Переходный этап зарождения биосферы

Хотя предбиологическая бистейт-микросистема и является следующим шагом в направлении к жизни, она еще не характеризуется наличием четырех перечисленных выше ключевых биологических свойств. По сути, эти свойства могут быть сведены к следующему тезису: жизнеспособный организм концентрирует свободную энергию и информацию через способность к усиленному и целесообразному реагированию на внешние воздействия. Говоря другими словами, он способен поддерживать положительный градиент свободной энергии и информации по отношению к окружающей среде. Чтобы поддерживать такой режим существования, приток свободной энергии F, которая используется для произведения работы, в живой организм должен быть больше, чем приток энтропии S, которая обесценивает свободную энергию. Энтропия производится в результате протекания самопроизвольных (основных) процессов, а свободная энергия генерируется при протекании процессов несамопроизвольных (сопряженных). Эти универсальные типы природных процессов имеют противоположную направленность. В неживых природных системах отношение вклад свободной энергии к вкладу энтропии F/S является отрицательным. Такое же отношение в среднем характеризует и предбиологическую бисистему. Однако, вследствие колебательного режима ее существования, при больших амплитудах колебаний это отношение может меняться на положительное на коротких временных интервалах (рис. 3.4, 1).

В такие периоды процессы внутри пребиотической микросистемы в целом начинают идти в противоположном направлении: внутренние энергетические градиенты увеличиваются, и свободная энергия и информация начинают концентрроваться. Такие периоды можно рассматривать как первичные проблески жизни в пребиотической бисистеме. Их итогом является накопление в ней определенного избытка свободной энергии и информации. В случае, если сильное воздействие из внешней среды осуществляется на пребиотическую бисистему в период дефицита в ней свободной энергии и информации, она не имеет ресурсов для противодействия стрессу и должна деградировать. Но если такой избыток имеется, то при воздействии из окружающей среды бисистема имеет возможность использовать этот ресурс для таких внутренних конструктивных преобразований, которые направлены на противодействие данному воздействию. Реальность этой возможности вытекает из принципа равновесия Ле Шателье, который справедлив для всех химичских систем. Серия последовательных воздействий извне может привести к «лавинообразной» конструктивной реорганизации бисистемы, обеспеченной резервами свободной энергии и информации, с переходом усредненного отношения F/S в ней в область положительных значений (рис. 3.4, II). В этот момент бисистема трансформируется в наипростейшую живую систему — пробионт, который характеризуется уже наличием ключевых биологических свойств, несмотря на чрезвычайно простое строение в сравнении с существующими сегодня археями и бактериями. Произошедшая инверсия универсальных процессов меняет доминантные отношения между ними: в частности, активный транспорт (несамопроизвольный процесс) начинает превалировать над самопроизвольной диффузией. Данная радикальная трансформация дает начало метаболизму первичной биологической организации с переходом характера протекания химических реакций от in vitro к in vivo. Протекание отдельной химической реакции уже регулируется целостной организацией пробионта. Однажды сформировавшись, пробионт имеет возможность существовать и эволюционировать в изменчивых условиях среды за счет усиленного и целесообразного реагирования на внешние воздействия.

Из рассмотренного механизма формирования первичных форм жизни следует, что он имеет вероятностный характер: только часть пребиотических бистейг-микросистем может быть трансформирована в пробионты, а другая часть обязательно должна деградировать и потерять свой бистейт-статус за счет естественного отбора на данной предбиологической стадии. Таким образом, для формирования небольшого числа пробионтов вероятно требовалось значительное (статистически достаточное) число пребиотических бистейт-микросистем, находящихся в данном переходном процессе.

Такая ситуация являлась вполне реальной, поскольку органическое вещество в водном растворе обычно обособляется в самостоятельную фазу при высоких концентрациях. Соответственно, в общем случае фазово-обособленные пребиотические органические микросистемы существовали в водной колыбели жизни на ранней Земле во множественном числе и в момент перехода к пробионтам находились в сходных условиях, взаимодействуя и со средой, и друг с другом. Сам механизм формирования бистейт-микросистем через бифуркационное состояние включает синергетические, или кооперативные, взаимодействия как важнейший фактор поддержания их устойчивого существования. Кооперативные взаимодействия должны не только проявляться внутри бистейт-микросистем, но и распространяться на взаимодействия между ними через существующий интенсивный обмен веществом, энергией и информацией со средой. В связи с этим можно высказать мнение, что синергетические взаимодействия между пробионтами способствовали повышению их устойчивости и дальнейшей эволюции, сопровождаемой появлением первичной внутрипопуляционной специализации. Это означает, что в качестве первичной минимальной единицы жизни следует рассматривать сообщество пробионтов. Если единичный пробионт и мог случайно зародиться в каком-либо природном ареале на ранней Земле, то он имел очень мало шансов выжить без кооперации с другими, не говоря уже о возможности дальнейшей эволюции к уровню организации прогенота.