000
ОтложитьЧитал
Глава 9. Происхождение жизни
О том кто придет к вам если вы все еще кипятите, и причем тут бульон и пицца с майонезом
Существует две основных точки зрения на происхождение жизни.
Креационизм утверждает, что первоначальная жизнь создана Богом-Творцом. В дальнейшем, по теории биогенеза, живое может происходить только от живого.
Теория абиогенеза постулирует возможность самопроизвольного возникновения жизни из неживой материи.
Биогенез креационизма не нуждается в доказательствах, поскольку это религиозная концепция. Атеистический абиогенез претендует на научность, поэтому рассмотрим, насколько его претензии обоснованы.
Возникновение жизни абиогенным путем обычно представляют в виде трехэтапного процесса.
Первый этап. Образование органических веществ из неорганических под воздействием физических факторов среды.
В 1950-х годах Стенли Миллер и Гарольд Юри провели серию экспериментов на установке, воспроизводящей гипотетические условия древней Земли. Одна из колб установки содержала смесь предполагаемых атмосферных газов, через которую пропускали электрические разряды, имитирующие молнии. В другой колбе содержалась подогреваемая вода, имитирующая океан. Колбы соединялись трубками, обеспечивающими отвод испарений воды в «атмосферу» и их возврат в «океан» в виде конденсата.
«По прошествии нескольких суток Стенли Миллер вскрыл установку и обнаружил в воде разнообразные органические молекулы, в том числе простейшие аминокислоты (глицин, аланин), сахара (глицеральдегид, гликолевый альдегид) и органические кислоты (уксусную, молочную), характерные для живых организмов. Последующие экспериментаторы, варьируя условия и совершенствуя методы анализа, расширили набор продуктов в таком синтезе. Были получены многие аминокислоты, пуриновые основания – аденин и гуанин (они появляются, если в смесь газов добавить синильную кислоту), четырех- и пятиуглеродные сахара. В целом можно было считать, что большинство необходимых для жизни молекул синтезируются абиогенно в условиях древней Земли» (Никитин М., Происхождение жизни, 5).
Органические вещества – это вещества, относящиеся к углеводородам или их производным. Название органические вещества появилось на ранней стадии развития химии во времена господства виталистических воззрений, продолжавших традицию Аристотеля и Плиния Старшего о разделении мира на живое и неживое. В 1807 году шведский химик Якоб Берцелиус предложил назвать вещества, получаемые из организмов, органическими, а науку, изучающую их, – органической химией. Считалось, что для синтеза органических веществ необходима особая «жизненная сила» (лат. vis vitalis), присущая только живому, и поэтому синтез органических веществ из неорганических невозможен.
Это представление было поставлено под сомнение Фридрихом Велером. В 1824 году он синтезировал щавелевую кислоту из дициана. Затем в 1828 году Велер осуществил синтез мочевины из неорганических солей цианата калия и сульфата аммония. Щавелевая кислота и мочевина долгое время считались органическими соединениями, встречающимися только в живых организмах. За экспериментами Велера последовало множество других, в которых все более сложные органические вещества производились из неорганических без участия какого-либо живого организма. Однако деление веществ на органические и неорганические сохранилось в химической терминологии по сей день.
Что же касается опыта Миллера-Юри, то в нем изначально использовались органические соединения. Например, в качестве основы, составляющей «атмосферу», применялся метан, одно из простейших органических веществ. Поэтому и результат эксперимента в виде производных органических соединений не является чем-то удивительным. Достаточно ли подобной смеси органических веществ для возникновения жизни? Ответ скорее отрицательный.
По этой причине ученые продолжают поиск альтернативных реакций для получения на выходе более адекватного набора органики. Наиболее перспективным в этом отношении считается цианосульфидный протометаболизм, заявленный в 2009 году Джоном Сазерлендом. Командой Сазерленда разрабатывается механизм каскада химических реакций с участием синильной кислоты, сероводорода, цианамида и ацетилена под переменным воздействием света, в результате чего синтезируется большой набор биологических молекул, включая четыре нуклеотида (A, G, C, T) и ряд аминокислот. Химики еще не до конца выяснили все ключевые этапы этой сложной сети реакций. Поиск решений продолжается.
Второй этап. Образование сложных биополимеров из простых органических соединений.
В 1920-х годах советский биолог Александр Опарин (сторонник лжеученого Трофима Лысенко) выдвинул гипотезу, 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. Это собранные вместе органические вещества, которые условно отделяются от внешней среды и начинают поддерживать с ней обмен веществ. Процесс коацервации – расслоения раствора с образованием коацерватов – является предшествующей стадией коагуляции, т.е. слипания мелких частиц. По мнению Опарина, именно в результате этих процессов из «первичного бульона» появились аминокислоты – основа живых организмов.
Примерно в то же время Джон Холдейн предложил идею, что вместо коацерватов образовывались макромолекулярные вещества, способные к воспроизводству. Холдейн считал, что первыми такими веществами были не белки, а нуклеиновые кислоты.
Британский биолог Ричард Докинз предположил, что «органические вещества стали концентрироваться в отдельных участках, вероятно в высыхающей пене по берегам, или же в крошечных суспендированных капельках. В результате дальнейшего воздействия энергии, такой, как ультрафиолетовое излучение Солнца, они объединялись в более крупные молекулы. В наши дни большие органические молекулы не могли бы сохраняться достаточно долго, чтобы оказаться замеченными: они были бы быстро поглощены или разрушены бактериями или другими живыми существами. Но бактерии и прочие организмы появились гораздо позднее, а в то далекое время большие органические молекулы могли в целости и сохранности дрейфовать в густеющем бульоне» (Докинз Р. Эгоистичный ген, 2).
Позднее было установлено, что водная среда «первичного бульона» не подходит для реакций образования белков из аминокислот или РНК и ДНК из нуклеотидов. Эти реакции протекают с выделением воды, которая настолько сильно разбавляет «бульон», что химическое равновесие сдвигается в сторону распада длинных полимерных молекул. Кроме того, отсутствие границ в «бульоне» мешает процессу кооперации РНК. Для устранения этой проблемы ученые выдвинули два варианта решения: модель «первичной пиццы», в которой предполагается возникновение биополимеров на поверхности глины, а также модель «первичного майонеза», в которой предполагается возникновение биополимеров внутри жировых пузырьков (Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки, 6).
Поскольку ДНК невозможно получить без белка, а белок невозможно получить без ДНК, то в современном научном сообществе получила признание гипотеза мира РНК, согласно которой из первичного органического вещества сначала возникает набор РНК, способных копировать друг друга. Далее предполагается, что РНК-рибозимы способны стать катализатором возникновения белка, а затем и синтеза ДНК.
На настоящий момент проблемы абиогенного синтеза РНК и ДНК экспериментально не решены, хотя есть определенные успехи по химическому получению некоторых их составляющих.
В любом случае, на этом этапе не идет речь о возникновении жизни. Коацерваты не могут обладать генетической информацией, обеспечивающей их воспроизводство и копирование, поэтому не являются живыми организмами.
Третий этап. Возникновение в коацерватах липопротеидных мембранных структур и избирательного обмена веществ и формирование пробионтов — первых примитивных гетеротрофных живых организмов, способных к самовоспроизведению; начало биологической эволюции и естественного отбора.
Ричард Докинз представляет это себе так:
«В какой-то момент случайно образовалась особенно замечательная молекула. Мы назовем ее Репликатором. Это не обязательно была самая большая или самая сложная из всех существовавших тогда молекул, но она обладала необыкновенным свойством – способностью создавать копии самой себя. Может показаться, что такое событие вряд ли могло произойти. И в самом деле, оно было крайне маловероятным. В масштабах времени, отпущенного каждому человеку, события, вероятность которых так мала, следует считать практически невозможными. Именно поэтому вам никогда не удастся получить большой выигрыш в футбольной лотерее. Но мы, люди, в своих оценках вероятного и невероятного не привыкли оперировать сотнями миллионов лет. Если бы вы заполняли карточки спортлото еженедельно на протяжении ста миллионов лет, вы, по всей вероятности, сорвали бы несколько больших кушей» (Докинз Р. Эгоистичный ген, 2).
Однако реальность не так примитивна, как в мечтах некоторых атеистов. Михаил Никитин более правдив и более пессимистичен:
«Через несколько лет после опытов Миллера была открыта двухспиральная структура ДНК, и началось бурное развитие молекулярной биологии. За 10—15 лет был расшифрован генетический код (таблица соответствия между последовательностями ДНК и белков), изучены механизмы копирования ДНК и обмена ее участками. Стал понятен путь передачи наследственной информации в клетках (ДНК → РНК → белки), носящий название „центральная догма молекулярной биологии“, и открыты многие другие детали функционирования клеток. Стало понятно, что живые клетки не так просты, как казалось во времена Опарина, и пропасть между живым и неживым стала казаться совсем непреодолимой» (Никитин М. Происхождение жизни, 5).
Далее Никитин выделяет три крупных затруднения абиогенеза:
– клетка, способная к размножению, имеет неупрощаемую сложность. Для случайного образования такой клетки, даже чисто теоретически, требуется гигантское время, на много порядков больше возраста Вселенной;
– живая материя состоит из оптических изомеров определенного типа, тогда как во всех абиогенных синтезах получаются левые и правые изомеры в равных долях, а сделанные из такой смеси цепочки белков и РНК имеют беспорядочную укладку и не способны выполнять никакие биологические функции. Для получения чистых оптических изомеров в клетках нужны ферменты из хотя бы 50—100 аминокислот одной оптической формы, которые невозможно получить из смеси двух оптических форм аминокислот;
– анализируя состав атмосферы Венеры и Марса, ученые сделали вывод о составе древней атмосферы Земли (95—98% углекислого газа, 2—4% азота и малые доли других газов). Используя подобную газовую смесь в опытах с аппаратом Миллера, не удалось получить никакой органики.
Нас пытаются уверить, что самопроизвольное возникновение жизни из неживой природы хотя и маловероятное, но реальное событие. Загвоздка в том, что нет никаких оснований считать эту вероятность выше нуля. Многочисленные научные опыты оказались неэффективны – получить живую материю из неживой не получается.
Но раз этого не смогли достичь за много лет множество ученых в целенаправленных опытах, то могло ли это произойти само по себе и случайно?
Глава 10. Сохранность жизни
О том почему жизнь так хрупка, а среда ее обитания столь враждебна
Возможность абиогенеза остается недоказанной, и эта задача в обозримом будущем вряд ли будет решена. Но над проблемой абиогенного происхождения жизни продолжают биться лучшие научные умы, не смотря на отсутствие малейших намеков на успех. Зачем же они тратят столько сил и ресурсов на практически безнадежную затею?
Причин здесь две. Во-первых, пока проблема абиогенеза остается нерешенной, вполне закономерным и неизбежным является допущение Божественного вмешательства в возникновение жизни. Во-вторых, абиогенез как «химическая эволюция» является начальным этапом, предваряющим теорию биологической эволюции, а если абиогенез невозможен, то этим подрывается доверие и к дарвинизму. Действительно, как может продолжаться то, что не может начаться?
Проблема усугубляется тем, что кроме задачи «возникнуть» биологическая жизнь должна обеспечить свою сохранность.
В реальных условиях ДНК и РНК непрерывно подвергаются приводящим к повреждениям и нарушениям структуры разрушительным воздействиям, таким как:
– термодинамические флуктуации;
– окислительные повреждения;
– повреждения от воздействия ультрафиолета;
– радиационные повреждения;
– химические повреждения.
Поэтому любой геном снабжен системой репарации, то есть механизмом восстановления после повреждений.
Система репарации ДНК постоянно отслеживает и устраняет повреждения этой матричной молекулы. В роли «ремонтников» выступают несколько сотен белков и ферментов репарации. У всех организмов система репарации ДНК является сложной неупрощаемой структурой.
Система репарации у РНК в принципе отсутствует. РНК восстанавливается по структуре ДНК-матрицы. По этой причине крайне фантастически выглядит гипотеза первичного мира РНК, будто бы способного существовать без ДНК.
Столь же невозможным является первичный мир ДНК без полностью функционирующей белково-ферментной системы репарации. Даже если какая-то ДНК или РНК невероятным случайным образом возникнет, то проживет она весьма недолго. Не настолько долго, чтобы успеть синтезировать все необходимые специфические белки и ферменты, которые бы обеспечили четко работающий механизм восстановления. Отсутствие системы репарации ДНК неизбежно приведет к деградации ДНК, и она перестанет быть таковой. Столь же печальная участь ждет и одинокую РНК.
Поскольку появление белков и ферментов немыслимо без существования ДНК и РНК, то естественным и безальтернативным выводом будет заключение об их одновременном создании, причем сразу в готовом виде. В рамках концепции абиогенеза обосновать подобный вариант, мягко говоря, затруднительно.
Поэтому не вызывает удивления, что глубоко погруженные в эту тему ученые настроены пессимистично, а некоторые и вовсе приходят к разочарованию.
Так случилось, например, с американским профессором биологии Дином Кеньоном. Он стал всемирно известным специалистом по абиогенезу благодаря фундаментальному труду «Биохимическое предопределение» (1969), написанному в соавторстве с Гэри Стейнманом. В этой книге доктора наук Кеньон и Стейнман свели воедино все известные на тот момент данные по моделированию химической эволюции. Авторы полагали, что если они соберут все имеющиеся научные разработки по абиогенезу и систематизируют их, то проблема самопроизвольного зарождения жизни автоматически снимется.
Это исследование было выполнено на весьма высоком уровне, и «Биохимическое предопределение» стало своего рода классикой учебных пособий по абиогенезу. Не потеряло оно актуальность и в наши дни, занимая почетное место в библиотеках с биологическим уклоном. Только тайна происхождения жизни путем абиогенеза так и осталась нераскрытой.
Не найдя ответов, Дин Кеньон заинтересовался критической литературой по этому вопросу. Через некоторое время он пришел к убеждению о невозможности абиогенеза и перешел в стан креационистов.
После этого Кеньон не перестал следить за текущими идеями сторонников химической эволюции. Во всяком случае, он отреагировал на современную гипотезу о происхождении жизни из РНК скептической статьей «Мир РНК: критика» (Kenyon D. The RNA World: A Critique, 1996).
Но наука не стоит на месте. Ученые постоянно генерируют новые идеи, выдвигают альтернативные гипотезы, подводят под них доказательства. К примеру, академик РАН и доктор биологических наук Александр Спирин опубликовал статью «Когда, где и в каких условиях мог возникнуть и эволюционировать мир РНК?» (Палеонтологический журнал, 2007, №5, с. 11—19). Основной вывод светила российской науки таков: возникновение, существование и эволюция мира РНК в клеточные формы жизни в условиях Земли невозможно. Замечательная в своем роде новость, только вряд ли она добавляет оптимизма сторонникам абиогенеза.
Впрочем, Спирин не только разочаровывает своих соратников печальными умозаключениями, но и дает надежду. По его мнению, клеточная жизнь зародилась в открытом космосе и привнесена на нашу планету посредством близко пролетавшей кометы.
Вот вы наверно улыбаетесь. А человек-то мыслил логически. Попробуйте представить, как рассуждал наш академик: «Жизнь не может самозародиться на Земле… Значит где она появилась? Конечно в космосе! Где же еще? Больше негде».
Находясь здесь на Земле, в невыносимых для жизни условиях, возможно, мы просто не представляем, какие сказочные перспективы для науки открывают бескрайние просторы Вселенной.
Глава 11. Неупростимая сложность бытия
О том отчего жизнь не может быть проще
Среди доводов креационистов особое место занимает аргумент неупрощаемой или нечленимой сложности (англ. Irreducible complexity) некоторых биологических систем.
Впервые понятие «неупрощаемая сложность» ввел в научный оборот биолог Майкл Кац, опубликовав в издательстве Кембриджского университета монографию «Образцы и объяснение сложных структур» (Katz M. Templets and the Explanation of Complex Patterns, 1986). В дальнейшем этот термин был популяризирован профессором биохимии Майклом Бихи благодаря его книге «Черный ящик Дарвина» (Behe M. Darwin’s Black Box, 1996) и другим публикациям.
Под неупрощаемо сложной системой подразумевается совокупность нескольких хорошо соответствующих друг другу взаимодействующих частей, одинаково важных для выполнения основных функций системы, так что удаление любой из этих частей делает систему неработоспособной.
В качестве иллюстрации к такой системе Майкл Бихи приводит пример мышеловки, состоящей из нескольких простых деталей, каждая из которых выполняет существенную функцию. Удаление любой из этих важных деталей превращает конструкцию в бесполезную кучу хлама. Таким образом, сложность мышеловки не может быть упрощена без потери функционирования.
Применительно к формам жизни неупрощаемая сложность отдельных биологических объектов ставит вопрос о возможности их абиогенного или эволюционного происхождения, ведь в неполном составе такая система или орган либо не будет функционировать вообще, либо начнет приносить ущерб, так что организм не сможет выжить в условиях естественного отбора.
В самом деле, если биологическая система исключает возможность ее безболезненного упрощения, то как у нее может быть эволюционный предшественник?
Майкл Кац отмечает:
«Уникальной чертой организмов является характеристика формы. Первая из них – сложность. Клеткам и организмам присуща сложность по всем критериям формы. Они состоят из гетерогенных элементов, образующих гетерогенные конфигурации и не способных к самоорганизации. Невозможно перемешать части клетки или организма и спонтанно собрать нейрон или моржа: для появления клетки или организма изначально должна существовать клетка или организм с присущими им сложными формами. Основополагающей характеристикой биологического мира является сложность организмов, и для появления жизни необходимы максимально сложные конструкции.
[…] Некоторые природные феномены невозможно разложить на более мелкие компоненты. В данных случаях действует правило, аналогичное правилам «порядок производит порядок», «сложность производит сложность»» (Katz M. Ibid., p. 83, 90).
Концепция о существовании биологических систем неупрощаемой сложности в первую очередь относится к ключевым биохимическим структурам. Пожалуй, самой важной структурой этого рода является клетка.
Раньше происхождение жизни и клетки ученые представляли довольно упрощенно. На это указывает примитивизм опытов а-ля Миллер-Юри. Однако чем больше наука узнавала о строении клетки, тем в большей степени недостижимым представлялось решение проблемы абиогенеза.
Биохимик, академик РАН, профессор Владимир Шувалов высказался об этом так:
«Теория Дарвина хороша как раз для понимания того, как из одиночных клеток в зависимости от условий среды начали образовываться организмы. Похоже, такая эволюция шла. Но вот появление на свет самой клетки с ее законченным аппаратом, в котором есть все – и ДНК, и рибосомы для синтеза белка, и мембраны, в которых происходит преобразование энергии, – загадка. Насчет Создателя ничего не могу сказать, но очень похоже, что что-то такое было… Мы не находим промежуточного этапа при эволюции, скажем, от вируса к живой клетке. Его нет. И потом: бактерия появилась 3,7 млрд. лет назад, а сама Земля – 4,5 млрд. лет назад. На эволюцию клетки оставалось совсем мало времени. А ведь клетка – это самое сложное» (Наука в конце туннеля // МК, 08.02.2007).
Доподлинно неизвестно, когда на Земле появилась первая клетка, и каким путем она возникла. Английский биолог-эволюционист Томас Кавалье-Смит продвигает гипотезу об общем предке клеток прокариот, архей и эукариот. Этот предок-cenancestor представляется чем-то вроде бактерии (Cavalier-Smith T. Cell evolution and Earth history: stasis and revolution // Biological Sciences, 2006, №361, p. 969—1006).
Такая точка зрения игнорирует возможность того, что бактерии и вирусы – это не источник жизни, а следы ее деградации и распада. Кроме того, для подтверждения идеи эволюции клетки требуются промежуточные звенья, а они не обнаружены.
Предок клетки, если он возможен, должен включать два обязательных элемента: геном и мембрану. Геном содержит наследственную информацию в виде молекул, способных к саморепликации. Мембрана представляет собой определенного рода оболочку, которая ограждает внутреннее содержимое клетки от окружающей среды.
На роль саморепликативных молекул лучшего кандидата, чем РНК пока не нашлось. Однако проблемность существования мира РНК все еще не решена.
Также неизвестно из каких веществ были построены мембраны первых клеток. На текущий момент предполагается, что в их качестве могли выступать пузырьки жирных кислот (Chen I. The Emergence of Cells During the Origin of Life // Science, 2006, v. 314, is. 5805, p. 1558—1559).
Насколько можно понять, гипотезу эволюции клетки нет оснований считать пусть даже вчерне завершенной.