Пребиотический этап зарождения биосферы

Принципиальным затруднением в экспериментальных исследованиях в рамках пребиотической химии представляется невозможность на данный момент получить органическую микросистему (любого химического состава) с самоподдерживающимися динамическими процессами, которые можно было бы идентифицировать с процессами жизни, способную к саморазвитию. Различными исследователями предложено несколько микросистем различного органического состава, которые рассматриваются в качестве предбиологических моделей: макромолекулы мира РНК, протеиноидные микросферы, липосомы, коацерваты, ароматические углеводороды и некоторые другие [Joice, Оrgеl, 1993; Fox еt аI., 1996; Deamer, 2004; Ehrenrfreund еt аI., 2006]. Они обладают определенными признаками динамической активности, свойственной живым организмам (каталитическая активность, способность к росту и избирательному усвоению веществ из окружающей среды и т. д.). Однако в перечисленных микросистемах не удается вывести признаки динамической активности на самоподдерживающийся уровень, необходимый для непрерывного поддержания жизненных процессов.

Теоретический анализ ситуации показывает принципиальную возможность преодоления данного затруднения, принимая в качестве точки отсчета неравновесное бифуркационное состояние предбиологических микросистем, которое дает импульс к появлению в них самоподдерживающихся динамических процессов.

Предбиологическая система в бифуркационном состоянии. Как следует из теории диссипативных структур и синергетики, когда система не может существовать дальше в сложившихся условиях, она должна либо перейти в какое-то новое состояние через неустойчивую точку максимального напряжения (точку бифуркации, или критическую точку), либо разрушиться [Repin et al., 2001]. Общие закономерности неравновесных бифуркационных переходов достаточно хорошо изучены в вышеупомянутых работах. Во время такого перехода система приобретает свойства, которые отсутствуют в ней в стабильном состоянии вблизи равновесия. Наиболее важными из этих «критических» свойств являются следующие: резко выраженная неоднородность с интенсивными встречными процессами, уменьшающими и одновременно восстанавливающими внутренние градиенты; непрерывные флуктуации и перераспределение молекул (атомов); целостность, поддерживаемая через кооперативные явления; непрерывный обмен веществом и энергии икросистем ей с окружающей средой (система становится открытой). Эти свойства лежат в основании жизненных процессов, хотя они и не относятся к собственно биологическим; исчезновение даже одного из них сделало бы жизнь невозможной. Вместе с тем критические свойства являются временной характеристикой химической системы: они появляются с началом бифуркационного периода и исчезают после завершения перехода системы в новое стабильное состояние. На основе этого формулируется следующий тезис: Жизнь на Земле берет начало из бифуркационного состояния, которое было свойственно пока еще не установленному типу органических микросистем.

Предбиологическая бистейт-система. Пребиотическая микросистема в период бифуркационного перехода находится в неустойчивом состоянии. В связи с этим возникает парадоксальная ситуация: бифуркационное состояние следует рассматривать как исходное для живых систем, но сама точка бифуркации является нестабильной в принципе. Система не может находиться в точке бифуркации продолжительное время, поскольку множество происходящих в этот период случайных изменений неизбежно либо продвинут ее развитие к новому состоянию, либо повернут обратно к состоянию исходному. Однако на ранней Земле природа нашла способ сохранить бифуркационное состояние предбиологических систем, в результате чего жизнь на планете существует уже около 4 млрд лет. Теоретически единственная возможность продлить бифуркационное состояние органической микросистемы появляется в случае ее сбалансированных колебаний вокруг точки бифуркации. Эта возможность может реализоваться при оптимальном режиме колебаний параметров окружающей среды. Занимая промежуточное положение между двумя полярными устойчивыми аттракторами (равновесными состояниями — исходным и потенциальным новым), такая система существует одновременно в двух неравновесных состояниях. Они «притянуты» к точке бифуркации и тяготеют к противоположным аттракторам (рис. 3.2). Эти неравновесные состояния становятся доминантными поочередно через колебания вокруг точки бифуркации. Организованная таким образом химическая система была названа бистейт-системой, или, кратко, бисистемой [Kompanichenco, 2004]. В ней сохраняются перечисленные выше критические свойства, и в то же время она характеризуется появлением новых свойств, еще больше приближающих ее к живому состоянию. Главными из этих новых свойств являются следующие: раздвоенная структура (состоящая из двух автономных неравновесных соструктур, развивающихся в противоположных направлениях), которая впоследствии наследуется живыми организмами и часто проявляется в виде зеркальной субсимметрии, или дисимметрии (рис. 3.3); колебательный характер существования; деление в конце нормального цикла существования как результирующя противоположных тенденций к отталкиванию соструктур и поддержанию равновесия между ними; проявление наследственности и изменчивости. Подробнее эти свойства рассмотрены в другой работе [Kompanichenco, 2008]. При нарушении относительного баланса между конкурирующими неравновесными состояниями такая система необратимо переходит

в одно из устойчивых полярных состояний и теряет свой бистейт-статус. Таким образом, пребиотический этап зарождения биосферы завершился формированием предбиологической бистейт-системы, которая являлась переходным звеном к простейшим формам жизни.