Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор (библиотека книг .txt) 📗
Эволюция жизни. Теперь мы достигли момента, когда природа готова к бурному развитию. Подведем итог. В некоторых местах на Земле возникли определенные комбинации цепных молекул. Эти комбинации обладают замечательным свойством воспроизводить самих себя, если есть сырой материал в виде простых молекул. Это воспроизведение осуществляется с помощью специальной цепной молекулы — нуклеиновой кислоты. Действительно, только нуклеиновая кислота воспроизводит самое себя. Каждое новое повторение этой молекулы вызывает образование тех же белков и создает вновь те же единицы.
Однажды возникнув, такие комбинации должны накопляться в больших количествах. В частности, быстро размножаться будут те комбинации, которые, воспроизводясь, эффективно используют как сырой материал простые химические соединения, потому что этого сырья много на Земле.
Дальнейшее развитие основано на взаимодействии двух факторов. Один — это самовоспроизведение единиц, другой называется «мутацией» строения нуклеиновой кислоты. Мы называем «мутацией» следующее явление: в процессе самовоспроизведения нуклеиновая кислота обязательно в отдельных случаях не повторяет себя в точности, время от времени происходят изменения.
Надо ожидать двояких изменений. Во-первых, в процессе повторения происходят ошибки. Новая нуклеиновая кислота не точно такая же, как старая. Если новая форма оказывается неспособной производить необходимые белки, единица, в которой произошло изменение, больше не способна развиваться. Если же, несмотря на изменение, новая форма нуклеиновой кислоты тоже производит необходимые белки, изменение будет повторяться дальше в каждом воспроизведении и с этого момента сохранится в потомстве.
Во-вторых, нуклеиновая кислота может добавлять к себе новые группы нуклеотидов и увеличивать тем самым свою длину. Несомненно, что цепи первых нуклеиновых кислот были очень коротки, они служили шаблонами только для немногих белков. Когда случайно добавлялись новые нуклеотиды, эти добавки воспроизводились в повторениях. В большинстве случаев они были бесполезны для производства белков. Но за долгие периоды время от времени должно было случаться так, что получались лучшие белки или что от удлинения нуклеиновой кислоты образовывались новые белки, позволявшие более эффективно использовать сырые материалы для воспроизведения. Когда это происходило, новый тип единиц быстро замещал старый, так как он быстрее размножался и употреблял для этого весь имевшийся материал [57].
Может случиться и так, что новые белки позволят единице размножаться при других внешних условиях. Например, старая единица лучше всего размножалась в теплой воде, а новая будет размножаться в более холодной, или старая — в более глубоких слоях воды, а новая — в более мелких вблизи берегов. Тогда новые типы не вытеснят старые, а населят области Земли, где существуют новые условия.
Здесь мы видим процесс естественного отбора. Он с необходимостью вступает в игру, когда определенные единицы обладают способностью самовоспроизведения и когда программа, ими управляющая, испытывает случайные изменения. Оба эти фактора, самовоспроизведение и мутация, работают рука об руку. Если мутации не влияют на воспроизведение, ничего особенного не происходит, изменения только передаются по наследству. Если мутации таковы, что уменьшают размножение, то пораженные единицы вымрут, а если мутации благоприятствуют размножению, — заменят старые единицы. Так идет медленное развитие к единицам, лучше приспособленным к размножению в существующих условиях.
Есть характерная тенденция в этом развитии — единицы становятся все сложнее. Они теряют простые черты, которые были в начале истории их жизни. Большинство изменений происходит в сторону большей дифференциации, к более длинным цепям нуклеиновых кислот, производящим больше белков для специализированных целей. Поэтому с того момента, как возникают единицы, способные самовоспроизводиться, развитие идет в сторону более и более сложных единиц. Лучшее приспособление к внешним условиям почти всегда ведет к более сложным единицам.
Рис. 59. Старейшая из известных форм жизни, существовавшая около 1600 миллионов лет назад. Она несколько напоминает водоросль.
Это развитие во многом напоминает развитие наших автомобилей. Каждый год конструкторы пытаются улучшить автомобили путем небольших добавок здесь и там. Машина становится все сложнее. Несомненно, что можно делать гораздо лучшие и менее сложные машины, но только если перепроектировать их совсем заново. Можно перепроектировать автомобиль, но природа не может сделать этого в отношении процесса естественного развития и отбора. В природе может происходить развитие только путем накопления малых изменений здесь и там, за счет изменения программы в нуклеиновых кислотах. Природа не может начать заново с наброска. Она может только прибавить что-то к предыдущему развитию. Поэтому прогресс в природе почти всегда достигается путем перехода к более сложным формам.
Этот механизм обладает воистину замечательным свойством. Он дает возможность природе совершенствоваться, «строить» все более и более сложные структуры, и притом «естественным» путем, без нарушения каких-либо законов физики и химии и без обращения к заранее установленному плану. Этот процесс тем более замечателен, что в неорганическом мире мы чаще всего замечаем противоположную тенденцию: сложные структуры распадаются на более простые, порядок всегда превращается в беспорядок. Процесс построения возможен только благодаря явлению самовоспроизводства. Он автоматически умножает более сложные структуры тогда и только тогда, когда они лучше приспособлены к окружению [58].
Посмотрим теперь, как шло развитие за счет естественного отбора. Начнем с зачаточной клетки растения; она содержит необходимые белки, делающие аминокислоты и нуклеотиды из сахара, фосфатов и аммиака, и хлорофилл, производящий сахар с помощью солнечного света. Важнее всего, что клетка содержит нуклеиновую кислоту, которая действует, как шаблон для производства всех белков.
В процессе дальнейшего развития мутации добавляют все новые звенья к нуклеиновой кислоте. Она становится шаблоном для белков клетки с более сложной структурой, более совершенной и лучше организованной, чем зачаточная клетка. И в самом деле, процесс клеточного деления становится гораздо лучше организованным, так что никакие из веществ клетки не теряются в процессе деления. В процессе эволюции был достигнут высокоорганизованный процесс деления, управляемый соответствующими белками.
Но рост здесь не остановился. Очевидно, могут быть достигнуты еще больший рост и размножение, если большее число клеток действует вместе, как одна многоклеточная единица. Такая единица работает производительнее, поскольку функции распределены между различными клетками. Одни клетки могут служить остовом, другие — собирать сырые материалы из воды или почвы, наконец, третьи растут лучше всего там, где сильнее всего солнечный свет, и производят сахар. В результате добавки одного усложнения к другому развились такие живые единицы, как наши современные растения, состоящие из миллионов клеток, приспособленных для многих различных целей. И тогда зеленый ковер растительной жизни покрыл Землю (рис. 60).
Рис. 60. Зеленый ковер растений покрыл Землю.
Когда образовалось это растительное покрывало, установились новые возможности для жизни. Изменилось два существенных обстоятельства. Во-первых, стало сколько угодно сахара, нуклеотидов и аминокислот в растениях и запас всего этого возобновлялся при размножении. Во-вторых, производство сахара в хлорофилле освободило огромное количество кислорода. Атмосфера Земли постепенно наполнилась кислородом, и он остался в ней, потому что потери от окисления и других химических реакций постоянно восполнялись.
