А. КЕРНС-СМИТ - Первыми организмами могли быть кристаллы глины

• Название: Первыми организмами могли быть кристаллы глины
• Автор: А. КЕРНС-СМИТ
• Жанр: Биология

Самые первые системы, способные эволюционировать под действием естественного отбора, видимо, были устроены иначе, чем современные организмы, и имели иной состав. Ими могли быть кристаллы глины.

---

Рассмотрим вначале одномерный ген. Он должен быть обычен для глин, которые, по-разному сочетаясь, могут давать различные слоистые структуры. Возможна ситуация, когда слои одного типа наложены друг на друга различным образом или когда имеется последовательность слоев разных типов. Если вспомнить, что кристаллит глины, даже построенный из нескольких слоев, может быть весьма гибким и что одномерный кристаллический ген способен расти только в стороны, на ум легко придет некая структура, образованная определенным образом свернутыми (а может быть, и разветвленными) мембранами или лентами постоянной толщины. Существует множество глин с нерегулярной упаковкой слоев, которые весьма схожи с этим описанием.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ГЕНЫ должны были обладать правильной комбинацией структурных и ростовых признаков и признаков делимости. Информация могла храниться в одномерных или двумерных кристаллических генах. В случае одномерного гена (вверху) она содержалась в детальной структуре ряда взаимодействующих слоев (выделено цветом), которая сохранялась при репликации генов (а, b). Рост происходил только по окрашенным граням, а разделение шло только в параллельном им направлении. Физические свойства слоев, несущих информацию, могли быть различными (например, это могли быть по-разному уложенные кристаллические структуры); то же касается их химического состава. В двумерных кристаллических генах (внизу) информация могла храниться в форме специфической пространственной организации (в отношении и физических, и химических свойств) на грани кристалла (показано цветом). Эта организация сохранялась при репликации гена (с, d) за счет роста на окрашенной грани и при его расщеплении по плоскости, параллельной этой грани.

Конечно, во всем сказанном содержится лишь намек на истину. (Но как был бы интересен такой ген, способный неограниченно распространять содержащуюся в нем информацию без деления!) Рассмотрим теперь еще одну глину особого строения, которая может быть примером двумерного гена.

С. Бейли и К. Мэнсфилд, сотрудники Висконсинского университета в Мадисоне, провели рентгеноструктурный анализ крупных кристаллов вермиформного (червеобразного) каолинита и обнаружили в них интересные дефекты структуры. Отдельные слои каолинита представляют собой мозаично расположенные небольшие домены, составляющие в целом весьма прихотливый рисунок. В каждом домене все атомы алюминия имеют одну из трех возможных ориентации. В таких структурах может храниться очень много информации, и эта информация может быть реплицирована при условии, что во вновь образующемся слое ориентация атомов алюминия будет зависеть от их ориентации в том слое, на котором он формируется. В идеальных кристаллах каолинита ориентация атомов алюминия в слоях сохраняется, но в реальных кристаллах нередки «ошибки».

Сходный тип организации, видимо, присущ индивидуальным слоям типичных червеобразных кристаллов: для некоторых из них характерна сложная, но неизменная организация поперечного сечения. Как эти особенности строения, так и наличие глубоких борозд на поверхности говорят о доменной структуре (см. рисунок на с, 50).

Сказанное подтверждают результаты экспериментов А. Вепса из Мюнхенского университета, который исследовал рост кристаллов смектита. Вейс указывает, что новые слои, образующиеся в промежутках между предсуществовавшими слоями кристаллов, получают от них информацию: речь идет о распределении плотности отрицательных зарядов, появляющихся при замещении атомов на алюминий в кремний-кислородной сети.

Конечно, нужно проводить новые наблюдения и ставить опыты, чтобы обосновать правомерность главного вопроса: существуют ли минеральные, кристаллические гены? Сегодня на этот вопрос я могу ответить лишь так: «Быть может, существуют» — и перейти к другому вопросу: могли ли такие гены эволюционировать? На этот вопрос, как мне кажется, можно ответить так: «Да; маловероятно, что они не эволюционировали».

РАССМОТРИМ обычные микроусловия формирования глин — пористую структуру песчаника. Растворы, содержащие продукты выветривания, просачиваются сквозь него, и в порах происходит кристаллизация двумерно реплицирующихся глин. Процесс может одновременно происходить в ряде участков, и в каждом из них будут находиться миллионы кристаллов с определенными дефектами структуры. В каких-то из этих участков кристаллы могут иметь такие форму и размеры, что они будут близко прилегать друг к другу и образовывать водонепроницаемый заслон. Движение растворов в таких участках нарушится и кристаллы в них перестанут расти. В других участках небольшие, рыхло расположенные кристаллы не будут мешать протеканию растворов, но при дожде такие структуры будут легко вымываться, так что в этом тоже мало хорошего. Наконец, в участках третьего, типа кристаллы могут иметь такую форму, что они закрепятся в углублениях стенок пор; такие кристаллы и останутся на месте, не препятствуя протеканию питающих растворов. Возможны и участки, где реплицируются относительно длинные кристаллы, которые ввиду ограниченности пространства соединятся друг с другом и образуют довольно рыхлую структуру — это еще один путь сохранения постоянной локализации при поддержании потока питающих растворов.

Даже в таких относительно простых условиях могут проявляться весьма тонко действующие силы отбора — некие факторы, обусловливающие причины преимущественного развития определенных структур с дефектами (в данном случае имеются в виду главным образом их форма и размеры). В результате мутаций появятся варианты таких структур; по этой причине в разных частях растущих участков будут часто находиться кристаллы, несколько отличающиеся дефектами своей структуры. Это может привести к тому, что в одних местах рост пойдет быстрее, чем в других, одни части будут лучше переносить периодические неблагоприятные условия, чем другие.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЗАХВАТ, каким он представляется автору, был важнейшим этапом ранней эволюции. Вначале существовали лишь «голые» гены, состоявшие из какого-то не известного нам первичного генетического вещества (черные квадратики слева), которые эволюционировали таким образом, что стали контролировать условия окружающей их среды путем управления образованием все более сложных, окружающих их фенотипов {голубые многоугольники). Возник новый тип генов {красные квадратики), которые могли «работать» только в границах довольно сложно устроенного фенотипа, но были более «работоспособными», чем исходные гены. Новые гены постепенно захватывали контрольные функции при формировании фенотипов, так что в конечном счете начальная форма генов была ими полностью вытеснена.

Давайте теперь рассмотрим несколько более сложные условия. Пусть почвенные растворы из песчаника попадают в быстро текущий поток, который в силу повышенной кислотности и малой концентрации веществ в нем не обеспечивает условий для синтеза глин, но содержит один из компонентов (нужных для образования «генетической» глины), которого недостает в песчанике. С позиции химии идеальным местом для образования такой глины будет в этом случае поверхность раздела между двумя разными средами. С физической точки зрения условия для этого отнюдь не идеальны, так как эта поверхность невелика и подвержена изменениям. Образующиеся кристаллы всегда находятся под угрозой вымы-вания или растворения либо того и другого вместе. Тем не менее поверхность раздела может быть стабилизирована и расширена значительными группами тесно взаимодействующих (реплицирующихся) кристаллов, прикрепленных к песчанику; получится весьма клейкая масса. Мутации, изменяющие форму образующих ее переплетающихся кристаллов, будут изменять ее пористость, что в свою очередь приведет к изменению в ней градиентов кислотности, а также градиентов концентрации различных ионов. Подбор условий, подходящих для синтеза глин в таких массах, может происходить путем естественного отбора. Наибольшие шансы на успех будет иметь такой «комок генов», который окажется и хорошей поддерживающей средой, и подходящим местом для образования глины. Считается, что длинная шея у жирафа возникла под действием естественного отбора; в результате животные этого вида могут поедать листья с макушек деревьев без особых усилий. Можно думать, что и разные формы реплицирующихся глинистых частиц могут в определенных условиях также «приспосабливать» свой размер и форму. Забудем на время о сложностях физиологии. В логике событий здесь действительно есть много общего. Реплицирующиеся, мутирующие структуры оптимизируются одним и тем же путем — в ответ на меняющиеся условия. Они просто не могут вести себя иначе.