Будучи студентом инженерного факультета, я проходил практику в компании Siemens, где выращивал кристаллы кремния. Передо мной стояла задача физическим методом запустить природные процессы, чтобы удалить весь «мусор» – ненужные, неправильные атомы, еще присутствующие в кристаллах. Смысл такого процесса, называемого очисткой методом зонной плавки, заключался в том, чтобы исправлять ошибки при выращивании и в результате получать чистые кристаллы кремния. Полупроводниковая электроника, элементы солнечной батареи, кристаллы транзистора и другая техника – все работает только потому, что в процессе производства удаляют «грязные» атомы, а затем добавляют посторонние, но нужные.
Принцип энергетической минимизации и самоорганизации применяется и для подгонки определенных свойств материалов. Вспомним легирование[6] полупроводниковых кристаллов, сделавшее возможным создание всей полупроводниковой электроники.
Важно, что природа делает ошибки, которые, однако, сама частично исправляет.
Поскольку всякая неживая материя использует принцип «ремонта» дефекта, такое развитие свойственно всем веществам на нашей планете. Без функции самовосстановления не смогла бы образоваться Земля, а в отсутствие принципа минимизации энергии, самоорганизации и восстановления после ледникового периода не возникло бы человечество.
Возникновение жизни
Как и у неорганических молекул горного хрусталя, молекулы в живых системах тоже связаны друг с другом. В так называемом первичном бульоне самоорганизуются исходные молекулы, такие как аминокислоты и молекулы ДНК.
Таким образом и был создан простой генетический код и первые полипептиды, затем отделившиеся и образовавшие трехмерные системы из кодов ДНК и белков.
Но все-таки как именно возникла жизнь?
Этим вопросом задавался Гёте. Его волновало, как из мертвого материала возникает живой: почему, к примеру, из разлагающейся материи через некоторое время выползают черви? Гёте верил в vis vitalis – жизненную силу, присущую и неодушевленным материалам. Ее существование позже опроверг французский химик Луи Пастер, доказав, что в стерильной среде не могут возникнуть живые организмы. За это он удостоился почетной премии французской Академии наук, что якобы раз и навсегда сняло вопрос о самозарождении жизни из неживой материи. Как хотите, но Пастер несправедливо получил награду, ведь жизнь на молодой планете Земля зародилась спонтанно, и Пастер не сумел объяснить данный факт.
Давайте в поисках «жизненных сил» взглянем на дерево. Откуда оно знает, что наступила весна и пора пускать ростки? Может, дело в том, что на улице становится светлее и теплее? Есть ли у дерева термометр? И почему, например, эдельвейс растет в скудной гористой местности? В земле в беспорядочном виде находятся различные молекулы, а в воздухе хаотично витает углевод в виде молекул диоксида углерода. Можно сказать, что эдельвейс способен поглощать молекулы из воздуха – углекислый газ – и молекулы из почвы – воду и минералы, – и это все наполняет цветок жизненными силами. Какой будет у растения цвет, какое количество листьев, решает не один атом, а комбинация нескольких. Как все это происходит у деревьев? Можно подумать, что такая информация заложена в их ДНК, но генетика дает лишь грубые инструкции, а остальное зависит от удивительной способности к самоорганизации. Гены не определяют, какое именно место должен занять каждый атом в трехмерном пространстве. Генетический код – это нечто большее, чем готовая копия. Он заранее определяет, что клеточная мембрана, например, поднимется наверх, но не диктует, куда точно направится каждая молекула жира и белка.
На главный вопрос о возникновении жизни генетика не может ответить. Найти точный ответ – увлекательная и особая тема для исследователей. Он таится в принципах самоорганизации и восстановления: на юной Земле царила атмосфера с большим количеством химических компонентов, например, присутствовала геотермальная энергия и энергия молний. Множество молекул встречались, связывались друг с другом согласно химическим правилам и принципу минимизации энергии. При определенных условиях плотности, концентрации и температуры случайным образом в качестве предпосылки для зарождения жизни возникли необходимые ДНК-базы – четыре буквы генетического кода[7]. Теоретически соединиться могли миллиарды комбинаций других молекул. Но появились именно эти четыре. Почему? Ответ прост: они оказались энергетически удобными. Другие появляющиеся комбинации были ошибочными, поэтому во время спонтанного процесса синтеза исправлялись и стали «правильными» четырьмя молекулами. Эти четыре молекулы способны формировать основу распознающей системы, кодировать, создавать и воспроизводить аминокислоты и белки – за счет чего и возможна сама жизнь.
6
Легирование – добавление в состав материалов примесей для изменения физических и/или химических свойств основного материала.
7
В ДНК используется четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин – первые буквы этих слов образуют так называемый алфавит генетического кода.