Бесплатный фрагмент - Происхождение жизни

АННОТАЦИЯ

Происхождение жизни на земле на сегодняшний день является, пожалуй, самым сложным вопросом для науки. В учебниках вы можете прочитать о различных теориях и гипотезах на этот счёт, но подавляющее большинство авторов отдаёт предпочтение теории абиогенеза. Кажется, что это единственная научно обоснованная версия происхождения жизни, которой придерживается современная наука. Огромные средства и силы уходят на её поддержку и разработку. Но перспективно ли это направление? Действительно ли эволюционная теория абиогенеза является самой лучшей из существующих на сегодняшний день?

На эти и многие другие вопросы, связанные с гипотезами происхождения жизни, мы постарались дать ответ в этой книге. В ней вы найдёте исчерпывающую информацию о зарождении и развитии эволюционных взглядов на происхождение жизни; узнаете о достижениях и проблемах теории абиогенеза, а также тех задачах, которые ставит перед ней современная наука. Книга насыщена множеством цитат известных учёных-специалистов в области молекулярной биологии, биохимии, биофизики, микробиологии. Получив полную информацию о современном состоянии наиболее распространённых теорий и гипотез происхождения жизни, вы сможете самостоятельно сделать вывод о их месте в научной картине мира и определить, прежде всего для себя, их дальнейшие перспективы.

Книга написана на простом, доступном для неспециалиста языке, содержит множество справочной информации и разъясняет сложные определения и понятия. Издание будет полезно преподавателям и учащимся средних и высших учебных заведений, а также всем интересующимся вопросами мироздания.

ВНИМАНИЕ!

Данная книга представляет собой сокращённый вариант иллюстрированного издания, размещённого на научно-образовательном портале «С точки зрения науки» santorum.ru

ВВЕДЕНИЕ

1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ВЗГЛЯДОВ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1.1 Теории быстрого самозарождения

ДРЕВНИЕ БОГОСЛОВЫ И САМОЗАРОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1.2 Крах теории быстрого самозарождения

1.3 Теория постепенного самозарождения (абиогенеза)

НЕМНОГО ИСТОРИИ: ЭРНСТ ГЕККЕЛЬ И МОНЕРЫ

2. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ: ВЗГЛЯД СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ

2.1 Случайно или закономерно?

2.2 Газовый состав первичной атмосферы

ОТКУДА НА ЗЕМЛЕ КИСЛОРОД

2.3 Первичный бульон

2.3.1 Синтез аминокислот

2.3.2 Синтез азотистых оснований

2.3.3 Синтез сахаров

2.3.4 Устойчивость органических соединений

2.4 Специфические условия синтеза

2.5 Хиральная чистота живого

2.6 Синтез белков и нуклеиновых кислот

2.6.1 Проблемы синтеза белка

2.6.2 Проблема синтеза нуклеиновых кислот

2.6.2.1 Синтез нуклеозидов

2.6.2.2 Синтез нуклеотидов

2.6.2.3 Полимеризация нуклеотидов

2.7 Курица или яйцо?

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК: ДЕТАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

2.8 «Мир РНК» и связанные с ним проблемы абиогенеза

2.8.1 Проблема скорости репликации

2.8.2 Проблема точности копирования

2.8.3 Проблема репарации

2.8.4 Проблема праймеров

2.8.5 Проблема катализаторов

2.8.6 Проблема активации и реактивации

2.8.7 Проблема гидролиза

2.8.8 Проблема раскрытия двойной спирали

2.8.9 Проблема зависимости репликации от последовательности нуклеотидов в матрице

2.8.10 Другие проблемы (мешающее влияние, хиральность, водный парадокс)

2.8.11 Неестественные условия экспериментальной проверки

2.8.12 Проблема перехода «мира РНК» к белок-синтезирующему миру

2.8.13 Подводя итог гипотезы «мира РНК»

2.9 Происхождение информации

2.10 Происхождение белоксинтезирующей системы

КАК РАБОТАЕТ ГЕН: НЕКОТОРЫЕ ПОДРОБНОСТИ

2.11 Парадокс миллиона обезьян

2.11.1. Жизнь начинается с химической реакции

2.11.2 Назад к панспермии

2.11.3. «Жизнь не могла возникнуть случайно!»

НАСКОЛЬКО ПРОСТЫ САМЫЕ ПРОСТЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.11.4. Гипотеза множественности форм жизни

2.12 «Замкнутый круг» в проблеме абиогенеза

2.12.1. Происхождение биологических мембран

2.12.2. Питание и энергообеспечение клеточных систем

АТФ-СИНТАЗА: ДЕТАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

2.12.3. Регуляция солевого состава клетки

2.13 Главнейшая проблема абиогенеза — самоорганизация живых систем

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ

2.14 Фактор времени

2.15 Второй закон термодинамики

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованной литературы

ВНИМАНИЕ!

Данная книга представляет собой сокращённый вариант иллюстрированного издания, размещённого на научно-образовательном портале «С точки зрения науки» santorum.ru

ВВЕДЕНИЕ

Ни для кого не секрет, что вопрос происхождения жизни в современной науке до сих пор остаётся открытым. Эволюционная теория происхождения жизни — теория абиогенеза, предложенная в качестве возможного решения данной мировоззренческой проблемы, — стремительно теряет свою популярность. Получив огромный толчок к развитию в середине 50-х годов XX в. уже спустя три десятилетия она практически перестала быть предметом широкомасштабных научных исследований. А сегодня многие ведущие научные журналы мира, например «Журнал общей биологии» Российской академии наук (РАН), принципиально не принимают статей, посвящённых этой тематике. (Точно так же, как лингвистические журналы не принимают статей на тему «Происхождения языка», а физические — «Проекты вечного двигателя»). Причины таких явлений вполне понятны: мы можем сколько угодно рассуждать о возможных путях происхождения жизни, но доказать их осуществимость (даже потенциальную) по всей видимости не сумеем никогда. «Наука имеет дело лишь с неединичными, повторяющимися явлениями, — пишет российский учёный, зоолог и палеонтолог Кирилл Еськов, — вычленяя их общие закономерности и частные особенности; биологическая эволюция, например, является предметом науки лишь постольку, поскольку представлена совокупностью отдельных эволюционных актов. Между тем, такие явления, как жизнь и разум, пока известны нам как уникальные, возникшие однократно в конкретных условиях Земли. И до тех пор, пока мы не разрушим эту уникальность (например, обнаружив жизнь на других планетах, или синтезировав реального гомункулуса), проблема возникновения жизни, строго говоря, обречена оставаться предметом философии, богословия, научной фантастики — всего, чего угодно, но только не науки: невозможно строить график по единственной точке. Именно поэтому большинство биологов относится к обсуждению этой проблемы с нескрываемой неприязнью: профессионалу, заботящемуся о своей репутации, всегда претит высказывать суждения в чужой для себя области» (Еськов, 2014).

Однако не следует думать, что интерес к абиогенезу пропал только по причине его уникальности невоспроизводимости. В результате длительного моделирования и экспериментирования многие учёные пришли к выводу о невозможности этого процесса не только с практической, но даже с теоретической точки зрения. Российский учёный из Института космических исследований РАН, профессор Л. Мухин на одной из конференций по проблемам происхождения жизни отметил: «Закончить я бы хотел одним любопытным фактом. Была жуткая вспышка энтузиазма в 1950-х гг. на первой конференции по происхождению жизни. После этого 90% работ по этой проблематике поддерживали эволюционную идею. Однако трудности этого вопроса оказались столь велики, что в 2006 г. число публикаций, посвященных искусственному зарождению жизни на Земле т. е., связанному с идеей творения, оказалось близко к 80%. (Таково мировоззренческое значение проблем происхождения жизни)…» (Мухин, 2009).

Даже те учёные, которые посвятили многие годы кропотливой работы разработке теории абиогенеза, коренным образом меняют своё отношение к ней. Ярким примером тому стал профессор факультета молекулярной и клеточной биологии университета в Сан-Франциско Дин Кеньон. На протяжении многих лет он являлся ярым сторонником теории абиогенеза. Совместно с биохимиком, доктором Г. Стейнманом из Пенсильванского университета он поставил себе задачу собрать все известные на тот момент данные по моделированию химической эволюции. Результаты их исследования были опубликованы в 1969 г. в фундаментальной монографии «Биохимическое предопределение». В 1972 г. эта книга была переведена на русский язык и издана под редакцией и с предисловием самого академика Александра Опарина. До настоящего момента это исследование профессора Кеньона являлось одним из основных мировых учебных пособий по абиогенезу. Долгое время Кеньон преподавал абиогенез в одном из университетов США. Однако в конце 1980-х гг. его взгляды на происхождение жизни коренным образом изменились. В ходе своих дальнейших исследований он пришёл к твёрдому убеждению в несостоятельности этой теории. С этого времени Кеньон опубликовал множество статей по критике абиогенеза, и примкнул к лагерю её оппонентов. Его примеру следуют и другие учёные.

Однако следует отметить, что остаётся достаточно много учёных, которые не согласны с таким подходом и считают, что эволюционную модель зарождения жизни не стоит столь быстро сбрасывать со счетов. Ведь наука движется вперёд и время от времени приходится слышать о новых «обнадёживающих результатах» в этой области.

Кто же из них прав? С какими проблемами мы сталкиваемся, пытаясь превратить «живые» молекулы в живые организмы? Действительно ли между живой и неживой материей существует непреодолимая пропасть? Если да, то что тогда представляет собой само явление жизни?

На эти и многие другие вопросы, связанные с гипотезами происхождения жизни, мы постарались дать ответ в этой книге. В ней вы найдёте исчерпывающую информацию о зарождении и развитии эволюционных взглядов на происхождение жизни; узнаете о достижениях и проблемах теории абиогенеза, а также тех задачах, которые ставит перед ней современная наука. Книга насыщена множеством цитат известных учёных-специалистов в области молекулярной биологии, биохимии, биофизики, микробиологии. Получив полную информацию о современном состоянии наиболее распространённых теорий и гипотез происхождения жизни, вы сможете самостоятельно сделать вывод о их месте в научной картине мира и определить, прежде всего для себя, их дальнейшие перспективы.

Книга написана на простом, доступном для неспециалиста языке, содержит множество справочной информации и разъясняет сложные определения и понятия. Издание будет полезно преподавателям и учащимся средних и высших учебных заведений, а также всем интересующимся вопросами мироздания.

1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ВЗГЛЯДОВ
НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1.1 Теории быстрого самозарождения

Начиная ещё с древних времён в мире было весьма широко распространено представление о том, что различные формы жизни постоянно самозарождаются из неживой материи. «Таковы факты, — писал Аристотель, — живое может возникать в результате не только спаривания животных, но и разложения почвы… Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием сил природы, возникая из разлагающейся земли, отбросов или из определённых частей растений».

Множество описаний спонтанного возникновения живых организмов мы находим у авторов времён позднего Рима, а также в работах, относящихся к Средневековью, в творениях выдающихся богословов и философов, в частности, Василия Великого и Альберта Великого. Василий Великий в своём «Шестодневе» утверждает, что насекомые, лягушки, угри и мыши возникают самопроизвольно, прямо из Земли, в жаркую влажную погоду: «…она [земля] производит кузнечиков в дождливое время, и тысячи других пород пернатых, носящихся по воздуху, из которых большая часть, по малости своей, не имеют и имени, но из себя же даёт мышей и жаб. Около Египетских Фив, когда в жару идёт много дождя, вся страна наполняется вдруг полевыми мышами. Видим, что угри не иначе образуются, как из тины. Они размножаются не из яйца и не другим каким-либо способом, но из земли получают своё происхождение» (Василий Великий, 2010).

В большинстве описаний спонтанного зарождения речь идет о животных, но Альберт Великий описывает также самопроизвольное зарождение различных грибов, кустарников и даже деревьев.

В XVI и XVII вв. в изучении природы произошёл резкий перелом — от философских рассуждений и непосредственного наблюдения к обдуманным систематическим исследованиям в лаборатории. Такое развитие экспериментального подхода на первых порах ничуть не поколебало представлений о спонтанном зарождении живого. Более того, помимо сообщений о случаях спонтанного зарождения, наблюдавшихся в природе, «научная» литература обогатилась прописями, иногда весьма детальными, искусственного получения различного рода живых организмов. Так, голландский учёный Ян ван Гельмонт (1579–1644) демонстрировал простой и надёжный способ получения мышей. Для этого он набивал кувшин потным бельём, добавлял туда немного пшеницы и приблизительно через три недели получал живых мышей.

Другой натуралист — Гриндель фон Ах — стал очевидцем удивительного явления самозарождения лягушки: «Хочу описать появление на свет лягушки, которое мне удалось наблюдать при помощи микроскопа. Однажды я взял каплю майской росы и, тщательно наблюдая за ней под микроскопом, заметил, что у меня сформировывается какое-то существо. Прилежно наблюдая на второй день, я заметил, что появилось уже туловище, но голова ещё казалась не ясно сформированной; продолжая свои наблюдения на третий день, я убедился, что наблюдаемое мною существо есть не что иное, как лягушка с головой и ногами. Прилагаемый рисунок всё поясняет».

Ряд сочинений XVI и XVII веков подробно описывает превращение воды, камней и других неодушевлённых предметов в пресмыкающихся, птиц и зверей.

По мнению учёных того времени, зарождение жизни происходило под действием «активного начала», или «жизненной силы» (лат. «vis vitalis»), присутствующей в воздухе, солнечном свете, речном иле и т. д. Ван Гельмонт, поясняя свои опыты по получению мышей, говорил, что активное начало содержится в человеческом поте, который проходит через пшеничную шелуху и превращает зёрна в животных.

Против теории самозарождения в XVII в. выступил итальянский биолог и врач Франческо Реди (1626–1697). В 1688 году он доказал, что «черви» (личинки мух) не могут зарождаться в мясе, как считали ранее. «В середине июля, — писал Реди, — я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них змею, в другой — немного рыбы, в третий — угрей, в четвертый — кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поместил то же самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми… Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах зачервивели; можно было видеть, как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много дней, после того как в них была положена мёртвая рыба».

Опыты Реди серьёзно поколебали господствовавшую идею самозарождения, однако к полному отказу от неё не привели. После открытия в 1676 г. А. ван Левенгуком микроорганизмов именно они стали основным объектом спора о зарождении жизни, поскольку логичным представлялось, что в первую очередь к самозарождению способны наиболее примитивно устроенные живые существа.

Разрешить этот вопрос попытался английский натуралист Джон Нидхем (1713–1781). В стеклянных колбах он готовил различные бульоны, затем кипятил их в течение нескольких минут и плотно закрывал пробками. Вскоре во всех сосудах появлялись микроорганизмы. Это привело его к заключению, что микроорганизмы способны спонтанно возникать из неживого органического вещества.

Опыты Нидхема повторил итальянский естествоиспытатель Ладзаро Спалланцани (1729–1799). Его опыты внешне не отличались от таковых Нидхема, за исключением того, что Спалланцани закрывал сосуд пробкой не после, а до кипячения, а само кипячение длилось не несколько минут, а значительно дольше — от 30 мин. до 1 ч. В таких сосудах после выдерживания в течение нескольких дней не было обнаружено никаких микроорганизмов. Спалланцани сделал вывод, что эксперименты Нидхема были недостоверными. Микроорганизмы в его настои могли попасть из воздуха (поскольку сосуды закрывали пробками после кипячения), либо погибали не все первоначально содержавшиеся клетки из-за недостаточно длительного кипячения. Спалланцани под микроскопом удалось наблюдать деление микроба на две одинаковые дочерние клетки, каждая из которых также делилась надвое. Всё сказанное позволило итальянскому учёному утверждать, что микроорганизмы возникают не в результате самозарождения, а происходят от себе подобных. Выводы Спалланцани, однако, не поколебали веры Нидхема и его сторонников в самозарождение. Нидхем объяснил отрицательные результаты, полученные Спалланцани, тем, что тот подвергал свои настои слишком жесткой обработке, в результате которой разрушалась их «жизненная сила» (Кеньон, 1972).

1.2 Крах теории быстрого самозарождения

Принимая во внимание огромный интерес к проблеме самозарождения, Французская академия наук в 1859 г. назначила специальную премию за её решение. В 1862 г. эту премию получил французский учёный Луи Пастер (1822–1895). Серией четко поставленных опытов он доказал, что микроорганизмы не возникают самопроизвольно. Особенно изящными были его опыты, проведённые в колбах с S-образными горлами. В такие колбы наливали подсахаренную дрожжевую воду. Если колбы прокипятить, а затем осторожно охладить, то они остаются стерильными неопределённо долгое время, несмотря на то, что не закрыты пробками. Если же удалить S-образный участок горла, то спустя несколько дней в такой колбе будет наблюдаться бурное развитие микроорганизмов. Через S-образное горло воздух может легко поступать в колбу, но содержащиеся в воздухе микроорганизмы задерживаются в изгибах горла, оседая на его стенках. После удаления S-образной части горла микроорганизмы прямо попадают в колбу и начинают быстро развиваться. Этим простым опытом Пастер опроверг возражение о разрушении при нагревании таинственной «жизненной силы», содержащейся в питательной среде и в обычном (непрогретом) воздухе. Он доказал, что «самозарождение» в большинстве опытов происходит в результате попадания в стерилизованные питательные среды микроорганизмов из воздуха. В присущем ему пышном стиле Пастер провозгласил: «Доктрина о самозарождении жизни никогда не оправится от смертельного удара, нанесённого этим простым экспериментом!».

Опыты Пастера произвели огромное впечатление на научную общественность того времени. Стало ясно, что живые организмы, какими бы простыми они ни были, не могут возникнуть путём самозарождения. Для многих это открытие стало своего рода доказательством существования Высшего разума. Однако поиски источника жизни на этом не прекратились.

В 1865 г. немецкий учёный Герман Рихтер предпринял попытку возродить идею космического посева, высказанную ещё в V в. до н. э. греческим философом Анаксагором. Согласно этой гипотезе, жизнь существует вечно и рассеяна в космическом пространстве в виде спор. Попадая на планеты, пригодные для жизни, они начинают прорастать и развиваться. На нашу планету семена жизни могли попасть с частичками пыли или метеоритами. Теория Рихтера получила название панспермии (греч. «pan» — всюду, «sperma» — семя) и, несмотря на то, что по сути не отвечала на вопрос первоначального происхождения жизни, сразу же завоевала большую популярность, особенно в атеистической среде.

1.3 Теория постепенного самозарождения (абиогенеза)

Примерно в это же время английский естествоиспытатель Томас Гексли (1825–1895) выдвинул другую теорию появления жизни на Земле. По Гексли, существование жизни зависит от определённых молекул, таких как молекулы углекислоты, воды и соединений азота. Эти вещества, являющиеся строительными блоками жизни, сами по себе мертвы, однако, если их собрать воедино, они дают начало протоплазме. Такое событие могло произойти в далёком прошлом, «когда Земля находилась в таких физических и химических условиях, которые нельзя увидеть снова». Теория Гексли получила название абиогенеза (греч. «a» — отрицательная приставка, «bios» — жизнь, «genesis» — происхождение).

Первоначально этой теории придерживались лишь немногие учёные. Однако на неё обратил внимание Ч. Дарвин. В 1871 г. он писал: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если даже представить себе (а это весьма большое „если“! ), что в каком-нибудь небольшом тёплом водоёме, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества образовался бы химическим путём белок, готовый претерпеть ещё более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».

В 1924 г. к теории абиогенеза обратился советский учёный Александр Опарин (1894–1980), который в своей небольшой брошюре под названием «Происхождение жизни» высказал предположение, что необходимые для жизни органические вещества могли синтезироваться в первичной атмосфере Земли из составляющих её газов под действием электрических разрядов, тепловых и ультрафиолетовых лучей и накопиться в первичном океане, превратив его в «органический бульон». В дальнейшем из этих веществ могли образоваться основные компоненты живых клеток — биополимеры (белки и нуклеиновые кислоты) и, в конечном итоге, — примитивные живые организмы. Работа Опарина по абиогенному происхождению жизни по сути мало чем отличалась от таковой Т. Гексли и не привлекла особого внимания. Весьма слабый отклик получила и аналогичная работа английского биохимика и генетика Джона Холдейна (1892–1964), опубликованная в журнале Rationalist Annual в 1929 году (Майр, 1981).

Настоящий успех гипотезы Опарина (или Опарина–Холдейна, как её ещё называют) пришёл в 1953 г., когда американские биохимики Стенли Миллер (1930–2007) и Гарольд Юри (1893–1981) сообщили о том, что в лабораторных условиях при моделировании процессов, происходивших на древней Земле, им удалось получить ряд биологически важных соединений. Суть их опыта заключалась в следующем: в реакционной колбе через смесь, содержащую метан, аммиак, молекулярный водород и пары воды (полагали, что именно таким был газовый состав первичной атмосферы), в течение недели пропускали искровые разряды напряжением 60000 В. Содержащуюся в другой колбе воду поддерживали в состоянии кипения. Пары воды проходили через реакционную колбу и конденсировались в холодильнике. В процессе циркуляции они захватывали из реакционной колбы продукты реакции и переносили их к колбе с кипящей водой. В результате эксперимента образовалась тёмная жидкость, в которой были обнаружены некоторые низкомолекулярные компоненты живого вещества: органические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная) и аминокислоты (глицин, α-аланин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты).

Новость о синтезе «молекул жизни» моментально разнеслась по всему миру и стала настоящей сенсацией. Вслед за биохимиками Чикагского университета опыты по абиогенному синтезу органических веществ начали проводить во многих лабораториях мира. Искровые разряды заменяли ультрафиолетом, ионизирующей радиацией; в смесь газов добавляли сероводород, формальдегид, метан заменяли этаном или углекислым газом, добавляли различные катализаторы и т. д. В результате были получены многие аминокислоты, жирные кислоты, сахара и азотистые основания, в том числе и характерные для живой природы. Теория абиогенеза приобрела небывалую популярность. В 1957 г. в Москве состоялся первый Международный симпозиум по вопросам происхождения жизни.

К тому времени Опарин значительно расширил свою гипотезу. Он показал, что биополимеры, которые должны были образоваться из низкомолекулярных соединений, в водном растворе при определённых условиях способны концентрироваться и образовывать коллоидные капли — коацерваты (лат. «coacervus» — сгусток). Экспериментально доказано, что капельки коацерватов могут поглощать из окружающей среды различные вещества, увеличиваться в размерах и делиться на несколько дочерних (при встряхивании или самостоятельно). При введении внутрь коацерватов ферментов происходил синтез ряда соединений (например, крахмала), как в химической пробирке. Такие процессы могли происходить и в первичном океане. По мнению Опарина, со временем появлялись коацерваты, внутри которых проходили более сложные реакции, придававшие им устойчивость (срок жизни коацерватов, полученных Опариным, длился от нескольких минут до нескольких часов, в редких случаях до нескольких суток). Коацерваты окружали себя липидным слоем, игравшим роль биологической мембраны. На каком-то этапе появились нуклеиновые кислоты, способные к самоудвоению. Нуклеиновые кислоты стали играть роль матриц для образования белков и передавать информацию другим коацерватам при делении. Благодаря этому возникло главное свойство, характерное для живого, — способность к воспроизведению подобных себе молекул.

Так в общих чертах выглядит модель происхождения жизни Опарина, получившая название коацерватной. С её появлением теория абиогенеза приобрела приемлемый вид и в конечном итоге широкое признание. Её включили в образовательную программу как единственную, научно обоснованную, теорию происхождения жизни. Это был своего рода триумф научной мысли: загадка происхождения жизни, так долго мучавшая учёных многих поколений, казалось, была разгадана…

2. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ: ВЗГЛЯД СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ

Но не следует думать, что гипотеза Опарина была безоговорочно принята всеми учёными, в том числе и эволюционистами. На первом и последующих симпозиумах, посвящённых происхождению жизни, в адрес гипотезы Опарина было высказано множество критических замечаний, заставивших усомниться в её правдоподобности.

2.1 Случайно или закономерно?

Уже на начальном этапе становления теории абиогенеза среди учёных возникли разногласия относительно того, является ли процесс образования жизни случайным или подчиняется какой-то закономерности. Опарин с самого начала подходил к рассмотрению происхождения жизни с точки зрения диалектико-материалистического учения, утверждающего, что в мире нет ничего, кроме постоянно движущейся и развивающейся материи, и что жизнь — это особая форма данного движения, которая появляется закономерно на определённом этапе эволюции материи. «Жизнь возникает всякий раз, когда для этого создаются надлежащие условия в том или ином пункте Вселенной», — писал Опарин. Таково, считал он, свойство материи (Опарин, 1956).

Однако на западе взглядов Опарина не разделяли. Неоднократно критиковали их и в Советском Союзе, особенно в 70-е гг., несмотря на то, что диалектический материализм считался официальной советской философией (Грэхэм, 1991). Закономерный характер возникновения жизни, казалось, придавал гипотезе некий мистицизм.

В свою очередь Опарин подвергал жёсткой критике представление о жизни как о результате случайных физико-химических процессов. Особенно ярко это было отмечено в статье «О сущности жизни», опубликованной в 1979 г. (за год до смерти учёного) в журнале «Вопросы философии» (Опарин, 1979). Опарин, будучи биохимиком, понимал всю сложность строения клетки и считал, что говорить о её случайном становлении в результате «игры атомов» глупо и абсурдно. В частности, он писал: «Идея случайного первичного возникновения ДНК и сейчас широко распространена в научной литературе и даже вошла в некоторые учебники по биохимии, хотя вероятность такого события не больше того, как если бы обезьяна, случайно ударяя по клавишам пишущей машинки, написала трагедию „Гамлет“ Шекспира… Современная жизнь не есть результат какой-либо „счастливой случайности“. Она возникает вполне закономерно, как новая форма движения материи в процессе её развития» (Опарин, 1979).

Но его так и не услышали. После смерти учёного споры быстро утихли, и предпочтение было отдано версии случайного происхождения жизни, хотя обосновать эту точку зрения, как и предыдущую, так никому и не удалось.

В любом случае, какой бы характер ни носил процесс зарождения жизни, стоящие перед ним проблемы будут практически одними и теми же. И первая из них — это наличие атмосферы, в условиях которой возможен синтез органических веществ живой природы.

2.2 Газовый состав первичной атмосферы

Вопрос газового состава атмосферы на древней Земле является, пожалуй, ключевым в гипотезе Опарина: от него напрямую зависит химический состав так называемого первичного бульона. Как мы уже отмечали, С. Миллер и Г. Юри в своих опытах по синтезу органических веществ использовали водород (Н2), метан (СН4), аммиак (NH3) и пары воды (Н2О). Они решили, что именно из этих газов состояла древняя атмосфера. Такой вывод был сделан на основании состава планет-гигантов Юпитера и Сатурна, как раз в те годы установленного по результатам спектрального анализа (Войткевич, 1988). Однако предположения учёных оказались неверными. Атмосферы Юпитера и Сатурна действительно содержат Н2 и в незначительных количествах СН4 и NH3, однако Земля относится к внутренним планетам Солнечной системы, для которых такой состав нехарактерен. Наиболее близкими к ранней атмосфере Земли следовало бы считать атмосферы Марса и Венеры, состоящие преимущественно из CO2.

При исследовании пород Земли никаких свидетельств существования метаново-аммиачной атмосферы найдено не было. Если бы метан находился в изобилии, то он быстро бы превратился во всевозможные углеводороды, и их модификации отложились бы в самых древних осадочных породах. Но подобных отложений там нет. Если бы в атмосфере присутствовал аммиак, то часть его быстро разложилась бы под действием УФ-волн, а другая часть растворилась бы в океане с образованием сильного основания — гидроокиси аммония. При таких условиях невозможно образование силикатов, которые в больших количествах содержатся в древних породах. Растворились бы в океане и другие предполагаемые газы (Н2S и SO2), а Н2 моментально улетучился бы в межпланетное пространство, поскольку силы тяготения Земли недостаточно, чтобы удерживать его в верхних слоях атмосферы (Крик, 2002; Фолсом, 1982). Глубинные газы первичной мантии Земли, выделившиеся при вулканических извержениях и, как считается, давшие начало первичной атмосфере планеты, содержат главным образом Н2О, CO2 и в гораздо меньших количествах N2, Н2S, SO2. Газы аналогичного состава обнаружены в метеоритах. Вся же проблема состоит в том, что различного рода манипуляции с газовыми смесями такого состава привели лишь к образованию аммиака, азотной кислоты и формальдегида. Никаких аминокислот получить не удалось (Войткевич, 1988; Юдасин, 1991; Виолован, 2001).

Ещё одной проблемой для учёных стал вопрос наличия или отсутствия в первичной атмосфере свободного кислорода. Холдейн предполагал, что атмосфера Земли была восстановительной (бескислородной), поскольку кислород моментально окислил бы всю органику, а метан и аммиак разложились бы до N2, СО2 и Н2О. Кроме того, если в атмосфере не было кислорода, то не существовало и озонового слоя, следовательно, ультрафиолет свободно достигал бы Земли, способствуя синтезу органических веществ. Однако Холдейн не учёл, что ультрафиолет с ещё большей лёгкостью разрушит только что синтезированную органику, в том числе и в воде на глубине до 10 м. Не был принят во внимание и тот факт, что под действием УФ-лучей происходит фотолиз паров воды (как сейчас над озоновым слоем атмосферы Земли), и уровень кислорода за относительно короткий период времени поднялся бы до современного (Гусев, 2004; Крик, 2002).

Сегодня это предположение находит своё подтверждение. Российский учёный из Института космических исследований РАН, профессор Л. Мухин (1933–2009), многие годы занимавшийся проблемой первичной атмосферы Земли и газового состава метеоритов, пишет: «О составе атмосферы [Земли] можно судить по газам, содержащимся в земных породах и метеоритах на период времени их формирования. Интересно, что эта атмосфера неравновесна: в ней есть полностью окисленные компоненты, такие как СО2, и есть компоненты восстановленные: нет аммиака, а есть только свободный азот. Тем не менее, эти данные приводят к выводу о том, что 3,8–3,9 млрд. лет назад не было никакой восстановительной атмосферы. Наблюдаются следы кислорода, который должен был образовываться во время высокотемпературных процессов и очень быстро реагировать с другими [веществами]. Это важно потому, что в присутствии кислорода не проходят никакие абиогенные синтезы органических соединений» (Мухин, 2009).

Поэтому на сегодняшний день сценарий восстановительной, метаново-аммиачной атмосферы считается наименее правдоподобным (Крик, 2002; Розанов, 2010; Dose, 1988; Shapiro, 1999). Тем не менее, как мы уже отметили, даже отсутствие кислорода в ранней атмосфере делает невозможным абиогенный синтез органических веществ на Земле.

2.3 Первичный бульон

2.3.1 Синтез аминокислот. Для образования важнейших биополимеров — белков и нуклеиновых кислот — первичный бульон должен содержать по крайней мере 20 аминокислот, 5 азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил), 2 сахара (рибозу и дезоксирибозу). В опытах Миллера и Юри из всех перечисленных компонентов было синтезировано только 4 аминокислоты. Причём в бульоне их оказалось всего 2% (если учитывать только L-формы, см. далее), хотя концентрации газов в смеси были неестественно высокими, а количество энергии, пропущенной через данную смесь, эквивалентно периоду в 50 млн лет пребывания на древней Земле (Фолсом, 1982). На сегодняшний день не было продемонстрировано ни одного эксперимента, в котором удалось бы получить все 20 природных аминокислот. Интересно, что в опытах в наибольших количествах синтезируются аминокислоты, не входящие в состав белков, например β-аланин и саркозин; под действием искрового разряда легко синтезируются все 7 изомеров аминокислоты с общей формулой С4H9NO2, однако ни одна из них не является компонентом белковых молекул (Майр, 1981). В связи с этим возник вопрос, почему в состав живого вошли те аминокислоты, которые труднее всего получить путём абиогенного синтеза?

2.3.2 Синтез азотистых оснований. Схожие проблемы возникают и с синтезом азотистых оснований. Например, аденин можно получить из цианистого водорода (HCN) — побочного продукта опытов Миллера и Юри — при облучении электронами полученного от линейного ускорителя газовой смеси, состоявшей из метана, аммиака и воды. Однако при чрезвычайно высоких концентрациях HCN (порядка 0,01 М) выход аденина составляет, по некоторым оценкам, всего 0,04%, причём ни в одной реакции не удалось получить чистый аденин, а лишь его производные (Ferris, 1978; Shapiro, 1995). Другое основание — цитозин при искровом разряде не образуется, а образуются только его предшественники: цианоацетилен и цианоацетальдегид. Однако если в растворе присутствуют, к примеру, аминокислоты, то они охотнее будут реагировать с ними, чем образовывать цитозин. Следовательно, прежде чем начнут накапливаться предшественники нуклеиновых кислот, исчезнут предшественники белков и другие важные соединения. (Кроме этого цианоацетилен с большим «удовольствием» прореагирует с аммиаком и циановодородом, которые в больших количествах присутствуют в колбах Миллера-Юри). Под действием УФ-излучения цитозин быстро разрушается с образованием фотогидратов и фотодимеров циклобутана (Shapiro, 1999). Выделить из конечных продуктов экспериментов, моделирующих первичную атмосферу, другие пурины, кроме аденина, не удалось. Не увенчались успехом и попытки обнаружения пиримидинов (Поннамперума, 1977; Orgel, 2004; Spirin, 2007).

2.3.3 Синтез сахаров. Что касается сахаров, то в опытах, аналогичных таковым Миллера и Юри, не удалось обнаружить даже намёков на их образование (Поннамперума, 1977). Однако был найден формальдегид, потому в качестве возможного способа получения сахаров, в частности рибозы, была предложена реакция конденсации формальдегида. Эта знаменитая реакция Бутлерова (синтез сахаров в слабощелочных водных растворах в присутствии ионов металлов) очень сложная и практически не предсказуемая. Каждый раз получаются самые разные сахара. На практике при непомерно высокой концентрации формальдегида — 0,15 М и выше, выход рибозы составляет менее 1% (Shapiro, 1988). Причём немедленно начинаются побочные реакции с другими сахарами. Из них образуется либо карамель, либо метиловый спирт и мочевина (Мухин, 2009).

Под действием УФ-лучей большая часть формальдегида превращается в пентаэритрит (Schwartz, 1993). Необходимо также учитывать, что сахара не образуются в условиях, при которых синтезируются аминокислоты и азотистые основания (Shapiro, 1984).

Американский биохимик Роберт Шапиро (1935–2011), проделавший в наше время огромное количество специальных экспериментов по абиогенному синтезу рибозы, сделал следующее заключение: «Данные, которыми мы сейчас располагаем, не подтверждают возможности синтеза рибозы в первичном бульоне, за исключением, может быть, кратких периодов, когда она могла появиться в малых концентрациях в составе сложных смесей и в условиях, в которых нуклеозидный синтез невозможен» (Shapiro, 1984).

2.3.4 Устойчивость органических соединений. Все компоненты нуклеиновых кислот по своей природе неустойчивы и легко разрушаются даже в идеальных условиях. Например, период полураспада рибозы при 0°С и рН 7 составляет 44 года, а при 100°С всего 73 минуты (Larralde, 1995). Половина образовавшегося аденина распадается за 80 лет (при 37°С), цитозина — за 340 лет (при 25°С) (Shapiro, 1995, 1999), а при повышении температуры до 100°С сроки их жизни сокращаются до 1 года и 19 дней соответственно (Levy, 1998). Поскольку физико-химические условия в первичном океане были крайне неблагоприятными для оснований и сахаров, то их предполагаемое накопление в течение миллионов лет становится маловероятным.

Те же проблемы возникают и с накоплением в «бульоне» аминокислот. Вычисления, проведённые для определения количества аминокислот, находящихся в воде в стационарном состоянии, дают очень низкие значения — порядка 10 миллионных долей грамма на литр для любой аминокислоты (Фолсом, 1982; Hull,1960). Оценив эту ситуацию, американский учёный-эволюционист, профессор К. Фолсом пришёл к заключению, что «такой водоём, конечно, не может быть „органическим бульоном“, богатым низкомолекулярными предшественниками, способным к взрывоподобному рывку, обеспечивающему развитие жизни. Скорее, это необыкновенно разбавленное „сусло“, содержащее органические соединения и немного ионов металлов» (Фолсом, 1982). Химически неверной посчитали концепцию «первичного бульона» и шведские учёные — химик Л. Силлен и геолог М. Руттен. Поскольку необходимые для синтеза биомолекул реакции направлены против химического равновесия, то их продукты в «бульоне» не могут накапливаться ни за какое время (Чайковский, 2003).

***

Основной субстанцией миллеровского бульона был дёгтеобразный нерегулярный полимер, плохо поддающийся определению. Скорее всего, именно им и был насыщен «первичный бульон», если таковой существовал вообще.

2.4 Специфические условия синтеза

В опытах Миллера и Юри образовавшиеся в аппарате под действием высоких температур вещества сразу же изолировались с помощью механизма «холодного капкана». Это предполагает, что на Земле должны были существовать области, где бы чрезвычайно высокая температура соседствовала с холодом. Однако вероятность того, что такие места были — весьма мала. Доказать их наличие не представляется возможным. В этом случае предшественники биополимеров едва ли могли достичь поверхности первичного океана, не будучи разрушены в атмосфере той же температурой, которая их создала. Это было наглядно продемонстрировано в ранних опытах авторов, в которых не использовался холодильник.

2.5 Хиральная чистота живого

Многие органические молекулы, в том числе необходимые для жизни аминокислоты и сахара обладают так называемой хиральной симметрией (от греч. «hiros» — рука), т. е. могут существовать в двух зеркально симметричных формах. Такие молекулы отличаются друг от друга тем же, чем правая рука отличается от левой. Поэтому их назвали D- и L-молекулами (от лат. «dextrо» — правый, «levо» — левый). При абиогенном синтезе, в соответствии с законами термодинамики, всегда образуется равное количество D- и L-форм органических молекул. Однако в живых организмах белки состоят исключительно из L-аминокислот, а нуклеиновые кислоты — из D-сахаров. Все клеточные механизмы настроены на восприятие именно этих изомеров. Например, при синтезе белка т-РНК связывается только с L-аминокислотой, а фермент оксидаза D-аминокислот расщепляет D-формы и оставляет нетронутыми их зеркальные аналоги. Существует определённая группа ферментов, осуществляющих так называемый энантиомерный контроль, отыскивая и уничтожая случайно образовавшиеся «неприродные» изомеры. При биосинтезе ДНК, РНК и ферментов энантиомерная конфигурация будущих звеньев контролируется очень точно: менее одной ошибки на миллиард (Аветисов, 1996). И это не случайно, поскольку включение D-аминокислот приводит к нарушению вторичной и третичной структуры белка, а L-сахаров — к образованию нуклеиновых кислот, неспособных реплицироваться (формировать комплементарные пары и двойную спираль). После гибели организмов аминокислоты и сахара утрачивают свою хиральную чистоту, образуя рацемическую смесь, содержащую 50% D- и 50% L-изомеров.

Проблему D- и L- форм по праву называют одной из самых серьёзных проблем теории абиогенеза (Яблоков, 2006). Ведь если в процессе абиогенного синтеза образуется равное количество симметричных молекул, следовательно, невозможно получить биополимеры, в которые входили бы только одни формы составляющих их молекул, т. к. химическая активность изомеров абсолютно одинакова.

На сегодняшний день предложено множество способов получения оптически чистых изомеров или их разделения (очистки) в условиях древней Земли. Одни считают, что изомеры одного вида могли синтезироваться либо под действием поляризованного света звёзд, либо радиоактивного излучения. Другие видят решение проблемы в различных химических соединениях, добавление которых влияет на конфигурацию конечных продуктов реакции. Третьи указывают на способность оптически активных минералов поглощать те или иные виды изомеров (например, известно, что кристаллы кальцита на одних гранях сильнее удерживают L-аминокислоты, а на других — D-изомеры) и т. д. (Никитин, 2013).

Однако, во-первых, во всех этих способах мы получаем лишь преобладание одних изомеров над другими, добиться 100%-й чистоты изомеров практически невозможно. Во-вторых, если оптические изомеры одного вида сформируются в одной «грязной луже», то к ним вскоре придут изомеры другого вида из другой «лужи» или из атмосферы, и в итоге мы опять получим смесь изомеров.

Учитывая всю сложность проблемы, некоторые учёные склонились к мысли, что простые органические молекулы были синтезированы в далёком космосе при неизвестных нам условиях, а затем с метеоритами попадали на землю, растворились в первичном океане (лишённом этих молекул) и образовали знаменитый органический бульон (Пичугина, 2005; Шишлова, 2000). В этой гипотезе слышится крик отчаяния, и её скорее следует рассматривать как пожелание, чем правдоподобную реальность.

Но даже если предположить, что каким-то образом на древней земле синтезировались (или попадали из космоса) все правильные изомеры, то это не будет иметь практически никакого значения, поскольку, как мы уже отмечали, с течением времени эти соединения утратят свою хиральную чистоту. В итоге мы всё равно будем иметь смесь L- и D-молекул.

2.6 Синтез белков и нуклеиновых кислот

Поскольку жизнь на уровне низкомолекулярных соединений невозможна, то их накопление было бы бессмысленным, если бы они не смогли образовать важнейшие полимеры: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Только после этого можно было бы говорить о зарождении клетки. Но вся проблема состоит в том, что до сих пор никому ещё не удалось получить ни одной молекулы белка, ни одной молекулы ДНК или РНК, имитируя всевозможные условия, которые предположительно могли существовать на древней Земле (Mills, 1993).

2.6.1 Проблемы синтеза белка. Самым главным фактором, препятствующим синтезу пептидов, являлся, как ни странно, первичный океан. При построении пептидной цепи присоединение каждого нового аминокислотного звена сопровождается выделением молекулы воды (реакция поликонденсации). Однако, согласно принципу Ле-Шателье, в водной среде предпочтение получит обратная реакция, т. е. гидролиз полимера. Для того чтобы сдвинуть реакцию в сторону полимеризации, необходим одновременный приток энергии и удаление образовавшейся воды (Майр, 1981). Но как этого добиться?