Каково происхождение жизни на Земле.

Из всех загадок биологии самая

непостижимая - это, безусловно,

возникновение жизни на Земле

Гордон Рэтрей Тэйлор¹

Земная поверхность буквально кишит живыми организмами, начи­ная от бактерий диаметром всего лишь 1/2000 миллиметра и за­канчивая гигантскими секвойями высотой в 100 метров. В живот­ном мире первенство держат огромные голубые киты длиной в 30 метров, которые, возможно, являются самыми массивными животными, когда-либо жившими на Земле. Кандидатом на звание самого большого «растения» мо­жет служить подземный гриб в штате Вашингтон, покрывающий террито­рию в 600 гектаров. Итак, перед нами стоят важнейшие вопросы всех вре­мен: когда, как и где зародилось это великое разнообразие живых существ? В этой главе мы рассмотрим концепции возникновения жизни на Земле. Образование таких сложных биологических молекул, как белки и ДНК, в условиях первобытной Земли представляется весьма затруднительным, а вероятность самопроизвольного возникновения даже самой простой клет­ки вообще равна нулю.

ИСТОРИЧЕСКАЯ ПЕРСПЕКТИВА

От древности и вплоть до относительно недавнего времени мало кто со­мневался в том, что различные формы жизни возникают самопроизвольно из неживой материи. Казалось бы, наблюдения подтверждали, что блохи и вши появляются на телах людей и животных сами по себе, жабы возни­кают прямо из грязи, стоячая вода производит по,чти бесконечное разно­образие водорослей и мелких животных, моль образуется в тумане, а чер­ви — в гнилых плодах. В стародавние времена учили, что разнообразные черви-паразиты, такие, как ленточные глисты, появляются в телах людей

 

 

и животных самопроизвольно. Родоначальник химии Ян Баптист ван Гель-монт (1579 — 1644) сообщал, что он собственными глазами наблюдал воз­никновение скорпиона из базилика, раздавленного между двумя кирпича­ми. Кроме того, он разработал формулу получения мышей². Если вы поло­жите старое тряпье и немного пшеницы в кувшин и спрячете его на какое-то время в амбаре или на чердаке, то в конце концов там обязательно по­явятся мыши! Данный эксперимент повторяют до сих пор и с теми же ре­зультатами. Однако сейчас мы истолковываем их иначе. Эксперимент Гель-монта — всего лишь один из многочисленных примеров, которые обуслов­ливали процветание концепции самопроизвольного зарождения жизни. И подобных наблюдений, подкрепляющих это убеждение, могло быть сколько угодно. Любой желающий может найти червяков в яблоках, жаб в тине и т.д. Наука зря времени не теряла, и усомниться в самопроизволь­ном зарождении было все равно что поставить под сомнение собственное здравомыслие.

Тем не менее скептики не переводились, и с XVII по XIX век этот вопрос оставался в центре ожесточенной борьбы. Одним из ключевых ее участни­ков был Франческо Реди (1626 — 1697), врач из итальянского города Арец-цо, прибегший к экспериментальному подходу. Людям давно было извест­но, что безногие личинки мух развиваются в тухлом мясе. Реди³ экспери­ментировал с останками самых разных животных, включая змей, голубей, рыб, овец, жаб, оленей, собак, кроликов, коз, уток, гусей, кур, ласточек, львов, тигров и волов. Его поразил тот факт, что неизменно появлялись мухи одного и того же вида независимо от типа мяса. Ему было известно также, что летом охотники защищают свою добычу от мух с помощью плотной тка­ни, и у него возникло подозрение, что источником личинок могут быть сами мухи. Чтобы проверить эту догадку, он поместил мясо частью в закрытые кувшины, а частью в открытые, но покрытые тонкой марлей. Поскольку ли­чинки не появлялись в разлагающемся мясе, он сделал вывод, что мясо не было непосредственным источником личинок, а лишь служило местом раз­множения мух.

Однако эксперименты Реди не дали ответа на главный вопрос. Противо­стояние продолжалось в течение последующих двух веков. Другие экспе­рименты давали противоречивые результаты. Исследователи по-разному ис­толковывали одни и те же результаты, каждый отталкивался от своих соб­ственных предпосылок. Даже еще большее признание концепция самопро­извольного зарождения получила в начале XIX в.⁴. Прежде всего ученые пы­тались выяснить, каким образом черви-паразиты зарождаются в своем хо­зяине. Одни утверждали, что Бог, желая иметь совершенный мир, не сотво­рил бы такого, поэтому паразиты, должно быть, возникают самопроизволь­но. Другие (таковых было совсем немного) придерживались современной

 

 

точки зрения, согласно которой подобные организмы в основном представ­ляют собой выродившиеся формы свободно живущих существ.

«Смертельный» удар по теории самозарождения жизни был нанесен вы­дающимся французским ученым Луи Пастером (1822 — 1895). Исследо­вание микробов привело Пастера к тому, что он оказался вовлеченным в серьезнейший спор. В своей работе Пастер использовал колбы с загнуты­ми трубками, которые исключали попадание пыли, но не мешали доступу воздуха, который в то время считался необходимым условием для само­произвольного зарождения жизни. В эти колбы в качестве культурной сре­ды Пастер поместил воду и органический материал. Нагревание колб пре­пятствовало развитию жизни, даже несмотря на то, что воздух имел сво­бодный доступ к культурной среде. В присущем ему пышном стиле Пас-тер провозгласил: «Доктрина о самозарождении жизни никогда не опра­вится от смертельного удара, нанесенного этим простым экспериментом!»⁵

К сожалению, Пастер ошибался, и история на этом не завершилась. Учеб­ники по микробиологии нередко приводят эту колоритную битву как при­мер триумфа науки. Так бы оно и было, если бы все закончилось на Пасте-ре. Однако пока Пастер побеждал в своем сражении, стали набирать силу концепция эволюции и связанная с ней предпосылка, согласно которой жизнь на Земле возникла самопроизвольно в отдаленном прошлом. Все это совершенно запутало дело. С одной стороны, изящные эксперименты Пас­тера и других ученых показали, что только жизнь может породить жизнь, с другой стороны эволюционисты выступили с утверждением, что жизнь воз­никла в прошлом из неживой материи. В определенном смысле проблема, стоявшая перед теорией эволюции, была посерьезнее. Более ранние пред­ставления о самозарождении зачастую основывались на концепции жизни, возникающей из мертвой органической материи (гетерогенез), а эволюцио­нисты выдвинули идею, согласно которой жизнь возникла из более простой, неорганической материи (абиогенез). В1871 году Чарльз Дарвин осторожно сослался на этот второй вариант, сделав предположение, что «в каком-ни­будь теплом, небольшом водоеме» могли образоваться белки, которые за­тем «претерпели более сложные изменения»⁶.

Один из главных шагов в сторону теории самопроизвольного зарожде­ния жизни был сделан в 1924 году, когда знаменитый русский биохимик А. И. Опарин детально описал, каким образом простые неорганические и органические соединения могли постепенно образовать сложные органи­ческие соединения, а из последних появились простейшие организмы⁷. Другие ученые не замедлили с гипотезами, поддерживающими идеи Опа­рина, и концепция, согласно которой жизнь возникла в «бульоне», богатом органическими соединениями, стала предметом основательного рассмот­рения. Ученые нередко называют этот процесс химической эволюцией.

Несколько десятилетий спустя стали возникать серьезные вопросы. Биохимики и молекулярные биологи начали распознавать некоторые очень сложные молекулы и высокоинтегрированные биохимические системы. Самопроизвольное образование таких сложных веществ представляется совершенно невероятным, и перед учеными встала серьезная проблема.

ПРОСТЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ (БИОМОНОМЕРЫ)

Химические вещества, содержащиеся в живых организмах, зачастую бы­вают чрезвычайно сложными. Некоторые относительно простые органи­ческие молекулы (биомономеры) соединяются и образуют сложные био­логические молекулы (биополимеры), такие, как белки и нуклеиновые кис­лоты (ДНК). Биополимеры могут содержать сотни и тысячи более про­стых, связанных вместе молекул. Аминокислоты (биомономеры) — это простые строительные блоки для белков (биополимеров). Живые организ­мы имеют в основном 20 разновидностей аминокислот. Несколько сотен таких аминокислот могут соединиться и образовать одну белковую моле­кулу. Нуклеиновые кислоты (биополимеры) имеют еще более сложное строение, включающее комбинацию нуклеотидов (биомономеров), кото­рые в свою очередь состоят из сахара, фосфата и нуклеотидного основа­ния (рис. 4.1). (Существуют главным образом четыре разных вида нукле-отидных оснований.) Нуклеиновые кислоты могут содержать миллионы нуклеотидов. Основные наследственные черты и метаболическая инфор­мация об организме зашифрована в последовательности различных видов нуклеотидных оснований. Ученые разделяют нуклеиновые кислоты на ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Разница между ними заключается в том, что они содержат немного отлича­ющиеся друг от друга виды сахара.

В 1953 году Стэнли Миллер опубликовал результаты ныне широко из­вестного опыта по синтезу биомономеров⁸. Бессчетное число учебников описывает данный эксперимент как первый шаг к пониманию самопроиз­вольного происхождения жизни. Миллер работал в Чикагском универси­тете в лаборатории Нобелевского лауреата Гарольда Ури, где ему удалось получить аминокислоты в условиях, которые, как считали некоторые уче­ные, существовали на первобытной земле. Он добился этого с помощью закрытого химического прибора, в котором подверг электрическим разря­дам смесь из метана, водорода, аммиака и водяного пара. С тех пор этот эксперимент многократно повторяли и совершенствовали в разных лабо­раториях. В результате подобных опытов была получена большая часть биомономеров, необходимых для белков или нуклеиновых кислот.

Хотя исследователи сравнительно легко синтезируют множество биомо­номеров в лабораторных условиях, соотнесение этих экспериментов с тем, что в действительности могло происходить на первобытной земле, вызыва­ет целый ряд вопросов. Например, аминокислоты образуются в щелочной среде, в то время как данная среда противопоказана для Сахаров⁹. Причем и аминокислоты, и-сахара играют существенную роль в живых организмах.

 

Рис. 4.1. Схематическое изображение структуры ДНК. Слева показана двойная спираль. Нук-леотид должен представлять собой сочетание сахара (С), фосфата (Ф) и одного из оснований аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Генетическая информация человека содер­жится приблизительно в трех миллиардах таких пар в каждой клетке. Две нити соединены водо­родной связью (пунктирные линии на схеме справа), образованной между двумя основаниями.

 

Еще одна проблема связана с конфигурацией аминокислот. Аминокис­лоты с одними и теми же атомами могут существовать в нескольких раз­личных формах в зависимости от порядка, в котором эти атомы располага­ются. Их часто называют L-формой (левовращающей) и D-формой (пра­вовращающей), в зависимости от того, как молекулы вращают плоскость поляризованного света. Эти две формы являются зеркальным отображе­нием друг друга, подобно левой и правой руке человека (рис. 4.2). Оказы­вается, живые организмы состоят почти исключительно из аминокислот L-формы, в то время как аминокислоты, синтезированные в лабораторных условиях, имеют равное количество L- и D-форм. Каким образом прими­тивный «бульон», содержавший равное количество D- и L-молекул, мог произвести живые организмы с одним лишь L-типом?¹⁰ Трудно предста­вить, что различные виды аминокислот, обычных для биологических сис­тем, вдруг оказались поголовно L-формами, прежде чем войти в состав белков первых форм жизни. Было сделано немало попыток дать объясне­ние этому факту. Не так давно сообщалось о серии экспериментов, кото­рые показали, что формы исключительно одного вида можно получить в

 

Рис. 4.2. Оптические изомеры (D- и L-формы) аминокислоты. Буквами обозначены хими­ческие элементы, составляющие каждый атом. R — это радикал, который варьируется у разных аминокислот Обратите внимание: одна форма является трехмерным зеркальным отображением другой.

результате воздействия магнитного поля, но данный отчет оказался фаль­шивкой¹¹. Проблема зеркальных отображений касается также и Сахаров.

Еще один вопрос связан с отсутствием в земных породах свидетельств в пользу предполагаемого «первобытного бульона», в котором якобы об­разовались все молекулы. Если в далеком прошлом и существовал океан, богатый органическими молекулами, в котором могла случайно зародить­ся жизнь, в горных породах нет никаких следов такого океана. Породы с большим содержанием органических веществ явно отсутствуют в глубин­ных слоях, соответствующих тому времени, когда якобы возникла жизнь¹².

Много вопросов возникает и по поводу получения в первобытном буль­оне концентрации биомономеров, достаточной для начала синтеза слож­ных молекул-биополимеров. Химик Дональд Халл из «Калифорнийской ис­следовательской корпорации»¹³ приводит пример использования глицина, простейшей аминокислоты, имеющей формулу NH₂CH₂COOH. По его оцен­кам 97 процентов глицина, образовавшегося в примитивной атмосфере, распадались бы. не достигнув океана, а оставшиеся три процента подвер­глись бы распаду уже на месте. Он также считает, что концентрация дан­ной аминокислоты не превышала бы 1 /1000000000000 (10 ¹²) моля. Д. Хал утверждает: «Но даже максимально возможное ее содержание представ­ляется безнадежно низким, чтобы служить отправной точкой для самопро­извольного зарождения жизни». Проблема, обрисованная выше, оказалась бы еще серьезнее для других, более сложных и «хрупких» аминокислот. Чтобы обойти эти трудности, создатели некоторых научных моделей по­мещают «бульон» во впадины и полости. Однако для этого требуются ма­ловероятные и весьма определенные, ограниченные условия.

Некоторые исследователи¹⁴ тщательно проанализировали еще один важ­ный вопрос, связанный с химической эволюцией. В какой степени вмеша­тельство ученого влияет на результаты эксперимента в сторону желаемо­го исхода? Одно дело — получать биомономеры в лаборатории, используя определенный набор химических веществ и сложное оборудование, и со­всем другое дело — их самопроизвольное возникновение на первобытной земле. Отдельные факторы, такие, как высокая концентрация химических реагентов, можно на законных основаниях использовать в лаборатории, если при обработке результатов делается поправка на естественные ус­ловия, в которых могут существовать более слабые растворы. А вот защи­та продуктов реакции от вредных источников энергии или использование ловушек для изоляции продуктов, как поступал Миллер, или удаление бес­полезных ингредиентов из «бульона», считаются недопустимыми. Исполь­зование лабораторных манипуляций отражает скорее разумный замысел, который можно было бы ожидать от Творца, чем самопроизвольную ак­тивность безжизненного, первичного мира. Не стоит использовать такие эксперименты в качестве иллюстрации химической эволюции, если не де­лается соответствующих поправок на естественные условия.

СЛОЖНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ (БИОПОЛИМЕРЫ)

В учебниках много говорится о синтезе биомономеров и гораздо мень­ше — о происхождении биополимеров. Возникновение биомономеров со­пряжено с определенными проблемами, однако эти проблемы стоят гораз­до острее, когда мы имеем дело с нуклеиновыми кислотами и белками, стро­ение которых в сотни и тысячи раз сложнее. Правильное функционирова­ние биополимеров требует точной последовательности составляющих их биомономеров. Для подобного комбинирования биомономеров одной энер­гии недостаточно. Автомобиль можно сдвинуть с места, взорвав под ним ди­намитную шашку, но такое движение никак нельзя назвать полезным! Слож­ные молекулы — это высокоорганизованные вещества, и все же ученые счи­тают, что они появились случайно. Нобелевский лауреат Жак Монод так опи­сывает эту концепцию в своей классической книге Случайность и необхо­димость¹⁵: «Одна только случайность лежит в основе всякого новшества, всякого творения в биосфере. Чистая случайность, абсолютно свободная, но слепая, у самого основания огромного и величественного эволюционно­го здания; эта центральная концепция современной биологии уже не явля­ется только лишь одной из прочих возможных или даже предполагаемых гипотез. Сегодня она — единственно возможная гипотеза, соответствую­щая проверенным фактам, выявленным в результате наблюдений». Однако, как показывают многие расчеты, вероятность случайного возникновения функциональных сложных биологических молекул чрезвычайно мала.

Нам всем хорошо известно, что шанс на выпадение «орла» или «решки» при подбрасывании монеты равняется 50%, а шанс выпадения четверки при бросании кубика составляет один из шести. Если у вас есть урна с 999 белыми бусинками, то вероятность того, что вы с первого раза не гля­дя вытащите красную бусинку, равняется одному шансу из тысячи. Шан­сы на получение верной комбинации при образовании биополимера на­столько малы, что не поддаются измерению.

Живые организмы, как правило, содержат не одну тысячу типов белков. Белки содержат от одной до нескольких сотен аминокислот, сочлененных вместе в длинные, цепочкообразные структуры, и, как было упомянуто выше, живые организмы содержат 20 разновидностей аминокислот. Чтобы белок правильно функционировал, многие аминокислоты должны занимать в це­почках совершенно определенное место. Их расположение в какой-то сте­пени аналогично письму, где буквы алфавита играют роль аминокислот, а предложения — в данном случае содержащие 100 букв и более — пред­ставляют белки. Некоторые «орфографические» ошибки вполне допустимы в целом ряде позиций на протяжении всей аминокислотной цепочки, в то время как замена одной-единственной аминокислоты, занимающей важное место, может привести к смертельному для организмов исходу. Такие бо­лезни, какталассемия, серповидно-клеточная анемия и некоторые виды рака являются результатом замены всего одной аминокислоты¹⁶.

Допустим, нам нужен определенный вид белка. Какова вероятность того, что аминокислоты в нем выстроятся в требуемом порядке? Количество воз­можных комбинаций просто невозможно себе представить, потому что на каждое место в цепочке претендуют все 20 аминокислот. Для белка, нуж­дающегося в сотне определенных аминокислот, это число во много раз пре­вышает количество всех атомов во Вселенной¹⁷. Следовательно, шанс на получение необходимого вида белка чрезвычайно мал. А что если нам нуж­ны белки двух видов? Вероятность такого результата слишком невелика, чтобы быть правдоподобной¹⁸. Однако даже простейшие формы жизни нуждаются в многоразличных видах белков. Авторы одного исследования¹⁹ пытались выяснить, насколько велика вероятность того, что 100 амино­кислот займут совершенно определенные места в аминокислотной цепоч­ке белка. Исследователи исключили возможность замен («орфографичес­ких» ошибок) для этой сотни определенных позиций, допустив тем не ме­нее ограниченное число замен в позициях, занимающих промежуточное положение. Для образования белка нужно выбрать одну определенную аминокислоту из 20 возможных (вероятность 1 /20). Эта аминокислота дол­жна принадлежать к L-форме (вероятность 1 /2) и образовать пептидную химическую связь (вероятность 1 /2). Чтобы получить общую картину, нам нужно перемножить числовые значения вероятностей. Для одной амино­кислоты вероятность будет составлять 1/80, для двух — 1/6400 и т.д. Для 100 аминокислот вероятность образования требуемого вида белка состав­ляет один шанс из 4,9 х 10'¹⁹¹. Прочие подобные подсчеты дают числа, так­же выходящие за грань возможного²⁰.

Проблема заключается не только в том, чтобы выстроить аминокислоты в нужном порядке и соединить их химической связью. Нам требуется еще и выбрать нужные виды аминокислот из огромного числа хаотично возни­кающих в «первичном бульоне» органических соединений. Во время упо­мянутых выше искроразрядных экспериментов Миллера образовалось больше различного рода аминокислот, не встречающихся в живых орга­низмах, чем тех двадцати, которые встречаются²¹.

По иронии судьбы в тот же самый год (1953), когда Миллер сообщил о синтезе аминокислот и других биомономеров, Дж. Д. Уотсон и Фрэнсис Крик заявили об открытии структуры нуклеиновых кислот (ДНК)²², за ко­торое им была присуждена Нобелевская премия. Они обнаружили, что на­следственная информация клетки записана в структуре ДНК, представля­ющей собой двойную спираль (рис. 4.1). Чтобы отобразить наследствен­ную информацию, клетке требуется последовательность из трех нуклео-тидов, которая кодирует одну аминокислоту. Клетка собирает белковые молекулы посредством удивительной и сложной системы передачи и рас­познавания информации. Простая бактерия может иметь в своем генети­ческом аппарате 4 миллиона нуклеотидных оснований, а более сложные организмы, такие, как человек, имеют их в количестве, превышающем 3 миллиарда. Как ни странно, некоторые амфибии и цветковые растения име­ют в 10 с лишним раз больше нуклеотидных оснований, чем можно найти у человека. Наименьший из организмов, ведущих самостоятельный (возмож­но) образ жизни — микоплазма — имеет 580000 нуклеотидных основа­ний, обеспечивающих кодирование 482 генов²³. У более совершенных организмов функция большей части ДНК до сих пор неизвестна. Некото­рые ДНК, очевидно, имеют чрезвычайно важное значение для жизни, на­пример, направляют производство тысяч белковых молекул, составляю­щих структуру тела или служащих в качестве ферментов. Ферменты об­легчают химические реакции, такие, как синтез аминокислот, а также сот­ни и тысячи других превращений. Иногда одна молекула фермента может направлять химическое превращение тысяч молекул в секунду, но боль­шинство таких реакций идут медленнее. Аналогичные сложные ферменты с множеством высокоорганизованных и важных частей и форм ставят под вопрос любую теорию о самопроизвольном их возникновении. Не так дав­но было выдвинуто предположение, что жизнь началась с каких-то само­воспроизводящихся молекул²⁴. Все подобные идеи игнорируют необхо­димость в сложной, комплексной, интегрированной информации, направ­ляющей сотни метаболических функций в живых системах.

Упомянутые выше трудности с соединением аминокислот в белки не так уж велики по сравнению с тем, что могло воспрепятствовать объедине­нию нуклеотидов в ДНК. Могла ли она образоваться случайно?

В 1965 году в Женеве, Швейцария, один за другим были устроены два обеда на открытом воздухе, в ходе которых состоялась довольно стран­ная дискуссия, положившая начало знаменательному исследованию. На этих обедах присутствовали четыре математика и два биолога. Математи­ки озадачили биологов тем, что поставили под сомнение теорию эволюции с точки зрения теории вероятностей. Жаркий спор закончился тем, что ученые решили исследовать обсуждавшиеся вопросы более системати­чески. Задуманное исследование завершилось на симпозиуме, проведен­ном в Институте Уистар в Филадельфии. Среди участников были в основ­ном биологи с небольшим представительством математиков, выразивших сомнения по поводу правдоподобности эволюционной концепции. Почти дословный отчет об этом симпозиуме был опубликован²⁵, и поверьте, чи­тать его, несмотря на сложность тематики, совсем не скучно! Биологи не выражали энтузиазма по поводу проблем, поставленных перед эволюци­онной теорией. Они настаивали, что математики не понимают эволюцию, но не дали вразумительных ответов на поставленные вопросы.

Например, Мюррей Идеи из Массачусетского технологического инсти­тута поднял вопрос о вероятности упорядочивания генов вдоль полимер­ной нуклеиновой кислоты (хромосомы) хорошо изученной бактерии Escherichia coli. Этот организм настолько мал, что если выстроить 500 та­ких бактерий в цепочку, то ее длина составит всего лишь 1 мм. Но у этой бактерии есть целый ряд генов, расположенных в строго определенной последовательности. Каким образом из изначального хаоса возник этот порядок? Иден высчитал, что если покрыть земную поверхность двухсан­тиметровым слоем этих бактерий, то соответствующие позиции будут за­нимать лишь два гена каждые пять миллиардов лет (что, по щедрым оцен­кам ученых, соответствует продолжительности эволюции на Земле). Но даже столь долгий срок не оставляет времени для упорядочивания других генов или для их эволюции, то есть для гораздо более сложного процесса. Не оставляет он времени и для эволюции других организмов, часть кото­рых в сотни раз сложнее по строению. Можно с уверенностью утверж­дать, что весьма продолжительный срок, отведенный эволюции жизни на Земле, слишком мал, если учитывать, насколько маловероятны те события, которые, как считается, ее сопровождали. Этот знаменательный сим­позиум помог усугубить общую неудовлетворенность современными ги­потезами о происхождении жизни и побудил некоторых эволюционистов искать альтернативные объяснения.

 

КЛЕТКА

Еще более сложную проблему для аргументации в пользу эволюции представляет организация биополимеров в функциональную единицу, на­зываемую клеткой. Клетка (рис. 4.3 и рис. 4.4) — это чрезвычайно важ­ный элемент, поскольку он удерживает генетическую информацию нук­леиновых кислот неподалеку от того места, где организм производит бел­ки, и в свою очередь удерживает эти белки неподалеку от многочислен­ных химических веществ, на которые они воздействуют. Значительный пробел между биополимерами и функциональной клеткой представляет собой еще один серьезный вопрос, касающийся происхождения жизни. Может быть, и можно предложить постепенный эволюционный процесс

 

 

 

 

Рис. 4.3. Типичная животная клетка* 'Raven PH, Johnson GB. Biology, updated version, 3* ed Copyright © 1995 McGraw-Hill

 

 

образования клетки, но ко времени полного завершения этого процесса она утратила бы многие из своих преимуществ. Помимо необходимых бел­ков и ДНК клетка нуждается в других видах сложных молекул, таких, как жиры и углеводы. Возникновение нужных химических веществ представ­ляется маловероятным, но еще менее вероятно, что все они появились в

Рис. 4.4. Электронный микроснимок нитей ДНК, кодирующих РНК. Нити ДНК (S) нередк усеяны тонкими «веточками» РНК, образующими конусовидную матрицу (М). Код нити ДН отображается в каждой «веточке» матрицы по мере их появления. Короткая поначалу «ве точка» растет, двигаясь вдоль нити, пока не достигнет полноты и не отпадет. В этом слоя ном процессе участвует много особых ферментных молекул (белков). Что касается маш таба, указанного на рисунке, 1р. равен 1/1000 миллиметра*.

'Miller OL, Beatty Br. Portrait of a gene, Journal of Cellular Physiology 74(2); Supplement:225-232. Copyright © 1969 Wistar Institute of Anatomy and Biology. Перепечатано с разреше­ния Уайли-Лисс Инк.

 

 

одно время и в одном месте, чтобы затем оказаться внутри клеточной мем­браны и положить начало живому организму. Тем не менее ученые-дарви­нисты выдвигают несколько предположений по этому поводу.

Согласно одному из них некая форма примитивной клетки, называемая протоклеткой, все-таки могла появиться самопроизвольно. Опарин²⁶ пред­положил, что клетка могла сформироваться, когда большие молекулы со­единились в сферические массы, называемые коацерватами. Химику Сид­нею Фоксу²⁷ удалось-таки заставить аминокислоты соединиться в сфери­ческие массы, называемые микросферами. Такие модели, однако, не учи­тывают весьма сложное строение клетки²⁸. Рассуждая о коацерватах и мик­росферах, Уильям Дэй, по-прежнему высказывающийся за тот или иной биологический эволюционный процесс, замечает: «Каких бы взглядов вы ни придерживались, это все равно научный нонсенс»²⁹.

Впрочем, между протоклеткой и реальной клеткой можно провести оп­ределенное сравнение. Обе они малы по размеру и состоят из органичес­ких молекул, но на этом их схожесть и заканчивается. Живая клетка явля­ется необычайно сложной структурой, настоящим химическим комбина­том. Два молекулярных биолога описывают образование клетки из макро­молекул как «скачок фантастических масштабов, который лежит вне ра­мок доступных для проверки гипотез. В этой области можно только стро­ить догадки. Имеющиеся в наличии факты не дают повода утверждать, что клетка возникла на нашей планете»³⁰. Жизнь — это нечто особенное!

Гарольд Дж. Моровиц, используя термодинамику (энергетическую взаи­мосвязь между атомами и молекулами), подсчитал, что вероятность самоор­ганизации органических молекул для образования небольших, простых мик­робов, таких, как Escherichia coli, составляет лишь один шанс из 10'¹⁰. Для микоплазмы — мельчайшей формы размером в 0,0002 мм, ведущей само­стоятельное существование, такая вероятность, по его подсчетам, состав­ляет один шанс из единицы с пятью миллиардами нулей (1О'⁵*¹⁰). Не на мно­го лучше³¹. Прочие подобные вычисления показывают, насколько сложна жизнь и насколько малы шансы на то, что она возникла сама по себе.

Нобелевский лауреат Джордж Уолд так выразил дилемму эволюцион­ной теории: «Достаточно лишь задуматься о масштабах этой задачи, что­бы признать, что самопроизвольное зарождение живого организма невоз­можно. И все же, по моему убеждению, мы, люди, существуем как резуль­тат самозарождения жизни»³².

Трудно представить себе, каким образом могло возникнуть живое суще­ство, когда мы рассматриваем сложную структуру даже самых простых орга­низмов. Между их компонентами существуют отношения неразрывной взаи­мозависимости. Например, система передачи информации от нуклеиновых кислот (ДНК) к конечному белковому продукту³³ требует как минимум 70, а то и всех 200, различных белков³⁴. Данная система не будет работать в отсут­ствие любого из этих особых белков. Кроме того белки необходимы для про­изводства нуклеиновых кислот, а нуклеиновые кислоты нужны для получе­ния белков. С какой отправной точки началось это взаимодействие? Некото­рые ученые заявляют, что все началось с самовоспроизводящейся РНК (см. ниже). К сожалению, это не объясняет, каким образом впервые появилась сама РНК, тем более, что между РНК и сложной системой передачи информа­ции, имеющейся у живых организмов, существует большой разрыв. Едва ли можно говорить здесь о постепенном развитии, поскольку эту систему нелег­ко разбить на отдельные функциональные составляющие. Она работает как единое целое, в котором большинство частей зависимы друг от друга.

Более того, живая система — это не просто набор биополимеров и про­чих компонентов, находящихся в химическом равновесии внутри клеточ­ной мембраны. Такая клетка была бы мертвой. Тысячи химических пре­вращений, происходящих в клетке, нарушают данное равновесие, а это и есть основное условие жизненного процесса. Чтобы положить начало жизни, нужно было запустить этот метаболический мотор. Биохимик Джордж Т. Джейвор иллюстрирует данное понятие, сравнивая стоячую воду (мертвую, находящуюся в равновесии) с водой, медленно текущей из некоего источника (живой, с нарушенным равновесием)³⁵.

Но даже и этого недостаточно. Одна из характеристик живого организ­ма — способность к размножению. Размножение является комплексным процессом, включающим точное воспроизведение самых сложных частей клетки. Такой процесс должен быть запрограммирован на генетическом уровне. Трудно согласиться с мыслью, что все это произошло по чистой случайности³⁶. Креационистов часто упрекают в том, что они верят в чуде­са, но утверждать, что жизнь на Земле возникла сама по себе, без разум­ного замысла, значит верить в еще большее «чудо».

ДРУГИЕ ГИПОТЕЗЫ

Хотя научное сообщество в массе своей принимает концепцию само­произвольного возникновения жизни, неспособность исследователей, ис­пользовавших теорию вероятностей, предложить достоверное объясне­ние тому, как все это могло произойти на самом деле, привела к появлению многочисленных умозрительных альтернатив. Мы упомянем шесть из них.

1. Первичная материя могла обладать какими-то неизвестными каче­ствами, которые неизбежно должны были привести к возникновению жиз­ни. Ученые называют это моделью биохимического предопределения³⁷. Однако нет никаких данных о том, что комплексная информация, подоб­ная закодированной в нуклеиновых кислотах, существует в химических элементах как таковых³⁸.

2. Еще одна альтернативная гипотеза гласит, что жизнь возникла как са­могенерирующаяся, взаимодействующая, циклическая система белков и нук­леиновых кислот, которой содействовал подвод энергии³⁹. Эта модель име­ет слишком сложные базовые элементы, и потому мало что проясняет⁴⁰.

3. Возможно, жизнь зародилась в горячих гидротермических источни­ках в океане⁴¹. Подобная среда могла служить определенной защитой от некоторых вредных природных воздействий. Однако высокая температу­ра могла быть смертельной для хрупких молекул, да и нам пришлось бы объяснять, каким образом известные нам сложные формы жизни разви­лись в очень офаниченной и специализированной среде.

4. Есть предположение, что жизнь возникла не как структура клеточ­ного типа, а на поверхности твердого тела, такого, как кристалл пирита⁴². Но у нас нет никаких причин полагать, что очень простой порядок атомов в кристалле пирита может предоставить необходимую конфигурацию для сложных биологических молекул⁴³.

5. Суть еще одной подобной же альтернативной гипотезы заключается в том, что гены жизни организовались, используя в качестве образца мине­ралы глин⁴⁴. Эта модель страдает теми же недостатками, что и предыдущая. Простая упорядоченность минералов глины плохо соответствует высоко­организованной, сложной структуре белков и нуклеиновых кислот.

6. Согласно другому предположению, нуклеиновая кислота под названием РНК, обладающая некоторыми ферментными качествами, могла обеспечить собственное самовоспроизведение, тем самым положив начало существова­нию жизни⁴⁵. Эта идея с недавних пор привлекает повышенное внимание уче­ных. Исследователи нередко говорят о древнем «мире РНК»⁴⁶ и о «рибозимах», т.е молекулах РНК, функционирующих как ферменты⁴⁷. Эта гипотеза весьма проблематична⁴⁸. Как возникла первая РНК? Компоненты РНК трудно полу­чить даже в идеальных лабораторных условиях, не говоря уже о первобытной Земле. Рассуждая о воспроизведении РНК, нобелевский лауреат биохимик Хри­стиан деДюв, поддерживающий концепцию «мир РНК», признает: «Эта пробле­ма не так проста, как может показаться на первый взгляд. Попытки создать — при тщательной разработке и технической поддержке, которой не мог похвас­таться первичный мир — молекулу РНК, способную катализировать самовосп­роизведение, пока не увенчались успехом»⁴⁹. Даже если каким-то образом обра­зовался нужный вид РНК, все равно остается без ответа вопрос: как она при­обрела исчерпывающую информацию, необходимую для осуществления слож­ных жизненных процессов? С точки зрения химической эволюции происхож­дение сложных форм жизни остается неразрешимой проблемой.

Все перечисленные идеи на поверку оказываются довольно субъективны­ми, свидетельствуя о том, насколько современные гипотезы далеки от предо­ставления убедительных данных в свою пользу. Нобелевский лауреат Фрэнсие Крик откровенно признает: «Каждый раз, когда я пишу статью о проис­хождении жизни, я клянусь себе, что никогда больше не возьмусь за эту тему, потому что ей сопутствуют слишком много домыслов и догадок, основанных на слишком малочисленных фактах»⁵⁰. Стэнли Миллер проявляет подобную же озабоченность, заявляя, что данная сфера нуждается в серьезных изыс­каниях, которые могли бы сдержать цветущие пышным цветом домыслы⁵¹.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ -

Пастер продемонстрировал, что только жизнь может породить жизнь. С тех пор было проведено огромное количество исследований в попытке про­демонстрировать, каким образом жизнь могла возникнуть из неживой мате­рии. Науке удалось добиться определенного успеха в получении простых биомономеров в лабораторных условиях. Однако сопоставление подобных экспериментов с тем, что действительно могло происходить на первобытной земле, — задача не из легких. Проблемы с концентрацией, стабильностью, специфическим зеркальным отображением и отсутствием геологических сви­детельств в пользу существования «первичного бульона» делают сценарий хи­мической эволюции крайне неправдоподобным. Что касается происхожде­ния высокоорганизованных биополимеров, то вероятность их случайного возникновения настолько мала, что не заслуживает серьезного рассмотре­ния. Положение гипотезы о самозарождении жизни еще более усугубляется, когда мы видим необходимость одновременного осуществления сотен и ты­сяч химических преобразований, происходящих в «простой» клетке.

Проблемы, связанные с химической эволюцией, можно решить с помо­щью творения. Данные, касающиеся происхождения жизни, подтвержда­ют идею о руководящем Разуме и об управляемом, нехаотическом процес­се сотворения жизни на Земле. Если мы отвергаем концепцию Творца, то нам ничего не остается как принять химическую эволюцию. Но научные данные, свидетельствующие против таких концепций, настолько убеди­тельны, что здравый смысл подсказывает искать альтернативы. -

ССЫЛКИ

1. Taylor QR. 1983. The great evolution mystery. New York and Cambridge: Harper and Row, p. 199.

2. Partington JR. 1961. A history of chemistry, vol. 2. London: Macmillan and Co., p. 217.

3. Parley J. 1977. The spontaneous generation controversy from Descartes to Oparin. Baltimore and London: Johns Hopkins University Press, pp. 14, 15.

4. Там же, с. б.

5. Vallery-Radot R. 1924. The life of Pasteur. Devonshire, Mrs RL, translator. Garden City, M.Y.: Doubleday, Page and Co., p. 109. Translation of: La vie de Pasteur.

 

 

6. Darwin F, editor. 1888. The life and letters of Charles Darwin, vol. 3. London: John Murray, p. 18.

7. Oparin Al. 1938. Origin of life. 2nd ed. Morgulis S, translator. Mew York: Dover Publications. Translation of: Возникновение жизни на Земле.

8. Miller SL. 1953. A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science 117:528,529.

9. Evard R, Schrodetzki D. 1976. Chemical evolution. Origins 3:9-37.

10. Краткий обзор данной проблемы можно найти в: Cohen J. 1995. Getting all turned around over the origins of life on earth. Science 267:1265, 1266.

11. (a) Bradley D. 1994. A new twist in the tale of nature's asymmetry. Science 264:908; (b) Clery D, Bradley D. 1994. Underhanded «breakthrough» revealed. Science 265:21.

12. (a) Brooks J, Shaw G. 1973. Origin and development of living systems. London and New York: Academic Press, p. 359; (b) Thaxton CB, Bradley WL, Olsen RL. 1984. The mystery of life's origin: reassessing current theories. New York: Philosophical Library, p. 65.

13. Hull DE. 1960. Thermodynamics and kinetics of spontaneous generation. Nature

186:693,694.

14. Thaxton, Bradley, and Olsen, pp. 99-112 (note 12b). 1 S.Monod J. 1971. Chance and necessity: an essay on the natural philosophy of modern biology. New York: Alfred A. Knopf, pp. 112, 11 3.

16. Radman M, Wagner R. 1988. The high fidelity of DNA duplication. Scientific American 259(2):40-46.

17. CrickF. 1981. Life itself: its origin and nature. New York: Simon and Schuster, p. 51.

18. Erbrich P. 1985. On the probability of the emergence of a protein with a particular function. Acta Biotheoretica 34:53-80.

19. Bradley WL, Thaxton CB. 1994. Information and the origin of life. In: Moreland JP, editor. The creation hypothesis: scientific evidence for an intelligent designer. Downers Grove, HI.: InterVarsity Press, pp. 173-210,

20. a) Thaxton, Bradley, and Olsen, p. 65 (note 12b); b) Yockey HP. 1977. A calculation of the probability of spontaneous biogenesis by information theory. Journal of Theoretical Biology 67:377-398.

21. Miller SL, Orgel LE. 1974. The origins of life on the earth. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, Inc., pp. 85,87.

22. Watson JD, Crick FHC. 1953. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171:737,738.

23. a) Avers CJ. 1989. Process and pattern in evolution. New York and Oxford: Oxford University Press, Figure 4.24, pp. 142,143; b) Fraser CM, Gocayne JD, White O, Adams MD, Clayton RA, Fleishchmann RD, Bult С J, Kerlavage AR, Sutton G, Kelley JM, and others. 1995. Science 270:397-403; c) Goffeau A. 1995. Life with 482 genes. Science 270:445,446.

24. a) Dagani R. 1992. Synthetic self-replicating molecules show more signs of life. Chemical and Engineering News (February 24), pp. 21-23; b) Reggia JA, Armentrout SL, Chou H-H, Peng Y. 1993. Simple systems that exhibit self-directed replication. Science 259:1282-1287.

25. Moorhead PS, Kaplan MM, editors. 1967. Mathematical challenges to the neo-Darwinian interpretation of evolution. The Wistar Institute Symposium Monograph No. 5. Philadelphia: Wistar Institute Press.

26. Oparin, pp. 150-162 (note 7).

27. a) Fox SW, Harada К, Krampitz G, Mueller G. 1970. Chemical origins of cells. Chemical and Engineering News (June 22), pp. 80-94; b) Fox SW, Oose K. 1972. Molecular evolution and the origin of life. San Francisco: W. H. Freeman and Co.

28. Thaxton, Bradley, andOlsen, pp. 1 74-1 76 (note 12b).

29. Day W. 1984. Genesis on planet earth: the search for life's beginning. 2nd ed. New Haven and London: Yale University Press, pp. 204,205.

30. Green DE, Goldberger RF. 1967. Molecular insights into the living process. New York and London: Academic Press, pp. 406,407.

31. Morowitz HJ. 1968. Energy flow in biology: biological organization as a problem in thermal physics. New York and London: Academic Press, p. 67.

32. Wald G. 1954. The origin of life. Scientific American 191 (2)44-53.

33. Kenyon DH. 1989. Going beyond the naturalistic mindset in origin-of-life research. Origins Research 12(1, Spring/Summer): 1, 5, 14-16.

34. Mills GC. 1990. Presuppositions of science as related to origins. Perspectives on Science and Christian Faith 42(3):155-161.

35. JavorGT. 1987. Origin of life: a look at late twentieth-century thinking. Origins 14:7-20.

36. Scott A. 1985. Update on Genesis. New Scientist (2 May), pp. 30-33.

37. Kenyon DH, Steinman G. 1969. Biochemical predestination. New York and London: McGraw-Hill Book Co.

38. Wilder-Smith AE. 1970. The creation of life: a cybernetic approach to evolution. Wheaton, III.: Harold Shaw Publishers, pp. 119-124.

39. Eigen M, Schuster P. 1979. The hypercycle: a principle of natural self-organization. Berlin, Heidelberg, and New York: Springer-Verlag.

40. Walton JC. 1977. Organization and the origin of life. Origins 4:16-35.

41. CorlissJB. 1990. Hot springs and the origin of life. Nature 347:624.

42. Wachtershauser G. 1988. Before enzymes and templates: theory of surface metabolism. Microbiological Review 52:452-484.

43. Javor GT. 1989. A new attempt to understand the origin of life: the theory of surface-metabolism. Origins 16:40-44.

44. Cairns-Smith AG, Hartman H, editors. 1986. Clay minerals and the origin of life. Cambridge: Cambridge University Press.

45. Orgel LE. 1986. Mini review: RNA catalysis and the origins of life. Journal of Theoretical Biology 123:127-149.

46. GilbertW. 1986. The RNA world. Nature 319:618.

47. Если вам нужны свежие обзоры, см.: a) Maurel M-C. 1992. RNA in evolution: a review. Journal of Evolutionary Biology 5:173-188; b) Orgel L. 1994. The origin of life on the earth. Scientific American 271 (4, October):76-83.

48. a) Gibson LJ. 1993. Did life begin in an «RNA World»? Origins 20:45-52; b) Horgan J. 1991. In the beginning... Scientific American 264(2):116-125; c) Mills GC, Kenyon D. 1996. The RNA World: a critique. Origins and Design 17(1):9-16; d) Shapiro R. 1984. The improbability of prebiotic nucleic acid synthesis. Origins of Life 14:565-570.

49. De Duve C. 1995. The beginning of life on earth. American Scientist 83:428-437.

50. Crick, p. 153 (note 17).

51. Упоминается в Horgan (note 48b).