна видів з часом. Таких організмів, які краще виживають та розмножуються, стає більше, ніж таких, хто робить це гірше. Першими це зрозуміли англійські біологи XIX століття Чарльз Дарвін та Альфред Уоллес.

Причиною нашої досконалості є еволюція, яку спрямовує природний добір.

Кожна жива істота є нащадком величезного ланцюга переможців у природному доборі. Усі ми — родичі, і за нами — історія життя на Землі тривалістю в чотири мільярди років! Причиною того, що ми можемо жити і відтворюватися в нашому непростому світі є те, що ми отримали необхідні якості у тривалій еволюції.

Досить проста ідея, правда? Але цікаво, чому Людвіг Больцман (рис. B4-2.3.) вважав Чарльза Дарвіна великим фізиком, а все XIX століття — віком Дарвіна? Чому сучасний американський вчений Деніел Деннет (Додаток A1-4) вважає, що ідея природного добору — найважливіша ідея людства усіх часів?

D2-1.5. Природний добір як приклад зростання стійкості відкритих систем

Людвіг Больцман був, ймовірно, першим дослідником, який зрозумів, що відкритий Дарвіном і Уоллесом природний добір — прояв більш широкого явища, яке стосується не лише живих організмів.

Друге начало термодинаміки, у вивчення якого Больцман вніс видатний внесок, можна, крім іншого, сформулювати так. Відкриті системи самовільно переходять у більш стійкі (більш ймовірні) стани. Стійкість, у даному випадку, — це здатність системи зберігати свій стан.  

Один з наслідків цього може показатися досить простою думкою, що добре відповідає здоровому глузду. Втім, саме цій наслідок може пояснити багато дивних речей у світі навкруги нас. Ось він.

Принцип природного добору у його найширшому розумінні (пов’язаному з другим началом термодинаміки). Процеси, які стійко підтримують свій стан та здатні поширюватися, витісняють нестійкі та менш здатні до поширення процеси.

При чому тут природний добір, адже одиницями добору у розглянутому нами прикладі є люди, а не процеси?

Звісно, ми говорили про людей. Але люди, як і усі інші організми, — наслідок процесу відтворення живих систем (рис. D2-1.2). Існування наших предків, які не лише прожили своє життя, але й дали життя нам, було етапом стійкого процесу відтворення. Ті, хто програли у природному доборі, були включені у менш стійкі процеси відтворення, загинули самі і не лишили нащадків. Серед мінливих одиниць, які здатні до відтворення подібних до себе, з часом залишаються такі, які краще зберігаються та відтворюються.

Наведемо кілька прикладів наведеної закономірності:
— з різноманітних елементарних частинок ми спостерігаємо такі, які краще зберігаються та відтворюються у фізичних реакціях;
— з усіх можливих космічних тіл ми спостерігаємо переважно такі, які краще зберігаються та відтворюються у еволюції зірок;
— з хімічних елементів ми спостерігаємо переважно такі ізотопи, які краще зберігаються та відтворюються в ядерних реакціях;
— із земних мінералів ми спостерігаємо переважно такі, які краще зберігаються та відтворюються в геологічних процесах;
— з організмів ми спостерігаємо переважно такі, які краще виживають та розмножуються у своєму середовищі.

D2-1.6. Комплексне визначення життя

Як ви зрозуміли, можна будувати різні визначення життя. За результатом нашого обговорення ми можемо запропонувати вам таке рішення цієї проблеми.

Життя — це підтримка і відтворення високовпорядкованих структур. Це відтворення вдосконалюється в ході еволюції; воно здійснюється завдяки зовнішнім джерелам речовин і енергії відповідно до внутрішньої програми.

В даному визначенні наголос зроблено на особливостях структури (але без їх деталізації: ми не знаємо, з якими структурами може, а з якими не може бути пов'язане життя), наявності внутрішньої програми (без конкретизації завдяки яким речовинам і як саме вона функціонує), здатності до еволюції і використання речовини і енергії. Оскільки такі системи використовують зовнішні джерела речовини та енергії, вони є відкритими.

 Таке визначення життя дозволяє віднести до живого молекулярно-генетичні інфекції, які зовсім не схожі на те що ми звикли визначати як живе. Суттєвою особливістю цих систем є їх здатність до еволюції. Яким простим не є вірус, він є результатом вироблення пристосувань, що залежать від особливостей середовища і малопередбачуваних результатів взаємодії. На відміну від цього штучне життя, коли воно буде створене в лабораторії, може виявитися прогонозованим та передбачуваним.. Втім, якщо такі створені кимось «біороботи»  опиняться в умовах, які дозволять їм дарвінівську еволюцію, з часом ці системи можна буде вважати по-справжньому живими.

А може бути й так, що в ході самого створення штучного життя велике значення матиме добір. Деякі підходи до створення штучного життя засновані на тому, що його властивості не має визначати експериментатор. В такому разі особливості штучного життя визначаються добором у важкопередбачуваних умовах. Що ж, якщо штучне життя з’явиться таким чином, його можна буде вважати «справжнім» з самого початку. Наші далекі предки з’явилися у цей світ також внаслідок добору...

D2-1. Сухий залишок

Не існує єдиного загальноприйнятого визначення життя. Різні визначення наголошують або на загальних властивостях біосистем (певний склад, впорядкованість, обмін речовин, потік енергії, динамічність, здатність до розвитку, пристосованість, саморегуляція, цілісність, унікальність, здатність до відтворення тощо), чи на певних хімічних (автокаталітичні реакції; здатність синтезувати нуклеїнові кислоти тощо) або фізичних (відкриті впорядковані системи) принципах. Важлива характеристика життя — те, що воно здатне до дарвінівської еволюції.

Причиною досконалості живих систем є природний добір — переважне виживання та розмноження організмів, які краще відповідають своєму середовищу. У найширшому сенсі (що пов'язаний з другим началом термодинаміки) добір є проявом того, що процеси, які стійко підтримують свій стан та здатні поширюватися, витісняють нестійкі та менш здатні до поширення.

Комплексне визначення життя може бути таким. Життя — це підтримка і відтворення високовпорядкованих структур. Це відтворення вдосконалюється в ході еволюції; воно здійснюється завдяки зовнішнім джерелам речовин і енергії відповідно до внутрішньої програми.

D2-1. Проблеми для обговорення та завдання

Завдання D2-1.2. У пункті D2-1.2 перелічені деякі властивості живих систем. Знайдіть їх аналогії у неживих системах. Наприклад, здатністю до відтворення володіють не лише живі системи, а й кристали, що ростуть у розчині речовини, яка їх утворює: кристалічна поверхня є матрицею для збірки нових шарів речовини.

Завдання D2-1.3. Живі системи досить часто здаються нам красивими. Як ви вважаєте, чому?

Завдання D2-1.4. Оберіть яку-небудь властивість, особливість будови або функцій будь-якого організму (хочу б навіть самих себе). Спробуйте припустити, які процеси є причиною цієї властивості, скористайтеся за необхідності додатковими джерелами. У деяких випадках ви отримаєте приблизно такий аналіз, як у додатку A1-5, присвяченому сліпій плямі.

Завдання D2-1.5. Як ви вважаєте, чому Людвіг Больцман написав: «Якщо ви мене запитаєте щодо моєго найглибшого переконання, назвуть нинішнє століття залізним століттям або століттям пара і електрики, я відповім не замислюючись, що наше століття буде називатися століттям ... Дарвіна»?

Завдання D2-1.6. Поясніть слова французького палеонтолога та священика  П'єра Тейяра де Шардена (1881-1955): «Що таке еволюція — теорія, система, гіпотеза? ... Ні, щось набагато більше, ніж все це: вона — основна умова, якій повинні відтепер підкорятися і задовольняти всі теорії, гіпотези, системи, якщо вони хочуть бути розумними і щирими. Світло, що освітлює всі факти, крива, в якій повинні зімкнутися все лінії, — ось що таке еволюція». Чому Тейяр надавав таке велике значення саме явищу еволюції?

D2-2. Походження життя

D2-1.1. «Цілеспрямована блоха»: умови, за яких можливо походження життя

Як би не важко було визначити, що таке життя, якою розмитою не була б межа між неживими та живими системами, та всеж  виникнення життя хочется порівняти з дивом. У світі навкруги нас живе досить наочно відмежоване від неживого. Досконалість життя вражає уяву.

Невже перехід від неживого до живого міг відбутися «сам собою»?

Щоб відповісти на це питання, розглянемо інше, дещо подібне. Ми знаємо, що блоха здатна до стрибків: комаха завдовжки 3 мм здатна підстрибнути на 30 см. Але чи здатна блоха застрибнути, наприклад, на хмарочос (рис. D2-2.1)?

Вас дивує це питання? Пояснимо його. У неживій природі ми спостерігаємо різноманітні переходи. З однієї речовини утворюється інша; стан речовини змінюється; у ході реакції виникає якась нова ознака… Втім, у порівнянні з величезним переходом від неживого ці переходи— немов стрибок блохи поруч з величезною спорудою, верхівка якої губиться у хмарах.

Щоб блосі застрибнути на хмарочос, одного стрибка недостатньо; потрібна величезна кількість. Крім того необхідні сходи, що без пропусків ведуть до самого даху. Якщо блоха буде перестрибувати з одного щабля на інший, з часом вона зможе потрапити на дах! Але для цього необхідно, щоб вона стрибала з нижчого щабля на вищий. Ми можемо уявити собіцілеспрямовану блоху, але ж у неживій природі немає нічого, що може прагнути перейти на інший рівень! У попередньому пункті ми недарма говорили про добір, що зберігає більш стійкі стани будь-яких систем. Саме він може бути причиною, що спрямовує перехід від неживого до живого.

 Для виникнення життя необхідні три умови. Ось вони:
— існування повного набору переходних станів між неживими і живими системами;
— можливість переходити з одних станів в інші(близькі);
— дія добору,  який переважно зберігає і відтворює «більш живі» системи.

У використаній нами аналогії першій умові відповідає наявність безперервних сходів, другій — здатність блохи до стрибків, і третій — переважання стрибків на більш високі шаблі.

Перелічені вимоги є не лише необхідними для виникнення життя, а й достатніми для цього. Якщо ці три умови виконуються, перехід від до живого стає закономірним. Вірогідно, вам буде цікаво узнати, якза висновками сучасної науки, ці три вимоги виконуються.

D2-1.2. Перший приклад перехідного стану: «світ РНК»

Вас могло здивувати твердження про наявність повного набору перехідних станів між неживим та живим. Щоб посилити ваш подив, наведемо один приклад (рис. D2-2.2).

У сучасній клітині два класи біологічних полімерів, білки та ДНК, підтримують один одного та забезпечують виконання інших важливих функцій. Важко уявити, як це могло виникнути. Якщо під час виникнення життя першими з’явилися білки, як вони забезпечували спадкоємність свого складу за відсутності ДНК? Якщо першою з’явилася ДНК, як вона відтворювалася за відсутності білків?

Відносини між ДНК та білками часто пояснюють за допомогою відомої картини, де показано два процеси, кожен з яких є причиною іншого (рис. D2-2.2).

Для позначення таких прикладів, як відносини ДНК і білків, іноді використовують поняття «складність, яку не можна спростити». Це поняття створили та використовують креаціоністи (див. пункт A1-6.3), тобто ті, хто застосовують псевдонаукові аргументи щоб довести, що життя було створене вищою істотою. Креаціоністи наполягають, що складні явища могли з’витися тільки  завдяки вищому задуму Слід зазначити, що коли кажуть про «складність, яку не можна спростити», йдеться, насправді, просто про випадки, коли перехідні етапи, які призвели до наявного стану, не відразу стають  зрозумілими. У таких випадках не слід  заявляти, що перехідні стани є неможливими, а просто краще їх пошукати.

Так, якщо проаналізувати відносини між ДНК і білками, стане ясно, що взаємодію цих двох класів біополімерів забезпечує третій — РНК, рибонуклеїнова кислота. ДНК передає інформацію про структуру білків на РНК; РНК входять до складу рибосом — органел, що синтезують білки. Структурні блоки — амінокислоти, для синтезу білків також доставляє РНК. Синтез ДНК і РНК так само  відбувається за допомогою молекул РНК, які пов’язані з білками, що виконують ці важливі функції (рис. D2-2.4).

Дослідження показали, що РНК може бути каталізатором (не таким ефективним, як білки), і може передавати спадкову інформацію (не настільки стійко, як ДНК). Отже можна констатувати  наявність переходного стану. Як і можна було чекати, цей перехідний стан виявився менш стійким, ніж той до якого він призвів. Саме тому у певний час добір викликав витіснення «світу РНК» «світом ДНК і білків».

D2-1.3. Другий приклад перехідного стану: геохімічний кругообіг

Чим краще ви будете розуміти земне життя, тим більше захоплення ви будете відчувати. Наведемо ще один приклад, який, крім іншого, надасть привід згадати важливі поняття.

Живі організми поділяються на дві великі групи: автотрофи та гетеротрофи. Автотрофи (від грецьк. autos — сам і trophe — живлення) можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних; для цього їм потрібне зовнішнє джерело енергія. З-поміж автотрофів вам краще за все знайомі фототрофи — організми, які використовують енергію сонячного світла. До їх числа належать зелені рослини та деякі групи бактерій (як-от ціанобактерії). Процес, завдяки якому фототрофи отримують органічні речовини з неорганічних із застосуванням енергії світла називається фотосинтезом. У дуже спрощеному вигляді найпоширенішу форму фотосинтезу, саме ту, що характерна для рослин та ціанобактерій, можна записати так:

CO2 + H20+ енергія світла ⟶ органічна речовина + O2.

Гетеротрофи (від грецьк. heterone — інший і trophe — живлення) — це організми, які живляться  органічними речовинами з середовища. Частина цих органічних речовин використовується гетеротрофами для отримання енергії, при цьому ця частина руйнується до неорганічних речовин. Іншу частину отриманих органічних речовин гетеротрофи перебудовують і використовують для власних тіл.

Існують різні процеси розкладання органічних речовин з вивільненням енергії, але найважливішим з них є дихання. Ви, вірогідно, звикли до використання слова «дихання» для позначення газообміну (наприклад, до вентиляції наших легень), але у вузькому сенсі слово «дихання» позначає певний біохімічний процес. У спрощеному вигляді його можна описати так:

органічна речовина + O2⟶ CO2 + H20 + вивільнена хімічна енергія.

Гетеротрофами є тварини, гриби та більшість груп бактерій. Крім них, до дихання здатні й автотрофи. У клітинах тварин, грибів і рослин головну роль у диханні виконують спеціальні органели — мітохондрії.

Таким чином у рослин у хлоропластах йде фотосинтез, а в мітохондріях — дихання. Взаємозв’язок фотосинтезу і дихання показано на рис. D2-2.5.

Зверніть увагу: речовини, що використовуються у диханні, утворюються при фотосинтезі, а речовини, що використовуються у фотосинтезі, утворюються під час дихання. Ці два процеси можна записати у вигляді хімічної реакції, що є оборотною (може йти в обидва боки):

CO2 + H20 ⇄ органічна речовина + O2.

Головний процес, що йде зліва направо у цьому рівнянні — це фотосинтез, а справа наліво — дихання. Ці процеси відповідають один одному якнаймога краще (рис. D2-2.6)!

Цю відповідність між фотосинтезом та диханням також заслуговує на те, щоб розглянути, чи не є вона прикладом «складності, яку не можна спростити». Дійсно, якщо б перші організми були гетеротрофами, вони швидко з’їли б усі запаси органіки та померли б з голоду. Якщо б перші організми були б автотрофами, вони могли б нагромадити велику кількість органіки, витратити необхідні для них субстрати і також зникнути.

 Сучасні організми існують завдяки кругообігу речовин, в якому фотосинтез і дихання підтримують одне одного. Як міг виникнути такий стан?

Відповідь може вас здивувати. Вона така: кругообіг речовин є старшим за саме життя!

Ми сказали, що фотосинтез і дихання (і, ширше, синтез та розкладення органіки) можна розглядати як оборотні реакції. На стан хімічної рівноваги в таких реакціях впливають умови середовища. Зміни концентрацій хімічних речовин і навіть зміни температури можуть здвигати хімічну рівновагу то в один бік, то в інший.

Згадайте, що ми живемо на планеті, умови на якій перебувають у стані безперервних змін. Одна з багатьох причин цих змін є такою. Земля обертається навкруги своєї вісі (до речі, коли на ній виникало життя, вона оберталася набагато швидше, ніж зараз, доба тривала лише кілька годин). День змінюється ніччю, тепло змінюється прохолодою, і хімічна рівновага на поверхні Землі стає неможливою (рис. D2-2.7).

З однією вихідною речовиною можуть відбуватися різні хімічні реакції. Реакції, що ефективніше конкурували за субстрат, розповсюджувались (це ми обговорювали у пункті D2-1.5). Такими виявлялися автокаталітичні реакції (рис. D2-1.1). Серед різних автокаталітичних реакцій знову-таки, отримували перевагу найстійкіші та ефективні (рис. D2-2.8).

Таким часом, самі умови земної поверхні викликали геохімічні круговороти (тобто послідовні перетворення речовин, викликані процесами у неживій природі). З часом, у ході виникнення і становлення життя, ці круговороти перетворювалися на біогеохімічні круговороти, тобто такі, в яких брали участь і біологічні процеси.

Порівняйте рис. D2-2.8 і рис. D2-2.5! Чим вони подібні і чим відрізняються?

Зверніть увагу: аналіз того, що здавалося «складністю, яку не можна спростити» знову допоміг нам зрозуміти щось важливе, що стосується земного життя!

D2-1.4. «Щаблі переджиття»

Ми обговорили, як періодичні зміни на поверхні Землі призводили до конкуренції автокаталітичних реакцій. Але ж ті реакції — лише перші шаблі на сходах, що ведуть від неживого до живого!

Яким могло бути подальше ускладнення автокаталітичних реакцій, що йшли на поверхні молодої Землі?

Конкретної відповіді ми не дамо. По-перше, науці це ще не відомо. По-друге, для ґрунтовного розгляду того, що вже відомо, потрібне докладне розуміння хімії. Один з відносно вивчених прикладів автокаталитичних реакцій (реакцію Бутлерова) ми обговорили в додатку D2-3, а наступні стадії будемо розглядати умовно.

Автокаталітичні реакції, що підтримують одна одну, можуть утворювати групи — гіперцикли (рис. D2-2.9).  

На етапі гіперциклів головний двигун ускладнення лишався тій самій — добір. На рис. D2-2.10 умовно показано, що ці гіперцикли могли відрізнятися за стійкістю: в деяких могла відбуватися втрата речовин, в інших — недостатньо ефективно відбувався каталіз.  

До чого мала приводити разна стійкість та ефективність різних гіперциклів?

Добір гіперциклів мав приводити до того, що з них лишалися найстійкіші та найефективніші (рис. D2-2.11)!

Одним з наступних етапів еволюції гіперциклів міг стати «світ РНК», який ми обговорювали в пункті D2-1.2. Наступні етапи ми не будемо обговорювати детально (рис. D2-2.12), тим більше, що багато з них лишаються невідомими.

Ймовірно, перші етапи походження життя проходили у системах хімічних реакцій, які не були відмежовані від середовища. Це порушувало постійність складу передживих систем. Скоріше за все, важливі для походження життя процеси відбувалися не в рідкому розчині, а у плівках, які утворювалися на поверхні різних мінералів. Так чи інакше, важливим шляхом підвищення стійкості та ефективності автокаталітичних реакцій та гіперциклів мало стати їх захист  певними оболонками.

Процеси самоорганізації та добору, які стали причиною виникнення життя, зараз інтенсивно вивчаються. Читачів цього текста з часом чекають цікаві новини, що стосуються вивчення цих процесів.

D2-2. Сухий залишок

Для виникнення життя необхідні три умови:
— існування набору перехідних станів між неживими і живими системами;
— можливість переходити з одних станів в інші, близькі;
— дія добору,  який переважно зберігає і відтворює «більш живі» системи.

Коли у сучасномі житті ми спостерігаємо цілісні комплекси, які, здається, неможливо спростити, слід шукати стани, через які ці комплекси розвивалися. Так, ймовірно, сучасні відносини між ДНК і білками є наслідком еволюції «світу РНК», в якому каталітичні та інформаційні функції виконували молекули рибонуклеїнової кислоти. Досконала відповідність між автотрофами та гетеротрофами, фотосинтезом та диханням є наслідком того, що кругообіг речовин може бути старшим за саме життя.

За сучасними уявленнями, виникнення життя пройшло через низку етапів, серед яких автокаталітичні реакції і гіперцикли (комплекси реакцій, що підтримують одна одну). На усіх цих етапах підвищення ефективності конкуруючих процесів спрямовується добором.

D2-2. Проблеми для обговорення та завдання

Завдання D2-2.1. Порівняйте різні пояснення досконалості життя на Землі. Дехто вважає, що життя настільки складне, що може бути лише кимось сконструйовано. Автори цього підручнику переконували вас, що найскладніші, найдоцільніші дива може створити лише тривалий добір. Як вважаєте ви? Наведіть аргументи на підтримку своєї точки зору.
Завдання D2-2.2. Життя на Землі — випадковість або прояв закономірності? Якщо астрономи знайдуть планету, що за всіма важливими параметрами дуже подібна до Землі, чи маємо ми чекати можливості зустріти на ній життя? А якими властивостями має володіти планета, щоб ми вважали появу житті на ней високоймовірною подією?

Додаток D2-3. Реакція Бутлерова

Як ви пам’ятаєте, однією з важливих груп речовин є вуглеводи; прикладом простих вуглеводів є моносахариди. Вперше штучний синтез вуглеводів виконав російський хімік Олександр Бутлеров у 1861 році. Реакція, яку він проводив, названа формозною реакцією або реакцією Бутлерова.

Вихідною речовиною для цієї реакції є формальдегід — досить проста речовина, яка була поширена на молодій Землі. Ці молекули здатні з'єднуватися одна з одною у присутності іонів Кальцію або Магнію у водному розчині та лужному середовищі (рис. D2-2.1). Починається реакція дуже повільно, але коли в ній виникають перші молекули вуглеводів, її хід прискорюється. Можна сказати, що молекули моносахариду є матрицею, формою, ніби-то «затравкою», на якій формальдегід збирається у нові молекули моносахаридів. Таким чином, ця реакція є автокаталітичною (рис. D2-1.1). У відсутності «затравки» перші молекули вуглеводів з часом можуть утворитися під дією ультрафіолетового випромінювання.

Залежно від того, який моносахарид буде «затравкою», у реакції Бутлерова буде утворюватися переважно він. Втім, іноді реакція «помиляється», і замість першого моносахариду утворюється інший. Різні речовини сприяють своєму утворення з різною ефективністю. З’являються нові автокаталізатори… і згодом різні реакції конкурують за початкову речовину (формальдегід).

Ми бачимо, як на прикладі реакції Бутлерова відбивається загальний принцип, який ми пояснили в пункті D2-1.5. Більш стійкі процеси витісняють менш стійки. У даному випадку це проявляється в тому, що більш ефективні автокаталітичні процеси витісняють менш ефективні.

З часом у реакційній рідині, у яку постійно потрапляє формальдегід, можуть утворитися усі моносахариди, які можуть виникати в цій реакції. Таких моносахаридів багато, але їх перелік усе рівно обмежений. Щоб здвинути рівновагу у бік певних продуктів реакції, слід змінювати умови її протікання — наприклад, додаючі певні речовини. Так, у присутності сілікатів (поширеної групи мінералів, солей полісілікатних кислот) утворюються переважно глюкоза, галактоза та манноза. Фосфати (солі фосфатної кислоти) і борати (солі борної кислоти) сприяють утворенню рибози — важливого компоненту РНК.

Вірогідно, добіологічний добір не може утворити у реакції Бутлерова щось, що сложніше  аніж характерний для неї набір моносахаридів. Втім, ця реакція є гарним прикладом того, як добір може впливати на автокаталітичні реакції.

Додаток D2-4. Як виникає нова інформація?

Що таке інформація?

Це слово походить від латинських коренів in — в, та form — створюю, придаю форму. Інформацію є певні відомості, незалежно від того, як вони передаються. Дуже часто формою передачі інформації є послідовність певних знаків — букв у тексті, нуклеотидів у ланцюжку ДНК, ділянок з разною намагніченістю на магнітному носії даних. Кількість інформації вимірюють, визначаючи, наскільки вона скорочує невизначеність щодо чогось невідомого.

Інформація може передаватися від одного носія іншому. Але щось має бути її першоджерелом. Що це?

У повсякденному житті ми звикли до того, що джерелом будь-якої інформації є інший носій інформації. Ви читаєте зараз цей текст на папері або на екрані електронного пристрою. В ньому міститься якась інформація. Як вона попала, припустимо, на папір? Під час друку. В цьому друці можуть бути застосовані друкарські форми, або, наприклад, точно розраховані рухи принтеру тощо. Інформація, яку ви читаєте, отримана з комп’ютерного файлу, за допомогою певного ланцюгу перетворень. У той файл інформація попала з файлу, з яким працює автор. Ця інформація вводиться як послідовність натискань на клавіші (або могла б, наприклад, вводитися голосом завдяки програмі, що розпізнає рухи). Рухи пальців або голосових зв’язок автору тексту переносять ту інформацію, яка є у його психіці, яка пов’язана з роботою мережі нервових клітин його мозку. Чи зародилася ця інформація у мозку автора? Конкретні речення вибудовуються під час роботи над текстом, але те розуміння, яке автор хоче передати, є результатом його навчання. Як відбувалося це навчання? Люди, що володіли певною інформацією (певним знанням), передали її автору. А як вперше виникла ця інформація?

Зараз ми повідомимо вам дуже важливий висновок, який зроблено наукою об інформації. Інформація виникає виключно у ході збереження наслідків випадкового вибору.

Пояснимо це на прикладі спадкової інформації організмів. Дехто не може повірити, що складний і насичений інформацією генотип (послідовність нуклеотидів в ДНК) міг виникнути сам по себе, внаслідок випадкових процесів. Такий складний і важливий генетичний текст мав хто-то написати, розмірковують вони. Дійсність є іншою. Ніяка істота не могла б сочинити, наприклад, генотип людини. Він утворився саме внаслідок безлічі випадкових процесів і невипадкового збереження корисних змін.

Покоління за поколінням організми з'являються від інших організмів, отримуючи спадкову програму, яка редагувалася більше трьох з половиною мільярдів років. Спосіб редагування простий. У кожному поколінні програма впливає на розвиток організмів; в кожному поколінні невдалі варіанти відсіваються, а вдалі — залишають свої копії (з певними відмінами). Зберігаються ті версії, які сприяють виживанню організмів (та його здатності залишати нащадків).

Збільшення розміру генетичних текстов відбувається так. Весь генотип або його певна частина внаслідок випадкових подій подвоюється. Спочатку між двома копіями немає важливих відмін. Втім, з часом одна з копій зміниться у один бік, друга — у інший. З часом встановити, що два різних фрагменти генетичного тексту колись (багато поколінь тому) були однією послідовністю, стане важко.

Вам здається, що описаний спосіб виникнення нової інформації є складним і неефективним?

Річ у тім, що це — єдиний спосіб. Найдивовижніші створіння природи та людської культури з’явилися саме так!

А чим відрізняється створення нової інформації людиною-творцем?

Тим, які процеси цьому передують. Тим, що людина може працювати цілеспрямовано, маючи на увазі певну мету. Втім, основа створення нової інформації залишається тією ж самою: випадковий вибір і вибіркове збереження його результатів.

Згадайте: істоти з відносно простою поведінкою вчаться способом спроб та помилок, взаємодіючи з зовнішнім середовищем, а складніші можуть використовувати модель середовища, яку будують у своїй психіці (Додаток A1-4). Таким чином, автор перебирає у своїй психіці різні способи виразити свою думку дохідливо і правильно. У основі цього пошуку лежать випадкові процеси. Результат цих випадкових процесів зазнає вибіркового збереження: слова вишукуються у речення, а речення зберегаються на інформаційному носії. Таким чином, і людська, і природна творчість базуються на створенні інформації внаслідок збереження наслідків випадкового вибору.

Додаток D2-5. Хіральність біомолекул