Происхождение органических молекул

При обсуждении вопроса о происхождении органических молекул, похожих на те, которые были обнаружены в живых организмах (например, нуклеидные основаняи, аминокислоты или белковые цепи), трудно удержатся от искушения додать, что их спонтанное появление мало вероятно и что весь процесс формирования органических молекул такой сложности требует наличия некоторой руководящей силы из сказанного нами следует, что такие догадки беспочвенны. Каждая из описанных выше стадий возникает как неизбежное следствие предыдущей стадии. И сейчас, взяв образчик первобытной атмосферы и подведя к нему достаточное количество энергии, можно было бы получить органические молекулы, сравнимые по сложности с теми, которые мы находим в живых организмах. И сейчас, сжав достаточно сильно газообразный водород, мы получили бы термоядерную реакцию, продуктами которой были бы атомы отсутствовавших в нем ранее химических элементов История возникновения жизни, которую мы вкратце рассмотрели выше, есть одна из тех цепей событий, которые неизбежно происходят одно за другим и приводят к результату, удивительному лишь для того, кто незнаком со всей исторической Классическим подтверждением того, что подобные процессы превращение происходят непрерывно, без разбиения на стадии, стал эксперимент, поставленный в 1953 г Миллером (рис. 11)[5]. Идея Миллера была проста наполнить лабораторную колбу газовой смесью, имитирующей по составу и энергии излучения первобытную атмосферу Произвести в этой смеси аммиака, метана, водорода и водяного пара электрический разряд С помощью воды, циркулирующей внутри колбы, собрать продукты молекулярных превращений и подвергнуть анализу растворившиеся в воде вещества. К удивлению всего научного сообщества Миллеру удалось получить множество молекул, типичных для современных клеточных организмов, например, аминокислоты аланин и аспарагиновую кислоту и другие органические молекулы, такие, как мочевая и янтарная кислоты.

усесться То обстоятельство, что он сколочен из дерева или изготовлен из пластика и скреплен винтами, не имеет никакого отношения к тому, что, согласно моей классификации, этот предмет есть стул. Такая ситуация, при которой мы, явно или неявно, распознаем организацию объекта, когда указываем на него или характеризуем его, универсальна в том смысле, что мы делаем зто постоянно – как основной когнитивный акт, который заключается в порождение классов любого типа. Например, класс «стулья» определяется отношениями, необходимыми для того, чтобы нечто можно было классифицировать как «стул» Класс «хороших поступков» определяется критериями, которые я установил и которые надлежит применять, анализируя как сами поступки, так и их последствия, для того, чтобы их можно было считать хорошими.

Нетрудно указать на наличие некоторой организации, просто перечисляя те объекты, которые входят в данный класс; однако точно и ясно описать отношения, которые составляют зту организацию, весьма и весьма сложно. Например, что касается «стульев» как класса, описать организацию «стула» достаточно легко; гораздо труднее описать организацию класса «хороших поступков» – для этого необходимо, чтобы существовало значительное число культурных соглашений.

Говоря о живых существах, мы заранее предполагаем, что все они имеют нечто общее; иначе мы не могли бы отнести их к единому классу, который мы обозначаем словом «живое». Однако ничего не было сказано о следующем: какова та организация, которая определяет их как класс? Мы заявляем, что живые существа характеризуются тем, что постоянно самовоспроизводятся. Именно на этот процесс самовоспроизводства мы указываем, когда называем организацию, отличающую живые существа, аутопоэзной организацией В принципе эта организация возникает из определенных отношений, которые мы опишем хотя бы в общих чертах и рассмотрим на более простом клеточном уровне.

Во‑первых, молекулярные компоненты аутопоэзного единства должны быть динамически связаны в сеть непрерывных взаимодействий В настоящее время нам известны многие конкретные химические превращения в этой цепи, и биохимики дали им собирательное название «клеточного метаболизма».

Итак, каковы отличительные черты клеточной динамики в сравнении с другими наборами молекулярных превращений, происходящих в природных процессах? Интересно отметить, что клеточный метаболизм порождает такие компоненты, которые участвуют в цепи превращений, которая их же и порождает. Некоторые из таких компонентов формируют границу сети превращений, ее предел. В терминах морфологии структура, образующая пространственную преграду, называется мембраной. Мембранная граница не является продуктом клеточного метаболизма в том смысле, в каком ткань можно считать продуктом ткацкого станка. Дело в том, что такая мембрана не только ограничивает расширение сети молекулярных превращений, порож дающей собственные компоненты, но и сама участвует в функционировании этой сети. Если бы такая пространственная композиция отсутствовала, клеточный метаболизм распался бы, превратившись в расползающуюся молекулярную кашу, и столь дискретное образование, как клетка, не смогло бы возникнуть.

Из сказанного следует, что мы имеем здесь дело с уникальной ситуацией в том, что касается отношений между химическими превращениями: с одной стороны, мы видим сеть динамических трансформаций, порождающую свои собственные компоненты и необходимую для формирования границы; с другой стороны, мы видим границу, необходимую для функционирования сети трансформаций и придающую этой сети характер некого единства·

Заметим, что речь идет не о последовательных процессах, а о двух различных аспектах единого явления. Иначе говоря, не сначала граница, потом динамика, потом снова граница, снова динамика и т. д. Для того типа явлений, который мы описываем, возможность выделить какую‑либо часть из целого (например, нечто, что вы видите под микроскопом) зависит от того, не нарушается ли при таком вычленении общая целостность процессов. Стоит разорвать в каком‑то месте клеточную метаболическую сеть, и спустя некоторое время вы обнаружите, что та сущность, о которой вы говорили, более просто не существует! Наиболее поразительная особенность аутопоэзной системы состоит в том, что она вытаскивает сама себя за волосы и становится отличной от окружающей среды посред ством собственной динамики, но при этом продолжает составлять с ней единое целое.

Организация и структура

Организация означает те отношения, которые должны существовать между компонентами системы для того чтобы ее можно было отнести к определенному классу Структура означает те компоненты и отношения которые действительно составляют конкретное единство и делают его организацию реальной

Например, в сливном бачке организация системы регулирования уровня воды складывается из отношений между механизмами, способными определять уровень воды и устройством способным останавливать ее приток Сливной бачок представляет собой смешанную систему из пластика и металла, клапан Однако эта специфическая структура может быть модифицирована путем замены пластика на дерево, отчего организация бачка не перестает быть таковой

Автономия и аутопоэз

Живые существа отличаются тем, что их организация носит аутопоэзный характер. Они различаются по структуре, но имеют схожую организацию.

Поняв, что именно характеризует живые существа в их аутопоэзной организации, мы получаем возможность унифицировать все множество эмпирических данных по их биохимии и клеточному функционированию. Поэтому понятие аутопоэза не противоречит эмпирическим данным. Скорее наоборот, оно ими подкрепляется; идея аутопоэза явно предлагает интерпретировать эмпирические данные с точки зрения, делающей особый акцент на том, что живые существа представляют собой автономные единства.

Слово «автономия» мы используем в его современном смысле, т. е. система автономна, если она сама устанавливает собственные подходящие законы. Мы отнюдь не утверждаем, будто живые системы – единственные автономные системы. Это заведомо не так. Тем не менее автономность – одна из наиболее бросающихся в глаза отличительных особенностей живых существ. Мы утверждаем, что механизм, превращающий живые существа в автономные системы, – это аутопоэз. Именно это характеризует их как автономные системы.

Вопрос об автономности столь же стар, как и вопрос о живом. Но лишь современные биологи испытывают беспокойство по поводу того, как понимать автономность живых существ. С нашей точки зрения, именно этот вопрос служит путеводной нитью к пониманию автономности живых существ: чтобы понять их, нам необходимо понять ту организацию, которая определяет их как единства. Осознание того, что живые существа являются автономными единствами, помогает показать, каким образом их автономность (обычно казавшаяся таинственно загадочной и неуловимой) становится явной, поскольку теперь мы представляем себе, что определяет живые существа как единства именно их аутопоэзная организация, и именно в аутопоэзной организации они обретают реальность и в то же время специфицируют себя.

Таким образом, мы намереваемся действовать вполне научно: раз мы не в состоянии дать перечень того, что отличает живые существа, то почему бы не предложить систему, которая порождает все явления, присущие живым существам? То, что аутопоэзное единство в точности обладает всеми отличительными

Рис. 12. Электронная микрофотография клетки пиявки. Видны мембраны и внутриклеточные компоненты (при примерно 20000‑кратном увеличении)

Клетки и их мембраны

Клеточная мембрана играет более существенную и разнообразную роль, нежели просто роль демаркационной пространственной границы для ряда химических превращений, поскольку она сама участвует в этих превращениях, как и другие компоненты клетки. Происходит это в условиях, когда внутреннее пространство клетки обладает богатой архитектурой больших молекулярных блоков, через которые в процессе постоянного обмена

веществ проходят многие органические молекулы, и мембрана операционально составляет часть внутренности клетки Сказанное относится как к мембранам, которые ограничивают клеточные пространства, соприкасающееся с внешней средой, так и к мембранам, которые ограничивают каждое из различных внутренних пространств клетки (см рисунки).

Внутренняя архитектура клетки и клеточная динамика – взаимно дополняющие особенности клеточного автопозза.

особенностями живого, становится вполне очевидным в свете имеющихся сведений о взаимозависимости между метаболизмом и клеточной структурой.

То, что живые существа обладают организацией, присуще не только им, но и всему, что мы можем анализировать как систему. Однако живые существа отличаются тем, что их организация порождает в качестве продукта только их самих, без разделения на производителя и продукт. Бытие и сотворение аутопо‑эзного единства нерасторжимы, и в этом заключается присущий только им способ организации.

Подобно любой организации, аутопоэзная организация может быть достигнута многими различными типами компонент. Однако необходимо сознавать, что в том, что касается молекулярного происхождения наземных живых существ только определенные виды молекул, вероятно, обладали характеристиками, необходимыми для аутопоэзных единств, и тем самым положили начало той структурной истории, которой принадлежим и мы. Например, было необходимо иметь молекулы, способные образовывать мембраны, достаточно стабильные и пластичные для того, чтобы стать эффективными барьерами и в то же время обладать способностью изменять свои свойства, чтобы молекулы и ионы могли диффундировать сквозь них в течение длительных (по сравнению с молекулярными скоростями) периодов. Например, молекулы на основе кремния были бы слишком «жесткими», чтобы участвовать в функционировании динамических единств (клеток) в непрерывном быстром молекулярном обмене с окружающей средой.

И только в тот момент истории Земли, когда на ней возникли условия, благоприятные для появления таких органических молекул, как белки обладающие огромной сложностью и гибкостью, эти условия оказались также подходящими для формирования аутопоэзных единств. Мы можем даже предположить, что когда все эти достаточные условия присутствуют в истории Земли, формирование аутопоэзных систем становится неизбежным.

Можно утверждать, что именно в тот момент началась жизнь Это отнюдь не означает что возникновение жизни произошло единожды и только в каком‑нибудь одном месте, равным образом нельзя указать точную дату этого события. Все имеющиеся в нашем распоряжении данные позволяют считать, что коль скоро условия для возникновения живых систем возникли однажды, они стали возникать многократно, т. е. многочисленные аутопоэзные системы во многих структурных вариантах возникали во многих местах на Земле в течение периода, охватывающего возможно, многие миллионы лет.

Рис 13. Схематический разрез клетки пиявки, представленной на рис. 12 Видны основные клеточные структуры – ядерная мембрана, митохондрии, эндо‑плазматическая сеть, рибосомы и клеточная мембрана Заметьте, что изображение трехмерное – видно то, что находится под поверхностью среза

Возникновение аутопоэзных систем на Земле – заметная веха в истории нашей солнечной системы. Это необходимо хорошо понимать. Образование любой системы всегда влечет за собой ряд явлений, связанных с ее характеристическими чертами. Таким образом, можно сказать, что каждый класс систем определяет некоторую конкретную феноменологию. Так, аутопоэ‑зные системы определяют биологическую феноменологию – феноменологию, присущую тем системам, особенности которых отличны от физической феноменологии. Дело не в том, что аутопоэзные системы выступают против любого аспекта физической феноменологии – поскольку их молекулярные компоненты подчиняются всем законам физики, – а в том, что явления, которые они порождают, функционируя как аутопоэзные системы, зависят от их организации и от того, каким образом возникает эта организация, а не от физической природы их компонент (которая определяет только пространство их существования).

Так, если клетка взаимодействует с молекулой X и включает ее в свои процессы, то последствия этого взаимодействия определяются не свойствами молекулы X, а тем, как эту молекулу «видит» или воспринимает клетка, включая ее в свою аутопоэзную динамику. Изменения, происходящие внутри клетки в результате такого взаимодействия, будут определяться собственной структурой клетки как целостного образования. Следовательно, постольку, поскольку аутопоэзная организация порождает биологическую феноменологию, генерируя живые существа как автономные единства, биологическим явлением будет любое явление, которое включает в себя аутопоэз по крайней мере одного живого существа.