От неживого к живому

     Живое есть  результат эволюции материи до вершины сложности  и организованности, но это лишь один из вариантов существования материи.
     Эволюций в Космосе и их результатов касаться не будем, только того, что случилась с Землёй.
     Эволюцию с материей на Земле подразделяем на физическую, химическую, биохимическую, биологическую и социальную эволюцию. Но здесь будем рассматривать  пока только химическую и биохимическую эволюции, приведших к образованию живого, или жизни, как принято выражаться.

     Происхождение жизни на Земле является ключевой и пока до конца нерешенной проблемой естествознания, чем служители культа и козыряют. Если эволюция живого можно считать доказанной, так как были вскрыты механизмы её и обнаружены древние более просто устроенные организмы, то создать живое из вещества неживого пока никому не удавалось. И о моменте возникновения жизни на Земле мы решительно ничего не знаем, т. е. не знаем как, где, когда оно случилось, и было ли возникновение жизни единичным событием. Вполне вероятно, что жизнь в каких-то вариантах зарождалась многократно даже на нашей планете, не говоря уже о других потенциально возможных мирах. В конце концов, жизнь на Земле взяла своё, и представлена в наших условиях в единственно возможном варианте.  А именно, в качестве способа существования белковых тел и нуклеиновых кислот, способа, осуществимого благодаря уникальному  сочетанию  свойства углерода к полимеризации и склонности воды к ионизации, как совместно необходимых и достаточных условий для возникновения и развития всех известных нам земных форм жизни.

                Что характерно для живого.
- Сложный химический состав с обязательным наличием белков и нуклеиновых кислот.
- Клеточное строение.
- Обмен веществ со средой обитания (дыхание, питание, выделение).
- Движение  – способность изменять положение тела или его частей в окружающей среде.
- Рождение, рост и развитие, размножение с передачей свойств потомкам и смерть, как завершение жизненного цикла.
- Приспосабливание к меняющимся условиям существования, сопровождающееся изменчивостью в своей конституции.
- Раздражимость и возбудимость от воздействий среды  и избирательная реакция на воздействия.
- Поддержание  в оптимальных пределах своей структуры и взаимодействия составляющих её элементов, т. е гомеостаз и само-регуляция; также способность восстановления (заживление) полностью или частично повреждений структуры.

     Обмен веществ – это половина того, что значит быть живым. Но подобное встречается во многих системах, например, любой природный круговорот вещества и энергии, в т. ч. автоколебательные и волновые химические процессы.
     Особое внимание заслуживают кристаллы.  Рост кристаллов не простое увеличение числа связанных атомов, а процесс, с необходимостью включающий в себя условие постоянной репродукции заданного типа структуры, по существу - процесс самоорганизации. Информация о будущем кристалла закодирована в структуре его исходных компонентов. С виду холодные и бесчувственные, кристаллы рождаются, живут и умирают, ведут борьбу за существование, осваивают пространство. Им свойственны процессы размножения, питания (поглощения), обмен веществ, чувствительность и раздражительность, столь характерные для живых организмов.
   И всё же кристаллы живыми не считаются, как и ещё некоторые  формы: вироиды, вирусы и др., располагающиеся в табеле о рангах  между откровенно неживыми и живыми формами. В общем, чёткой границы между живым и неживым нет, при этом неживым условно считается то, у которого  нет полного набора признаков, выше перечисленных, и способностей ниже изложенных.
        Самым отличительным свойством организованной материи по имени живое является наличие психики. Благодаря этому свойству, живые организмы (уже на уровне простейших) наделены способностью  получать  и запоминать информацию об окружающей действительности и на основании этого регулировать свою внутреннюю среду, особенности поведения. Все это позволяет  приспосабливаться к проживанию в постоянно изменяющихся условиях. Т. е.,  способности высокоорганизованной материи позволяют  оптимально реагировать на жизненно важные изменения окружающей среды, вырабатывать дополнительные формы взаимодействия с тем, что его (живое) окружает. При этом, чем более развита психика, тем формы взаимодействия гораздо более выгодные, гибкие и обширные, чем у живых организмов, которые взаимодействуют с внешней средой только физиологическими отношениями (непосредственная реакция на воздействие среды), т. е. обладающие неразвитой психикой.
       При наличии же в составе организованной материи ещё и высокоорганизованной её составляющей, головного мозга,  особенно человеческого, психика вооружается сознанием, а это значит способностью к абстрактно-логическому мышлению, и на его основе познанию человеком окружающей действительности, а далее к целенаправленной практической преобразовательной деятельности в окружающей среде и в себе самом.
    
      Итак, что будем считать живым, определились, дальше будем разбираться, как живое могло образоваться.
Проблема возникновения жизни на Земле и возможность существования ее внеземных форм является фундаментальной не только для биологии, но и для естествознания в целом. Среди основных гипотез, пытающихся объяснить возникновение жизни, наиболее известны следующие.
      - Креационизм. Согласно креационизму жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события, божественного творения, в общем. Эта концепция признает неизменность видов живых существ. Её придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений.
        - Происхождение жизни из неживой природы. Эта гипотеза была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму. Согласно этой гипотезе жизнь возникла спонтанно из неживого вещества под воздействием некоего «активного начала». Приверженцами гипотезы о самопроизвольном зарождении живых организмов из неживой природы были Аристотель, Галилей, Декарт, Гегель, Ламарк.
        - Панспермия. В XIX веке была выдвинута гипотеза вечного, повсеместного существования жизни в Космосе в виде «зародышей жизни», и этим объясняется происхождение жизни на Земле. Эта гипотеза, как и гипотеза о самозарождении жизни, не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, поэтому их  нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой.  В начале XX века идею панспермии развивал и русский ученый В. И. Вернадский.
        - Химическая эволюция (образование органических соединений, распространённых в природе вне организмов без участия ферментов) и следующая за ней биохимическая эволюция.
   
       Мы придерживаемся переходу химической эволюции в биохимическую и далее в биологическую, и о том, как это могло быть, ниже.
      
     Теоретически жизнь в каких-либо вариантах могла зарождаться, множиться и вымирать миллионы лет и миллионы раз, однако при этом можно с достаточной долей уверенности утверждать, что всё ныне существующее живое на Земле берет свое начало от одного единственного предка, оказавшегося вариантом наиболее жизнеспособным. И это была клетка  с РНК, белками и ДНК, чьи потомки в конечном итоге населили сегодняшнюю Землю. И свидетельство этому то, что от самых примитивных бактерий до носорогов все их клетки устроены и функционируют по одной схеме, реализуемой взаимодействием РНК, ДНК и белков. И что наиболее важно, кодирование наследственных признаков в ДНК у всех одинаковое. Считается, что подобная  клетка на нашей планете образовалась примерно 3,5 млрд. лет назад.
       Но самое главное неизвестное в истории зарождения жизни на Земле – что было до Клетки. Ответов на такой вопрос искать просто негде, поэтому ученые задаются не столько вопросом, как жизнь возникла, сколько вопросом как в принципе она могла возникнуть. Если конкретнее, то какой может быть теоретическая последовательность событий, ведущая от атомов и случайных «неживых» химических реакций к зачаточной форме клетки, т. е. протобионтам. Для такого спонтанного превращения неживого в живое имеется одно приемлемое научное объяснение – длительная  химическая эволюция, а следом биохимическая, которые протекали в особых условиях древней Земли и предшествовали биологической эволюции.

       Химическая эволюция это этап, в ходе которого имело место образование  и развитие тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества. Это образование в первую очередь органических (углерод содержащих) веществ из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и процессов самоорганизации, свойственным  углерод содержащим молекулам.
    В процессе этой эволюции из неорганических веществ сначала были синтезированы простые органические, из них более сложные, далее появились биополимеры. 
    Пре биотический синтез сложных соединений делится на три последовательных этапа:
 - возникновение простых углерод содержащих соединений: спиртов, кислот, пуринов, пиримидинов и пирролов и др. из неорганических материалов;
 - синтез более сложных органических соединений, структурных единиц биополимеров: моносахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов из простых органических соединений;
  - возникновение из основных структурных единиц биополимеров. Это полисахариды (углеводы), короткие белки (пептиды), липиды (жиры), нуклеиновые кислоты.
      Всё это подтверждено химическими опытами, в которых  моделировались условия древней Земли.
       В общем, в одночасье ничего сложного, тем более самого простого живого организма, создать не возможно и само собой оно в готовом виде образоваться не может. То есть, всякое сложное рождается не сразу, а поэтапно, где предыдущее является условием рождения последующего. При этом что-то, что предшествовало более сложному, может и исчезнуть с изменение условий   пребывания, а более сложное, как более совершенное, остаться и порождать ещё более совершенные структуры. Но бывает  и наоборот: сложное не прижилось, зато из оставшихся простых образуются другие  более сложные варианты.

         Биохимическая эволюция. Это образование клетки, в которой выше названные биополимеры образуют единый комплекс сложных каталитических реакций, в которых продукт каждой последующей реакции являлся катализатором для последующих образований, а в  целом самовоспроизводящуюся систему.
       Однако чтобы система, клетка, воспроизводилась, как это происходит сейчас, надо ей удвоить ДНК, РНК и белки, чтобы можно было разделиться. А чтобы наделать нужное количество ДНК или РНК, нужны белки, без них ничего не делается. А чтобы сделать белки, нужны РНК и ДНК.
        Все эти сложнейшие соединения не могли появиться случайно независимо друг от друга и самопроизвольно слиться в свой сложнейший многоступенчатый танец. Непременно было более простое начало.
        Сегодня наибольшей популярностью пользуется идея о том, что таким более простым началом был так называемый РНК мир. В основе этой гипотезы лежит факт: РНК – это в каком-то смысле нечто среднее между белком и ДНК. Молекула РНК может одновременно воспроизводить информацию (благодаря комплементарным свойствам своих нуклеотидов) и выполнять химические реакции (благодаря реакционной способности и склонности к сложным трехмерным структурам).
      ДНК хранитель информации. Она химически стабильна, а ее двойная спираль – встроенный механизм копирования. Но молекула ДНК ничего не умеет делать. Белки – идеальные многофункциональные машины. Но белки не умеют себя копировать: каждая молекула белка собирается с нуля на рибосоме матричными, транспортными и рибосомными РНК.
 А РНК уникальна,  тем что она универсальна. Именно поэтому РНК занимает центральное место в вопросе происхождении жизни. То есть сначала должна была появиться самодостаточная, самокопирующуюся молекула РНК, а затем эта РНК должна обзавестись белками, научившись превращать свою собственную четырехбуквенную последовательность в совершенно новую, более многофункциональную цепь из 20 аминокислот (белок). Это открывает перед РНК возможности для оптимизации собственных функций, включая производство более стабильного, двухцепочечного архива наследственной инфомации – молекулы ДНК. 
     РНК мир – ни в коем случае не установленный факт, а только гипотеза.
Если же все-таки следовать мнению большинства и верить в РНК мир, можно сказать, что РНК – это исходная форма жизни, главным событием в истории которой стало изобретение белков. В современной клетке почти все важное делают белки, а РНК в основном просто переносит информацию с ДНК как устроены белки и когда и сколько их строить. Но некоторые из наиболее древних внутриклеточных образований сохранили в себе, как предполагается, следы до белкового мира, в котором РНК сама выполняла химическую работу.
В общем, если возможен абиогенез РНК мира, имея миллиард другой лет, можно получить все остальное. Поэтому ключевые вопросы о происхождении жизни на сегодняшний день сводятся к следующим: возможна ли самодостаточная, самокопирующаяся РНК? Если да, то могла ли она появиться случайно? Если да, то где?
Ответ на первый вопрос, похоже, утвердительный. Даже не имея в распоряжении миллиарда лет, ученые умудрились искусственно создать РНК систему, неограниченно воспроизводящую саму себя без участия белков или каких либо других молекул. Нюанс в том, что система эта состоит не из одной самодостаточной молекулы РНК, нанизывающей нуклеотид на нуклеотид, а из нескольких молекул РНК, чья совместная деятельность замкнута в цикл самовоспроизведения: каждая молекула делает что-то свое, но в сумме получается копия всей системы.
       Гипотеза каталитического РНК цикла – самая правдоподобная версия происхождения жизни на Земле. По такой версии, жизнь возникла в то мгновение, когда в гуще определённых молекул случайная комбинация химических реакций замкнулась в кольцо и тем самым впервые закрутила колесо непрерывного воспроизведения информации (о собственном устройстве), не останавливающееся до наших дней.
       Второй вопрос – могла ли РНК появиться случайно?  Нужно, чтобы случайно появились нуклеотиды, отдельные  детали РНК. Нуклеотид, конечно, проще, чем целая РНК, но все равно довольно сложная молекула, и долгое время его самопроизвольное происхождение без участия белков ферментов, синтезирующих нуклеотиды в современном живом организме, казалось маловероятным. Тем не менее, недавние исследования показывают, что ядро нуклеотида может эффективно собраться из очень простых компонентов в условиях, напоминающих условия древней Земли. Но и этого мало. Нужно чтобы нуклеотиды самопроизвольно объединялись в цепочки достаточной длины. В современных организмах это происходит только при копировании ДНК или РНК – то есть, чтобы сделать длинную цепочку, нужен исходник в виде другой длинной цепочки. Но как могли появиться первые длинные цепочки?
        Здесь принципиальным может стать ответ на третий вопрос: где именно могла появиться РНК? Место действия должно отвечать определенным условиям: в нем должно быть достаточно нужного вещества и достаточно внешней энергии. Есть и другие условия: например, место должно быть в водной среде (без неё никакие биологические молекулы работать не умеют), но при этом обладать пространственными ограничениями (иначе нуклеотиды будут просто рассеиваться).
Место происхождения РНК должно обеспечивать задачу синтеза длинных цепей, и есть масса старых и новых версий на этот счёт.
       Сейчас же наиболее популярны в качестве кандидатов на роль колыбели жизни это  гидротермальные источники. Это подводные или прибрежные гейзеры, через которые из недр земли сочится горячая вода.
      Вода в гидротермальных источниках богата разнообразными минералами, которые существенно расширяют спектр возможных молекул и их превращений. Гидротермальные источники – настоящие химические реакторы. Подземное тепло дает им энергию, причем где-нибудь в источниках всегда найдется любая оптимальная температура, а сам перепад температур может иметь принципиальное значение для перемешивания взаимодействующих молекул. С другой стороны, толща гидротермальных «столбов» обычно пористая, что решает проблему пространственных ограничений: микроскопические пустоты могли служить замкнутыми лабораториями для разработки первых биомолекул. Наконец, гидротермальные источники по своим физико химическим свойствам напоминают активированный уголь: к ним все липнет. Сложные молекулы оседают на поверхности пустот в пористой толще, а это, в свою очередь, во много раз повышает вероятность химических реакций между ними, и таким образом потенциально решается проблема возникновения длинных цепей РНК.
      С подводными гейзерами связывают происхождение и клетки, и обмена веществ, и даже зачатков фотосинтеза – все это принципиальные события в истории происхождения жизни. Вполне возможно, что гидротермальные источники были главным местом обитания живых организмов на протяжении миллиардов лет.
Для примера можно взять «Потерянный город», открытое в 2000 г. «гидротермальное поле» на дне Атлантического океана. По своим химическим свойствам оно больше других источников подходит под прототип «инкубатора жизни». Сегодня эти источники – настоящие джунгли, населенные полчищами разнообразных микроорганизмов.

    Древние РНК благодаря своей структуре и условиям среды обрели способность производить себе подобные молекулы, т. е. размножаться. Это происходит путём комплементарного копирования последовательности составляющих РНК нуклеотидов. В процессе копирования возможны, и действительно происходят, ошибки. В результате между копиями возникают различия. Какие варианты копий оказываются более жизнеспособными в условиях окружающей среды, те и размножаются далее более успешно, т. е. происходит отбор. Отбора бы не было, если бы  среда благоприятствовала любым вариантам, чего практически не бывает. Проблемы неизбежны, но они решаемы благодаря изменчивости, порождающей более совершенные варианты. Сами молекулы РНК сознательно не стремятся к совершенству, достаточно того, что они умеют автоматически воспроизводиться  (таков их способ существования)  и изменяться при этом.  Среда же путём отбора  выбирает более удачные варианты.
       Разумное творение (например, творения человека селекционера, конструктора) это сначала сформулирована цель, а потом  реализация её. В живой природе всё наоборот: без всякой цели от простого к сложному.   
       Главное свойство жизни как явления в том, что сам факт существования жизни толкает ее к решению стоящих перед ней проблем. Если есть жизнь, то она непременно размножается, когда нет  проблем, которые этому мешают. Если есть проблема, то она рано или поздно будет решена. Жизнь в форме РНК умеет эволюционировать, поэтому рано или поздно она стала сложнее, чем изначальная РНК.  РНК множатся в своих сложных разветвленных комбинациях, потому что могут это делать, и сам факт того, что они это могут, постепенно расширяет их возможности. Для этого им необязательно задумываться о будущем. «Первородная РНК» не мечтала научиться новым химическим трюкам или стать стабильнее, но в один прекрасный день среди ее потомков нашлись такие, у которых получилось это реализовать. Так "нечаянно" были изобретены белки, и так была изобретена ДНК, а потом и еще одно грандиозное предприятие – клетка. Никто из участников этого процесса не думал (и думать не умел) о будущем, но из далекого для них будущего, нас с вами, все выглядит именно так, как будто все задумано заранее. 
        Забылись, исчезли все тупиковые варианты, что и создаёт у некоторых, не умеющих и не желающих вникать в суть вещей, впечатление разумности творения.