Самовоспроизводящиеся молекулы

Способность размножаться, скорее всего, потребовалась на достаточно раннем этапе химической добиологической эволюции. Дело в том, что при синтезе органики без участия организмов обычно образуется слишком пестрая смесь самых разнообразных веществ. Это препятствует соединению подобных друг другу молекул (амино­кислот) в полимерную макромолекулу (белок). Поэтому механизм самовоспроизводства был необходим для выделения в первоначальном «бульоне» некоторых преобладающих разновидностей молекул.

Способностью к самовоспроизводству обладают не только биологические, но также физические и химические системы. Например, рост кристалла — это процесс постоянного воспроизводства определенного расположения атомов на растущей грани кристалла. В химии известны автокаталитические реакции, в которых продукт реакции одновременно является ее катализатором: каждая новая молекула продукта ускоряет синтез таких же молекул. Поэтому нет ничего противоречащего законам природы в предположении, что на определенном этапе предбиологические структуры приобрели способность к авторепликации (само­вос­про­из­вод­ству) и благодаря этому размножились в большом числе копий. Наиболее вероятный механизм авторепликации — матричная сборка, когда каждый участок исходной большой молекулы-полимера имеет химическое сродство к малым молекулам-мономерам, похожим на него самого. В результате, когда все участки полимерной молекулы захватят из окружающего раствора по подходящему мономеру, из связанных молекул-мономеров формируется новая макромолекула, которая подобна исходной, как форма штампованной детали — штамповочной матрице.

Как только появляется способность к самовоспроизводству, практически сразу возникает естественный отбор. Количество «стро­и­тель­ного материала» — мономеров — в окружающем растворе ограничено, поэтому преимущество получают и размножаются в больших количествах те макромолекулы, которые эффективнее захватывают мономеры и быстрее строят из них свою новую копию. Естественным образом возникают и мутации: из-за неидеальной избирательности химического связывания мономер, присоединившийся к данному участку макромолекулы, может и не быть его точной копией, а быть просто похожим. При этом синтезируемая ма­кромолекула будет немного отличаться от исходной матрицы.

В 60-х годах XX века общую теорию химической эволюции как саморазвития каталитических систем предложил А. П. Ру­ден­ко. Основной закон химической эволюции, сформулированный Руденко, утверждает, что с наибольшей скоростью и вероятностью происходят те эволюционные изменения катализатора, которые приводят к максимальному увеличению его активности.

В 70-х годах нобелевский лауреат М. Эйген построил математическую теорию самоорганизации макромолекул. Он рассмотрел систему, в которой происходит полимеризация мономеров и обратный распад полимеров. Система открыта, то есть в нее постоянно поступает свежий и выводится отработанный мономерный материал. Далее, предполагается, что в системе происходит авторепликация полимеров. Наконец, авторепликация происходит со сбоями, то есть кроме каждого «чистого» вида полимеров, в системе возникают его разновидности — мутанты.

Общие выводы, вытекающие из проведенного Эйгеном математического анализа, таковы. По прошествии некоторого времени в системе, вне зависимости от ее первоначального состава, остается лишь один из возможных видов полимеров, размножающийся быстрее всего, плюс его мутантные формы. При изменении параметров внешней среды равновесие между основным видом и мутантами смещается: преимущество получает та форма, которая лучше отвечает новым условиям. Она становится новым «основным видом», который также сопровождается мутантными вариациями, причем и такими, которых ранее в системе практически не было. Очевидно, это является эквивалентом эволюционного процесса.