Бесплатный фрагмент - Предваряя жизнь

История экспериментов с образованием биоморфных структур

Проблема понимания сущности жизни имеет глубокие исторические корни. Долгое время живая и неживая материя воспринимались как категории, отличающиеся присутствием «жизненной силы» — так складывались донаучные виталистические представления.

С другой стороны, еще ранними исследователями было отмечено, что кристаллические вещества зачастую принимают формы, напоминающие растения. Это давало повод считать минералы разновидностью живых существ. Подобные наблюдения подкрепляли представления о всеобщей одушевленности материи, получившие название «гилозоизм» (от греч. ὕλη — «материя» + ζωή — «жизнь»).

В экспериментах донаучного периода с наивным упорством алхимики пытались искусственно создавать живые организмы или возрождать их после смерти. Так возник миф о палингенезии (др.-греч. πάλιν — «снова» + γένεσις — «рождение») — возрождении живых существ из их останков.

Один из первых опытов, долгое время интерпретировавшийся как палингенезия, был описан в XVI в. алхимиком Жозефом Дюшеном. Это открытие произошло в ходе извлечения солей из крапивы для приготовления лекарственного средства. Было обнаружено, что замороженный профильтрованный щелок (настой золы растения) образует ледяную кристаллизацию, в которой якобы виделись «тысячи форм крапивы с корнями, стеблями и листьями».

В дальнейшем алхимиками было разработано еще множество рецептов палингенезии, подразумевавших получение подобий живых организмов. Эти описания имеют разную достоверность — от вполне воспроизводимых опытов до фантастических обещаний зарождения полноценной жизни. Существенная часть таких экспериментов описана и проанализирована в издании «De palingenesia, sive resuscitatione artificiali plantarum, hominum et animalium e suis cineribus…» («О палингенезии, или искусственном воскрешении растений, людей и животных из их праха») 1717 года. Данная книга представляет собой трактат врача и ботаника Георга Франка фон Франкенау, снабженный подробными комментариями Христиана Нерингера. Труд имеет частично скептический характер: не отрицая самой возможности искусственного зарождения жизни, авторы критикуют рецепты палингенезии, представляющиеся наиболее неправдоподобными.

Рассматривая изложенные в книге эксперименты, можно разделить их на следующие группы: 1) создание кристаллических подобий живых организмов при замораживании и выпаривании растворов, а также — возгонке сухих субстанций; 2) образование структур из осадков при протекании химических реакций — в том числе выращивание металлических дендритов; 3) получение ветвящихся узоров при распределении вязких жидкостей (смол) на плоскости; 4) длительные процессы брожения органических субстратов, якобы создающие живые организмы и их подобия; 5) ошибочные представления о возможности зарождения живых существ (в том числе — членистоногих и рептилий) из неживой материи.

Стоит отметить, что спонтанное самозарождение было экспериментально опровергнуто Франческо Реди еще в XVII в., хотя подобного рода утверждения продолжали повторяться в литературе еще некоторое время. Помимо широко известного эксперимента с отсутствием личинок мух в изолированной посуде, Реди также доказал, что обитающие в дубовых галлах личинки орехотворок не возникают из листьев дерева, как считалось ранее, а появляются из яиц, откладываемых взрослыми особями насекомых, по современной классификации относящихся к роду Cynips.

Многие опыты, приведенные в трактате Франкенау и Нерингера, доступны для повторения, хотя бы в упрощенном или модифицированном виде. С развитием наук к ним прибавилось еще немало подобного рода экспериментов, способных служить подспорьем для изучения процессов самоорганизации.

Некоторые из подобных рецептов представлены в книге философа XVIII в. Карла фон Эккартсгаузена, переведенной на русский язык под названием «Ключ к таинствам натуры». Среди них описано получение минеральных структур из растворенных в кислоте кораллов, почвенной и растительных вытяжек.

Характерным предметом интереса алхимиков являлось выращивание искусственных «деревьев» из металлов, которые считались способными расти подобно представителям флоры. Такое отождествление подтверждали находки ветвящихся жил самородков. Наконец, рост металлических дендритов получилось воспроизвести опытным путем.

Это открытие зачастую приписывается Теофрасту Парацельсу — якобы ему впервые удалось вырастить дендриты олова и свинца на цинке, погруженном в раствор их солей. По традиции алхимико-астрологических ассоциаций они получили название «дерево Юпитера» (Arbor Jovis) и «дерево Сатурна» (Arbor Saturni). Однако в историческом сборнике опытов их автором указан некий «Г. Ильземан».

Другой старейший рецепт создания «металлических деревьев» находится в трактате «De Natura rerum», спорно приписываемом Парацельсу (не исключено, что некоторые фрагменты его трудов действительно вошли в это сочинение). Так или иначе, в нем приведен способ выращивания «дерева» из раствора золота в «царской водке» — смеси азотной и соляной кислоты.

Ставший классическим метод выращивания дендритов серебра можно найти в книге Джамбаттиста делла Порта. Суть рецепта в том, что ртуть помещается в раствор нитрата серебра (полученный растворением металла в азотной кислоте), и на ее капле начинается активное осаждение благородного металла. В дальнейшем такое химическое произрастание стали называть «деревом Дианы» из-за ассоциаций серебра с Луной и древнеримской богиней.

Помимо образования металлических дендритов, в XVII в. арсенал курьёзных опытов пополнился созданием химических «произрастаний» на основе силикатов металлов. Данный феномен был описан еще в XVII в. Иоганном Рудольфом Глаубером, считающимся первооткрывателем «жидкого стекла». Суть опыта заключается в следующем: в раствор силиката натрия или калия добавляются кристаллики солей различных металлов (железа, меди, цинка и так далее). В результате за счет осмотических процессов начинается рост мембранных структур, напоминающих растения.

В XIX в. данный феномен был подробно исследован немецким химиком Морицем Траубе, поэтому образующиеся в подобных процессах структуры называются «клеточки Траубе». Для создания мембранных структур он использовал различные вещества, в том числе — желатин, дубящийся под воздействием фенольных соединений, и жёлтую кровяную соль, взаимодействующую с солями меди (в результате на поверхности капель образуется полупроницаемая мембрана из комплексного соединения — гексацианоферрата (II) меди).

Еще одно явление, неизменно очаровывавшее с давних пор — образование морозных узоров льда на окнах. Их очевидное сходство с растениями давало почву для мистических спекуляций — вплоть до того, что на окнах якобы запечатлеваются «души растений».

Долгое время считалось, что посредством простых химических манипуляций действительно можно искусственно создать жизнь. Более того, вся природная материя считалась обладающей жизненным потенциалом. Так в XVIII в. Иоганн Фридрих Генкель издал трактат, в котором рассматривалось сходство живых и минеральных форм (названных «Сатурнической флорой»).

Исследователь XVIII–XIX вв. Жан Батист Рене Робинэ выражал взгляды, согласно которым природа изначально стремилась к сотворению человека как самого совершенного существа и на этом пути создавала своего рода «эскизы». С такой точки зрения подобие форм минералов, растений и животных является неслучайностью, а выражением закономерности. Так объяснялось происхождение естественных образований, напоминающих части человеческого тела (например, антропокардита — камня, похожего на сердце).

Робинэ указал на то, что некоторые геологические образования, воспринимаемые как окаменелости организмов, могут иметь чисто минеральную природу — их обманчивый биоморфный вид является лишь проявлением подобия. В дальнейшем немало проблем палеонтологам доставила интерпретация образования, получившего название «Eozoön». Первоначально оно было описано Джоном Уильямом Доусоном как окаменелые останки гигантской фораминиферы, но оказалось псевдоокаменелостью, образованной полосчатыми структурами кальцита и серпентина.

В начале XX в. внимание исследователей было обращено к образованию коацерватных комплексов, представляющих собой обособившиеся в воде капли органики. Классический эксперимент по Хендрику Бунгенбергу де Йонгу предполагал образование коацерватов из смеси растворов желатина и гуммиарабика в кислой среде.

Исследование органических коацерватов привело советского академика Александра Ивановича Опарина к разработке гипотезы о возникновении жизни по аналогичному механизму. Хотя она не дала исчерпывающего объяснения механизма абиогенеза, образование коацерватов действительно напоминает формирование мембранных структур организмов, и может послужить хорошим подспорьем для изучения проблемы происхождения жизни. Опарин и его сотрудники провели серию классических опытов, доказавших, что коацерваты действительно обладают некоторыми свойствами живых систем: в капли добавляли ферменты (например, фосфорилазу), и в них происходили биохимические реакции: из поступающей извне глюкозы синтезировался крахмал. Было показано, что коацерваты способны избирательно поглощать вещества из окружающей среды, увеличиваться в размерах и делиться под действием механических сил, что напоминало примитивное «размножение».

Во второй половине XX в. была развита новая дисциплина — синергетика, изучающая возникновение упорядоченных структур в открытых системах, далеких от термодинамического равновесия. Она предложила универсальное описание того, как из хаотического поведения элементов спонтанно рождается сложная пространственно-временная организация. Рассматриваемые в ее рамках процессы имеют прямое отношение к возникновению жизни в ходе химической эволюции материи. В рамках синергетики существенное внимание уделяется таким феноменам, как образование конвективных ячеек (в том числе — тепловых ячеек Бенара) и протекание циклических химических реакций, исследование которых началось с реакции Белоусова-Жаботинского.

Развитие фрактальной геометрии, связанное прежде всего с работами Бенуа Мандельброта, позволило увидеть в кажущемся хаосе природных форм строгую математическую основу. Оказалось, что многие минеральные и биологические структуры — от ветвящихся кристаллов льда и дендритов серебра до кровеносной системы, бронхиального древа или кроны дерева — подчиняются принципу масштабного самоподобия и описываются дробной размерностью. Это внешнее сходство перестало быть просто загадочной аналогией: фрактальная геометрия показала, что процессы роста в неравновесных условиях, например диффузионно-ограниченная агрегация, закономерно порождают паттерны, идентичные по своей структуре как в неживой, так и в живой природе. Тем самым фрактальный морфогенез не только дал количественное описание «химическим садам» и дендритным узорам, но и стал надёжным мостом между миром минералов и организмов, объяснив их общее формообразование едиными законами самоорганизации.