Биохимическая эволюция

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5—5 млрд. лет.

По мнению многих биологов, в далеком прошлом состо­яние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высо­кой (4000—8000 градусов по Цельсию). По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы кон­денсировались и образовали земную кору; поверхность пла­неты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подви­жек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что в те времена атмосфера была совершен­но не такой, как теперь. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород и аргон — уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной пла­неты не могло их удержать. Однако другие соединения, со­держащие (среди прочих) эти элементы, должны были удер­живаться: к ним относятся вода, аммиак, двуокись углеро­да и метан. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже ста градусов по Цельсию, вся вода, вероятно, нахо­дилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по-видимому, "восстановительной", о чем свидетельствует наличие в самых древних породах Земли металлов в восста­новительной форме, таких как двухвалентное железо. Бо­лее молодые горные породы содержат металлы в окислен­ной форме, например, трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, условием для воз­никновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстанови­тельной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.

В 1923 г. А. И. Опарин высказал мнение, что атмосфе­ра первичной Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических соображений, он полагал, что органически вещества, возможно, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих ре­акций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнеч­ная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падав­шая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океане простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масш­табы времени позволяют предположить, что в океанах по­степенно накопились органические вещества и образовался тот "первичный бульон", в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. схожую мысль вы­сказал Дарвин: "Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время, но если (ох, какое это большое "если") представить себе, что в ка­ком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозмож­ные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т. п. образовался бы химическим пугем белок, готовый претерпеть еще 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 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моде­лировал условия, предположительно существовавшие на пер­вобытной Земле. В созданной им установке (рис. 2), снаб­женной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значе­ние, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые саха­ра, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержа­лась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведен­ные с использованием установки Миллера, в которую, од­нако, поместили смесь CO₂ и Н₂О и только следовые коли­чества других газов, дали такие же результаты, какие полу­чил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое призна­ние, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохи­мической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не при­шли к единому мнению о деталях этого процесса.

Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов — притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти ком­плексы могут обособляться от всей массы воды, в которой они суспендированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной среды — про­цесс, называемый коацервацией (от лат. сгусток, куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способ­ны обмениваться с окружающей средой веществами и изби­рательно накапливать различные соединения, в особеннос­ти кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава "бульона" в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло сырье для "биохимичес­кого естественного отбора".

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реак­ции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коа­церватами и внешней средой выстраивались молекулы ли-пидов (сложные углеводы), что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способности к самовос­произведению и внутренней перестройке покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагмента­ция, возможно, вели к образованию идентичных коацер­ватов, которые могли поглощать больше компонентов сре­ды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая продол­жительная последовательность событий должна была при­вести к возникновению примитивного самовоспроизводя­щегося гетеротрофного организма, питавшегося органичес­кими веществами первичного "бульона".

Хотя эту гипотезу происхождения признают очень мно­гие ученые, астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул "столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронес­шийся над местной свалкой, может привести к сборке Боинга-747". Самое трудное для этой теории — объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведе­нию. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.

Существенным недостатком старых гипотез о возник­новении жизни на Земле, и в частности гипотезы академи­ка А. И. Опарина, является то, что они не опираются на современную молекулярную биологию. Впрочем, это вполне естественно, так как механизм передачи наследственных признаков, и в частности роль ДНК, стал в известной сте­пени ясным только сравнительно недавно.

Как произошел качественный скачок от неживого к жи­вому, гипотеза А. И. Опарина совершенно не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики, может по­мочь решению этой важнейшей, основной проблемы. Не­которые пути ее решения уже намечаются. Важным вопро­сом является возможность синтеза ДНК в естественных ус­ловиях "первобытной" Земли.

Итак, центральной проблемой происхождения жизни на земле является реконструкция эволюции механизма наслед­ственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал дей­ствовать механизм репликаций (Репликация — механизм копирования генетического материала). Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических со­единений — это еще не живой организм. Ведь последний, даже в простейших случаях — это отлично налаженный меха­низм, способный к репликации. Можно, конечно, пред­положить, что при каких-то исключительно благоприятных обстоятельствах где-то на Земле возникла некая "праДНК", которая к послужила началом всему живому на Земле. Вряд ли, однако, это так, если гипотетическая "праДНК" была вполне подобна современной. Дело в том, что современная ДНК сама по себе совершенно беспомощна. Она может фун­кционировать только при наличии белков-ферментов. Думать, что чисто случайно, путем "перетряхивания" отдель­ных белков — многоатомных молекул — могла возникнуть та­кая сложнейшая машина, как "праДНК" и нужный для ее функционирования комплекс белков-ферментов, — это зна­чит верить в чудеса. Куда, например, более вероятно пред­положить, что какая-нибудь мартышка, беспорядочно бара­баня по клавиатуре пишущей машинки, случайно напечата­ет, например, 66-й сонет Шекспира.

Английский биолог Ф. Крик, расшифровавший код ДНК и получивший за это Нобелевскую премию, считает, что "если это не фантазия, то Мыслящее Существо (Homo sapiens) служит только орудием, упаковкой, неким космобусом для распространяющегося Истинного Разума, скры­вающегося в разумной и победоносной крупинке рибонуклеиновой кислоты. Это ДНК творит цивилизацию! Наше тело и разум вместе с их физическими и духовными "усили­телями" — это только орудия того (занесенного, очевидно, несколько миллионов лет назад на нашу Землю) Зароды­ша, который имеет задачу овладеть нашей Галактикой или нашей частью Вселенной. А в дальнейшем будущем — встре­ча с Теми, которые его занесли на нашу Землю. Однако это только "фантастическая гипотеза". Речь в этой гипотезе идет о внеземных существах, сеющих семена жизни в различных частях Вселенной, чтобы в конечном счете господствовать над ней. Доводом в пользу этой довольно-таки фантасти­ческой гипотезы служит наличие в белке молибдена в коли­честве непропорционально большем, чем имеется его на Земле, что может свидетельствовать о космическом генези­се ДНК и жизни на нашей планете. При таком подходе человек является в определенном смысле искусственным зна­ком, запрограммированным космическим сообщением, до­казывающим возможность жизни в космосе.

Мы еще раз должны подчеркнуть, что центральная про­блема возникновения жизни на Земле — объяснение каче­ственного скачка от "неживого" к "живому" — все еще да­лека от ясности. Недаром один из основоположников со­временной молекулярной биологии проф. Крик на Бюраканском симпозиуме в сентябре 1971 г. сказал: "Мы не ви­дим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни — чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании".

В связи с возможностью синтеза живого вещества (не обязательно разумного) из неживого возникает большое количество острых проблем. Так, И. С. Шкловский пишет, что "коль скоро не существует принципиального различия между жизнью естественной и жизнью искусственной, нельзя исключить возможность того, что жизнь на некото­рых планетах может иметь искусственное происхождение. Небезынтересно в порядке гипотезы обсудить возможность занесения живых спор и микроорганизмов во время посе­щения безжизненной планеты недостаточно стерилизован­ным инопланетным космическим кораблем. Можно также высказать гипотезу гораздо более радикального свойства:

жизнь на некоторых планетах могла возникнуть как резуль­тат сознательного эксперимента высокоорганизованных кос­монавтов, некогда посетивших эти планеты, которые в те времена были безжизненны. Можно даже предположить, что подобное "насаждение жизни", так сказать, "в плано­вом порядке" является нормальной практикой высокораз­витых цивилизаций, разбросанных в просторах Вселенной. Вместо того, чтобы пассивно ожидать "естественного", са­мопроизвольного возникновения жизни на подходящей пла­нете — процесса, возможно, весьма маловероятного, вы­сокоразвитые галактические цивилизации как бы планомер­но сеют посевы жизни во Вселенной... Если это так, то вероятность обитаемости планетных систем в Галактике мо­жет быть увеличена на много порядков. Наконец, чтобы быть последовательным, нужно еще учитывать возможность заселения планет, на которых существуют подходящие ус­ловия, разумными существами — искусственными или ес­тественными".

В интервале времени между 4,6 и 3,83 млрд. лет назад на Земле возможны были два события: 1) химическая эво­люция привела к спонтанному зарождению жизни; 2) на нашей планете жизнь возникла благодаря панспермии, семена жизни проросли при благоприятных физических условиях. Английские астрономы Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх приводят аргументы в пользу второго события. Прежде всего против первого события свидетельствует проблема возник­новения присущего жизни объема информации, которая специфична в качественном отношении и характеризуется астрономическими числами в количественном отношении. Действительно, хорошо известно, что имеется порядка 1000—2000 ферментов, играющих центральную роль в жиз­недеятельности организмов, начиная с простых микроорга­низмов и кончая человеком. Расчеты показывают, что ве­роятность получить, например, сто ферментов равна 20¹⁰⁰⁰, а это превышает число атомов, содержащихся во всех звез­дах Вселенной. Поэтому первое событие оказывается не­возможным, представляется более вероятной возможность осуществления второго.

Следующим соображением служит факт прекрасного со­ответствия общего элементарного состава комет содержанию элементов живой материи. Кроме того, кометы содержат воду и органическое вещество, являющееся превосходной питательной средой для некоторых видов микроорганизмов. Исследования комет показали, что в них неопределенно долго могут сохраняться почти все формы микроорганиз­мов, известных в настоящее время на Земле. Согласно ги­потезе Ф. Хойла и Ч. Викрамасингха, наша планета ежегод­но получает более 10¹⁸ спор как остаток кометного материа­ла, рассеянного в Солнечной системе. Таким образом, именно кометы принесли на Землю органические молеку­лы, способствовавшие возникновению на ней жизни. Бо­лее того, к нам до сих пор продолжают поступать из космоса живые организмы в виде бактерий и вирусов. Необходимо отметить, что данная гипотеза не пользуется большой по­пулярностью среди представителей мира науки.

В настоящее время Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх исхо­дят из существования Высшего разума, который является частью космоса. В качестве основополагающего тезиса бе­рется положение о том, что жизнь как на Земле, так и во­обще где-либо во Вселенной не может возникнуть случай­но. Чтобы объяснить накопленные факты в различных на­учных дисциплинах, начиная с космологии и кончая био­логией, необходимо выбрать один из альтернативных вари­антов: либо жизнь представляет собой акт преднамеренного творения, либо для вечной и безграничной Вселенной ха­рактерно неизменное постоянство картин жизни. Приня­тие первого варианта приводит современные космологичес­кие представления к отождествлению с библейскими исти­нами и вносит акт творения в царство эмпирической на­уки. Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх не приемлют представле­ния о Творце, находящемся вне Вселенной, где когда-то вполне естественным путем возник Высший разум, кото­рый значительно превосходит человеческий и который со­творил жизнь.

В то же время в XX в. получает мощное развитие и хорошее эмпирическое и теоретическое обоснование возрож­денная на новом уровне, в новой форме доктрина о спон­танном возникновении жизни из неживой материи, причем существуют многочисленные варианты абиогенеза. Эта хи­мическая концепция происхождения жизни не может не считаться с тем фундаментальным положением, что гене­зис жизни представляет собой закономерный этап в общем развитии Вселенной. Круг вопросов, связанных с идеей о космическом характере жизни, получил серьезное обосно­вание в трудах В. И. Вернадского и занимает одно из цен­тральных мест в современной науке. В своих "Философ­ских мыслях натуралиста" наш соотечественник подчерки­вает, что если в самых различных философских системах воп­рос о космической природе жизни ставился и ставится мно­гократно, то сейчас он должен быть поставлен и в науке. И действительно, многие научные дисциплины: космология, астрофизика, космохимия, планетология, биофизика и другие — дают основания для вывода о том, что жизнь пред­ставляет собой результат естественной эволюции Вселенной, что живые структуры многочисленными нитями связаны с ближайшим и дальним космосом, что нет необходимости при­бегать к помощи сверхъестественного разума в объяснении происхождения жизни.