CC BY
46
В основе большинства современных концепций происхождения жизни лежит идея биостартовой роли минералов, исходящая из представлений о полиморфизме жизни и изоморфизме, изо функционализме минеральных и биологических систем.
Сравнительный анализ минеральных индивидов и биологических организмов раскрывает взаимообусловленность их формы и структуры и минералогическую предопределенность таких приписываемых только биоорганизмам функций, как питание, обмен веществ, рост, раздражаемость, размножение, матричный механизм развития, ковари-антная редупликация, единство фенотипа и генотипа, наследование, обратная связь, информационные процессы и т. п. Минеральный и биологический миры гомологичны.
Минералы рассматриваются не только как катализаторы неорганического синтеза биополимеров и своеобразные “воспитатели” белков, но и в качестве информационных матриц, структурно-функциональных предшественников гена и даже в качестве протогена. Случайный синтез гена путем самосборки молекул невозможен; ген должен иметь своих небиологических предшественников.
Однако сравнительный анализ функционирования и развития биологических и минеральных систем и анализ функций биоминералов в живых организмах наводят на мысль, что структурное соответствие и ком-плементарность некоторых минералов и макромолекулярных биосистем не может однозначно свидетельствовать в пользу биостартовой роли ионных кристаллов.
Они, скорее, являются критериями отбора минералов, органически совместимых с живыми тканями и способных встраиваться в живые системы, образуя органоминеральные конструкции. Исследования природных углеводородов неорганического происхождения приводят к убеждению,
МИНЕРАЛЬНЫЙ МИР И БИОСФЕРА
ИЗ ПРОГРАММНОГО ДОКЛАДА НА IV МЕЖДУНАРОДНОМ СЕМИНАРЕ “МИНЕРАЛОГИЯ И ЖИЗНЬ”
Академик Н. П. Юшкин
уш'ккгп @geo. котг^с. ги
что предбиологические информационные структуры и предшественники гена надо искать не среди ионных минералов, резко отличающихся от биологических структур как по составу, так и по конституции, а среди конденсированных углеводородных молекулярных систем и органических молекулярных кристаллов, абиогенный синтез которых осуществляется как в условиях Земли, так и Космоса.
Абиогенез должен быть подготовлен не только на химическом, энергетическом и информационном уровнях, но и обеспечен соответствующей структурной организацией. Истоки жизни мы связываем с минеральными углеводородными индивидами и агрегатами, которые обладают структурными и функциональными элементами протоклетки, протогена, содержат строительные компоненты протобелка и могут рассматриваться как протобиоорганизмы. В последнее время появляется все больше свидетельств о предбиологической природе РНК и даже ДНК.
Высокоструктурированные твердые углеродистые вещества и углеводородные молекулярные кристаллы — наиболее подходящие предбиологические системы как для создания информационного генетического аппарата, так и для развития в простейшие живые организмы. Многие из них характеризуются аналогичным составу белка химическим
Поля составов твердых углеводородов и биологических компонентов
составом, присутствием всех главных структурных элементов жизни и элементов-катализаторов, наличием белковых аминокислот, включая Ь-формы других так называемых “биомолекул”. На их базе с учетом экспериментальных данных по термо- и радиосинтезу аминокислот мы смоделировали автономную ячейку, в которой происходит функционирование, возможно, сборка РНК (или ДНК) и синтез биомолекул, т. е. минеральный протоорганизм, генетический предшественник жизни.
Наиболее гомологичные биоорганизмам абиогенные углеводородные структуры кристаллизуются в сравнительно высокотемпературных и высокобарических условиях в водно-газовой минерализованной среде карбонатно-хлоридно-сульфатного магний-калий-натриевого состава в присутствии водорода, аммиака, сернистых газов, метана, углекислоты и других компонентов, в восстановительной обстановке. Примерно в таких условиях могла возникнуть и биологическая жизнь. Вероятнее всего, первые акты абиогенеза развивались не на земной поверхности, а в гидротермальных системах, занорышах пегматитов, вулканах, возможно, даже в газовых полостях застывающих расплавов, и самые простейшие биологические системы были хемоавтотрофными. Предби-осфера характеризовалась подземной локализацией. Окрепла жизнь, перейдя на фотогетеротрофный путь, в теплых водяных лужах и в океане. Первичная биосфера имела очаговый островной характер, затем архипе-лагный, а сплошной биосферный покров Земля приобрела где-то на рубеже 3.8—3.7 млрд лет.
Очевидно, имеет смысл выделить предбиологическую стадию в истории биосферы, характеризующуюся зарождением и развитием небиологических углеводородных систем с зачатками структур и функций биоорганизмов.
Как известно, в естествознании существуют два главных концептуальных течения в разработке про-
Загадочный мир абиогенных углеводородных биоморфных структур
блемы абиогенеза, т. е. неорганического происхождения жизни: генобиоз, постулирующий первичность молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода, и голобиоз, или цел-лобиоз, базирующийся на первичности структур типа клеточных, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. На основе исследования биоморфных углеводородных структур мы считаем наиболее реалистичным орга-низмобиоз, т. е. структурно-функциональное развитие упорядоченных молекулярных углеводородных систем-протоорганизмов в биологические организмы.
Биологический мир не является продуктом эволюционной трансформации минерального мира. Оба они имеют общий источник происхождения — не-конденсированные ионно-молекулярные системы, в которых зарождались посредством различных механизмов кристаллизации. Дальнейшее развитие, коэволюция живого и минерального миров, происходила и происходит в тесном их взаимодействии и взаимообусловленности. К созданию жизни привели не случайные события, а вполне определенные законы развития природных процессов, жизнь формировалась как нечто целое, интегрированное, а не в виде разрозненных частей, случайно соединяющихся. Кристаллизационная концепция происхождения жизни заставляет усомниться в абсолютности монофилии, только одноактного жизнеза-рождения.
Биоорганизм, и живущий, и фосси-лизированный, — это своеобразное геологическое тело, а минералы, сформированные биоорганизмами или при их участии, принято называть биоминералами, биогенные геологические формации — биоминерализацией.
Сегодня известно свыше 300 био минералов различного генезиса. К ним относятся биоминералы-организмы, например кристаллические вирусы; биоминералы, сформировавшиеся в организмах (физио минералы); биоминералы, выделяющиеся в среду как продукты жизнедеятельности организмов; биоминералы, сформировавшиеся вне организма в результате взаимодействия между продуктами жизнедеятельности организмов; биопсевдоморфные минералы и др. Около сотни биоминералов присутствуют непосредственно в живых организмах как их конструкционные компоненты (входят в состав скелетов, раковин, зубов) или как патологические образо-
вания, например конкременты, жемчуг и т. п. Более 50 минеральных видов обнаружено в организме человека, примерно столько же — в организмах животных, более 60 — в растениях, более 30 — в простейших организмах.
Мир биоминералов довольно специфичен по составу, и это в первую очередь связано с химическим составом самого живого вещества. Последнее, как известно, за вычетом воды, на 99 % состоит из соединений углерода, водорода, кислорода, серы, фосфора, азота. Именно эти элементы являются ведущими и в составе наиболее распространенных биоминералов, представленных преимущественно фосфатами, оксидами, сульфидами, карбонатами. На кристаллохимическом уровне фосфатно-карбонатно-оксидный облик мира биоминералов отличается от силикатно-оксидного облика минерального мира литосферы.
Все кристаллосимметрийные показатели биоминералов довольно близки к соответствующим показателям для совокупности литосферных минералов. Несмотря на разницу в составе, мир биоминералов и минеральный мир литосферы строятся по одним и тем же структурным законам. Однако если выделить из всей совокупности биоминералов только физиоминералы, то по всем характеристичным показателям они оказываются резко специфичными, неожиданно близкими к минеральному веществу хондритов. То же можно сказать и о кристаллосимметрийных показателях. Такой первозданный “метеоритоподобный” структурный облик мира
физиоминералов может быть объяснен особенностями механизмов минерало-образования в живых организмах, где реакции требуют больших энергетических затрат. Высокоэнергетичность — это и есть то общее, что определяет сходство совокупностей космогенных и фи-зиогенных минералов.
Ассоциации биогенных и абиогенных минералов кристаллографически не имеют фундаментальных различий, что наводит на мысль об отсутствии особых биомеханизмов кристаллизации, о функционировании общих кристаллизационных процессов. Это подтверждается и “подсобной” ролью кристаллического вещества в организмах: биоминералы выполняют конструкционные (скелеты), защитные (раковины), орудийные (зубы), ассенизационные, очистные (патогенные камни), ориентационные (биомагнетит) функции и служат не для поддержания физиологических механизмов жизнедеятельности, а для расширения экологической ниши организмов.
В процессе своей жизнедеятельности человек, как, впрочем, и любой другой биоорганизм, тесно взаимодействует с окружающим минеральным миром, используя его как один из важнейших компонентов среды обитания, как источник вещества и энергии. Минералогические факторы среды обитания оказывают на здоровье человека в основном негативное воздействие (раздражающее, токсическое). Это определяется особенностями механизмов биоминеральных взаимодействий — ни один минерал не используется живым организмом в его естественном кристаллическом состоя--------------------------------- 3
нии. Прежде чем включиться в физиологический процесс, минеральное вещество обязательно разрушается (растворяется), переводится в ионную или молекулярную форму. Естественная реакция живого организма на взаимодействующие с ним минеральные индивиды и агрегаты — разрушение или отторжение. Действуют своего рода барьерные, защитные реакции организма на минеральное вещество, которые и определяют сущность биоэкологического направления в минералогии.
Отсюда вытекает и принципиальная разница между минералогическим и геохимическим подходами. Минералогический подход в биоэкологических исследованиях — изучение барьерных реакций организмов на минеральные частицы, защита организмов от прямого воздействия минералов. Геохимический подход — анализ геохимического состояния окружающей среды с позиций химической “жизни” организмов.
Кроме традиционной информации о химическом составе среды, о содержании тех или иных химических элементов в различных компонентах среды необходимо знать и форму их нахождения (конденсированная, кристаллическая или некристаллическая, ионная, молекулярная, атомарная), от которой
зависит характер включения в физиологический процесс и, следовательно, положительный, нейтральный или отрицательный биоэкологический эффект. Это можно проиллюстрировать, например, влиянием валентного состояния некоторых элементов в кристаллической структуре на токсичность минералов: сулема (Ия2С1), как известно, сильный яд, тогда как каломель (^2С12) не опасна для здоровья, минералы с трехвалентными мышьяком или сурьмой значительно токсичнее минералов с этими элементами в пятивалентном состоянии. Нитриты токсичнее нитратов, сульфиды в 30—3 5 раз токсичнее сульфатов, высшие окислы РЬ, Ва, Бе, N1 токсичнее низших окислов и т. д. Влияние минералов на здоровье человека и выгзытаемый ими минерально-индуцированный патогенез определяются дистанционным, осязательным, пневмоническим, пищевым действием на организм в целом или его отдельные органы. Минерально-индуцированный патогенез провоцируется как естественными минералогическими факторами, так и техногенными, особенно связанными с функционированием горнодобытающих и горно-перерабатывающих комплексов.
Практическим выфажением биоми-неральных взаимодействий является ме-
дицинская минералогия — раздел минералогии, вышвляющий лечебные свойства минералов и возможности использования минералов в качестве лекарственных препаратов или компонентов лекарств.
Она включает следующие аспекты:
• минеральная профилактика;
• минералогическая диагностика заболеваний;
• минералотерапия
- минералопсихотерапия,
- минералофизиотерапия;
• минеральная фармакология
- минералы-медикамешы,
- минералы — компоненты лекарств;
• минералы в травматологии;
• минералы в имплантатах;
• минералы в медицинском инструментарии;
• медицинская топоминералогия;
• месторождения и ресурсы лечебных минералов.
В последнее время актуальной становится проблема синтеза биосистем.
Моделирование биологических систем математическими и физико-химическими методами, так же как и использование минералов в качестве моделей биологических организмов, является одним из популярных и результативных приемов в методическом арсенале естествознания еще с рубежа 19—20 веков. В техническом конструировании, в инженерной практике широко заимствуются структурные и функциональные элементы биосистем; на этом основано особое инженерное направление — бионика. На копировании и развитии механизмов и целей функционирования биосистем в значительной степени базируется кибернетика. В биологические организмы уверенно вводятся различные технические и электронные устройства, заменяющие утраченные, ослабевшие или больные органы, а также усиливающие деятельность нормальных органов, существенно изменяя и функциональные возможности организмов. Конструируются принципиально новые организмы — биотехнические системы, киборги. Уже много лет ведется работа по введению технических устройств в биологические системы на молекулярном уровне. Все перечисленное, конечно, еще далеко не искусственный синтез жизни, поскольку моделируются только некоторые ее функции или структуры на основе инык, небиологических веществ. Но это уже уверенные подступы к нему, создание системы плацдармов для пред-
Синтетические монстры.
Фото из буклета Британского совета «ДНК: приближая будущее. 50 лет успеха»
стоящего штурма проблемы искусственного абиогенеза.
Что же касается возможности в обозримом будущем искусственного или биоинженерного синтеза биологических организмов (витасинтеза), то эта проблема из мифологии и фантастики сейчас уверенно выкодит на страницы научной литературы, причем не только как проблема философская или этическая, что само по себе тоже актуально, но и как проблема научная и техническая. В качестве наиболее отличительных особенностей живых биологических организмов можно назвать углеводородный белково-липидно-нуклеотидный состав, клеточную структуру, генетический код, метаболизм, саморепродуцирование.
Синтез жизни, скорее всего, будет осуществлен созданием искусственных аналогов самых простейших организмов. К этому склоняется большинство ученых, хотя не исключено, что синтез может пойти путем создания сверхпростейших организмов, не имеющих биологических аналогов, или каким-то иным путем. Наши исследования показали, что к витасинтезу можно подойти от абиогенных углеводородных структур, от минералогии. В синтезе жизни минералогическая информация может сыпрать конструктивную роль и даже оказаться определяющей в конструировании ряда биокомпонентов. Считается, что до настоящего времени в научный лабораториях не было создано искусственно из небиологических компонентов ни одного самостоятельно живущего и репродуцирующегося биоорганизма. Похоже, что это не так. Ведь искусственный вирус быш произведен на основе синтетической ДНК еще 3 5 лет назад, а наука, особенно молекулярная биология и геномика, со-
вершила за это время ошеломляющий прогресс. Поэтому я не исключаю, что в закрыпых лабораториях, в условиях сверхсекретности уже выфащивается искусственная жизнь. На это намекают время от времени и сообщения в прессе. Например, американское правительство выделило большие средства на проект участника расшифровки генома человека Крэма Вентера и лауреата Нобелевской премии Г амильтона Смита, работающих над синтезом бактерии Ыусор1а2ша genitalium. Думаю, что мы будем свидетелями создания искусственной жизни.
Информацию о древних биомине-ральных взаимодействиях мы получаем из сохранившихся остатков организмов или их отпечатков. Исследование фоссилизации — одно из важнейших направлений биологии и минералогии.
Это лишь некоторые витаминерало-гические этюды, горизонты же биоми-неральнык взаимодействий необъятны.
СТО пятидесятый номер
"ВесмКика”
Этот номер “ВеаМшкл” 150-й, своего рода юбилейный. Начиная вытуск научно-информационного издания в 1995 году, в сложный экономический период, мы не были уверены, что наше начинание не погаснет под по-рытами житейских ураганов. Но оно получило нормальное развитие. “Ве-стЩе ” приобрел широкую популярность не только в России, но и в других странах. Он отмечен высокими наградами, мы постоянно получаем восторженные отзыты1 как о журнале в целом, так и об отдельных публикациях. Публикация в “Вестнике ”—это самый быстрый путь новой информации к интересующемуся читателю. Мы рассышаем журнал во все геологические учреждения и всем членам Российской академии наук, работающим в области наук о Земле. Да и тираж журнала по современным меркам достаточно солидный.
Я сердечно благодарю всех, кто в эти годы бескорыстно и заинтересованно делал и сейчас делает “Вест-Лик ”, а это почти все сотрудники института. Желаю успехов и удач, благополучия, счастья. Приветствую многих читателей журнала, надеюсь, что и дальше они будут находить в нем что-то интересное и полезное.
Главный редактор академик Н. Юшкин
