Биохимическая эволюция. Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд

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

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

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

В 1923 г. ^ А. И. Опарин высказал мнение, что атмосфера первич­ной Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических сообра­жений, он полагал, что органические вещества, возможно, углеводоро­ды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океане простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепен­но накопились органические вещества и образовался тот "первичный бульон", в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. схожую мысль высказал Дарвин: "Часто говорят, что все необ­ходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время, но если (ох, какое это большое "если") представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа".

В 1953 г. ^ Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал ус­ловия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое зна­чение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперимен­те синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных еди­ниц (простые нуклеиновые кислоты).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую, однако, поместили смесь СО₂ и Н₂О и только еле-

довые количества других газов, дали такие же результаты, какие полу­чил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она ос­тавляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.

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

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

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

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

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

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

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

Мы еще раз должны подчеркнуть, что центральная проблема возникновения жизни на Земле - объяснение качественного скачка от "неживого" к "живому" - все еще далека от ясности. Недаром один из основоположников современной молекулярной биологии проф. Крик на Бюраканском симпозиуме в сентябре 1971 г. сказал: "Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора.

Можно прийти к выводу, что происхождение жизни - чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании".

В связи с возможностью синтеза живого вещества (не обязатель­но разумного) из неживого возникает большое количество острых про­блем. Так, И. С. Шкловский пишет, что "коль скоро не существует принципиального различия между жизнью естественной и жизнью ис­кусственной, нельзя исключить возможность того, что жизнь на некоторых планетах может иметь искусственное происхождение. Небезынте­ресно в порядке гипотезы обсудить возможность занесения живых спор и микроорганизмов во время посещения безжизненной планеты недос­таточно стерилизованным инопланетным космическим кораблем. Мож­но также высказать гипотезу гораздо более радикального свойства: жизнь на некоторых планетах могла возникнуть как результат созна­тельного эксперимента высокоорганизованных космонавтов, некогда посетивших эти планеты, которые в те времена были безжизненны. Можно даже предположить, что подобное "насаждение жизни", так сказать, "в плановом порядке" является нормальной практикой высокораз­витых цивилизаций, разбросанных в просторах Вселенной. Вместо того, чтобы пассивно ожидать "естественного", самопроизвольного возник­новения жизни на подходящей планете - процесса, возможно, весьма маловероятного, высокоразвитые галактические цивилизации как бы планомерно сеют посевы жизни во Вселенной... Если это так, то веро­ятность обитаемости планетных систем в Галактике может быть увели­чена на много порядков. Наконец, чтобы быть последовательным, нуж­но еще учитывать возможность заселения планет, на которых сущест­вуют подходящие условия, разумными существами - искусственными или естественными".

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

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

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

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