Вопрос из самых главных не для одной, а для целого ряда наук – как появилась жизнь на Земле? Поэтому всякие новые к нему подходы вызывают неизменный интерес. Среди них и монография профессора С.Э. Шноля "Физико-химические факторы эволюции".*
        Итак, открываем книгу С. Шноля. И перед нами – жизнь, но не обычная. Жизнь, разложенная на физико-химические "полочки". Что же, это сама по себе интереснейшая картина для размышлений, даже вне зависимости от выводов автора. Но "не сводит ли автор биологию только к физике и химии?" – так вполне самокритично задал вопрос читателю и самому себе автор книги, излагая свою гипотезу.
        Нет, не сводит. А жаль. Насколько бы легче тогда жилось... Собственно, предметом исследования в указанной работе является биологическая эволюция. Вопрос о происхождении жизни решается как бы походя, сам собой. Однако посмотрим подробнее – как же мыслится разгадка возникновения живого в общей системе взглядов ученого?

        Метод "Бейкер-стрит".

        Единственной общебиологической теорией является дарвинизм, то есть теория естественного отбора, указывает автор, И это не простая декларация. Со всей научной строгостью в работе предпринимается попытка объединить дарвинизм с современными достижениями биофизики, биохимии, молекулярной биологии. Но делается это с использованием давнего и ставшего знаменитым вне науки со времен Шерлока Холмса метода дедукции, то есть способа рассуждения от общего к частному. Таким образом, перед нами – попытка выведения основ н специфики живого из "самых общих соображений". Отметим только, что указанные "соображения" строго выведены из законов физики и химии.
        А. Эйнштейн писал, и его слова вынесены в эпиграф книги, что "высший долг физиков – поиск тех общих элементарных законов, из которых путем чистой дедукции можно получить картину мира". Какова же перспектива аналогичного построения биологии?
        Конечно, до чистой дедукции в биологии еще далеко. Пока можно лишь "задним числом" объяснять, почему природа живого пошла тем путем, а не иным. Задача внешне облегчается еще и тем, что на каждом этапе известен ответ, и реконструкция "замысла природы" невольно может свестись к своего рода "подгонке под ответ". А дедукция предполагает не только объяснение известных фактов, но и предсказание фактов неизвестных. И в этом отношении теоретизация биологии только начинается.
        Но выбирать не приходится, поэтому – и да простится нам заглядывание время от времени в конец задачника за готовым ответом.

        В чем состоит специфика живого?

        На этот вопрос, оказывается, не так просто ответить. Пока что точные определения понятий "жизнь", "живое", "организм" отсутствуют – так считает С.Э. Шноль. Долгое время делались и делаются попытки объяснения их через гипотетические "особые" физические свойства живой материи. С другой стороны, традиционные определения просто перечисляют характерные черты организмов. Но в большинстве случаев все эти черты порознь могут быть найдены в неживой природе, и вопрос по-прежнему остается открытым.
        Однако эту трудность можно преодолеть, если встать на эволюционную точку зрения: все свойства живого возникают, формируются в ходе эволюции. Биология – наука историческая. От других она отличается тем. что ее объекты представляют собой результат длительного развития. Они как бы "концентрат прошедшего времени". Поэтому основные понятия биологии, по мнению С.Э. Шноля, таковы: организмы – это объекты биологической эволюции, а жизнь – процесс их существования.
        Разумеется, эволюция определяется естественным отбором. Но на каждом ее этапе всегда достигается универсальный по своему качеству результат – ускоряется преобразование вещества неживой природы в вещество живых организмов.
        Вдумаемся в сказанное. Целью, смыслом всего живого, получается, является поглощение им неживой материи и ее превращение в живую. И чем скорее, тем лучше.

        С чего начинается естественный отбор?

        Где, в самом деле, то "начало всех начал", с которого все началось? Как считает автор, все началось с физико-химических законов, управляющих обычными химическими реакциями.
        Если две реакции конкурируют между собой за исходные продукты, то побеждает та, у которой скорость выше. Значит, можно эти реакции сравнивать между собой по признаку кинетического совершенства, то есть по скорости.
        Так, если разница в скоростях поглощения вещества из среды составляет всего один процент, то равные вначале массы уже четыреста шестьдесят поколений (а это справедливо и для матричных макромолекул, и для организмов) будут различаться в сто раз! Значит, скорость размножения действительно служит тем признаком, по которому и производится отбор.
        По мнению С.Э. Шноля, именно это "изначальное" свойство химических систем привело в конце концов к возникновению и эволюции жизни. На нем как на первооснове выросли, возникли все остальные свойства, известные ныне как "чисто биологические". "Биологическая специфика состоит в эволюционном способе (в ходе естественного отбора) формирования всех механизмов и свойств биологических систем".
        Тогда возникает вопрос: а нельзя ли "приравнять" термины "кинетическое" и "биологическое совершенство"? В определенном смысле можно. Конечно, не стоит сравнивать скорость размножения бактерии и слона – они не конкурируют за пищу. Но при прочих равных условиях кинетическое совершенство вида служит как бы абсолютной мерой совершенства биологического.
        В общем случае не столь важна физико-химическая природа веществ, способных к матричному размножению. Но среди их необъятного множества есть два вида, система которых предельно совершенна, то есть обладает максимальной скоростью увеличения своей массы. По-видимому, это нуклеиновые кислоты и белки.
        В конкуренции за вещество, энергию и пространство из нескольких молекул-мутантов побеждали те, у которых выше итоговые скорости заполнения возможного ареала обитания. Как видим, вначале все было вполне объяснимо на уровне физико-химических законов и понятий. Посмотрим дальше, к чему все это привело.

        "Мораль и право" в мире макромолекул.

        Макромолекула называется матричной, если она может собрать свою копию, используя себя в качестве матрицы. Эволюция таких макромолекул, по мнению автора монографии, начнется в "обязательном" порядке при наличии четырех условий. Первое – возможность матричного самокопирования. Второе – разные молекулы копируют себя с разной скоростью. Третье – все события происходят в ограниченном пространстве. Четвертое – это пространство доступно для проникновения в него свободной энергии извне. Когда условия соблюдены, начнется отбор молекул по признаку (критерию) наибольшей скорости образования одного из видов молекул.
        Отбор быстро обнаружил, что чем больше поверхность контакта молекулы со средой, тем лучше, тем быстрее производится самокопирование. Эта поверхность максимальна у одномерных кристаллов – полимерных нитей. Поэтому через какое-то время в указанном пространстве остались только они.
        Любое чередование "кирпичиков", составляющих такую нить, – мономеров – термодинамически равновероятно. Но разные варианты чередования могут сильно отличаться по кинетическим свойствам. Именно такими оказались известные ныне нуклеиновые кислоты. Среди них отбирались наиболее быстро размножающиеся формы молекул, что и явилось первым этапом биологической эволюции.
        Но вот настает момент, когда в среде начинает ощущаться нехватка пищи. Недостает свободных стройматериалов – мономеров, которые не успевают образовываться, как тут же "поедаются" полимерами. Эволюция полимеров задерживается, возникает кризис. Из него возможны два выхода. Во-первых, нужно как-то ускорить синтез мономеров из простых веществ в окружающей среде. Во-вторых, можно обеспечить разрушение старых полимерных молекул (тогда будет возможно использовать составляющие их мономеры в качестве строительного материала). Последний случай иллюстрирует собой появление "старости" уже на уровне макромолекул.
        Действительно, старые разросшиеся полимерные молекулы успели уже накопить много ошибок. И производят свои утяжеленные копии и медленнее, и хуже. Они уже мешают своим более молодым, более легким н более энергичным коллегам. Разрушение старых молекул получается выгодно вдвойне: уменьшаются "лишние рты" и увеличиваются запасы пищи, то есть количество свободных мономеров в среде.
        Эволюция использовала обе эти возможности. Оба пути чисто химические, а для ускорения любой химической реакции нужны катализаторы. Их появление – в виде ферментов – и знаменует собой второй этап биологической эволюции.

        "Открытие" белка и "зашифровка" кода.

        Что было "изобретено" эволюцией в качестве катализаторов на новом этапе, мы уже знаем – это белки, полимеры аминокислот. Таким образом, само появление белков в биологической эволюции связано с их ролью ускорителей разного рода химических реакций. Потому они не могли не появиться на определенном этапе эволюции.
        Если белки смогли исполнить такую важную роль, то естественно, что дальнейшая эволюция пошла по пути "улучшения" этих катализаторов.
        Но, с другой стороны, белки-ферменты могут вовсе и не ускорять отдельные элементарные реакции, а просто делают их в принципе возможными. С участием ферментов вся реакция может пойти по другому, гораздо более короткому пути химических превращений. А это часто дает значительный выигрыш в ситуации, когда на карту ставится вопрос: кто быстрее?..

        Необходимость и достаточность клетки.

          А нужны ли жизни организмы? – спрашивает С.Э. Шноль. Если бы не диффузия, то не нужны. Матричные молекулы и ферменты и сами по себе могли бы жить в виде неразделенной смеси. Это был бы "живой кисель", как его образно назвал Н.В. Тимофеев-Ресовский.
          Но способ отбора – гибель менее совершенных форм. Поэтому, очевидно, нужны "независимо погибающие" формы, а это достигается путем разделения живого вещества на дискретные порции. Такое "порционное блюдо" должно содержать весь комплект макромолекул и ферментов. И оптимальным вариантом его является клетка.
        Живое вещество клетки отделено от среды мембраной. Возникает вопрос, откуда она взялась. Самым простым способом ее появления в условиях водной среды может оказаться включение в "дело" детергентов, например фосфолипидов. Замечательным свойством детергентов в воде выступает их способность к самосборке в виде замкнутых мембран. При этом образуются известные обособленные частицы: мицеллы, коацерватные капли и т.д. Но и вне и внутри такой мембраны – только лишь вода. Любопытно, что появление мембран возможно из чисто физико-химических условий. Поэтому приобретение мембраны в биологической эволюции вполне закономерно, поскольку мембраны доступны и влекут за собой ряд ценных преимуществ.
        Основная функция мембраны в клетке – избирательное поглощение веществ из среды. Как это делается? Ведь в силу диффузии концентрация веществ вне и внутри клетки одинакова. Однако отбор нашел выход из создавшегося положения. И выход этот заключается в создании искусственного градиента, направляющего вещества внутрь клетки. Для этого вещества внутри клетки связываются химически, – например, глюкоза превращается в гликоген, аминокислоты употребляются для синтеза белка и т.п. В результате осмотическое давление внутри клетки оказывается ниже чем в среде. И нужные вещества "накачиваются" из среды через мембрану для выравнивания их концентраций вне и внутри клетки. Так каждый одноклеточный организм обеспечивает себе поглощение веществ нз окружающей среды. Итак, самые общие рассуждения привели С.Э. Шноля к ожидаемому положительному результату. От простых химических реакций мы дедуктивным путем дошли до целого живого организма – клетки. Эволюция молекул перешла в биологическую эволюцию. Неясным остался только один момент: кто "за все это заплатит", то есть откуда на все эти свершения берется энергия?

        Где взять энергию?

        Самый простой и естественный источник энергии – солнечный свет. Зарождение и развитие жизни на Земле в первоначальный период происходило в океане. Но в воду проникают только видимые и ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные сильно поглощаются водой, короткий ультрафиолет, с другой стороны. уже разрушает молекулы. Значит, основным "претендентом" остаются видимый свет (потому он и видимый!) и длинноволновая часть ультрафиолета. Как же могло происходить "удержание" световой энергии и дальнейшее ее использование "по мере надобности" в процессах жизнедеятельности?
        Запасание солнечной энергии – фотохимический процесс, где главную роль играют пигменты. Например, молекулы пигмента порфирина сильно поглощают видимый свет, при этом они легко образуются физико-химическим путем. Интересно, что в основе хлорофилла – зеленого вещества растений – лежит именно порфириновая структура.
        На каком-то этапе началось образование макроэргических, то есть высокоэнергетических, групп в молекулах. Эти группы стали возникать попутно в реакциях, выделяющих энергию, и служили для ее "складирования" вместо обычного для таких реакций теплового рассеивания.
        Универсальным макроэргическим соединением в большинстве современных организмов служит аденозинтрифосфат (АТФ). Почему? Вероятно, потому, что у аденина – одного из нуклеотидов – легко образовываются фосфорные производные. Основное достоинство макроэргического "способа" сохранения энергии заключается в быстроте, с которой ее можно пустить в дело.
        Но пределом эволюции источников энергии служит ее запасание, как это ни тривиально. в качестве пищи. Когда быстрого использования энергии не требуется, организмы (через регулярное питание) запасают ее "впрок" в виде жиров, белков и углеводов. Именно это имеет место при фотосинтезе в семенах и клубнях современных растений.
        Фотосинтезирующие организмы называют автотрофами, то есть питающимися неорганикой. Это, собственно, зеленые растения. Но они очень сильно зависят от солнца, которое светит не всегда, не везде и неодинаково.
        Гетеротрофы, то есть организмы, живущие за счет органической пищи, явились "освобожденной из-под власти солнца". С их появлением жизнью были захвачены пространства, не доступные автотрофам из-за слабого притока солнечной энергии. Гетеротрофы должны были поэтому обзавестись возможностью активно передвигаться. Ими сегодня являются животные.
        В пределе, в масштабе биосферы, устанавливается замкнутый цикл, когда за счет солнечной энергии автотрофы поглощают из атмосферы и расщепляют углекислый газ, строят себя и выделяют кислород. Гетеротрофы же, наоборот, строят себя за счет поедания и окисления автотрофов, используя атмосферный кислород и выдыхая при этом углекислый газ.
        Прохождение этого термодинамического цикла сопровождается деградацией энергии – видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца превращается в конце концов в инфракрасное тепловое рассеивание. Но жалеть об этом не приходится – за счет этого совершается работа по постоянному поддержанию самой жизни на Земле.

        Трудный путь биологической эволюции.

        Дальше почти неинтересно. Все события уже известны. Есть одноклеточные организмы, вполне способные к самостоятельному "плаванию по волнам жизненных невзгод", есть среда, где при некотором напряжении сил можно раздобыть какую-то пищу, и есть приток энергии извне, необходимой на все эти мероприятия. Но проследим за рассуждениями автора далее, чтобы вывести из приведенной "одноклеточной гармонии" то многообразие многоклеточных организмов, которое мы имеем сегодня.
        Важнейшая задача первобытных организмов на Земле – поглощение пищи из среды – решалась "игрой на градиенте". Но у этой "игры" был и существенный недостаток: она позволяла лишь экономно тратить материалы, которые вследствие диффузии время от времени появлялись вблизи от мембраны организма. Значит, дальнейший прогресс зависел от скорости диффузии веществ в среде, а она сама по себе не может увеличиться.
        Поэтому "внимание" отбора на данном этапе сосредоточилось на преодолении диффузионного барьера, который стал препятствовать дальнейшему биологическому совершенствованию организмов. И барьер был преодолен. Но найденные эволюцией решения оказались различными для автотрофов и гетеротрофов.
        Автотрофы (зеленые растения) начали развиваться по пути совершенствования своей формы, приспособления ее к уже имеющимся на поверхности Земли направленным потокам энергии и вещества. Что это за потоки? Солнце светит сверху, значит – надо тянуться вверх. Минеральные вещества и вода рассеяны в почве, значит – надо тянуться за ними вниз. Поэтому растения тянутся и вверх и вниз. Вверху надо захватить максимум солнечных лучей, поэтому появляется зеленая листва с очень большой площадью поверхности. Внизу надо заполучить максимум питательных веществ и влаги, поэтому развивается мощная и разветвленная система корней.
        Гетеротрофы (животные) стали развиваться в другом направлении. Им надо было улучшать способы активного передвижения в пространстве. Развитие аппаратов такого перемещения повлекло за собой эволюцию органов движения, начиная от жгутиков и ресничек у одноклеточных к специализированным мышечным волокнам у многоклеточных. Одновременно эволюционировал и механизм управления самим движением. Он должен был обеспечивать "обратную связь", сигнализирующую о результатах движения относительно ориентиров среды. Это в конечном счете привело к возникновению системы органов чувств. Затем эволюция "управляющего звена" у активно перемещающегося в среде организма на следующем этапе приводит к появлению нервной системы и возникновению мозга.
        Дальше уже сам мозг служит "предметом особой заботы" естественного отбора. Он развивается под действием постоянного взаимоотношения "хищник – жертва". Именно на такие две группы разделились в какой-то момент эволюции гетеротрофы. Затем – под давлением обеих групп друг на друга – пошло совершенствование их центральной нервной системы, их мозговых способностей. Жертвы – травоядные животные – должны были уметь убегать, избегать, прятаться, сопротивляться и т.д., хищники, наоборот, – уметь выследить, догнать и справиться со своей жертвой. Эти обстоятельства в равной мере для обеих сторон должны были привести к развитию в мозге систем восприятия, анализа, памяти, принятия решений и их реализации и т.п.
        Все. Процессы превращения вещества среды в вещества данного биологического вида дальше уже не могут ускоряться. Достигнут максимум физико-химических и биологических возможностей организмов. Это – предел чисто биологической эволюции.
        Таков путь, пройденный биологической эволюцией от макромолекулы до развитого существа, в изложении автора рассматриваемой монографии... И пройден он в значительной степени благодаря естественному отбору по чисто физико-химическому критерию – признаку кинетического совершенства.

Примечания.

* Шноль С.Э., «Физико-химические факторы биологической эволюции», Москва, издательство "Наука", 1979.

Справка:

Глейзер Семен Ильич (1945 г.р.), по первому образованию – биофизик, кандидат биологических наук. Жил и работал в Саратове, Томске, Калининграде, Москве. 
Известен своими пионерскими работами в области электромагнитной биологии, зоопсихологии, проблем происхождения жизни, физики некоторых частиц. Ему принадлежат оригинальные исследования магнитной ориентации рыб, высшей нервной деятельности мозга рыб, обнаружение биоподобных частиц в микромире, позднее названных симхионами.
С 1995 года проживает в Германии (г. Гамбург).
По второму образованию – историк религии и всеобщей истории, доктор естественных наук (1996). С 1997 года возглавляет научное общество „Haus der Wissenschaftler“ в Гамбурге.
Автор изданных в Германии книг: «Мессианский иудаизм. Что это такое» (2002), «Феномен Третьего Рейха. Вспышка этногенеза в Германии в 20 веке» (2003), «Анти-Солженицын. Двести лет как жизни нет» (2003-2004).

Шноль Симон Эльевич (1930 г.р.), специалист в области биологии, биофизики, истории науки, доктор биологических наук, профессор Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, действительный член Российской Академии естественных наук (1994), Соросовский профессор. Заведующий лабораторией физической биохимии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино).
Окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1951), 1951-1953 - старший лаборант, 1953-1959 - ассистент, 1959-1960 - доцент кафедры медицинской радиологии Центрального института усовершенствования врачей; 1960-1973 - доцент, 1973-1990 - профессор кафедры биофизики физического факультета МГУ; вице-президент Международного научного союза.
Основные направления научных исследований: применение радиоактивных изотопов в биологических и медицинских исследованиях, биологические изотопные и физико-химические процессы.
Шноль С.Э., «Герои, злодеи, конформисты российской науки», 2-е изд., доп., М.: Крон-Пресс, 2000. 876 с.