Рис. 7.3.Метафорическое изображение отношений между генетической информацией, фенотипом и окружающей средой.
Генетический взгляд на жизнь помещает в центр нашего существования генетическую память, противостоящую более динамическим, наблюдаемым аспектам нашего существования. Да, организмы — это открытые системы, способные к самоорганизации самыми различными, порой очень интересными путями [41]. Это один из путей развития жизни. Однако открытость системы не может служить определением жизни — это слишком распространенная черта нашей вселенной. Открытые системы не просто широко распространены — в нашем мире они имеют универсальный характер. По большому счету все, с чем мы имеем дело, является открытой системой, действующей внутри открытой системы. Однако нельзя сказать, что все вокруг «живое». Отличительная характеристика живых существ — наличие у них набора средств, позволяющих успешно выживать и воспроизводить себя, долгосрочная память, переживающая процесс эволюции путем естественного отбора. В этом долгом процессе методы выживания, разумеется, меняются, но прежде всего они должны запоминаться. Вот почему им необходимо стабильное существование и возможность воспроизводить себя в копиях для следующих поколений.
Размышляя о возможной распространенности жизни во вселенной, мы должны принимать в расчет и «потоки», и «гены». Возможно, нам кажется, что единственное подходящее место для жизни во вселенной — планета типа Земли, находящаяся в непосредственной близости от своей звезды и обильно снабжаемая фотонами. Но даже для жизни на Земле важен отнюдь не только этот энергетический поток. Сама земля представляет собой ядерный реактор. Радиоактивное тепло движет земной геологией, постоянно обновляет минеральные ресурсы земной поверхности, необходимые для жизни, которую мы знаем, не говоря уж о создании активных открытых систем, например глубоководных теплых течений. Так что жизнь вполне может существовать и на планетах, отдаленных от звезд.
В дискуссии после заседания симпозиума Джон Бэрроу предположил существование еще одного источника энергии, не имеющего отношения к звездам: он напомнил о том, что, по–видимому, произошло в Окло (Республика Габон в Западной Африке), где геологические процессы в прошлом создали нечто вроде естественного ядерного реактора, расщепляющего уран-235 [13]. Это означает, что и небольшие небесные тела, гораздо меньше Земли, могут, по крайней мере иногда, предоставлять условия, приемлемые для существования жизни.
В вопросе «генов» мы также порой склонны мыслить слишком узко. Возможно, мы полагаем, что гены всегда должны представлять собой молекулы типа ДНК (или РНК). Пока никому не удалось создать иной органический полимер, способный воспроизводить более или менее значимый объем информации. Очевидно, это трудная задача. Однако органические молекулы — не единственные возможные хранилища воспроизводимой информации, которые могут существовать в природе.
7.3. Экзотические генетические материалы и генетический захват
Если мы попытаемся заглянуть в эпоху, предшествующую самому первому общему предку, и увидеть начало биоэволюционного процесса, происходившего на земле, едва ли носитель самой первой наследственной информации будет сильно напоминать ДНК. Маловероятно, чтобы молекулы ДНК или РНК возникали на земле, где еще не существовало жизни [42]. Их нуклеотиды чересчур сложны, а сами нуклеиновые кислоты слишком хрупки и зависимы от вспомогательных систем: они могут быть только продуктамидолгой эволюции путем естественного отбора. Но как это возможно, если генетический материал — необходимое предварительноеусловие эволюции?
Возможно, найти решение этой проблемы поможет нам аналогия с аркой. Говоря точнее, нам поможет понятие «генетического захвата». Это теоретическая схема ранней эволюции — эволюции самого центрального контролирующего механизма. В качестве простейшей его формы вообразим первый генетический материал, например минерал, способный существовать в неэволюционирующей окружающей среде. Далее он заменяется другим, более эффективным материалом (например, РНК). Этот следующий материал слишком сложен, чтобы начинать существование на примитивной земле «с чистого листа»: он становится возможен лишь в эволюционировавшей микро–среде (фенотипе), сформированной изначальными генами. Затем этот второй генетический материал постепенно вытесняет первый.
Генетический захват можно в определенной степени сравнить с тем, как в цивилизации одна технология вытесняет другую: например, для письма начинает использоваться не авторучка, а текст–процессор, лошадь заменяется двигателем внутреннего сгорания — таких примеров можно подобрать множество. Подобные замены могут быть постепенными: имеющаяся технология постепенно развивается, пока наконец не становится возможным внедрение какой‑то новой, «высокотехнологичной» системы. Совершенство новой системы, делающее ненужной старую, тоже может достигаться постепенно. Однако это вовсе не значит, что новая технология всегда представляет собой развитие и усовершенствование старой. По меньшей мере столь же часто случается, что старую вещь заменяет собой совершенно новая, работающая на абсолютно других принципах. (Например, компьютерный текст–процессор возник вовсе не в результате постепенного усовершенствования авторучек.) Вполне возможно, что новая технология принесет с собой и новые материалы.
В своей простейшей форме идея генетического захвата может быть представлена в виде накладывающихся друг на друга прямых:
Первая линия — это организмы, обладающие первым (примитивным) генетическим материалом, g 1, — линия, представляющая долговременную передачу от поколения к поколению информации, запечатленной в этом материале. Затем в окружающей среде, созданной эволюционировавшими фенотипами жизненной формы g 1возникает новый репродуцирующий материал — на свет появляются организмы с двумя типами генов, контролирующих различные аспекты деятельности, направленной на их выживание и распространение. Новый генетический материал не обязательно должен быть «совместим» со старым. Напротив, скорее наоборот — возможно, его преимущество состоит в том, что он несет информацию нового типа и воспроизводится новым путем. Взаимное дополнение хорошо объясняет, почему гены старого и нового типа существуют бок о бок.
Наконец, в соответствии с простейшей формой генетического захвата, «высокотехнологичные» подсистемы, основанные на материале g 2, развиваются настолько, что старые, «низкотехнологичные» системы оказываются организму больше не нужны.
В дальнейшем я коротко сформулирую несколько конкретных предположений относительно g 1. Но сначала мне хотелось бы развить общую идею и предположить, что на самых ранних стадиях эволюции жизни на Земле сменило друг друга множество, возможно десятки, генетических материалов, и нуклеиновые кислоты стали результатом продолжительного процесса «проб и ошибок» — эволюции генетического материала. Возможно, ближе к истине будет такая схема:
Первый шаг можно представить в виде g 1— единственной и простой воспроизводящейся характеристики, повышающей выживание и распространение вида, некоей чрезвычайно простой «функции», f 1:
[g 1—>f 1]
Пожалуй, примером таких живых существ могут служить глины, образующие ил на дне морей. Эти глины представляют собой крошечные гибкие планки в несколько микронов шириной и несколько нанометров толщиной. Планки, в свою очередь, представляют собой пачки, состоящие, вероятно, из трех или четырех слоев, структура которых напоминает слюду. Как правило, эти планки крепятся к песчинкам (в том числе к зернам нефтеносных песчаников) на дне моря [14]. По–видимому, кристаллики ила растут благодаря расширению планок исключительно за счет атомов, прикрепляющихся к их краям. Таким образом, планки сохраняют постоянную толщину. Как правило, имеется три или четыре слюдоподобных слоя. Таким образом, толщина планки является воспроизводимой чертой, хотя она может и варьировать благодаря случайностям роста. Можно спросить: имеет ли толщина в три–четыре слоя какое‑то селективное преимущество? Возможно. Ил растет благодаря «питательным» растворам, циркулирующим в порах песчаника. Слишком разросшиеся кристаллы могут загородить собой поры и снизить или остановить приток питательных веществ. Они не смогут расти и распространяться дальше. Слишком тонкие и хрупкие кристаллы легко сломать или оторвать от песчинок, к которым они прикрепляются: в этом случае они тоже закупорят поры, расположенные ниже по течению. (Именно это случается иногда, когда при добыче нефти из слоя песчаника прилагается слишком большое давление.) Возможно, толщина в три–четыре слоя идеальна для сохранения притока питательных веществ!
41
Упомяну спонтанное возникновение в простых открытых системах интересных сложных структур, например, при равномерном нагревании жидкости, в которую погружены клетки, они поднимаются на поверхность предсказуемым образом. Можно сказать, что живые существа довольно часто «самоорганизуются» в этом же смысле. См. [3] (гл. 3) и [2] (гл. 5) о значении термина «организация» и связанных с ним двусмысленностях.