Жизнь, возникшая из химических соединений: факт или фантазия?

Фото: «ИСТОКИ» стр. 28-29:

«Правда ли, что случайные химические реакции, происходившие в океане на доисторической Земле, привели к возникновению первых организмов?»

Фото: «ИСТОКИ» стр. 29:

Фото: «ИСТОКИ» стр. 28:

«Если бы какой-нибудь ученый уменьшился в несколько миллионов раз, он мог бы воочию убедиться, насколько сложно устроены живые организмы. На этом рисунке трехмерная молекула белка схематически изображена в виде спиралей и стрел. Сложность строения этих молекул дает представление о том, как сложно устроены живые организмы. В простейшей бактерии находится 2 000 различных типов белков, а в клетке млекопитающего их в 800 раз больше.»

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». [1]

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.

Некоторым людям вопрос о том, откуда возникла жизнь, кажется бесконечно далеким от их повседневных проблем. Для них дискуссии ученых на эту тему — неважно, обсуждаются в этих дискуссиях логичные идеи, опирающиеся на проверенные научные факты, или туманные, надуманные гипотезы, основанные на сомнительных данных и научных предрассудках, — это разговоры людей, замкнувшихся в башнях из слоновой кости. Но поскольку ответ на вопрос о происхождении жизни определяет наш взгляд на самих себя и свое место в мироздании, от него в значительной степени зависят наше самосознание, наши решения, чувства, поступки и поведение. По сути дела, от ответа на этот вопрос зависят все аспекты нашей жизни.

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, вплоть до участия в этом процессе некоего разумного организующего начала.

Фото: «ИСТОКИ» стр. 30:

Рис.1. «Клеточная оболочка бактерии построена из слоев сложноорганизованной молекулярной ткани. Сложность строения этой структуры вызывает сомнение в правильности предположения о том, что она возникла в результате естественного отбора или произвольных химических реакций».

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 (рис. 1).

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, пальмитиновой кислоты, 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.

Фото: «ИСТОКИ» стр. 31:

Рис. 2. «Фермент ДНК-гираза может снимать напряжение в сверхскрученных участках ДНК, разрезая одну из цепей, проводя другую цепь через образовавшийся разрыв и снова зашивая его».

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, закрепленный у основания, 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 су-перспирализацию. 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 (рис. 2).

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. Нам не приходилось видеть ни одного сложного механизма, который был построен без чертежей и разработок инженера, поэтому вполне логично было бы предположить, что сложный механизм клетки тоже возник в результате сознательного акта творения. К сожалению, подобные логичные заключения не принимаются в расчет ни одной из признанных учеными теорий эволюции жизни. Сторонники химической эволюции предпочитают изобретать альтернативные объяснения, в которых фигурируют только слепой случай и законы физики.

Как правило, 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), поли-нуклеотиды (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». [2]

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 будет не из чего 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 гипотезы, 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 теорию зарождения 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, подчиняющаяся простым физическим законам, могла создать удивительно сложный и точный молекулярный механизм клетки? А. Ленинджер пишет в своем учебнике биохимии: «Ядром проблемы возникновения жизни является вопрос о самоорганизации материи».[3] Однако пока ученым не удалось продемонстрировать, что материя, способная к самоорганизации, и жизнь могут возникнуть без вмешательства высшей организующей силы или разума.

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 протоклет-ками», проведенные С. Фоксом, директором Института молекулярной и клеточной эволюции при Университете штата Майами 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 эти 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: «Билыптейн». («Билыдтейн» — 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°С 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°С, 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.

Примечания:

[1] James D. Watson, The Molecular Biology of the Gene (Menlo Park: W. A. Benjamin, Inc., 1977), p. 69.

[2] Albert L. Lehninger, Biochemistry (New York: Worth Publishers, 1975), p. 1033.

[3] Albert L. Lehninger, Biochemistry, p. 1055.