Несколько теорий возникновения жизни
Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни на ней, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала вечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов в результате «Большого взрыва», родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом.
Вопреки бытующим представлениям, наука не может опровергнуть тезис о божественном сотворении Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.
Гипотезы о возникновении жизни
В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие Гипотезы:
Гипотеза биохимической эволюции
Гипотеза панспермии
Гипотеза стационарного состояния жизни
Гипотеза самозарождения
Теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.
Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле.
Генобиоз и голобиоз
В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:
Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.
Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.
Теория Опарина – Холдейна
В 1924 году будущий академик Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая в 1938 году была переведена на английский и возродила интерес к теории самозарождения . Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты.
Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:
Возникновение органических веществ
Возникновение белков
Возникновение белковых тел
Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их оксидами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород — метан.
Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.
Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель.
Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования — видимые под оптическим микроскопом капли.
Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров.
Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.
Подобные взгляды также высказывал британский биолог Джон Холдейн.
Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году в эксперименте Миллера — Юри. Он поместил смесь H2O, NH3, CH4, CO2, CO в замкнутый сосуд(рис. 1) и стал пропускать через неё электрические разряды. Оказалось, что образуются аминокислоты.
Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам?
Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения — внутри коацервата и в поколениях — единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» — колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.
Александр Опарин (справа) в лаборатории
Мир РНК как предшественник современной жизни
К XXI веку теория Опарина—Холдейна, предполагающая изначальное возникновение белков, практически уступила место более современной. Толчком к её разработке послужило открытие рибозимов — молекул РНК, обладающих ферментативной активностью и поэтому способных соединять в себе функции, которые в настоящих клетках в основном выполняют по отдельности белки и ДНК, то есть катализирование биохимических реакций и хранение наследственной информации.
Панспермия
Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью.
Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах.
Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другой вариант — управляемую панспермию, то есть намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для будущей колонизации[4].
В пользу своей теории они привели два основных довода — универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах.
Против возражения о том, что теория панспермии (в том числе управляемой) не решает вопрос о зарождении жизни, они выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может быть намного выше, чем на Земле, например, из-за наличия особенных минералов с высокой каталитической активностью.
В 1981 году Ф. Крик написал книгу «Life itself: its origin and nature», в которой он более подробно, чем в статье, и в популярной форме излагает гипотезу управляемой панспермии.
Самозарождение жизни
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни.
Согласно этой гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение ещё многих веков.
Известный ученый Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.
В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, — это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).
Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной версией зарождения жизни.
В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям.
В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся французский химик Луи Пастер. Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы.
При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.
В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.
Теория стационарного состояния
Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.
Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода.
Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным.
Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.
Креационизм
Креационизм (от англ. creation — создание) — религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким верховным существом или божеством.
Теория креационизма, отсылая ответ на вопрос о возникновении жизни к религии (сотворение жизни Богом), по критерию Поппера находится вне поля научных изысканий (так как она неопровержима: научными методами невозможно доказать, как то, что Бог не сотворял жизни, так и то, что Бог ее сотворял).
Теория эволюции
До настоящего времени в научной и общеобразовательной среде основной теорией возникновения жизни на Земле во всём её многообразии считалась теория эволюции. Эта теория возникла благодаря трудам семейства Дарвинов: врача, натуралиста и поэта Эразма Дарвина (1731-1802), предложившего теорию эволюции в 1790-е годы, и, особенно, его внука-естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809-1882), опубликовавшего в 1859 году свою теперь знаменитую книгу «О происхождении видов путём естественного отбора или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь».
Теория эволюции, которую часто называют Дарвиновской теорией или дарвинизмом, возникла не на пустом месте. Ко времени Дарвина общепризнанной стала космологическая теория Эммануила Канта, с его бесконечной в пространстве и во времени Вселенной, подчинённой законам механики, описанным Исааком Ньютоном.
Кроме этого английский учёный Чарльз Лайель (1797-1875) подтвердил теорию так называемого униформизма, предложенную учёным 18 века Джейсоном Хаттоном (1726-1797), согласно которой Земля образовалась в течение миллионов лет в результате медленных и постепенных процессов, которые происходят и сегодня.
Этот вывод Лайель обосновал в 3-х томах «Основы геологии», опубликованных в 1830-1833 годах. Таким образом был создан фундамент теории эволюции, на котором Чарльз Дарвин создал стройное здание своей теории публикацией книг: «Происхождение видов», «Изменение домашних животных и культурных растений», «Происхождение человека и половой отбор» и других
Дарвиновская теория
По Дарвину эволюция, т.е. история развития органического мира Земли, осуществляется в результате взаимодействия трёх основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Благодаря этим факторам организмы в процессе развития накапливают всё новые приспособительные признаки, что в конечном итоге ведёт к образованию новых видов.
В поддержку теории Дарвина сразу же было предложено 2 аргумента: рудиментарные органы и теория эмбриональной рекапитуляции. Так был составлен список из 180 человеческих рудиментов — органов, утративших своё назначение в процессе его развития из низших форм, т.е. органов которые человеку уже не нужны и их можно удалить.
Однако по мере изучения этих рудиментов (например, аппендикса), учёные вычёркивали из списка орган за органом, пока не вычеркнули все. Спустя 100 лет физиологи не считают бесполезным ни один из человеческих органов. Довольно скоро приказала долго жить и теория эмбриональной рекапитуляции, предложенная в 1868 году немецким зоологом Эрнстом Геккелем, сторонником и пропагандистом учения Дарвина.
Эта теория основана на видимом сходстве эмбрионов человека и собаки в возрасте 4-х недель, а также наличием у человеческого эмбриона так называемых «жаберных щелей» и «хвоста». На самом деле оказалось, что Геккель подделал иллюстрации (подретушировал их), за это учёный совет университета Иены признал Геккеля виновным в научном мошенничестве, а его теорию несостоятельной.
Заключение
Многие из этих «теорий» и предлагаемые ими объяснения существующего разнообразия видов используют одни и те же данные, но делают упор на разные их аспекты. Научные теории могут быть сверхфантастическими с одной стороны, и сверхскептическими – с другой.
Теологические соображения тоже могут найти себе место в этих рамках в зависимости от религиозных взглядов их авторов. Одним из главных пунктов разногласий, даже еще в додарвиновские времена, бал вопрос о соотношении между научными и теологическими взглядами на историю жизни.
Предбиологическая (химическая) эволюция
По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.
Под влиянием сил сжатия частицы, из которых формируется Земля, выделяют огромное количество тепла. В недрах Земли начинаются термоядерные реакции. В результате Земля сильно разогревается. Таким образом, 5 млрд лет т.н. Земля представляла собой несущийся в космическом пространстве раскаленный шар, температура поверхности которою достигала 4000-8000°С (смеха. 2).
Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет т.н. Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора; одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу.
По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли, по-видимому, отсутствовал, а в ее состав входили вещества в восстановленном состоянии, такие, как водород (Н2), метан (СН4), аммиак (NH3), пары воды (Н2О), а возможно, также азот (N2), окись и двуокись углерода (СО и С02).
Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы.
Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения.
Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.
Около 5 млрд лет т.п. — возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности — 4000-8000°С
Около 4 млрд лет т.н. — формирование земной коры и первичной атмосферы
При температуре 1000°С — в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул
Энергию для синтеза дают:
Температура первичной атмосферы ниже 100°С — формирование первичного океана —
Синтез сложных органических молекул — биополимеров из простых органических молекул:
- простые органические молекулы — мономеры
- сложные органические молекулы — биополимеры
Схема. 2. Основные этапы химической эволюции
Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др.
Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящею без участия живых организмов) синтеза органических веществ.
Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.
Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество — мочевину из неорганическою — циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.
В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН4, аммиака NH, и паров воды Н20 (рис. 3).
Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина.
Рис. 3. Установка С. Миллера
В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, — космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу.
В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.
Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности).
При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.
Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон».
Однако процессы полимеризации отдельных нуклеогидов, аминокислот и Сахаров — это реакции конденсации, они протекают с отщеплением воды, следовательно, водная среда способствует не полимеризации, а, напротив, гидролизу биополимеров (т.е. разрушению их с присоединением воды).
Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.
Несмотря на то что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс катализируют особые белки-катализаторы — ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ.
Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.
Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.
Жизнь всех современных живых существ — это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки — белков и нуклеиновых кислот.
Белки — это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Характеризуя их роль в обмене веществ, биохимики часто используют такие образные выражения, как «белок работает», «фермент ведет реакцию». Важнейшая функция белков- каталитическая. Как известно, катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят.
Нуклеиновые кислоты — это «молекулы-компьютеры», молекулы — хранители наследственной информации. Нуклеиновые кислоты хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки, а также свойственный ей характер и темпы обмена веществ. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.
Таким образом, тайна зарождения жизни — это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Какими же сведениями об этом процессе располагает современная наука? Какие молекулы явились первичной основой жизни — белки или нуклеиновые кислоты?
Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).
В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды спонтанно (самопроизвольно) полимеризуются, образуя полинуклеотиды — молекулы РНК.
На исходных полинуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-копии. Реакция матричного копирования РНК катализируется исходной молекулой РНК и не требует участия ферментов либо других белков.
Дальнейшие события достаточно хорошо объясняются процессом, который можно было бы назвать «естественным отбором» на уровне молекул. При самокопировании (самосборке) молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются.
Поскольку параллельно с процессами синтеза идут и процессы распада РНК, в реакционной среде будут накапливаться молекулы, обладающие либо большей стабильностью, либо лучшими автокаталитическими свойствами (т.е. молекулы, которые быстрее себя копируют, быстрее «размножаются»).
На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов — пептидов. Вокруг молекулы РНК образуется белковый «чехол».
Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК (они как бы «вырезаются» и «выбрасываются»), а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты, «срастаются», т.е. самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок (рис. 4).
По-видимому, первоначально белковые чехлы выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе (такова функция белковых чехлов и у простейших современных вирусов).
Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты), резко ускоряющие скорость копирования РНК. По-видимому, именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.
В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента — обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2′ положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах (эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток).
Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.
Рис. 4. Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот: а) в процессе самокопирования РНК накапливаются ошибки (1 — нуклеотиды, соответствующие исходной РНК; 2 — нуклеотиды, не соответствующие исходной РНК, — ошибки в копировании); б) на часть молекулы РНК за счет ее физико-химических свойств «налипают» аминокислоты (3 — молекула РНК; 4 — аминокислоты), которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в короткие белковые молекулы — пептиды. В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок.
В результате возникает молекула РНК, покрытая белковым чехлом (сходное строение имеют и наиболее примитивные современные вирусы, например вирус табачной мозаики)
Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более кон центрирован но го раствора — коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) — рис. 5.
Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: иод воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из окружающей среды они могут расти, а но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».
Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липидов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема — рис. 5).
Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.
Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.
Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого — способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков.
Рис 5. Возможный путь перехода от коацерватных капель к примитивным клешам:
а) образование коацервата; 6) стабилизация коацерватных капель в водном растворе; в) — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану: 1 — коацерватная капля; 2 — мономолекулярный слой липида на поверхности водоема;
3 — формирование вокруг капли одинарного липидного слоя; 4 — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану; г) — коацерватная капля, окруженная двойным липидным слоем, с вошедшим в ее состав белково-нуклеотидным комплексом — прообраз первой живой клетки
Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.
Размышления на тему самой возможности возникновения жизни
Нас учат, что в результате стечения ряда каких-то неизвестных нам условий (давление, температура, электрические разряды, влажность и т.п.) некие атомы неорганических веществ соединились в первичную молекулу, способную к созданию точной своей копии, т.е. к размножению.
Делящиеся молекулы видоизменялись под действием все тех же внешних условий, под их же воздействием они объединялись в постепенно усложняющиеся группы. Так появились простейшие организмы, одноклеточные, которых трудно отнести определенным образом к растениям или к животным.
Затем действие механизма естественного отбора (по Дарвину) привело к последовательной эволюции видов, в конце (или на вершине) которой стоит человек – вид «гомо сапиенс», к которому мы и принадлежим.
Изложено, разумеется, упрощенно, но достаточно, чтобы подчеркнуть основное: первая молекула живой природы (и все ее «собратья по удаче») появилась не в результате осуществления какого-то плана, существовавшего ранее этих молекул, а совершенно случайно, как случайно падает на орла или решку подброшенная вверх и вращающаяся в полете симметричная тонкая монета.
Нужно добавить, что, согласно этой теории, необозримые человеком около пяти миллиардов лет, составляющие возраст Земли, – это время, достаточное для того, чтобы слепым перебором случайных вариантов получить столь блистательный результат – поразительную гармонию окружающей нас природы, когда миллионы различных видов животных и растений, включая и человека с его интеллектом, дополняют друг друга в экологических нишах.
Именно такое представление я вынес из того, чему меня учили много лет, из того, что называют наукой. Двинемся дальше, пользуясь методикой, которую мы привыкли называть научной и которая помогает нам в познании. Методикой, исходящей из доказанных фактов, пользующейся логикой и количественными оценками там, где это только возможно. Мне эта методика нравится и сегодня.
Так вот, два кита, на которых базируется любая теория эволюции видов, в том числе и теория Дарвина, это: случайность и колоссальное время, в течение которого происходил случайный перебор вариантов сочетания элементов, прежде чем это сочетание стало первой живой молекулой.
Согласно этим теориям, миллиарды лет привели к возникновению жизни в ее современных формах. Замечу, кстати, что примерно в 1983 г. в журнале «Наука и жизнь» появились данные о том, что, по исследованиям, проведенным в древних почвах Гренландии, живые организмы существовали примерно 4 миллиарда лет назад, тогда как возраст Земли оценивается в 4,5 миллиарда лет, т.е. неживая и живая природа – почти ровесники.
Чтобы раз и навсегда освободиться от гипноза кажущейся грандиозности этих миллиардов лет, сделаем очень несложную оценку вероятности возникновения одной из простейших молекул ДНК (одной из простейших!), лежащих в основе живой материи. В одной из книжек я встречал такую цифру: сложность одной из наиболее простых молекул ДНК такова, что из входящих в нее элементов можно сделать 10130(!) различных комбинаций.
Можно предположить: ну и что с того? Первая, вторая, третья, миллионная попытки неудачны, а какая-нибудь, наконец-то, даст ту самую жизнеспособную комбинацию. Времени-то много, даже если это «всего лишь» 500 миллионов лет! А так ли уж это много? Допустим, некий Слепой Случай делал эти попытки даже с колоссальной частотой.
Например, 106 (т.е. миллион) попыток в секунду. Если учесть, что удар молнии длится в среднем около пяти микросекунд, то за время удара молнии Слепой Случай проделает пять-шесть своих попыток. Эта частота настолько велика, что в живой природе она не встречается, но для того, чтобы продолжить выкладки, – почему бы не помочь Случаю?
Вселенная, по тем же оценкам, существует порядка 20 миллиардов лет, т.е. 20, умноженные на 109 лет. Для упрощения записи завысим эту величину в полтора раза и получим возраст Вселенной, равный 1024 микросекунд. При всей грандиозности этого числа оно показывает, что Слепой Случай из 10130 попыток за все эти 30 миллиардов лет сумел использовать всего лишь 1024 попыток, т.е. он практически не сдвинулся никуда. Никуда! Да и то:
при этом Слепому Случаю нужно, быть не совсем уж слепым – он в своих бессмысленных и производимых наугад попытках не должен повторять уже испытанные комбинации. В противном случае ему нужно будет сделать гораздо больше попыток, чем 10130.
А нужна ли нам стопроцентная гарантия удачи эксперимента? Ведь происходят же события со сравнительно низкой вероятностью. Конечно, происходят. Как есть и некоторая, хотя и ничтожная вероятность того, что подброшенная и вращающаяся в полете монета станет на жестком полу на ребро, а не ляжет плашмя.
Но на это никто никогда не надеется, и такую вероятность не принимают в расчет, даже если от этого многое зависит. Пока лишь отметим, что возраст Вселенной, каким он фигурирует в современной науке, – это ничтожно малая величина сравнительно с количественной сложностью самой простой из молекул ДНК, а не то что в сравнении со сложностью любого живого организма. Даже одноклеточного. Не говоря уже о человеке.
Правда, мы упускаем из виду, что Слепой Случай мог проводить не один эксперимент в данный момент времени, а множество – в различных точках не только поверхности Земли, но и в слоях, близких к ее поверхности. Тогда вероятность случайного возникновения жизни на Земле возрастет на много десятичных порядков.
Это, несомненно, так. И я даже готов рассмотреть проведение таких экспериментов во всем объеме не только земного шара, но и всей Вселенной, какой она оценивается современной наукой.
По оценке, известной и в популярной литературе, масса Вселенной составляет примерно 1080 масс атома водорода. Следовательно, если бы она состояла только из водорода (и не имела бы более тяжелых элементов – еще один большой подарок Слепому Случаю, но уже во вселенском масштабе), то и тогда во всей Вселенной было бы только 1080 материальных точек.
Количество возможных мест проведения эксперимента во Вселенной меньше этого числа, т.к. остальные элементы тяжелее водорода. И во много раз. Я уже даже не считаю нужным учитывать, что в каждом эксперименте по созданию исходного «живого материала» участвуют десятки тысяч атомов более тяжелых элементов.
Так вот, пусть Слепой Случай все эти 30 миллиардов лет проделывает свои неосмысленные эксперименты с частотой 1 млн попыток в секунду во всех материальных точках Вселенной одновременно. При этом он сможет проделать «всего лишь» число попыток, равное 1024, умноженные на 1080.
Это равно 10104попыток. Не следует забывать, что это число получено с запасом во много десятичных порядков, при учете которых оно было бы соответственно меньше. Но, зная, чем закончится этот расчет, можно позволить себе и такую щедрость. Грандиозна необозримость этого числа:
10104! Но за 30 миллиардов лет, делая миллион попыток в секунду, вероятность хоть где-то во всей Вселенной один раз все-таки случайно «наткнуться» на ту самую молекулу ДНК, которая имеет заданную жизнеспособную структуру, остается ничтожно малой и составляет 10-26 (это:
10-130, умноженные на 10104). Число это все еще практически неотличимо от нуля. Число, которому люди даже не придумали названия за его практической ненадобностью! Это – единица, деленная на сто миллиардов миллиардов миллиардов.
Конечно, можно было бы придраться к тому, что эти цифры неопровержимы только в том случае, если в числе 10130 комбинаций только одна единственная комбинация «жизнетворна». А если таких комбинаций много? Но я учитываю и это, хотя слово «учитываю» далее не может иметь столь очевидную количественную оценку.
В приведенной выше оценке я увеличил Землю до размеров Вселенной (всего лишь!), которая содержит множество галактик, включающих многие миллионы систем, эквивалентных Солнечной системе, на фоне которой так мала наша Земля. Поэтому даже если число «жизнетворных» комбинаций имеет порядок отношения массы Вселенной к массе нашей крошечной Земли (и это грандиозное отношение тоже трудно себе представить), то и тогда мы лишь приблизимся к вероятности 10-26. Т.е. приблизимся к полученной нами вероятности создания именно на Земле одной уникальной «жизнетворной» молекулы в единственном экземпляре за время, превышающее возраст Земли в шесть раз!
Есть существенный довод за то, что среди числа возможных «жизнетворных» комбинаций существует если не одна, то не много. Об этом говорит то, что окружающий нас мир построен из крайне ограниченного числа исходных «кирпичиков», а простейшие одноклеточные имеют единую «конструктивную базу», как у амебы, так и у клеток нашего организма.
Все ли факторы нами учтены? Разумеется, не все. Я бы указал еще на необходимость учета следующих факторов, часть которых, полагаю, и вовсе не поддается количественной оценке, включая и самый главный.
1. Мы оставили в стороне исходный вопрос – создание неживой природы после Большого Взрыва, с которого, согласно науке, началась Вселенная. Случайны ли процессы при создании химических элементов и систем небесных тел? Какова вероятность такой их реализации, которая ведет к возникновению жизни? Ведь и неживая природа поразительно гармонична.
2. Какова вероятность на базе простейших молекул ДНК получить хотя бы простейшие организмы?
3. Какова вероятность от простейших организмов путем эволюции перейти к высшим организмам, в том числе – к млекопитающим? Ведь переход от простого к сложному противоречит ряду известных законов природы.
4. Какова вероятность, что млекопитающие в процессе эволюции станут «гомо сапиенсами», обладающими разумом и всем тем, что делает человека качественно отличным от животного, хотя наука не в состоянии четко сформулировать суть этого отличия? Даже юридически отличие человека от животного не определено (см.
книгу Веркора «Люди или животные»). Проделанные выше количественные оценки с достаточностью предостерегают от привычного пренебрежения длительностью протекания процесса исходного случайного возникновения жизни на фоне возраста не только Земли, но и всей Вселенной.
Но есть еще и пятый фактор. На мой взгляд, он наиболее существенен, хотя нет даже подхода к его количественной оценке. Это – ответ на известный вопрос: «Кто же запустил часы?» Именно в такой формулировке мне довелось читать научный спор об этом. Ясного ответа на вопрос тот научный источник, разумеется, не содержал. Вопрос следующий: что же качественно отличает живое от неживого?
Допустим, что мы, зная структуру молекулы ДНК и имея неограниченные возможности располагать в пространстве атомы любых элементов, сложили бы эту единственную (или не единственную, но «животворную», в данном случае – не все ли равно?) комбинацию. Где гарантия, что этим была бы создана функционирующая молекула, а не ее мертвая модель?
Ведь труп отличается от живого организма не атомарным составом, а чем-то еще! Чем же отличается? Вот к чему и относится вопрос о запуске часов. Допустим, собраны детали часов, причем, собраны правильно, хотя и получилось это совершенно случайно. Но маятник часов неподвижен, пружина не заведена. Часы нужно запустить, как бы «вдохнуть в них жизнь».
По отношению к живой природе ответа на вопрос этот наука не дает и, скорее всего, не даст (а если и даст – то не наука, ибо это – не ее предмет).