О теориях химического возникновения жизни

Ученые начали обсуждать возможность возникновения жизни на Земле из химических соединений немногим более столетия назад. Под микроскопами того времени живая клетка казалась всего лишь пузырьком, заполненным различными веществами. Поэтому Дарвину и его современникам легко было представить себе, что простейшие формы жизни могли возникнуть из случайной комбинации органических веществ в первичном "бульоне". Но с тех пор как ученые глубже проникли в тайны живой клетки, предположение о том, что жизнь возникла из химических веществ, уже не кажется таким логичным. Однако, несмотря на это, большинство современных ученых по-прежнему свято верит в догму химической эволюции.

Биохимические и микроскопические исследования постепенно выявляли все более и более сложные процессы, происходящие в крошечной клетке, такие, например, как необыкновенно точная регуляция клеточного метаболизма нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК), которая осуществляется с помощью многих тысяч сложнейших регуляторных белков. В свете этих данных уже далеко не так просто представить себе, каким образом все это могло возникнуть в результате случайного взаимодействия молекул.

Описывая сложные биохимические процессы, идущие в клетке, Дж.Уотсон, один из первооткрывателей структуры ДНК, пишет в своей книге "Молекулярная биология гена": "Мы должны свыкнуться с мыслью о том, что структура живой клетки никогда не будет понята нами в той же степени, что и структура молекулы воды или глюкозы. Мы никогда не сможем даже расшифровать структуру всех внутриклеточных макромолекул, не говоря уже о том, чтобы определить их точное местонахождение в клетке. Поэтому неудивительно, что многие химики поначалу с энтузиазмом брались за изучение "жизни", но очень скоро остывали и тихо возвращались в мир чистой химии".

Однако, несмотря на наше постоянно углубляющееся понимание структурной и функциональной сложности даже самых простых живых организмов, ученые продолжают строить теории о том, что жизнь зародилась в первичном химическом "бульоне" без участия высших организующих принципов. Они считают, что в процессе случайных химических взаимодействий простые молекулы объединились в сложные органические соединения, которые сформировали первые самовоспроизводящиеся организмы. Этот сценарий выдается за неопровержимо установленную истину и в этом качестве фигурирует во всех учебниках, начиная от школьных и кончая университетскими. Радио, телевидение и научно-популярные публикации еще больше укрепляют веру людей в эту теорию.

Прежде чем рассмотреть механистические теории происхождения жизни и сознания, рассмотрим три примера процессов, идущих внутри живой клетки, которые помогут нам оценить сложность даже самых простых организмов.

Рассматривая эти примеры, важно помнить, что в соответствии с представлениями современной химии все молекулы, участвующие в этих процессах, представляют собой всего лишь субмикроскопические частицы материи. Их удивительная способность взаимодействовать друг с другом наводит на мысль о том, что они обладают таинственной способностью к самоорганизации. Однако ученые без колебаний отвергают эту идею, настаивая на том, что молекулы просто подчиняются законам физики. Но тогда нужно ответить на вопрос о том, каким образом молекулы, взаимодействуя в соответствии с простыми механистическими законами, смогли объединиться и сформировать непостижимо сложные структуры клетки. Еще труднее ответить на вопрос, каким образом клетки, подчиняясь тем же самым законам, эволюционируют в высшие организмы. Поэтому, несмотря на то, что большинство естествоиспытателей продолжает придерживаться механистического объяснения, нельзя исключить возможность влияния других факторов на процесс химической эволюции.

В качестве первого примера рассмотрим строение защитной оболочки бактерии. Формирование защитной оболочки начинается с того, что клетка из простых соединений в несколько стадий собирает молекулярные строительные блоки. На следующем этапе клетка соединяет собранные блоки в сложной последовательности, так что они образуют горизонтальные и вертикальные слои, из которых состоит ее наружная мембрана. Это напоминает технологический процесс на современной фабрике, где специально сконструированные станки сначала изготовляют из сырья детали, а затем другие автоматы собирают их в сложный действующий механизм.

Второй пример сложных внутриклеточных процессов - синтез одной из жирных кислот, состоящей из четырнадцати молекулярных компонентов. Жирные кислоты являются основным энергохранилищем клетки. Чтобы синтезировать пальмитиновую кислоту, клетка собирает из белковых молекул сложный циркулярный механизм, так называемую "молекулярную машину", в центре которой находится молекулярный рычаг. Этот рычаг вращается, проходя в своем движении через шесть "сборочных агрегатов".

За каждый оборот рычага к молекуле жирной кислоты добавляется два блока. Это осуществляют ферменты, входящие в состав "сборочных агрегатов". Ферменты представляют собой сложные белковые молекулы, катализирующие химические процессы в клетке. После семи оборотов все четырнадцать атомных компонентов пальмитиновой кислоты собраны, и готовая молекула отсоединяется от рычага.

Чтобы эта молекулярная машина функционировала, все ее составные части должны быть на месте. Сложный механизм может функционировать только в том случае, когда все его важнейшие части на месте и в исправности. Например, трудно представить себе работу автомобильного мотора без топливного насоса или распределительного вала. Поэтому представляется крайне маловероятным, чтобы описанная выше молекулярная машина могла возникнуть в процессе постепенной, ступенчатой эволюции.

Наш третий пример - работа фермента ДНК-гиразы, играющего важную роль в воспроизводстве клетки. Этот пример хорошо иллюстрирует все трудности, с которыми сталкиваются механистические теории, когда с их помощью пытаются объяснить происхождение механизмов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки. В клетке бактерии молекула ДНК представляет собой петлеобразную двойную спираль, которая в процессе репликации разделяется на две цепочки. По мере того как двойная спираль раскручивается с одного конца, ее противоположный конец закручивается еще туже, образуя суперспираль. Поскольку молекула ДНК уже свернута сотни раз, чтобы поместиться в клетке, суперспирализация должна неминуемо вызвать переплетение отдельных ее частей. Такое переплетение ДНК будет препятствовать процессу ее репликации, поэтому клетка активирует фермент ДНК-гиразу, который снимает суперспирализацию. Происходит это следующим образом: сперва фермент "разрезает" одну из цепей ДНК, затем в образовавшийся разрыв "протаскивает" противоположную цепь и снова "сшивает" разрезанные концы. Так ДНК-гираза расплетает узлы, образовавшиеся на хромосоме.

Резонно спросить: "Каким образом возникла молекула ДНК-гиразы?" Подобная молекула слишком сложна для того, чтобы возникнуть одним разом, в результате случайного соединения компонентов в первичном "бульоне". Поэтому ученые, вероятнее всего, ответят, что фермент возник в процессе эволюции, поэтапно. Но тогда создается заколдованный круг: без ДНК-гиразы клетки не могут делиться, а без клеточного деления невозможна эволюция, необходимая для возникновения гиразы. Таким образом, происхождение гиразы остается одной из неразрешимых загадок клеточной эволюции.

Эти примеры наглядно показывают, насколько сложны структура и механизмы жизнедеятельности клетки. Сторонники теории химической эволюции описывают ее ход следующим образом: более четырех миллиардов лет назад облака газа и пыли начали конденсироваться на поверхности древней Земли, сформировав первичную атмосферу. В этой атмосфере под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов практически сразу образовались органические соединения, которые в течение последующих полутора миллиардов лет накапливались в первобытном океане. Эти органические соединения вступали в химические реакции друг с другом и в конце концов из них образовались примитивные полипептиды (белки), полинуклеотиды (ДНК и РНК), полисахариды и липиды. Популярный университетский учебник так описывает завершающий этап этого процесса: "В этой богатой органическими соединениями и полимерами среде (первичном органическом бульоне) вероятнее всего и зародились первые живые организмы".

Бесспорно, интригующее и по-своему поэтичное описание. Однако может ли эта смелая гипотеза выдержать даже самую осторожную критику? Мы уже обсуждали удивительную сложность самых простых организмов, поэтому любая гипотеза, приписывающая слепым силам природы организующую роль в сборке сложных функциональных систем из простых молекул, должна объяснять непосредственные механизмы проходивших процессов и принципы, лежащие в их основе.

Иногда биохимики в качестве объяснения ссылаются на процесс естественного отбора, при котором в популяции сходных организмов самые приспособленные к условиям окружающей среды получают преимущества перед другими. Однако принцип естественного отбора не подходит для объяснения зарождения первого живого организма. Отбор не может начаться до того, как возникнет самовоспроизводящаяся система, поскольку без воспроизведения природе не из чего будет выбирать. Но даже если бы ученые обнаружили простейшую самовоспроизводящуюся систему, они должны были бы конкретно указать, какие качества дали ей селективные преимущества и почему. Чтобы объяснить возникновение более сложных систем, мало просто взмахнуть рукой и произнести волшебные слова: "естественный отбор". Если они не способны указать качества этой системы, давшие ей преимущества в естественном отборе, значит, у них нет даже рабочей идеи, которую можно проверить, не говоря уже о доказанной теории.

К сожалению, ни одна из современных теорий не отвечает этому критерию. В 30-х годах Опарин предпринял первую серьезную попытку экспериментально подтвердить зарождение жизни в первичном "бульоне". С тех пор многие ученые делали аналогичные попытки, но ни одна из них не увенчалась успехом. Все предложенные до сих пор модели расплывчаты, схематичны и неполны. Мы опишем лишь некоторые из этих попыток. Главный нерешенный вопрос – каким образом инертная материя, подчиняясь простым физическим законам, могла создать удивительно сложный и точный молекулярный механизм клетки? Альберт Ленинджер пишет в своем учебнике биохимии: "Ядром проблемы возникновения жизни является вопрос о самоорганизации материи". Однако пока ученым не удалось продемонстрировать ответ на такой вопрос.

Чаще всего ученые ссылаются на два эксперимента, результаты которых выдаются за отчасти удавшуюся демонстрацию возможности возникновения жизни из химических веществ. Один из них - работа, проведенная С.Миллером, профессором биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего. Другой - "эксперименты с протоклетками", проведенные С.Фоксом, директором Института молекулярной и клеточной эволюции при Университете штата Майями в Корал-Габлес.

Миллер попытался воссоздать условия, которые, по его мнению, существовали на "заре творения", и посмотреть, не приведет ли это к возникновению примитивных форм жизни из материальных компонентов. Он заполнил колбу различными газами, из которых предположительно состояла древнейшая атмосфера, и, пропуская через газы электрические разряды, получил на стенках сосуда коричневую смолянистую массу. Эта масса в числе прочего содержала аминокислоты - составные части белковых молекул.

Миллер объявил свои результаты огромным достижением, и очень многие ученые и неспециалисты поверили ему. Однако опыт Миллера, в сущности, ничего не доказывает. В том, что в его экспериментах образовались аминокислоты, нет ничего удивительного: с помощью подобной техники можно синтезировать практически любое простое органическое соединение, существующее в природе. Г.Ури, химик из Калифорнийского университета, на вопрос о том, какие соединения, по его мнению, должны были образоваться в эксперименте Миллера, не задумываясь ответил: "Бильштейн" ("Бильштейн" - название немецкого каталога всех известных органических соединений). Кроме того, аминокислоты - это сравнительно простые молекулы, служащие строительными блоками для куда более сложных белковых молекул клетки. Неудивительно, что с помощью этой простой техники Миллер получил простые химические вещества, но это никак не доказывает, что та же самая простая техника может приводить к образованию сложных клеточных компонентов и структур. Чтобы сваленные в кучу строительные материалы превратились в готовый дом, нужно немало потрудиться.

Химик С.Фокс тоже попытался продемонстрировать, как из химических соединений может постепенно сформироваться живая клетка. Нагревая смеси сухих аминокислот до 140 градусов по Цельсию и помещая их затем в воду, он получил маленькие капельки пептидов, которые он оптимистично назвал "протоклетками". Однако протоклетки Фокса тоже нельзя назвать очень впечатляющими. Структурно они представляли собой всего-навсего маленькие, полые, желеобразные глобулы, неспособные поглощать и трансформировать молекулы из окружающей среды. Они не проявляли никакой склонности к преобразованию даже в немного более сложные структуры, не говоря уже о клетках. Более того, Фокс не дал никакого разумного объяснения, каким образом его протоклетки могли возникнуть в добиологическом первичном "бульоне". Чтобы представить себе, откуда в природе могли взяться сухие аминокислоты, разогретые до температуры 140 градусов, нужно обладать очень богатым воображением. Было проведено много других экспериментов с аналогичными результатами, но все они оставили те же самые вопросы без ответа.

Немецкий ученый М.Эйген дал свое объяснение тому, как из инертных химических соединений могут сформироваться самовоспроизводящиеся клетки. По Эйгену, в первичном "бульоне" существовало несколько видов молекул РНК, которые реплицировались независимо. Скажем, РНК типа А производила РНК типа А, а РНК типа Б производила РНК типа Б. Эти два цикла существовали независимо один от другого, но в какой-то момент, согласно Эйгену, молекула РНК типа А начала синтезировать фермент Ф-Б, который стал катализировать репликацию РНК типа Б, а молекула РНК типа Б начала синтезировать фермент Ф-А, который катализировал репликацию РНК типа А. С появлением этих ферментов образовался новый цикл А-Б-А-Б-А-Б, так называемый гиперцикл. Эйген предположил, что гиперциклы постепенно усложнялись, пока не превратились в живые клетки.

Однако и гипотеза гиперциклов имеет свои слабые места. Во-первых, эта гипотеза подразумевает существование механизма синтеза сложных белков (ферментов) на основе информации, заложенной в РНК. Эйген не смог предложить никакой рабочей модели существования такого механизма. Во-вторых, даже если предположить, что функционирующий гиперцикл возник, далеко не очевидно, что он будет способен к саморазвитию. Известный биолог-эволюционист Дж.Смит, критикуя модель Эйгена, указывает на то, что до тех пор, пока гиперцикл не будет изолирован от окружающей среды чем-то вроде клеточной мембраны, его компоненты будут конкурировать друг с другом и, следовательно, сам гиперцикл как целое не сможет развиваться с помощью мутаций и естественного отбора. Если же мы признаем необходимость существования мембраны, то должны предложить механизм самовоспроизведения мембраны в процессе репликации этого цикла. Смит пишет: "Очевидно, что эти работы (Эйгена и его сотрудников) создают больше проблем, чем решают".

И наконец, гиперциклы - это далеко не клетки, которые обладают единой генетической системой и снабжены сложными молекулярными аппаратами. Чтобы перейти от гиперциклов к живой клетке, необходимы многие тысячи промежуточных ступеней. Это все равно что пытаться с помощью небольших модификаций превратить механические часы в двигатель внутреннего сгорания, причем каждая следующая модель должна представлять собой улучшенную версию предыдущей и оставаться при этом действующим механизмом. Даже человек с самым буйным воображением не сможет себе представить ничего подобного. Призывая на помощь естественный отбор, Эйген не определяет конкретные шаги, которые могут превратить гиперциклы в живые клетки, поэтому его объяснение - это скорее апелляция к чуду, чем научная теория.

Итак, мы убедились в том, что механизм клетки отличается необыкновенной сложностью и высокой степенью организации, а также в том, что все современные теории возникновения жизни из материи ничего не объясняют. Резонно спросить, почему ученые так привязаны к своим попыткам найти строго механистическое объяснение зарождения жизни. Одна из причин этого - их убежденность в безошибочности избранной ими стратегии редукционизма, согласно которой все, что мы видим вокруг себя, от галактик до бактерий, должно объясняться на основе простых законов физики. Отвергая возможность другого подхода к науке, они исходят из того, что малейшее отклонение от избранной ими стратегии подрывает самые основы науки в том виде, в каком она известна им.

Многие ученые, не найдя правдоподобного механистического объяснения возникновения клетки, объявляют конечной причиной ее появления "случай". Однако такой подход тоже имеет серьезные недостатки. Строго говоря, термин "случайность" применим только к определенным статистическим моделям, описывающим повторяющиеся события. Случай не может быть "причиной" чего бы то ни было. Что же касается математической вероятности возникновения жизни из материи, то порядок ее нетрудно определить исходя из того, что Земля по данным современной науки существует около четырех с половиной миллиардов лет.

Начнем с рассмотрения белков, которые составляют основу живых организмов и выполняют многие важные функции в клетке. Белки синтезируются в результате очень сложного процесса. Его можно сравнить со сборочным конвейером, на котором специальные механизмы из деталей собирают готовое изделие. Макромолекулы белков содержат в среднем 300 аминокислот, соединенных в цепочки. Даже в таком простом микроорганизме как бактерия E.coli имеется около 2000 различных видов белка. В клетке млекопитающих их в 800 раз больше. Структура белков записана в генетическом аппарате клетки. Согласно механистической модели, до появления самовоспроизводящейся системы, способной выполнять основные функции клетки и пользоваться генетической информацией, всякое взаимодействие аминокислот, ведущее к образованию белковой молекулы, носило случайный характер.

Чтобы определить в результате случайного взаимодействия аминокислот вероятность возникновения белков, необходимых для функционирования простейшей клетки, известный английский астроном Ф.Хойл и математик Ч.Викрамасингх из Кардиффского университета в Уэльсе произвели следующие вычисления. Как уже говорилось, в жизнедеятельности простейшей бактерии участвуют примерно 2000 различных белков, состоящих в среднем из 300 аминокислот. Функции и свойства белка зависят от последовательности, в которой аминокислоты расположены в его цепи. Поскольку в состав белков входит 20 типов аминокислот, вероятность образования белка с заданной последовательностью аминокислот равняется 1/20³⁰⁰.

Известно, что существует определенный диапазон, в пределах которого последовательность 300 аминокислот может варьировать без заметных изменений свойств белка. Поэтому Хойл и Викрамасингх великодушно увеличили вероятность возникновения белка с заданными свойствами до 10²⁰. Приняв во внимание то, что для функционирования клетки необходимо по крайней мере 2000 белков, они оценили вероятность случайного возникновения простейший самовоспроизводящейся системы величиной 1/10⁴⁰⁰⁰⁰. Вероятность этого события настолько мала, что, находясь в здравом уме, нельзя рассчитывать на то, что оно могло возникнуть за такой сравнительно короткий период времени, как несколько миллиардов лет.

Гипотеза случайного возникновения жизни не по душе многим ученым, но, поскольку они придерживаются механистического подхода к феномену жизни, им приходится мириться с мыслью о том, что жизнь возникла в результате случайного события, вероятность которого крайне мала. Одним из таких ученых является Нобелевский лауреат Ф.Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК. Он пишет: "Честный человек, вооруженный всеми знаниями, которыми мы располагаем, вынужден признать, что в настоящий момент зарождение жизни на Земле в каком-то смысле представляется чудом - так много всевозможных условий должно быть соблюдено для того, чтобы это случилось". Эти ученые, безусловно, предпочли бы объяснить возникновение жизни на основе законов природы, но, как мы убедились, пока им это не удалось. Загнанные в угол, некоторые исследователи готовы принять любые, даже самые радикальные теории. Крик, например, высказал предположение о том, что генетический код был принесен на Землю разумными живыми существами с других планет. Эта гипотеза может объяснить появление жизни на Земле, но вопрос о том, как возникла жизнь во Вселенной, остается открытым.

Таким образом, хотя многие люди верят в то, что современная наука располагает неопровержимыми доказательствами появления на Земле первых живых организмов в результате случайного взаимодействия химических веществ, при внимательном рассмотрении становится очевидно, что сколько-нибудь серьезной теории химического происхождения жизни пока не существует. Более того, математическая теория вероятности лишает нас возможности воспользоваться даже таким универсальным объяснением, как: "Это произошло случайно".

Знайкина копилка, 18 февраля 2004 года