Все очень упрощено для того, чтобы было понятнее. Для этих же целей сложные молекулы одушевляются, хотя конечно все процессы вероятностны и идут по химическим законам.
Введение
Сначала несколько общеизвестных положений, которые в то же время никак не укладываются в стройную теорию жизни. Противоречия чисто логические и связаны с возможностью существования (или возникновения) элементарных жизненных форм.
Пока примем, что мы уже имеем работающую систему ДНК->РНК->белок, заключенную в оболочку, т.е. мы имеем одноклеточное простейшее живое существо.
В этой системе (ДНК->РНК->белок) самыми стабильными молекулами являются нуклеиновые кислоты. Однако мы не встречаем "свободно живущих" НК, и с трудом можем вообразить, что когда-либо они существовали (здесь подразумевается НК достаточной длины и несущая в себе информацию о пептидных последовательностях). С трудом - потому что такая НК была бы так же нелогична и бесполезна, как и плавающая в море закупоренная бутылка с запиской от потерпевших бедствие. Существует конечно вероятность, что к ДНК, плавающей в опаринском бульоне, или несколько позже во времени, "подплывут" субъединицы рибосом, а затем к ним будут в достаточном количестве "подплывать" транспортные РНК и все остальные необходимые для синтеза ферменты. Перемножив все эти вероятности, мы получим настолько ничтожно малую вероятность этих событий, что оно может показаться абсурдным. Но в живой клетке все это происходит. Как? Главный фактор, снижающий эту вероятность до величины, пригодной для прохождения успешного синтеза - скопление всех необходимых для синтеза компонентов в ограниченном объеме. Ограниченный объем - это сама клетка, ограниченная мембраной, а также компартменты клетки. Очевидно, что микроорганизму на базе ДНК оболочка нужна для того, чтобы сохранить в концентрированном виде другие свои молекулы - специализированные пептиды, а с прогрессом в организации прикрепить их к оболочке (здесь и далее слово пептиды будет применяться для обозначения всей совокупности функционально активных пептидов клетки, т.е. регуляторные олигопептиды, ферменты, переносчики). Т.о. при уже имеющейся рабочей живой системе наиболее главной задачей для нее является поддержание концентрации важных для нее веществ в ограниченном объеме, занимаемом этой живой системой.
Известно, что в ряде случаев информации о пептидной последовательности, содержащейся в ДНК недостаточно для ее реализации. Например, когда кодирующие участки двух пептидов перекрываются, или что еще более "ужасно": когда один активный пептид является частью другого не менее активного, но отличного по функции пептида, т.е. в ДНК закодирована информация об этих двух пептидах, но нет информации, какому из этих двух пептидов следует функционировать. Другим разительным примером является, то, что основные решающие для жизни реакции идут с использованием ионов металлов с незаполненным d-подуровнем (те, что делают жизнь цветной), что также никак не записано в ДНК. Если этой информации нет в ДНК, она должна содержаться где-то в другом месте.
Сама молекула ДНК не представляет из себя символа всего живого. Она "безжизненна" до тех пор пока к ней не "приложатся" необходимые белки в необходимом количестве. Жизнь течет (именно течет!) тогда и только тогда, когда в едином времени и пространстве находится совокупность определенных молекул в определенном соотношении.
Основная часть
Итак, перейдем к изложению гипотезы. Положения гипотезы изложены в утвердительной форме, хотя как в любой гипотезе, в каждую фразу можно поставить слова "может быть" или даже опровергнуть ее. Кроме того, в гипотезе не предполагается введение ничего нового. Гипотеза представляет собой попытку не пересмотреть современные положения, а подвести под них несуществующую (?) доселе базу.
Для синтеза белковой молекулы не обязательно нужна НК, но для синтеза НК обязательно нужен белок. Следовательно белок первичен. Это утверждение осталось бы голословным, если бы не было верным.
Пептиды могли бы синтезировать себе подобных и тем самым проявляли бы все свойства живого. Единственное, что им мешает это их нестабильность, вернее их беззащитность от внешней среды. Тут у них есть две возможности: 1) создать прочную внешнюю оболочку и сидеть спокойно внутри (внешний скелет); 2) заиметь "внутреннюю стабилизирующую структуру" (внутренний скелет). Первое неприемлемо, т.к. в этом случае пептиды потеряли бы возможность активного общения со средой. Второй вариант оказался приемлемым, он и обеспечил процветание той форме жизни, частью которой все мы имеем счастье быть.
Итак, основу жизни, ее минимальную единицу составляет некая популяция пептидов, взаимозависящих друг от друга. Их "целью" является постоянное воспроизведение и размножение себя. Для этого им необходим строительный материал и источник энергии. Строительный материал (аминокислоты) в простейшем случае они берут из окружающей среды, а для добычи энергии они используют ионы металлов с незавершенным д-подуровнем. Ионы металлов позволяют переводить внешнюю свободную (исходно полученную от солнца или от химической реакции) энергию в энергию химических связей. Использование макроэргов для хранения этой энергии позволяет разделить процессы получения энергии и процессы синтеза.
Внутренняя стабилизирующая структура должна 1) быть более устойчива к воздействиям внешней среды, чем пептиды, 2) давать возможность восстановления жизнеспособности при небольших повреждениях, т.е. хранить информацию о пептидах, 3) давать возможность размножения, т.е. возможность копирования этой информации. При этом форма жизни, наблюдаемая на Земле, является лишь конкретной реализацией "белковой жизни" с использованием в качестве хранителя информации нуклеиновой кислоты.
Т.е. в рамках "белковой" жизни можно предположить альтернативные хранители информации. Самая простая аналогии - с компьютером. Ничто не мешает представить себе клетку, которая в качестве хранителя информации использует кусочек ферромагнетика, покрытого изоляцией. По этому кусочку "ездит" заряженный ферментный комплекс, выполняющий функции магнитной головки. Он считывает информацию и синтезирует новую пептидную цепочку.
Главное достоинство РНК как хранителя информации - это то, что она может быть легко воспроизведена по принципу комплиментарности. При этом правда приходится использовать промежуточное звено - обратную матрицу, на основе которой уже синтезируется новая копия исходной РНК. Необходимость в такой обратной матрице привела к ее закреплению как постоянного компонента, а не временного. У ныне живущих организмов в качестве обратной матрицы используется более стабильная ДНК, которая и стала выполнять функции главного хранителя информации.
Пептиды, чтобы использовать в качестве носителя информации нуклеиновые кислоты, должны были научится управлять ими, т.е. синтезировать и модифицировать их в нужной последовательности. В современных организмах (вероятно) есть полный набор таких ферментов как для РНК, так и для ДНК.
Следующим шагом должно было стать создание "переводчика" языка нуклеотидов в язык аминокислот. Им стал набор тРНК. (Механизм "обратного перевода" с языка аминокислот на язык нуклеотидов точно не известен, но по форме по-видимому представляет собой прямой синтез полинуклеотидной цепи ферментом. Ферменты, синтезирующие ДНК и РНК, конечно обнаружены, но прямых доказательств тому, что они могут синтезировать НК используя пептид как матрицу нет.)
Уже на этом этапе рассмотрения приходится говорить об эволюции. Начиная с этого этапа можно наблюдать расщепление среди ныне существующих форм жизни. Т.е. "переводчик" с языка нуклеотидов на язык аминокислот не универсален.
Больной вопрос о возникновении жизни, т.е. как пептиды смогли синтезировать первую РНК, в которой они сами были бы записаны, и при этом как они смогли все это потом считать и синтезировать свои копии, мы рассматривать не будем.
Итак мы имеем циклическую систему:
Такая система позволяла бы бесконечно размножаться пептидам, если бы не было взаимодействия со внешней средой, или если бы внешняя среда, взаимодействие с которой есть, не изменялась бы. Таким образом, возникает противоречие: с одной стороны - пептидам нужна стабильность, которая достигается использованием НК для надежного хранения информации, с другой им надо приспосабливаться к условиям среды, чему эта "нуклеиновая стабильность" мешает. Все развитие жизни на Земле является примером постоянного поиска решения этого противоречия.
В клетке постоянно идет изменение состава пептидов, их концентраций, и, следовательно, их соотношений. Влияния извне, дестабилизирующие внутриклеточную обстановку, постоянно подавляются за счет устойчивых механизмов противодействия, построенных на системе обратных связей. Но изменения в концентрации, составе, а также химической структуре пептидов идут. И эти изменения в принципе необратимые. Можно сказать, что это эволюция на пептидном уровне. Параллельно с этим процессом идет процесс изменения и НК, который является вторичным по отношению к первому. О конкретном механизме передачи изменений от пептидов к НК говорить трудно, но к этому выводу неизбежно приходят эволюционисты.
В этой связи также трудно сказать, что такое мутация. С одной стороны, это химические изменения непосредственно в молекуле ДНК, с другой - существуют разнообразные механизмы в клетке, когда ферменты могут "ремонтировать" ДНК, но с тем же успехом те же ферменты (или другие) могли бы создавать эти изменения сами. Доводом в пользу второго может служить тот же факт большей реактивности пептидов на внешние воздействия: легче допустить, что сильные мутагенные воздействия вызывают нарушение функции пептидов, чем непосредственно молекулы ДНК, за исключением разве что тиминовых мостиков.
Как бы то ни было, чтобы получить устойчивые изменения в структуре белка, надо соответствующим образом изменить ДНК. Т.к. изменения пептидов идут параллельно с изменениями в ДНК, то все знания о механизмах наследственности и изменчивости без изменений накладываются на данную гипотезу. Следует лишь помнить, что решающую роль играют не изменения ДНК, а концентрация и соотношение пептидов (равно как и других веществ).
Схема таким образом принимает вид:
Эволюция заключается в постоянных изменениях популяции пептидов, которые идут слишком быстро, чтобы жизнь смогла существовать. Стабилизирующим фактором выступает ДНК.
Итак, идея заключается в том, что:
- главная роль в реализации жизни и в эволюции принадлежит пептидам,
- основная информация, необходимая для поддержания жизни, содержится в концентрационных и пространственных соотношениях между пептидами.
- часть этой информации записывается в виде ДНК для сохранения. Функции ДНК можно сравнить с долговременной памятью. ДНК позволяет воспроизводить записанные в ней аминокислотные последовательности через относительно большие промежутки времени.
Некоторые обобщения:
Стабилизация пептидной популяции и филогенез
Уровни стабилизации пептидной популяции:
- прямой синтез пептида ферментом (нет стабилизации)
- РНК
- ДНК
- клеточное ядро
- многоклеточность
- ?
Эти уровни конечно же имеют разный порядок и не могут быть поставлены рядом, но пока нет оснований для усложнения этой схемы. На всех этих неравноценных уровнях возможна дальнейшее повышение стабилизации за счет совершенствования механизмов механической защиты, энергообеспечения, регуляции.
Но повышение стабилизации по ходу филогенеза не может быть тотальным, так как это уменьшило бы изменчивость, т.е. возникает указанное выше противоречие. В живых системах на фоне повышения стабилизации вырабатываются механизмы обратной направленности, позволяющие временно, в нужные моменты жизни, снижать стабильность пептидной популяции.
Способы дестабилизации пептидной популяции:
- конъюгация и другие "половые процессы" прокариот
- обмен мобильными элементами
- пол
- дифференциация полов
- нервная система
- ?
Здесь также в рамках всех механизмах возможно усовершенствование механизмов механического "соединения", энергообеспечения и регуляции.
Однако сразу можно отметить, что приведенные примеры никак не подтверждают "особой роли" пептидной популяции, также как и не подтверждают отсутствия этой роли. Например, образование ядра и обмен мобильными элементами в любом случае являются стабилизирующим и дестабилизирующим факторами, соответственно.
"Поток жизни" в случае одноклеточных организмов не прерывается. При делении цитоплазма распределяется между дочерними клетками, и при этом важно, чтобы были сохранены соотношения между пептидами во всех компартментах клеток. Не происходит новообразования, происходит лишь достраивание органелл до определенного предела (или избыточное строительство всего необходимого для обеспечения двух дочерних клеток).
При формировании многоклеточности, появляется потребность во внутренней межклеточной регуляторной системе. Эта система должна обладать большой информационной емкостью, экспоненциально возрастающей при увеличении числа клеток в особи (информационная емкость меньше при наличии метамерии). Многоклеточность не нарушает "поток жизни" в случае вегетативного размножения. Также, как и у одноклеточных организмах, в дочернем многоклеточном организме должны сохраняться межмолекулярные внутриклеточные отношения. Плюс к этому в дочерних организмах сохраняется и система межклеточной регуляции.
Противовесом многоклеточности, как стабилизирующему фактору, явилось появление полового размножения, которое при сохранении уровня стабилизации повышает изменчивость.
Можно привести такую метафору: если бы люди жили просто в поле и бегали по нему, то ничто не мешало бы проведению "полового процесса" между разными индивидами. При этом были бы большие потери потомства, что неэкономно. Но если людские семьи будут селиться в крепостях, которые будут гарантировать сохранение потомства, то у членов этих семей будет практически идентичный генофонд. Для повышения изменчивости им надо скрещиваться с людьми из других семей-крепостей. Однако скрестить две крепости целиком не представляется возможным. Даже если приблизить их друг к другу и объединить их стены, все равно скрещивать придется отдельных людей. Тогда, более экономно не "двигать" целые крепости, а посылать по одному человеку в разные крепости. Конечно в этом случае будут большие потери среди этих "посланников". Но для этого в крепостях специально занимаются воспитанием и тренировкой этих посланников.
В этой метафоре основной идеей является то, что клетки многоклеточного организма сохраняют свою индивидуальность.
Основной проблемой эволюционной теории является то, как "семья-крепость" так воспитывает своего "посланника", что он способен затем воспроизвести всю крепость. Ответ тривиален: ему дают "с собой" много ДНК, куда записывают основную информацию о крепости. На основании этой ДНК "строится" новый организм, целью которого становится правильное полноценное воспитание новых половых клеток. С повышением организации все большую роль приобретает управленческие структуры (нервная система) уже не крепости, а мегаполиса, одной из задач которых, но все еще самой главной, является планирование рассылки посланников: требуется послать посланника к самому большому, процветающему мегаполису, сделать это с максимальной экономией.
Что во всей этой метафоре касается данной гипотезы:
- при размножении половым путем, в половой клетке содержится информация, которая нужна только для построения нового организма, но не нужна для жизни самой половой клетки как отдельного одноклеточного организма. Т.е. ДНК половой клетки можно разделить на две части. Одна часть нужна для жизни самой клетки - она гомологична ДНК одноклеточного, другая - нужна только для создания многоклеточного организма, может включать в себя информацию о дифференциации, пластическом обмене, регуляции между частями организма, вплоть до инстинктов и особенностей мышления (для краткости назовем ее "многоклеточная" ДНК).
- половая клетка должна быть живой и полнофункциональной, т.е. "многоклеточная" ДНК может быть реализована во взрослый организм только при сохранении в половой клетке и далее в зиготе заложенных заранее пространственно-временных межпептидных соотношений. Другими словами, чтобы реализовать "многоклеточную" ДНК, необходимо поместить ее в работающую пептидную одноклеточную систему.
- Смысл дифференциация полов заключается в лучшем сохранении этого межпептидного соотношения при том же уровне достигаемой изменчивости. Т.е. практически голый кусок (половина) "многоклеточной" ДНК помещается в стабильную пептидную систему, которая успешно обеспечивает экспансию объединенной "многоклеточной" ДНК. Этому также способствует обособление от ядерной ДНК, подвергающейся половому процессу, внеядерной ДНК, ответственной за внутриклеточный метаболизм. От внутриклеточного метаболизма мало зависит приспособленность к окружающей среде, т.е. потребности в изменчивости внеядерной ДНК нет. И смешение ДНК-содержащих органелл от родителей будет вести к ненужной дестабилизации (несовместимости). В качестве примера, подтверждающего данную точку зрения, можно привести случаи экспансии смешанного генетического материала (развитие химерного организма) у видов с резкой дифференциацией половых клеток (мул, бестер, грейпфрут). Другим косвенным подтверждением этой точки зрения являются успехи генной инженерии, когда происходит экспансия искусственно вставленного гена.
- нервная система животных, помимо многочисленных функций по обеспечению взаимодействия с окружающей средой и внутренней регуляции, обеспечивает заблаговременное выяснение совместимости и выбор лучшего варианта для обмена генетической информацией, до непосредственной реализации полового акта. Это позволяет сильно экономить половой материал и уменьшать число половых процессов, необходимых для воспроизведения популяции, вплоть до одного. У растений даже при однократном половом процессе (у однолетников) такой экономии в половом материале нет.
- существует (пока что, только умозрительно) обратная корреляция между филогенетической продвинутостью и величиной расхода полового материала.