Ю.П. Фролов
Введение
В последнее время только ленивый не говорит о мировом глобальном кризисе, каждый предлагает свое объяснение случившемуся, однако все называемые причины его возникновения, как правило, имеют хотя и важный, но второстепенный характер и сами являются следствием более глубинной первопричины. Эта первопричина множества больших и малых катастроф, вплетенных в историю человечества, равно как и возможность их преодоления и недопущения, появились вместе с возникновением уникального вида Homo sapiens — человек разумный. Человек современного типа —
sapiens sapiens появился по историческим меркам сравнительно недавно. Многие виды обитающих на Земле животных имеют гораздо более древнее происхождение и не проявляют признаков своего угасания. Сама биосфера с величайшим разнообразием видов, несмотря на множество природных катастроф земного и космического происхождения, наносивших серьезный ущерб животным и растительным сообществам, продолжает существовать даже в условиях жесткого давления на нее со стороны человеческих цивилизаций.
Почему же ”юный” вид Homo sapiens, достигший колоссальных успехов в науке и производстве, подошел к черте, за которой возможно его исчезновение?
Причины долговечности биосферы
Задолго до появления жизни на нашей планете (приблизительно 4 млрд лет назад) в Мировом океане из простейших молекул под влиянием энергии, поступающей от Солнца, из Космоса и земных недр, образовались более сложные химические соединения. В мелких водоемах с интенсивным испарением их концентрация достигала состояния ’’бульона” (по А.И. Опарину [1]), что существенно повышало скорости химических реакций, нередко инициируемых неорганическими веществами (минералами) стенок водоемов и поверхностью взвешенных в воде частиц. Эти реакции часто находились в состоянии равновесия между собой, порою порождали новые виды молекул. Такая среда, содержащая высокие концентрации абиогенно образовавшихся веществ, внешне напоминала собой пересыщенный раствор соли, способный перейти к быстрому процессу кристаллизации вокруг зародышей кристаллов, стимулируемому внешним воздействием.
Среда, в которой затем возникла жизнь, была готова к ее восприятию. Предтечей будущих живых организмов, современное многоцветье которых поражает людей, да и самого человека, были молекулы РНК, которые затем образовали так называемый ”мир РНК”. Существуют разные гипотезы ”заражения” нашей планеты жизнью. Одна из них — занос генетического материала в виде молекул нуклеиновых кислот из Космоса с веществами, падающими на Землю. Другая, достаточно фантастическая, — трансляция разумными существами из Космоса закодированной информации с помощью электромагнитных волн, которая обеспечила синтез молекул нуклеиновых кислот определенного состава. Третья, по-видимому, наиболее правдоподобная, — самозарождение жизни первоначально в виде молекул РНК, которые, подобно вирусной инфекции, начали свое победное шествие по планете.
Дело в том, что молекулы РНК в прошлом обладали способностью к самовоспроизведению путем репликации. Кроме того, в них сосредоточены остатки представителей трех потоков: энергии, материи (вещества) и информации, биотическое триединство которых и составляет динамическую основу жизни [2]. Поток энергии напоминает о себе остатками фосфорной кислоты, которые вместе с рибозой, представительницей потока вещества, образуют рибозофосфатный скелет молекулы РНК. Поток информации формирует последовательность оснований, связанных с рибозофосфат- ным скелетом.
Биосинтез нуклеотидов и последующая конденсация их осуществлялись с использованием энергии полифосфатов, запасы которых образовались в добиологический период эволюции [3]. Полифосфатная биоэнергетика в этот период, вероятно, была преобладающей движущей силой эндэргониче- ских реакций синтеза биомолекул. Не исключено, что правильное соединение молекул, образующих нуклеотиды, а также связывание последних между собой контролировались кристаллической структурой полифосфатов.
Молекулы РНК синтезировались из случайного набора нуклеотидов, с определенной скоростью деградировали и, подобно организмам, конкурировали между собой за субстрат и энергию. Одним из параметров, по которым осуществлялась конкуренция молекул РНК, была каталитическая активность, способная обеспечить, например, преимущество данной последовательности нуклеотидов через повышенную скорость своей репликации (автокатализ) или более интенсивное извлечение энергии из полифосфатов. Рибозимы (молекулы РНК, способные осуществлять биокатализ), возникшие в тот период, сохранились и активно функционируют в клетках про- и эукариот до наших дней [4].
Однако в отношении функциональных возможностей РНК существовали ограничения. В этом отношении более перспективными были пептиды, состоящие из остатков аминокислот. Их более богатая ’’элементная база” (аминокислоты) была тоже создана абиогенным путем, энергию для конденсации аминокислот поставляли опять же полифосфаты. Конкуренция за источник энергии у РНК и пептидов каким-то образом превратилась в своего рода мутуализм, когда на молекуле РНК осуществлялась трансляция пептида, а на последней — синтез РНК. О существовании в прошлом такой коадаптации косвенно свидетельствует, в частности, феномен, названный нами эквиспиральностью ([5] и др.). Суть его состоит в том, что вторичная структура обоих видов молекул представлена правой спиралью, причем число витков альфа-спирали пептида совпадает с таковым у РНК, на которых закодирована информация об аминокислотной последовательности на этих витках. Такой симбиоз взаимной репродукции РНК и пептидов (прямой и обратной трансляции) давал преимущество в копировании тем пептидным молекулам, которые обладали лучшими биологическими, например, каталитическими свойствами. В нем проявился принцип положительной обратной связи.
Со временем оба вида молекул сконцентрировались в едином объеме ко- ацервата, который, благодаря успешной их коэволюции, превратился вначале в прокариотическую, а затем эукариотическую клетку. Последняя позднее дала начало появлению многоклеточных организмов.
На молекулярном уровне произошли определенные изменения. РНК в информационном потоке оставили за собой обеспечение тактических задач, передав стратегические функции молекулам ДНК. Белковые молекулы утратили способность к обратной трансляции, и в клетках утвердилась ’тоталитарная” (однонаправленная) схема реализации наследственной информации ДНК ^ РНК ^ Белок. Обратная транскрипция (РНК ^ ДНК) и обратная трансляция (Белок ^ РНК), как это, возможно, имеет место в случае с репродукцией прионов [6], сохранились на ”обочине” основного потока жизни. В непрерывном обеспечении биосистем энергией главную роль стал играть фотосинтез, а полифосфаты по этой функции перешли на второй план.
Все виды организмов унаследовали от молекул нуклеиновых кислот способность к автокатализу, которая проявилась на популяционном уровне в экспоненциальном росте численности организмов. Однако положительная обратная связь, обусловившая экспоненциальный рост, быстро приводит к перенаселению особей на своей территории, ухудшению условий их существования, конкуренции. Тем не менее в реальных биоценозах вырождение видов по причине перенаселения не происходит, и обусловлено это существованием отрицательной обратной связи и иных механизмов, удерживающих плотность популяций в определенных границах.
Постоянно действующим ограничителем плотности популяции многоклеточных является естественная смерть, обусловленная старостью или программой. Старение обычно не является непосредственной причиной смерти, оно повышает смертность вследствие внешних причин, ослабляя организм. Тем не менее этот ограничитель не может остановить рост плотности популяций организмов.
Основная причина долговечности биосферы лежит в ее организации по типу круговорота, благодаря которому происходит постоянное самообновление всех без исключения организмов: от микробов до высокоорганизованных многоклеточных животных. Естественная смертность, о которой говорилось выше, также встроена в этот круговорот. Все организмы и их останки проходят по кругу: Продуценты —> Консументы —> Редуценты —> Продуценты. В биосфере не существует ”бесполезных” видов организмов, каждый занимает определенное место в сложнейшем биотическом круговороте. Растениями питаются фитофаги (консументы первого порядка), но сами они оказываются жертвами хищников. Однако и у самых совершенных хищников есть смертельные ”враги”, прежде всего гельминты и патогенные микробы. Старость ослабляет их организм, делая его более уязвимым в отношении инфекций, а труп некогда грозного хищника вовлекут в круговорот животные, питающиеся падалью. Даже утилизация фекалий является источником питательных веществ не для одного вида одно- и многоклеточных организмов.
Перенаселение животных ослабляет их вследствие недостатка пищи, опять же делая более доступными для хищников и заразных болезней. Животные с запрограммированной в интересах популяции смертью, обычно наступающей после завершения репродуктивной функции, четко завершают свой жизненный путь без вмешательства хищников и болезнетворных организмов.
Естественно, в процессе эволюции у представителей всех видов вырабатываются механизмы, повышающие их выживаемость в агрессивной по отношению к ним среде: у кого-то отрастают более мощные клыки и когти, кто-то достигает большего совершенства в беге, а кто-то приобретает способность к полету и покидает прежнюю среду обитания. Все это естественное для живых систем свойство самосохранения. Однако и ”враги” животных, те же патогенные микроорганизмы, обладают свойством самосохранения, поэтому и у них вырабатываются более совершенные механизмы поражения своих жертв. Так и идет непрерывное соревнование и совершенствование механизмов, направленных как на сохранение жизни, так и на ее разрушение. Последние, наряду с поддержанием равновесия численности популяций, способствуют удалению из них больных особей, порою обремененных вредными мутациями.