Что именно имеется ввиду? Появление первых структур, которые впоследствии дали начало функциональным биополимерам (белкам, нуклеиновым кислотам) и далее - структурным компонентам клетки.
Я часто слышу, особенно от людей, далеких от какой-бы то ни было науки, фразы следующего плана:
- посмотрите на цветок. Он настолько сложен, что не мог образоваться сам по себе.
- глаз человека - это сложнейшая конструкция, образование которой в процессе эволюции совершенно невероятно.
И так далее, и тому подобное. Список приводимых примеров можно продолжать достаточно долго. Спорить в таких случаях совершенно бессмысленно просто потому, что элементарные процессы остаются за рамками понимания. В то же самое время эти процессы достаточно просты, чтобы существовать на всех уровнях организации материи.
Для начала вот такая картинка (попробуйте, не заглядывая дальше по тексту, предположить, что это такое и каким образом это могло появиться)
Это фрагмент микроснимка магнитных доменов в тонкой поверхностной пленке железо-иттриевого граната, выращенного искусственно. И даже не суть, как он выращен. Суть в форме организации доменов. Вообще, сами по себе магнитные домены демонстрируют интересное поведение.
Вот так выглядит картина взаимодействия магнитных доменов. Достаточно сложные структуры, не так ли? Магнитный домен - субструктура в ферромагнитном материале, в пределах которой все элементарные магниты (электронные спины) выравнены в одном направлении межатомными силами. Изолированный домен можно считать постоянным магнитом. Ну, и все мы знаем, благодаря чему магнит обладает своими свойствами. Это, по сути, наличие дипольного момента. Вот и всё. Но это элементарное свойство порождает сложнейшие структуры магнитных доменов. На последок:
Эта сотоподобная структура тоже образована магнитными доменами. На всякий случай напомню, что сотоподобная упаковка наиболее выгодна и рациональна при заполнении поверхности или объема. Домены, ничего об этом не зная, не обладая разумом и не направляемые ничьей рукой выстраиваются в соты, которые сами по себе уже являются достаточно сложным уровнем организации, на поддержание которого требуется энергия. Если помните, то ранее в одном из постов мы уже говорили об эксперименте Ильи Пригожина, когда металлические опилки в кипящем масле выявляли ячеистую структуру конвекционных потоков. Это тоже пример сложной организации без участия разумной силы.
Теперь, отойдя от магнитных доменов (вообще - не они являются объектом внимания), приведу вот такой пример:
Всем знакомые песчаные дюны. Рисунок ничего не напоминает? Выше мы его уже видели (опять не получилось просто так отойти от доменов, ну да ладно). В процессе формирования дюн и узора на них самую существенную роль играет всего одна сила - ветер. Она же, при всей ее хаотичности, является организующим фактором. Я могу вполне справедливо полагать, что если бы на нашей планете дюн не было, то, обнаружив их на другой планете, мы вполне могли бы предположить, что они - дело рук разумных существ, ну, или вообще - существ, но никак не природное образование.. Конечно, до тех пор, пока не изучили бы механизмы их формирования.
В природе можно найти огромное количество примеров сложной самоорганизации, которая в первом приближении кажется искусственной. Только при ближайшем рассмотрении оказывается, что разум тут ни при чем.
Итак, мы определились, что факторов, вызывающих упорядочивание, множество. Любой из них, или их комбинация, может выступать в качестве "хаотичных организаторов" (наверное, следующим постом нужно будет рассказать про модели Вольтерра-Лотки. В свете этого поста было бы интересно, мне кажется). Но вот основная проблема - функциональность - остается нерешенной.
Сейчас некоторым из тех, кто все-таки набрался сил и прочитал до этого места, может показаться, что я противоречу сам себе. И тем не менее...
Глаз изначально не был глазом, а цветок - цветком. Любая функциональность любой структуры - вторичное явление. Никак не первичное. Изначально ни одна функциональ (пусть так будет называться структура, выполняющая определенную функцию) не предназначалась для конкретной работы. Это вполне очевидно. Но почему-то постоянно ускользает от многих. Глаз в своем изначальном виде был просто пигментным пятном, простым слегка окрашенным участком клетки. И всего лишь. Цветок изначально не был ни большим, ни ярким. А был просто небольшой модификацией листочков, призванной защитить завязь. Крыло не было крылом, легкие - легкими, а сердце - сердцем. Любая функциональность приобретается структурой, а не дается ей изначально.
Теперь легко перенести выше сказанное на молекулярную эволюцию. Полипептиды оказались удобным материальным выражением собственно функциональности, ибо имели множество вариантов строения и конформаций. Фермент изначально не был предназначен для выполнения ферментативной функции. Он просто оказался подходящей структурой. Первичными катализаторами могли быть даже не органические соединения, а кристаллы алюмосиликатов. По сути - глина. Они же и послужили матрицей для построения случайных полипептидов, которые мы теперь знаем, как белки-ферменты. Та же история, до мелочей, повторится и в случае с нуклеиновыми кислотами. Нашелся удобный эквивалент "памяти" о структуре, который, ко всему прочему, обладал еще и весьма полезной особенностью - репликацией.
Тут надо остановиться и определиться со следующим: обычно биологической эволюции приписывают огромные сроки на реализацию "задумки". Это является одним из наиболее распространенных аргументов "против". И в самом деле, сложная структура, к тому же еще и с функциональностью, должна формироваться весьма долго. А если учесть количество вариантов такой структуры, то время перебора становится в разы больше времени существования Вселенной. Этот постулат "антиэволюции" часто представляют в виде "невозможности самосборки самолета на свалке авиадеталей".
Что ж, вот лес, вот залежи руды и угля. Из этого изначального набора невозможно построить корабль. Но стоит из руды выплавить топор, сделать из дерева топорище, как уже можно валить деревья. Сделать гвозди, рубанок, пилу. Уже можно строить корабль. И чем сложнее будет инструмент, тем быстрее будет достигаться результат. Что это значит? Это значит, что эволюции не нужны нереальные сроки. Ей некогда перебирать варианты (топор побольше, поменьше, полегче, потяжелее, острее, тупее, топорище длиннее, короче и т. д. и т. п.). Есть исходный материал (матрица с каталитическим действием, кристалл, на развитой поверхности которого реакции идут в десятки и сотни раз быстрее) и этого достаточно. Следующий этап - появление первых пептидов - не заставит себя долго ждать. Несколько миллионов лет. Не десятки миллионов, а единицы. И чем сложнее предыдущая ступень, чем выше уровень ее организации, тем быстрее реализуется следующая. В итоге скорость образования новых структур становится просто феноменальной, приходя к той самой взрывной эволюции, которой был посвящен пост "Прыжки в длинну". В итоге даже на образование весьма сложных биополимеров не потребовались миллиарды миллиардов лет. Природа схватилась за один из первых удачных вариантов и до сих пор от него не отказывается.
Вот так, от факторов, вызывающих хаотическое упорядочивание, через простейшие структуры, которые это упорядочивание порождает, мы переходим к сложным формам организации, узкоспециализированным компонентам живого организма. Тут интересно следующее: изначально не было ферментов, отвечающих за гликолиз сахаров, не было белка гемоглобина, не было ферментов, работающих с перекисью водорода в клетках. Все они появились непосредственно тогда, когда появилась необходимость в них. Т. е. опять же, изначально в белки и ДНК не было заложено никакой функциональности. Им, как новобранцам в армии, подбирают форму, оружие и место службы. Такая вот не функциональная функциональность.
Сообщения
