Для иллюстрации нарастающих темпов эволюции обычно приводят следующую временную шкалу: сравнивают время существования нашей планеты с одним годом и на этом масштабе становится ясно, что такое эволюционный взрыв.
Итак, допустим, формирование планеты Земля завершилось 1 января. Тогда первые клетки появились в конце марта — начале апреля.
Черви возникли в начале ноября.
Первые позвоночные — в начале декабря.
Динозавры появились 20 декабря.
Первые приматы — 28 декабря.
Обезьяны появились 31 декабря.
Неандертальцы появились к вечеру 31 декабря.
Гомо сапиенс возник на исторической арене 31 декабря в 23 часа 57 минут.
Древний Египет, Древний Шумер появились в 23 часа 59 минут 10 секунд.
Иисус Христос родился в 23 часа 59 минут 50 секунд.
Промышленная революция началась в 23 часа 59 минут 59 секунд. За «секунду» до сегодняшнего момента!
Впечатляет? Настоящий взрыв! Вот каких мощных темпов ускорения эволюции добилась природа, «придумав» смерть, половое размножение, мутации, естественный отбор и психическое отражение реальности.
Но если с эволюцией живой материи биологам уже все более-менее ясно, то с эволюцией высшего химизма — сплошные вопросы. Условия молодой Земли еще не выяснены окончательно, поэтому делать окончательные выводы о том, как именно зарождалась жизнь, пока рано. Вопрос о том, на каком этапе высший химизм постепенно перетек в жизнь, пока висит. Но некоторые догадки строить уже можно.
Я не очень хорошо разбираюсь в молекулярной биологии и биохимии, поэтому пришел к биофизику Александру Кушелеву с вопросом о том, как это природе удалось так быстро организовать химическую эволюцию, ведь, исходя из экспоненциальности эволюционного процесса, на это должно было потребоваться гораздо больше времени. И почему в расчетах некоторых специалистов времени жизни всей Вселенной не хватило бы на то, чтобы пройти этап от химической эволюции до первой клетки.
— Не учитывается одна тонкая штука, — ответил мне Кушелев. — Химическая эволюция шла… 50 триллионов лет!
И пояснил свою мысль… Все расчеты о том, сколько времени нужно химической эволюции для формирования первичных жизненных структур, ведутся исходя из так называемых н. у. — нормальных условий (атмосферное давление, температура, примерно равная 22°С). Но химические реакции могут протекать в сотни тысяч раз быстрее, если повысить температуру на несколько сотен градусов и давление, скажем, до 250 атмосфер. Вот тогда то, на что в нормальных условиях действительно потребовалось бы много-много триллионов лет, удастся уложить всего в полмиллиарда. Химики знают, что повышение температуры на 10 градусов повышает скорость реакции окисления вдвое. Повышение температуры на 20 градусов, соответственно, повышает скорость реакции (количество прореагировавших молекул) вчетверо. И так далее. Вот такая геометрическая прогрессия.
— 50 триллионов лет — вот сколько лет должна была бы идти эволюция в нормальных условиях, чтобы дойти до первой клетки, — говорит Кушелев. — Но повышение температуры и давления позволили этому процессу сократиться до 500 миллионов лет. Впрочем, если быть строгим, в нормальных условиях эволюция пройти не смогла бы. Некоторые специфические реакции достижимы только в «ненормальных» условиях. Например, в «черных курильщиках»…
Черные курильщики — это подводные гейзеры. Они расположены на дне океана, где из разломов земной коры бьет фонтан перегретой воды температурой 250-300 °С под давлением 250 атмосфер.
Дальше я просто приведу рассуждения специалиста в полной неприкосновенности. Если вы в химии и молекулярной биологии профан, можете этот кусок безболезненно пропустить, я привожу его только из-за Валеры Чумакова, чтобы он больше не приставал ко мне с идиотскими подсчетами о том, что самозарождение жизни невозможно, потому что… Валера! Читай и делай выписки, только для тебя я перегружаю книгу такой умственностью.
Итак…
— Как это ни парадоксально на первый взгляд, но при таких условиях (300 градусов и 250 атмосфер. — А. Н) клетки хемосинтезирующих бактерий могут размножаться в 30 раз быстрее, чем при атмосферном давлении и комнатной температуре. Митохондрии таких клеток могут размножаться еще быстрее, а снятие информационных копий с ДНК осуществляется на несколько порядков быстрее, чем при нормальных условиях. А главное, самоё начало химической эволюции — подбор материала для строительства РНК, ДНК и белков — становится принципиально возможным, так как комплементарная пара только в таких условиях может дождаться своей половины. При н. у. это просто нереально. Здесь имеет смысл обратить внимание на химический состав горячего «супа». В него в больших количествах входят кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор и в малых количествах — все остальные элементы таблицы Менделеева.
Самое интересное, что из недр Земли, кроме атомов и простых молекул, «выплывают» готовые блоки ДНК и РНК — азотистые основания и фосфолипиды, которые, взаимодействуя между собой, время от времени образуют нуклеотиды, то есть комплементарные пары ДНК и реже — РНК. Комплементарные пары (половинки одной ступени ДНК) находят друг друга при температуре 250-300 градусов в десятки тысяч раз быстрее, чем при комнатной. Удачная стыковка сопровождается синхронным соединением перил (фосфатных групп) между собой. Образуется поперечная диэфирная связь — ключ, помогающий разгадать многие повадки живых молекул.
Как только образовалась поперечная диэфирная связь, возникает особая, «живая», молекула. Ее особенность заключается в способности восстанавливать свою структуру при случайном разрушении водородных связей между половинками ступени ДНК. Дело в том, что разрыв водородных связей не разрывает, а всего лишь раздвигает или, как принято говорить, расплавляет ступень ДНК, половинки которой остаются связанными через фосфатные группы. Кстати, случайно раздвинуть ступень ДНК не так просто, так как половинки ступени достаточно массивны и раздвигаются только в одном направлении, поворачиваясь вокруг центра атома кислорода, заключенного между двумя атомами фосфора.
Что же происходит дальше? Раздвинутая ступень ДНК ловит своими половинками комплементарные пары, выходящие из недр Земли или образующиеся в «топке» «черного курильщика». Захватив себе пару, ступень превращается в две одинаковые ступени, то есть удваивается. Дальше эволюция может пойти по двум различным путям. Либо две ступени, связанные по фосфатным группам, разойдутся в стороны (размножение), либо образуется вторая, теперь уже продольная диэфирная связь (первой продольной связью становится в этом случае материнская поперечная связь, с которой все началось). В этом случае мы наблюдаем рост молекулы ДНК. Оба эти процесса полезны, однако в начале эволюции живые системы больше размножаются, чем растут. Достигая некоторого уровня развития (в данном случае концентрации одноступенчатых ДНК), молекулы начинают больше расти, чем размножаться.
Если температура в недрах «черного курильщика» понижается, то доля размножающихся молекул падает, в то время как доля растущих возрастает. Растущие молекулы начинают различаться по своему составу, образуя первые виды о дно молекулярных живых организмов. Прародителем таких организмов можно считать аденозинмонофосфат, который в современных организмах выполняет энергетическую и информационную функции одновременно.
Число видов быстро возрастает, однако выясняется, что некоторые одномолекулярные оказываются способными ускорять образование нуклеотидов из азотистых оснований и фосфолипидов, а другие — пожирать менее приспособленных одномолекулярных.
В дальнейшем аналогичное различие функций ярко проявится у растений и животных.
Хитрость механизма одномолекулярных заключается в том, что одноцепочечная спираль ДНК, состоящая из нуклеотидов, может образовывать комплементарные пары внутри себя (вспомните внутренние связи т-РНК). Если эти комплементарные пары сшивают одноцепочечную ДНК, образуя механизм нападения, то новоявленный хищник начинает охотиться на других одномолекулярных, подрастая и размножаясь за их счет, то есть используя готовые блоки, на которые он разобрал своих конкурентов.
Господствующий вид одномолекулярных начинает и «внутривидовую» борьбу, в которой выживает наиболее приспособленный, который сохраняет свою структуру в виде последовательности нуклеотидов, передавая ее по наследству. Многие виды не выдерживают конкуренции и надолго (если не навсегда) исчезают с лица «черного курильщика». Удачные виды начинают лакомиться не только выходящими из жерла «черного курильщика» нуклеотидами, но и отдельными азотистыми основаниями, самостоятельно доделывая их до нуклеотидов. Для этого к захваченному азотистому основанию нужно приделать фосфолипид с нужной стороны, а если он слишком длинный, то обрезать ему лишнюю часть «хвоста». С этого момента рост и размножение «полиглота» резко усиливается. Дело в том, что вероятность найти фосфолипид произвольной длины гораздо выше, а точное место присоединения к азотистому основанию отсекает неподходящие изомеры нуклеотидов.
