4. Сначала биоценоз, затем организмы

Подлинно интересную теорию биопоэза начали строить те, кто рассматривал проблему не в рамках “бульона”, а в рамках “гипотезы Геи”. Она основана на утверждении, что жизнь возникла сразу в форме простого биоценоза, лишь позднее разделившегося на отдельные особи и виды; что сначала на планете были только геохимические круговороты веществ, затем возникали одна за другой метаболические реакции - сразу в форме звеньев, которые встраивались в прежние круговороты, - а уже потом возникли наследственность, отдельные особи и размножение.

Зато требовался аппарат, активно вовлекающий нужные компоненты в нужную конфигурацию. Это и был, как полагают, водный гель.

Гель-ценотическая концепция (ГЦК) - это модель биопоэза, в которой водный гель рассмотрен как активная среда формирования первичного метаболизма (включавшегося в неорганические круговороты), т.е. среда, позже разделившаяся на первые организмы (клетки).

Примером включения органического звена в геохимический круговорот является круговорот серы, изображенный на рис. 43: он существует и вне жизни, но основной поток серы из морских вод в горные породы в наше время осуществляют организмы (бактерии Desulphovibrio и др.), которые восстанавливают сульфаты в сульфиды.

Отличить биогенные сульфиды можно по тому, что в них на несколько процентов повышено содержание тяжелого изотопа серы с атомным весом

34 - за счет того, что биологическая реакция идет другим (многоступенчатым) путем.

Исток ГЦК можно видеть в «Биогеохимических очерках» В.И. Вернадского (1940), где написано:

«Появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида, а виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни.

Следующий, после Горовица, шаг к ГЦК сделал в 1957 году английский

физик, натурфилософ и историк науки Джон Бернал - в Москве, на Международном симпозиуме «Возникновение жизни». В докладе [Бернал] он обобщил разрозненные высказывания предшественников и высказал следующие тезисы, определившие проблематику на пол века:

Если «первичный бульон» и существовал, то возникает проблема - как в нем обеспечивались нужные концентрации нужных наборов веществ (это тот вопрос, который позже разработали Силлен и Руттен); Вероятнее всего, «бульона» никогда не было, а образование мономеров осуществлялось параллельно с их полимеризацией; Для этого были удобны мелкие водоемы на грани высыхания, где в качестве катализаторов, заменявших ферменты, служили глины (уточню: средами реакций в таких водоемах могли быть гели); В ту эпоху «ничего похожего на обособленный организм возникнуть не могло, а могли существовать лишь беспорядочные образования довольно постоянного состава, в которых метаболизм поддерживался некоторое время и которые более напоминали холодное пламя, чем организмы»; Такие «субвитальные единицы» могли иметь меняющиеся границы и сливаться друг с другом, причем несовместимые разрушались, а у подходящих друг другу «диапазон их биохимической активности расширялся»; Сначала это были «зоны» («субвитальные территории»), занимавшие целые равнины, покрытые влажным субстратом (Бернал называл его илом и почвой, что неверно - ничего подобного до возникновения жизни не существовало, зато мог существовать гель); Появление разнообразных полимеров привело к возникновению мембран, а это позволило субвитальным единицам локализоваться в коацер- ватных каплях и других микрообъектах.

во-первых, «два дополнительных синтетических полирибонуклеотида (один с группой пурина, а другой с группой пиримидина), каждый в отдельности неправильно скрученные, соединились in vitro... в плотную двойную спираль, аналогичную спирали природной ДНК». Во-вторых, нуклеиновая кислота может служить матрицей только для точно ей соответствующей, тогда как один «фермент может может способствовать синтезу многих, если не всех, нуклеиновых кислот».

Последний пункт надо пояснить. Бернал указал тут на три обстоятельства: (1) РНК может самопроизвольно скручиваться в двойную спираль, (2) РНК может копировать только саму себя, (3) белок ничего сам не копирует, но может катализировать копирование любых полимеров.

He пытаясь решать проблему «взаимной связи между синтезом нуклеиновой кислоты и белка» (она не вполне решена и ныне), Бернал указал самое главное в проблеме появления наследственности: первым наследственным веществом удобно считать такую РНК (а, заметим, не ДНК), которая могла принимать нужную форму сама, без белков, тогда как первой функцией белка наследственной системы должна была служить РНК-полимеразная активность. Момент появления этой «взаимной связи» Бернал и полагал моментом рождения жизни.

Итак, по Берналу, рождению жизни предшествовало появление обширных субвитальных зон и, затем, обособление внутри каждой из них многих крохотных эобионтов; лишь после этого появилась наследственность. До ее возникновения процессы протекали сами собой, поскольку не были уникальны (как в обычных химических процессах). Удивляться высокой скорости этой стадии биопоэза не надо - медленно осуществляется лишь то, для чего требуется многократное ожидание маловероятных актов.

В 1970 году к ГЦК еще на шаг подошел биолог М.М. Камшилов, работавший после сталинской ссылки в Институте водных проблем (пос. Борок Ярославской обл.).

Ho бактериолог Г.А. Заварзин, столь же ревностный почитатель Вернадского, тем не менее с 1970-х годов возражет против первичности биосферы. По его мнению, о биосфере как целом нет никаких сведений до тех пор, пока в геологической летописи не появились цианеи (синезеленые водоросли). Жизнь же появилась много раньше.

Поясню: следами жизни считается изменение соотношения изотопов (в осадочных породах) и состава атмосферы; и то и другое выясняется изучением осадочных пород исследуемой эпохи. Так вот, появление цианей (они выделяют при фотосинтезе кислород) привело к накоплению кислорода в атмосфере, каковой стал влиять на развитие жизни около двух млрд лет назад. Наоборот, у молодой Земли была совсем иная атмосфера, почти или вовсе без кислорода (о двух вариантах ранней атмосферы см. [Самуилов]). Это ясно из того, что осадочные породы, погребенные в то время, содержат недоокисленное (двухвалентное) железо.

В подземных водах его много и сейчас, но оно сразу же окисляется на воздухе: читатель мог сам видеть, как льющаяся из скважины прозрачная вода быстро мутнеет - растворимые соли двухвалентного железа окисляются воздухом в плохорастворимые соли трехвалентного.

Ho если кислорода в атмосфере не было, то почему древнейший след жизни оказался окисленной породой - бурым железняком? Ответ Заварзиным предложен простой: первые организмы составляли биоценоз, который был тесно сомкнутым, похожим на нынешний лишайник; окислитель (кислород) в атмосферу не выходил. Заварзин также обратил внимание на важный факт: в горячих источниках близ нынешних вулканов обнаружено множество различных литотрофных (питающихся неорганикой) бактерий - и высказал предположение, что они-то и были первичными организмами. К этой мысли мы еще вернемся.

Наконец, по Заварзину, всё, чего не мог синтезировать первый организм, он получал из геосферы (идея Горовица).

Изотопный анализ показал, что самые древние осадочные породы (те самые, из юго-западе Гренландии) несут следы жизни - их изотопный состав таков, какой обычен у остатков жизнедеятельности. Однако в этих породах нет никаких свидетельств наличия отдельных организмов (клеток). По последним данным (LEG, 12), древнейший гренландский осадочный слой имеет возраст 3,85 млрд лет и уже содержит изотопный сдвиг, а древнейшие породы, содержащие нечто похожее на бактериальные клетки, - 3,4-3,5 млрд лет (Австралия и Южная Африка), т.е. возможно, что бактерии на 400 млн лет моложе жизни. Этим косвенно подтверждается та идея, что в самом деле жизнь возникла до клеток, в форме системы биохимических реакций. Мы вернемся к этой теме в п. 7-8*.