Структура живой клетки

Фото: «ИСТОКИ» стр. 32-33:

«Клетка, которая некогда считалась простым пузырьком, заполненным химическими веществами, в действительности является молекулярным механизмом, сложностью своей организации превосходящим современные города».

Во времена Дарвина клетку считали пузырьком, заполненным химическими веществами, который мог образоваться самопроизвольно из органических компонентов. Однако в настоящее время ясно, что клетка представляет собой очень сложный биохимический механизм. Как возникла эта структура, неизвестно, и представить себе ее постепенное возникновение в процессе эволюции довольно сложно. Таким образом, у нас нет никаких оснований полагать, что живые клетки образовались из смеси органических веществ в результате физических процессов. Некоторые основные структуры типичных растительных и животных клеток схематично представлены на этом рисунке.

Рибосомы синтезируют белковые молекулы, пользуясь молекулами информационной РНК как матрицами. Хотя на рисунке они выглядят простыми точками, их структура очень сложна. Эндоплазматический ретикулум состоит из сети мембран, которые образуют отсеки, где проходит синтез и транспортировка синтезируемых в клетке веществ. Ядро содержит наследственный материал клетки в виде ДНК, в которой записана информация, необходимая для функционирования клеточного механизма. Репликация ДНК представляет собой сложный и многостадийный молекулярный процесс. В ядрышках происходит частичный синтез рибосом. Микротрубочки образуют сложную сеть, определяющую форму клетки, как бы клеточный скелет. Они же позволяют клетке передвигаться и менять очертания. Некоторые бактериальные клетки имеют реснички — органы движения клетки, по форме напоминающие весла. Лизосомы содержат ферменты, разрушающие вещества, которые мешают жизнедеятельности клетки. Хлоропласты, находящиеся в клетках растений, осуществляют фотосинтез, то есть преобразовывают солнечную энергию в энергию химических связей в молекулах сахара. В клеточную мембрану встроено множество сложных белковых молекул, регулирующих ее проницаемость и осуществляющих процессы обмена клетки с окружающей средой. Митохондрии — это химические фабрики, генерирующие энергию клетки в процессах управляемого разложения молекул питательных веществ.

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.

Фото: «ИСТОКИ» стр. 34:

«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».

Ф. Крик

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 формирования 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 критикует модель Эйгена, указывая 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».[1]

И наконец, гиперциклы — это далеко не клетки, которые обладают единой генетической системой и снабжены сложными молекулярными аппаратами. Чтобы перейти от гиперцикла 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 действующим механизмом. Даже человек с самым буйным воображением не сможет представить себе 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 гипотеза.

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 (см. статью «Случайность и возникновение Вселенной», стр. 9). 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 2 ООО 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 вероятность возникновения белков, необходимых для функционирования простейшей клетки, в результате случайного взаимодействия аминокислот, известный английский астроном Ф. Хойл и математик Ч. Викрамасингх из Кардиффского университета в Уэльсе произвели следующие вычисления.[2] Как уже говорилось, в жизнедеятельности простейшей бактерии участвует примерно 2 ООО 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, 2 000 белков, они оценили вероятность случайного возникновения простейшей самовоспроизводящейся системы величиной 1:1040 000. Вероятность этого события настолько мала, что, находясь в здравом уме, нельзя рассчитывать на то, что оно могло произойти за такой сравнительно короткий период времени, как несколько миллиардов лет (см. статью «Могла ли жизнь возникнуть случайно?»).

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». [3] 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 гипотезы (разумеется, за исключением гипотезы творческого акта, которая даже им представляется чересчур радикальной). 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».

Исходя из того, что высокая информационная емкость живых систем не допускает никаких объяснений, даже отдаленно напоминающих механистические, мы предлагаем полностью отказаться от попыток механистических объяснений. В статье «Загадка сознания» мы обсуждали такой принципиально неупрощаемый и немеханистический аспект реальности, как сознание. По нашему мнению, сложные формы живых организмов являются другим неупрощаемым аспектом реальности, который нельзя объяснить с механистических позиций. Мы считаем, что за этими двумя явлениями стоит создавший их высший разум. Этот разум является изначальным источником наделенных сознанием живых существ и информации, организующей материю в биологические структуры.

Природа высшего разума будет более подробно обсуждена в заключительной статье журнала, озаглавленной «Наука высших измерений».

Примечания:

[1] John Maynard Smith, "Hypercycles and the Origin of Life," Nature, vol. 280 (1979), pp. 445-446.

[2] Sir F. Hoyle and Ch. Wickramasinghe, Evolution from Space (New York: Simon and Schuster, 1981), pp. 23-27.

[3] Francis Crick, Life Itself (New York: Simon and Schuster, 1981), p. 88.