Форум

Библия
(скачать)


Библейский справочник

Противоречия
в Библии

  SpyLOG

 

 

 

Другие статьи по теме

Научно-популярный интернет-портал "Наука и религия" --> Статьи по теории эволюции

Еськов К.Ю.
кандидат биологических наук, cотрудник Палеонтологического института,

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О «ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИВОГО»

11
3 . Определение абиогенеза
3.1. Синтез и накопление органических соединений.
...Органические вещества в космосе
...Синтез органических соединений на Земле
3.2. Появление первых самоорганизующихся систем
...Постановка проблемы: что возникло раньше: нуклеиновая кислота или белок?
...Мир РНК
3.3. От самовоспроизводящих автоматов Дж. фон Неймана к появлению клеток.
...Гиперцикл
...Конкуренция гиперциклов
4. Философские аспекты современного решения проблемы происхождения жизни
5. Критические воззрения на теорию о самозарождении жизни на Земле
...А. Насколько реально появление любого биологического существа, способного к саморазвитию?
...Б. Шансы на выживание такого существа
...В. Проблема хиральной чистоты

 

Абиогенез (от греческого а — отрицат. частица, bios — жизнь и genesis — происхождение), теория возникновения живых существ из веществ неорганической природы. К настоящему времени общую схему абиогенеза путём химической эволюции, можно представить следующим образом:
Синтез и усложнение органических веществ – появление первых самоорганизующихся систем – эволюция самоорганизующихся систем с образованием клеточных структур – биологическая эволюция.

3.1. Синтез и накопление органических соединений.

Органические вещества в космосе.
В космосе простые органические вещества достаточно широко распространены.
Наиболее интересными объектами для изучения являются метеориты, точнее те метеориты, которые относятся к классу углистых хондритов. Их минеральный состав свидетельствует о том, что они сформировались при низкой температуре и действию высоких температур никогда не подвергались. Они содержат до 20% воды (связанной в виде гидратов минералов) и до 10% органического вещества. При исследовании двух метеоритов — первый упал в 1950 году возле Мори (шт. Кентукки, США), а второй — у Мерчисона (шт. Виктория, Австралия) в 1969 году — в их составе обнаружены отдельные аминокислоты — строительный материал белков в живых организмах. В метеорите Мерчисон открыты и жирные кислоты, из которых построены жиры в живых тканях.
Из аминокислот идентифицированы глутаминовая кислота, пролин, глицин, саркозин, аланин, валин и 2-метилаланин, а из жирных кислот — 17 видов.
Имеются убедительные свидетельства в пользу того, что аминокислоты и углеводородные соединения в метеорите Мерчисон имеют явно эндогенное происхождение и не являются результатом внешнего загрязнения:
Новые данные о наличии ископаемых микроорганизмов в метеоритах (углистых хондритах), обнаруженных российскими исследователями, дают возможность предполагать, что жизнь существовала за пределами Земли уже 4,5 млрд лет тому назад (РОЗАНОВ А.Ю. , 1996).
В период с 1968 по 1970 гг. с помощью радиоспектрометрии были открыты органические молекулы в межзвездном пространстве, что, безусловно, пополнило наши знания об органической химии Вселенной. Были опубликованы первые сообщения об открытии воды, формальдегида и аммиака в отдельных областях нашей Галактики.
Гидроксил ОН, формальдегид Н2СО и окись углерода СО — самые распространенные молекулы в межзвездной среде. Они обнаруживаются повсюду в Галактике, тогда как в отдельных межзвездных областях встречаются и другие соединения. В нашей Галактике существует около 3000 таких туманностей, плотность которых больше плотности межзвездной среды; молекулы здесь возникают чаще. Атомы углерода играют главную роль в образовании органических молекул, которые имеют в живых организмах основное значение.
При таком положении возникновение жизни выглядит неизбежным. В туманностях космического пространства уже при образовании звезд и планет возникают молекулы, которые приводят к формированию более сложных молекул аминокислот, жирных кислот, пуринов, пиримидинов и других главных составных элементов жизни.

Синтез органических соединений на Земле.
Биохимическая эволюция на Земле, должна была начаться с момента образования земной коры, то есть около 4,5 млрд. лет назад. Ее корни уходят в ранний космический этап химической эволюции. Находки древнейших молекулярных ископаемых возрастом 3,5-3,8 млрд. лет показывают, что биохимическая эволюция, которая привела к образованию первой клетки, продолжалась около миллиарда лет.
Издавна было известно, что химики могут синтезировать органические вещества, но идея постановки отдельных опытов по синтезу органических веществ путем воспроизведения условий первичной Земли представлялась не менее фантастичной, чем многие гипотезы. Разумеется, никто не считает, что можно точно воспроизвести условия гигантской естественной химической лаборатории, какой была Земля 4,5 - 5 млрд. лет назад. Речь идет о приблизительном моделировании теоретически предполагаемых условий первичной Земли: бескислородная атмосфера, наличие исходных химических соединений: метана, воды, аммиака и источника (источников) энергии.
Первый целенаправленный опыт по синтезу органических молекул, пригодных для развития жизни, из предполагаемых исходных компонентов ранней земной атмосферы был проведен В.Гротом и Х.Зюссом в 1938 году. После облучения ультрафиолетовыми лучами газовой смеси СО2 и Н2О они получили формальдегид и глиоксал. По мнению Грота и Зюсса, результаты этих опытов объясняют образование некоторых органических соединений, «которые, вероятно, были необходимой предпосылкой эволюции органической жизни».
Позже У. Харрисон, М. Кальвин и другие (1951) подвергают экспериментальной проверке идеи Опарина и Холдейна. Они облучали ?-частицами водные растворы, содержащие ионы двухвалентного железа, которые находились в равновесии с газовой смесью двуокиси углерода и водорода. Получены формальдегид, муравьиная и янтарная кислоты.
В 1953 году Стэнли Миллер, аспирант-астрофизик знаменитого Г. Юри в Чикагском университете проводит опыт, который позже был назван классическим. Газовая смесь метана, аммиака, водяных паров и водорода (доступа свободного кислорода в колбу не было) подвергалась Миллером воздействию сильных электрических разрядов, при этом получались аминокислоты, сахара и ряд других органических соединений. Огромное значение опыта Миллера состоит в доказательстве возможности неорганического пути образования белковоподобных молекул в условиях первичной Земли.
Опыт Миллера обогатил науку и послужил сильным толчком к новым исследованиям. Т. Павловская и А. Паскинский в Институте биохимии АН СССР своими опытами и термодинамическими расчетами доказали возможность образования сложных органических веществ в условиях первичной Земли. А.Уилсон, добавляя серу к исходной смеси Миллера, получил крупные полимерные молекулы с 20 и более атомами углерода. С. Поннамперума использовал в опытах ультрафиолетовую лампу как источник энергии — ведь в условиях молодой Земли ультрафиолетовое излучение давало основную энергию. Поннамперума сумел получить не только аминокислоты и пурины (строительные блоки соответственно для белков и нуклеиновых кислот), но и синтезировал эти молекулы в полимеры. С.Фокс из Института молекулярной эволюции в Майами синтезировал почти все аминокислоты, без которых жизнь была бы невозможна. Фокс «сварил» из аминокислот так называемые «термические протеноиды», близкие по составу к белкам. При этом протеноиды превратились в приготовленном Фоксом бульоне в тонкие капли, подобные коацерватам Опарина. Именно с таких образований началась, согласно Опарину, жизнь на Земле.
Список экспериментальных исследований очень велик. Основные их результаты показывают, что химическая эволюция не плод досужего ума, а закономерный естественный процесс, который закладывает основы жизни.
Если говорить о возможном количестве органических веществ, которые могли образовываться в условия первичной Земли, то стоит обратиться к статье ….

3.2. Появление первых самоорганизующихся систем.

Добиологический часто химический этап переходит в этап самоорганизации, на котором возникают самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами — этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул — весьма условна и не фиксирована во времени.
Как известно нуклеиновые кислоты и белки выполняют три исключительно важные функции: самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этой информации в процессе возникновения новых клеток. При этом информация о белке записана на ДНК, с помощью белков ферментов эта информация переписывается (транскрипция) на РНК, с которой с помощью другой группы белков ферментов, на рибосомах происходит синтез белка исходя из записанной на РНК информации (процесс трансляции). Получается, что для образования белков нужна ДНК, а для образования РНК нужны белки. Следовательно, нуклеиновые кислоты и белки тесно взаимодействуют при воспроизводстве. Это явление является центральным положением молекулярной биологии: ДНК РНК белок. А что возникло раньше: нуклеиновая кислота или белок? Новый вариант старого вопроса о курице и яйце.
Этот вопрос возникает как барьер перед стремлением объяснить возникновение жизни. Некоторые исследователи делают вывод, что «пра-ДНК, вероятно, и была первым организмом на Земле». Но ДНК беспомощна без белка, и в этом причина нежизненности гипотезы о пра-ДНК. «Начало жизни в виде одинокой молекулы ДНК на берегу первичного океана, — пишет Бернал, — еще менее правдоподобно, чем в виде Адама и Евы в райских кущах».
Однако, недавно, из этого затруднения был найден выход. Начало прорыву в понимании закономерностей предбиологической эволюции было положено Томасом Сечем и Сиднеем Альтманом, которые открыли новый класс природных молекул РНК - рибозимов. Эти редко встречающиеся в природе молекулы ведут себя как белковые ферменты и способны катализировать реакции. Открывшаяся при этом картина поразила воображение исследователей, показав, что приведенная выше логика о ДНК как первичном носителе генетической информации, по-видимому, не соответствует действительности. Исследования, направленные на изучение ферментативной активности РНК позволили сформулировать концепцию Мира РНК, исходящую из предположения, что именно РНК являлись предбиологическими самореплицирующимися информационными матрицами, на основе которых возникла жизнь. Важнейшим средством моделирования закономерностей предбиологической эволюции являтся селекс-техника, называемая также молекулярной эволюцией в пробирке. Она включает создание исходной популяции макромолекул, например случайных последовательностей (в случае создания необходимого молекулярного свойства de novo) или природных молекул, выполняющих определенную функцию (в случае, если ее необходимо существенным образом модифицировать в определенном направлении). Затем осуществляется необходимое количество раундов эволюции, включающих: (1) мутирование исходной популяции последовательностей и (2) отбор в направлении увеличения целевого свойства.
В 1995 году Дэвид Бартель с использованием селекс- технологий синтезировал рибозимы с неизвестными ранее свойствами, которые катализировали реакции в 10 раз быстрее, чем известные природные рибозимы. Размер, структура и эффективность катализа реакций этими рибозимами удивили ученых и привели к мысли, что сложные рибозимы могли возникнуть за один шаг из длинных случайных последовательностей РДля понимания закономерностей ранней эволюции наибольшее значение имел следующий результат: из пула рибозимов после нескольких раундов эволюции авторы выделили рибозим с РНК-полимеразной активностью, который с использованием нуклеотидтрифосфата в качестве субстрата может на основе РНК-матрицы синтезировать комплементарную нить РНК длиной до 14 нуклеотидов (то есть более чем полный оборот спирали РНК). Этот фермент присоединяет нуклеотиды к короткой "праймерной" последовательности, которая комплементарна РНК-матрице. В результате подобного ферментативного синтеза образуется РНК, комплементарная исходной матрице. Фактически, этот результат может рассматриваться как важнейшее доказательство реальности предкового "мира РНК", в котором репликация РНК-матрицы осуществляется на основе РНК-фермента.
В экспериментах Бартеля с помощью селекс-технологии также был получен рибозим, обладавший способностью репарации разрывов в двухнитевой РНК. Он выполняет лигирующую функцию, то есть способен ковалентно соединять одноцепочечный разрыв в двухцепочечной РНК, используя в качестве отщепляющейся группы пирофосфат (pp).
Эти результаты показывают, что в условиях предбиологической эволюции на основе дарвиновского отбора из случайных полимеров могли возникать молекулы РНК, с широким спектром специфических ферментативных активностей, обеспечивающих как репарацию разрывов в двухнитевой РНК так и (что самое важное) - репликацию РНК.
Как же обстояло дело с синтезом самих нуклеотидов? В мире РНК примитивные формы жизни должны были не только обладать способностью к репликации РНК, но и синтезу исходных мономеров - нуклеотидов. В экспериментах Бартеля с помощью селекс-технологии получен рибозим, обладавший способностью катализировать реакцию присоединения основание к сахару с образованием нуклеотида.
Таким образом, появляется возможность полного замыкания цикла самовоспроизведения РНК - матрицы с помощью рибозимной ативности: от синтеза РНК-мономеров (нуклеотидов) до собственно синтеза новой молекулы РНК на РНК-матрице. При этом, опираясь на эксперименты Стэнли Мюллера, можно полагать, что сахара и основания синтезировались спонтанно в первичном бульоне с использованием механизмов предбиологического синтеза.
Для построения концепции мира РНК необходимо также ответить на вопрос о том, насколько вероятно было возникновение рибозимов в ходе предбиологической эволюции? Отвечая на него, Бартель с использованием селекс-методов показал что hammerhead ribosome возникает de novo из пула случайных последовательностей при физиологических условиях. Он является наиболее часто встречающейся расщепяющей молекулой, возникающей в условиях селекии in vitro и обеспечивающей биологически приемлемую скорость ферментативной реакции. Этот эксперимент указывает на возможность жесткой канализированности и, следовательно, высокой вероятности появления РНК-ферментов в условиях предбиологическй эволюции.
Итак, первейший кандидат на основной субстрат эволюции найден. Его появление можно описать примерно следующим образом.
Пусть в обширном водном резервуаре растворено большое количество нуклеотидов - мономеров, из которых построена РНК. Присутствуют четыре сорта нуклеотидов: на основе аденина (А), гуанина (Г), урацил (У) и тимина (Т). Между нуклеотидами могут идти реакции конденсации с образованием однонитевых ди-, три- и т.д. полинуклеотидов.
Скорость распада ди-, три-, ... полинуклеотидов значительно больше скорости их образования, и равновесие в этих реакциях будет сдвинуто в сторону мономеров. Концентрации полинуклеотидов будут невелики и тем меньше, чем длиннее цепочка. Небольшое число полимерных нитей разной длины, которые всегда будут присутствовать в растворе в динамическом равновесии с огромным избытком мономеров, должно иметь совершенно случайные последовательности нуклеотидов (скорости реакций распада и синтеза для всех нуклеотидов практически одинаковы), и априорные вероятности всех последовательностей будут одинаковы. Ясно, что та или иная реализующаяся последовательность, та или иная возникающая упорядоченность не будут иметь смысла.
Однако, благодаря особым химическим свойствам нуклеотидов - возможностью присоединять комплементарные цепочки с образованием водородных связей, возникающая молекула двунитевого полимера гораздо стабильнее молекулы однонитевого. По достижении достаточной длины она образует двойную спираль, практически не распадается.
Первая двунитевая молекула образуется в результате случайного и весьма маловероятного процесса, ещё менее вероятно, что эта молекула будет обладать свойствами реплицироваться (удваиваться, за счёт комплементарного присоединения нуклеотидов), однако со временем, случайный «перебор» последовательностей РНК должен был приводить к появлению рибозимов.
Последовательность, реализованная в таком долгоживущем двунитевом полимере, приобрела смысл. Этот смысл состоит в том, что эта последовательность в стабильной и способной к редубликации молекуле существует, а другие возможные последовательности - нет. В системе будет быстро возрастать концентрация полимеров именно с такой, теперь уже особой, последовательностью. Случайные отклонения ("ошибки") от "правильной" последовательности будут также воспроизводиться и дадут начало самостоятельным системам, конкурирующим с исходной за наличные запасы мономеров. Таким образом, благодаря запоминанию случайного выбора возникла упорядоченность, имеющая смысл, возникла система, способная создавать осмысленную информацию.
До того, как полимер со случайной последовательностью нуклеотидов образовал стабильную двунитевую структуру, или до того, как случайная последовательность трех цифр была введена в замок сейфа, информации о том, что эти последовательности "лучше" других, просто не существовало. Информация была создана, сотворена. Непредсказуемое превратилось в неизбежное.
Системы, создающие осмысленную упорядоченность, обладают одним общим свойством: они содержат компоненты, конструкции, продолжительность жизни которых превышает время одного цикла работы системы. Для системы нуклеиновых кислот это значит, что двунитевой полимер не распадется до редубликации.
К настоящему времени нет полной уверенности, что именно рибозимы стали основой для появления жизни на Земле. Ещё многое неизвестно и может быть процессы, подобные описанному выше шли и у белков, жиров, углеводов. Важно другое, что в тех открытых системах, что находятся в сильно неравновесных условиях, могут спонтанно возникать такие типы структур, которые способны к самоорганизации, т.е. к переходу от беспорядка, “теплового хаоса”, к упорядоченным состояниям. Создатель новой, неравновесной термодинамики Пригожин назвал эти структуры диссипативными – стремясь подчеркнуть парадокс: процесс диссипации (т.е. безвозвратных потерь энергии) играет в их возникновении конструктивную роль. Особое значение в этих процессах имеют флуктуации – случайные отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения (одна из книг Пригожина так и называется – “Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядочению через флуктуации”).

К настоящему времени решение проблемы возникновения жизни происходит с приложением к ней теории самоорганизующихся систем. Самоорганизующейся называют такую систему, которая обладает способностью корректировать свое поведение на основе предшествующего опыта (сам термин был введен в 1947 г. одним из создателей кибернетики физиологом У.Эшби). Следует сразу оговорить, что при этом было строго показано, что рассмотрение процессов развития (в том числе – биологических систем из добиологических) принципиально невозможно в рамках классической термодинамики. Создатель альтернативной, неравновесной, термодинамики И.Пригожин произвел научную революцию тех же примерно масштабов, что в свое время Ньютон или Эйнштейн, и революция эта еще отнюдь не завершена. Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе матричной репродукци и естественного отбора. Он начинает с того, что дарвиновский принцип естественного отбора (ЕО) – единственный понятный нам способ создания новой информации (это физическая величина, отражающая меру упорядоченности системы). Если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как ее следствие, ЕО. Эволюционное поведение, управляемое ЕО, основано на самовоспроизведении с “информационным шумом” (в случае эволюции биологических видов роль “шума” выполняют мутации). Наличия этих двух физических свойств достаточно, чтобы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующей степенью сложности.

3.3. От самовоспроизводящих автоматов Дж. фон Неймана к появлению клеток.

Говоря об усложнении системы, необходимо упомянуть выводы еще одного основоположника кибернетики, Дж. фон Неймана (1960), решавшего проблему самовоспроизведения автоматов. Оказалось, способность к самовоспроизведению принципиально зависит от сложности организации. На низшем уровне сложность является вырождающейся, т.е. каждый автомат способен воспроизводит лишь менее сложные автоматы. Существует, однако, вполне определенный критический уровень сложности, начиная с которого эта склонность к вырождению перестает быть всеобщей: “Сложность, точно так же, как и структура организмов, ниже некого минимального уровня является вырождающейся, а выше этого уровня становится самоподдерживающейся или даже может расти”.
Итак, Эйгену “всего-навсего” осталось найти реальный класс химических реакций, компоненты которых вели бы себя подобно дарвиновским видам, т.е. обладали бы способностью “отбираться” и, соответственно, эволюционировать в сторону увеличения сложности организации. Именно такими свойствами, как выяснилось, и обладают нелинейные автокаталитические цепи, названные им гиперциклами. Здесь необходимо дать некоторые пояснения.
Простейшим случаем каталитической реакции является превращение исходного вещества (субстрат – S) в конечное (продукт – P) при участии единственного фермента (E); уже этот механизм требует по меньшей мере трехчленного цикла, который называется реакционным Следующий за реакционным циклом уровень организации представляет собой каталитический цикл, в котором некоторые – или все – интермедиаты сами являются катализаторами для одной из последующих реакций. Каждый из них (Ei+1) образуется из высокоэнергетического субстрата (S) при каталитической поддержке от предыдущего интермедиата (Ei). Таким образом, каталитический цикл как целое эквивалентен автокатализатору.
Если же такие автокаталитические (т.е. самовоспроизводящиеся) единицы оказываются, в свою очередь, сочленены между собой посредством циклической связи, то возникает каталитический гиперцикл. Гиперцикл, таким образом, основан на нелинейном автокатализе – автокатализе как минимум второго порядка, и представляет собой следующий, более высокий уровень в иерархии автокаталитических систем. Он состоит из самоинструктирующихся единиц (Ii) с двойными каталитическими функциями: в качестве автокатализатора интермедиат Ii способен инструктировать свое собственное воспроизведение, и при этом катализирует воспроизведение из высокоэнеогетического субстрата (S) следующего в цепи интермедиата (I i+1)
Гиперциклы (одним из простейших примеров которых является размножение РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке) обладают рядом уникальных свойств, порождающих дарвиновское поведение системы. Гиперцикл конкурирует (и даже более ожесточенно, чем дарвиновские виды) с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом; он не может стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами – если только не объединен с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого, порядка. Состоя из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц (что гарантирует сохранение фиксированного количества информации, передающейся от “предков” к “потомкам”), он обладает и интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми ее членами, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.
Итак, именно гиперцикл (который сам по себе – еще чистая химия) является тем самым критическим уровнем, начиная с которого сложность неймановского “самовоспроизводящегося автомата” перестает быть вырождающейся. Эта концепция, в частности, вполне удовлетворительно описывает возникновение на основе взаимного катализа системы “нуклеиновая кислота-белок” – решающее событие в процессе возникновения жизни на Земле. Вместе с тем, сам Эйген подчеркивает, что в ходе реальной эволюции гиперцикл вполне мог “вымереть” – после того, как ферментные системы следующего поколения (с более высокой точностью репродукции) сумели индивидуализировать интегральную систему в форме клетки.

Вопрос о том где гиперциклы конкурировали и объединялись между собой с образованием автокаталитических структур более высокого порядка, пока ещё открыт. На этот счёт существует масса предположений.
Процесс концентрации органических веществ может происходить при отливах, испарении воды в лагунах, а также при волнении (как отмечено выше). Научные данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

Нашу Землю можно рассматривать и как огромную лабораторию, с участками способными воспроизвести различные условия. Например, глинами с ячеистыми структурами, которые напоминают мембраны клеткок, коацерватными каплями (Коацервация — это самопроизвольное разделение водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрацию полимеров. Часть этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов («протобионты» по терминологии Опарина — первые белковые структуры), мембраны которых способны впускать нуклеотиды, но не выпускать полимерные цепочки, металлами океанских глубин, способными акцептировать полипептиды и катализировать процессы присоединение мономеров и многими другими условиями.


4. Философские аспекты современного решения проблемы происхождения жизни

В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого изучается в данном исследовании преимущественно (вещество, энергия, информация), все современные концепции происхождения жизни можно условно разделить на три направления: субстратное (биохимики во главе с А.И. Опариным), энергетическое (И. Пригожин, Л.И. Блюменфельд, М.В. Волькенштейн, К.С. Тринчер, П.Г. Кузнецов, Л.А. Николаев и др.) и информационное (А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, М. Эйген, Ф. Крик, Д.С. Чернавский и др.). Из конкретных концепций, получивших сегодня широкое признание, можно указать, кроме гипотезы Опарина о путях эволюции обмена веществ и Холдейна о становлении механизма передачи наследственной информации, на гипотезу Кастлера об эволюции молекулы полинуклеотида со свойствами репликации; идею Кальвина о молекулярной эволюции свойства автокатализа некоторых биополимеров; концепцию Бернала о химической эволюции в адсорбционных пленках; гипотезу Фокса и Дозе об эволюции протеиноидных микросфер; теорию Эйгена об эволюции самовоспроизводящегося гиперцикла систем синтеза белков и полинуклеотидов; концепцию Меклера о перекрестной стереокомплементарности (механизм воспроизводства генетической информации и кода) и др.
Но только с привлечением неравновесной термодинамики в проблему происхождения жизни стало возможно перенести законы естественного отбора на процессы, по сути ещё находящиеся за гранью живых систем. Таким образом, была подтверждена универсальность законов эволюции и их способность описывать работу не только биологических, но и самовоспроизводящих добиологических систем.

 

5. Критические воззрения на теорию о самозарождении жизни на Земле

В то же самое время, когда проводились многочисленные эксперименты, долженствующие доказать возможность самопроизвольного ПЖ, появившиеся гипотезы были подвергнуты серьёзной критике. Основными из которых были следующие замечания:
А. Насколько реально появление любого живого, в нашем понимании, существа - Биологического существа, способного к самопроизводству, самообучению, самообеспечению?
Известна такая аналогия: вероятность случайного возникновения осмысленной аминокислотно-нуклеотидной последовательности соответствует вероятности того, что несколько килограммов типографского шрифта, будучи сброшены с крыши небоскреба, сложатся в 105-ую страницу романа “Война и мир”. Абиогенез (в его классическом виде) как раз и предполагал такое “сбрасывание шрифта” – раз, 10 раз, 10100 раз – сколько понадобится, пока тот не сложится в требуемую страницу. Сейчас всем понятно, что это просто несерьезно: потребное для этого время (его вполне можно расчитать) на много порядков превосходит время существования всей нашей Вселенной (не более 20 млрд лет). В результате мы оказываемся перед неизбежной необходимостью признать прямое вмешательство в этот случайный процесс Бога (тут можно придумать какие-нибудь эвфемизмы, но суть от этого не изменится); а раз так, то данная проблема, как легко догадаться, вообще не относится к сфере науки. Таким образом, получается, что по крайней мере в рамках чисто химического подхода проблема зарождения жизни принципиально неразрешима.
Однако, современные данные говорят о возможности закономерного усложнения органических соединений, образованию самоорганизующихся систем и их последующей эволюции. Там где есть законы, бессмысленно считать вероятность выполнения этого закона. Поэтому вопрос о малой вероятности ПЖ сменяется вопросом об основном субстрате биохимической эволюции.

Б. Из области критики ПЖ, как случайного процесса относится и следующее утверждение: если бы в условиях первобытной Земли самопроизвольно возник даже слон, то у него не было бы никаких шансов на дальнейшее существование. Можно сформулировать данное утверждение более корректно.
Один из ведущих специалистов по микробным сообществам Г.А.Заварзин обращает внимание на то, что “первичный бульон” даже теоретически не мог быть источником пищи для “первичной жизни”, так как является конечным, исчерпываемым ресурсом. Поскольку живые существа размножаются в геометрической прогрессии (вспомните всякого рода “Занимательные задачки” о потомках одной бактерии, заполняющих сперва наперсток, потом железнодорожный состав и т.д.), потомство первых же гетеротрофов должно было бы сожрать весь этот “бульон” за совершенно ничтожное время; после этого все они, естественно, мрут от голода – и извольте создавать Жизнь на Земле по новой. Не меньшие неприятности, впрочем, ожидают и чисто автотрофную биосферу, которая в том же темпе – и с тем же конечным результатом! – свяжет весь углерод на планете в виде неразложимых высокомолекулярных соединений.

На вполне возможно параллельно развивались обоих механизмов питания, причем ещё на стадии автоматов Неймона. Хотя, даже если появившиеся гетеротрофы или автотрофы извели весь субстрат и начали вымирать, то ничего не мешает началу нового витка эволюции, причём начало уже не на пустом месте, а «находками» сделанными прошлыми поколениями.

В. Оптических изомеров – веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся так называемой оптической активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через их кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право– или левовращающими; свойством этим обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны. Явление это связывают с наличием в молекуле таких веществ так называемого асимметричного атома углерода, к четырем валентностям которого могут в разном порядке присоединяться четыре соответствующих радикала Сейчас известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого. А поскольку при любом абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятностей) долей право– и левовращающих изомеров, то в дальнейшем – при синтезе из этого “сырья” белков – перед нами встанет задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны? (Не зря оптической активностью обладают лишь природные сахара – и ни один из синтетических, а упомянутые выше полипептиды из метеоритного вещества состоят из равных долей право– и левовращающих аминокислот.)
Для ответа на данное замечание нужно вспомнить два факта. Первый заключается в том, что цепочки, включающие однонаправленные изомеры способны образовывать прочные водородные связи и спиральные структуры. Т.е., если два разных оптических изомера одного вещества имеют идентичные химические свойства, то полимеры состоящий из двух или более мономеров одного вещества, но разных оптических изомеров будут иметь разные химические свойства. В частности различаться способностью к образованию водородных связей и следовательно, устойчивостью полимерной цепочки. Второй факт состоит в том, что взаимодействие биоорганических соединений во многом определяется пространственной структурой веществ, а так как именно пространственным расположением и отличаются оптические изомеры, то для включения в полимеры разных оптических изомеров потребовало бы и создание двух типов ферментативных систем. Т.е., как минимум вдвое бы усложнило систему.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многие ведущие биологические журналы (например, “Журнал общей биологии” Российской Академии наук) не принимают к публикации статей по проблеме происхождения жизни; не принимают в принципе – вроде как проекты вечного двигателя. (Точно также, кстати сказать, журналы по лингвистике не принимают статей на тему “происхождения языка”.) Дело в том, что наука вообще имеет дело лишь с неединичными, повторяющимися явлениями, вычленяя их общие закономерности и частные особенности; биологическая эволюция, например, является предметом науки лишь постольку, поскольку представлена совокупностью отдельных эволюционных актов. Между тем, такие явления, как Жизнь и Разум, пока известны нам как уникальные, возникшие однократно в конкретных условиях Земли. И до тех пор, пока мы не разрушим эту уникальность (ну, например, обнаружив жизнь на других планетах, или синтезировав реального гомункулуса), проблема возникновения Жизни, строго говоря, обречена оставаться предметом философии, богословия, научной фантастики – всего, чего угодно, но только не науки: невозможно строить график по единственной точке. Именно поэтому большинство биологов относится к обсуждению этой проблемы с нескрываемой неприязнью: профессионалу, заботящемуся о своей репутации, всегда претит высказывать суждения в чужой для себя области, где он заведомо недостаточно компетентен. Выдающийся генетик Н.В.Тимофеев-Ресовский, к примеру, имел обыкновение на все вопросы о происхождении жизни на Земле отвечать: “Я был тогда очень маленьким, и потому ничего не помню. Спросите-ка лучше у академика Опарина...”
Думаю, не будет ошибкой сказать, что бурно развивающаяся неравновесная термодинамика буквально на наших глазах меняет всю картину Мира, в котором мы живем. Например, второе начало термодинамики приобретает в ней совершенно иной философский смысл, ибо именно энтропия является тем самым “сырьем”, из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать – это дело случая!) более высокую, чем прежде, упорядоченность. Для нас же здесь наиболее существенно то, что в ее рамках процесс происхождения жизни теряет свою абсолютную уникальность (а вместе с нею – и сопутствующий мистический ореол) и становится обычной, хотя и чрезвычайно сложной, научной проблемой. Как пишет Пригожин, “старая проблема происхождения жизни предстает в новом свете. Заведомо ясно, что жизнь несовместима с принципом порядка Больцмана, но не противоречит тому типу поведения, который устанавливается в сильно неравновесных условиях”, и далее: “Разумеется, проблема происхождения жизни по-прежнему остается весьма трудной, и мы не ожидаем в ближайшем будущем сколько-нибудь простого ее решения. Тем не менее, при нашем подходе жизнь перестает противостоять “обычным” законам физики, бороться против них, чтобы избежать предуготованной ей судьбы – гибели.”

ЛИТЕРАТУРА

Блюменфельд Л.А. ИНФОРМАЦИЯ, ТЕРМОДИНАМИКА И КОНСТРУКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Соросовский образовательный журнал, N 7, 1996 г.

Бурень В.М., Василькова В.В., Зобов Р.А. и др. Природа и дух: Мир философских проблем. Кн.1. Человек в мире и мир человека / СПб.,1995

Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней

Колчанов Н. А. Спецкурс "Информационная Биология" Лекция третья: "Молекулярная эволюция генетических систем: концепции и задачи"

Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М., 1960

Пригожин И., Стенгерс И., Порядок из хаоса. – М.,1986

Редько В.Г. Эволюционная кибернетика Тезисы курса лекций


РОЗАНОВ А.Ю. ЦИАНОБАКТЕРИИ И, ВОЗМОЖНО, НИЗШИЕ ГРИБЫ В МЕТЕОРИТАХ; Соросовский образовательный журнал, N11, 1996, cтр.61-65