Концепция происхождения жизни

Рассмотрим теперь некоторые численные значения, которые носят характер ориентировочных оценок. Масса газа, выброшенного при сильном извержении, имеет порядок величины 1012 г. Если принять, что в течение истории развития Земли такие извержения были ежегодно, то при благоприятных условиях могло образоваться до 1017 г органических соединений.

“Вулканический” механизм образования сложных молекул может иметь принципиальное значение в условиях, гд е по ряду причин воздействием ультрафиолетового излучения на исходные материалы можно пренебречь.

Предложенный Мухиным механизм образования сложных молекул не требует наличия метано-аммиачной атмосферы. Было бы интересно проверить этот механизм экспериментально в зоне действия какого-либо подводного вулкана.

Много лет тому назад Бернал высказывался в том смысле, что жизнь могла зародиться в иле небольших лагун. В таких условиях полимеризация молекул может протекать гораздо быстрее, гак как микроскопические частицы ила могут выступать в роли своеобразных катализаторов. Это предположение Бернала было подтверждено экспериментально. Любопытно отметить, что некоторые сложные органические молекулы лучше “сопротивляются” разрушительному воздействию ультрафиолетовых лучей, а также нагреву, чем простые. Поэтому следует ожидать, что с течением времени должны “выживать” более сложные молекулы, в то время как простые должны разрушаться. Довольно любопытный пример “естественного отбора” у неживой материи!..

Наряду с описанным “естественным отбором”, приводящим к преимущественному образованию сложных органических соединений, будут происходить, и притом довольно эффективно, “сливания” таких молекул в целые молекулярные агрегаты, насчитывающие сотни тысяч и миллионы молекул. Такие образования называются “коацерватными каплями”. Они неоднократно исследовались экспериментально. На рис. 54 приведена фотография таких капель, сделанная через микроскоп при увеличении в 320 раз. В итоге образования коацерватных капель в них могут быть сконцентрированы все белковые молекулы, присутствующие в мировом океане -растворе. В окружающей воде будут растворены только сравнительно простые, низкомолекулярные соединения.

Академик А. И. Опарин считает, что именно эти коацерватные капли при определенных условиях могли дать начало образованию первичных живых систем. Об этом свидетельствует ряд интересных свойств коацерватных капель, ставших известными в результате лабораторных исследований. В частности, эти капли обладают свойством улавливать и впитывать в свою структуру некоторые вещества из окружающего их низкомолекулярного раствора. В этом А. И. Опарин усматривает зачаточные формы процесса обмена веществ -важнейшего, по его мнению, атрибута жизни. Он подчеркивает, что в мире коацерватов имеют место полные аналоги процесса естественного отбора. По этому поводу он пишет: “Образовавшиеся в земной гидросфере коацерватные капли находились погруженными не проста в воде, а в растворе разнообразных органических веществ и неорганических солей. Эти вещества и соли адсорбировались коацерватными каплями и затем вступали в химическое взаимодействие с веществом самого коацервата. Происходили процессы синтеза. Но параллельно с ними шли и процессы распада. Скорость как тех, так и других процессов зависела от внутренней организации каждой данной капли. Более или менее длительно существовать могли только капли, обладавшие известной динамической устойчивостью, в которых при данных условиях внешней среды скорости синтетических процессов преобладали над скоростями разложения. В обратном случае капли были обречены на исчезновение. Индивидуальная история таких капель быстро обрывалась, и поэтому такие “плохо организованные капли” уже не играли никакой роли в ходе дальнейшей эволюции органической материи” *).

С гипотезой А. И. Опарина в настоящее время трудно согласиться. Наличие аналогов обмена веществ и “естественного отбора” у коацерватов еще не есть доказательство того, что они могли привести к образованию первых примитивных живых организмов. Основными свойствами всякого живого организма, помимо обмена веществ, являются наличие “копировальной системы”, “кода”, передающего по наследству все характерные признаки данной особи. Между тем у коацерватов ничего подобного нет. Изобилие на первобытной земле всевозможных, в том числе и достаточно сложных, “строительных блоков”, из которых построено все живое, еще не объясняет, как возникла и стала функционировать живая субстанция, представляющая собой даже в самых простых формах весьма сложную машину , а ес-ли говорить точнее, великолепно работающую современнейшую фабрику-автомат .

*) Опарин А. И., Фесенков В. Г. Жизнь во Вселенной.—М.: Изд-во АН СССР 1956.

“Управляющая система” этой фабрики сосредоточена в одномерной структуре ДНК, хранящей информацию, записанную на языке, состоящем из четырех букв (оснований). Система осуществляет перевод этого языка на язык строящихся по ее командам белков, состоящий из 20 букв (аминокислот).

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. Впрочем, пока не ясно, есть ли такое решение вообще.

Итак, центральной проблемой происхождения жизни на Земле является реконструкция эволюции механизма наследственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Ведь любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений — это еще не живой организм. 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 “праДНК” 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 блоков — 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 66-й сонет Шекспира... Выход из этого затруднительного положения может состоять в том, что сам репликационный механизм за первые сотни миллионов лет развития “пражизни” претерпел огромную эволюцию от простого к сложному. К сожалению, успехи в этой важнейшей области пока незначительны.

Рич, однако, указал на значительное сходство строения молекул ДНК и РНК, которые тем не менее выполняют в клетке совершенно различные функции. ДНК является носителем генетической информации, РНК служит для превращения этой информации в реальные молекулы белка, т. е. для непосредственного синтеза видовоспецифического белка.

Особого внимания заслуживает открытие у вируса табачной мозаики и у некоторых других вирусов не двух, а только одной нуклеиновой кислоты, более простой, — РНК. Эта РНК оказалась способной осуществлять функции обеих нуклеиновых кислот — передачи наследственной информации и синтеза белка.

Можно допустить, что обе нуклеиновые кислоты произошли от одной общей более примитивной молекулы. Усложняясь и специализируясь в процессе эволюции, эта “прануклеиновая” кислота превратилась в функционально различные типы молекул ДНК и РНК. Возможно, что этой первичной нуклеиновой кислотой могла быть молекула, близкая к более простой РНК. Подобно РНК вируса табачной мозаики она обладала способностью к передаче наследственной информации и к синтезу белка. Возможно также, что вирусы, содержащие только одну РНК (филогенетически более раннее образование), следует рассматривать как современные модификации древней, примитивной формы жизни.

Все это может пролить некоторый свет на пути возникновения и развития живых существ от более простых форм управления и примитивной жизни к более сложным формам. Если небелковая (“неживая”) молекула РНК в подходящей среде образует живые системы, то не на этом ли пути можно обнаружить “мостик” между неживой и живой природой? Решающее слово в этом важнейшем вопросе принадлежит различным будущим биохимическим и генетическим исследованиям.

Для образовавшихся на планете первых примитивных организмов высокие дозы жесткой радиации могут представлять смертельную опасность, так как мутации будут происходить так быстро, что естественный отбор не поспеет за ними.

Мы уже упоминали в гл. 5, что примерно один раз в сотни миллионов лет около Солнца вспыхивает сверхновая звезда, и в нашей планетной системе уровень космических лучей увеличивается в десятки и сотни раз. Однако для сравнительно короткоживущих примитивных жизненных форм такое увеличение уровня жесткой радиации не представляет серьезной опасности. Кроме того, длительность периодов повышенной интенсивности космических лучей сравнительно невелика (десятки тысяч лет). Другим возможным источником губительной жесткой радиации мог быть повышенный уровень радиоактивности на первобытной Земле. Однако расчеты показывают, что этот уровень вряд ли превышал современный более чем в 10 раз. Солнечное рентгеновское излучение в те времена, так же как и сейчас, не проникало через толщу атмосферы. И только один вид жесткой радиации имел высокую интенсивность — ультрафиолетовое излучение Солнца в области длин волн 0,29 — 0,24 мкм, для которого первобытная атмосфера Земли, в отличие от современной, была прозрачной.

Так как Солнце в те времена излучало примерно так же, как и сейчас, мы можем оценить поток его излучения на Земле в указанной спектральной области. Этот поток оказывается равным 5·103 эрг/(см2·с), т. е. примерно в 300 раз меньше полного потока солнечного излучения. Смертельная доза такой радиации для большинства современных микроорганизмов составляет 105-106 эрг/см2. Радиационная опасность отсутствует в том случае, когда за время жизни одного поколения живых организмов доза радиации меньше приведенной величины. Имеются некоторые основания полагать, что время жизни первобытных примитивных организмов было достаточно велико, например, несколько недель. Если считать, что для них доза в 103 эрг/см2 была опасной, то поток ультрафиолетовой радиации должен быть не больше 10-3 зрг/(см2·с), т.е. в 5 млн раз меньше реального потока солнечного излучения. Отсюда следует важный вывод, что первичные живые организмы могли образоваться и развиваться только на достаточно большой глубине под водой. Слой воды в несколько десятков метров уменьшает поток ультрафиолетового излучения в десятки миллионов раз и тем самым обеспечивает необходимую для развития живых организмов “броню”. Это является еще одним важным аргументом в пользу утверждения, что жизнь на нашей планете возникла и развивалась первоначально в воде, причем на достаточно большой глубине.

Мы остановились только на некоторых основных вопросах возникновения жизни на Земле и по аналогии — на других планетах. В этой проблеме еще очень много неясного. Например, все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют “левую асимметрию”. Что это означает? Дело в том, что большое количество органических соединений может существовать в двух формах. Эти формы отличаются одна от другой противоположной ориентацией отдельных группировок атомов — некоторая группировка атомов в одной форме являегся зеркальным изображением соответствующей группировки в другой.

Когда происходит лабораторный синтез такого соединения, всегда “правые” и “левые” формы присутствуют в одинаковом количестве, так как “наращивание” молекул путем присоединения атомов и атомных группировок происходит случайным образом. Почему же в “живых” органических соединениях всегда присутствуют только “левые” формы?

Еще Пастер указал, что “асимметричный синтез” может происходить при наличии какого-нибудь природного асимметричного фактора. И действительно, если в лабораторных условиях синтезировать некоторые органические соединения под воздействием поляризованного по кругу света, то в зависимости от направления вращения светового вектора получаются преимущественно “правые” или “левые” формы синтезируемых веществ. К сожалению, таким способом трудно объяснить асимметрию “живых” молекул, так как в солнечном излучении отсутствует сколько-нибудь значительная составляющая, поляризованная по кругу. Впрочем, нельзя исключать того, что после прохождения значительной толщи первобытного океана, вода которого, быть может, обладала соответствующими оптическими свойствами, такая составляющая и возникала. Этот вопрос требует специального исследования.

Другой возможный путь асимметричного синтеза был указан Берналом. При синтезе некоторых органических веществ на поверхности оптически активных кристаллов (например, кварца) могут возникать формы определенной симметрии. Следует, однако, отметить, что в природе распространены как “правые”, так и “левые” кристаллы. Поэтому не совсем ясно, каким образом в живом веществе молекулы имеют асимметрию только одного знака и вряд ли асимметричный синтез в естественных условиях первобытной Земли мог происходить таким способом. Так или иначе, вопрос о причине асимметрии живой субстанции пока остается открытым.

Заслуживает внимания еще такой вопрос: почему жизнь на Земле не возникает из неживого вещества в настоящее время? И вообще — жизнь на Земле возникла однократно или многократно? Против возможностей повторного зарождения жизни на нашей планете из неживой субстанции можно выдвинуть такой серьезный аргумент: ранее возникшая жизнь не даст возможность новому зарождению жизни. Микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки новой жизни. Другим аргументом против “повторного” зарождения жизни является ничтожно малая вероятность этою процесса. Ведь нельзя исключить возможность того, что жизнь на Земле возникла случайно (см. ниже).

Существует еще одно обстоятельство, на которое, может быть, стоит обратить внимание. Хорошо известно, что все “живые” белки состоят из 20 аминокислот, между тем как всего аминокислот известно свыше 100. Не совсем понятно, чем отличаются эти 20 аминокислот от остальных своих “собратьев”*). Нет ли какой-то глубокой связи между происхождением жизни и этим удивительным явлением? 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”.

Все же не будем отчаиваться — и эта твердыня непознанного будет взята; порукой этому является гигантский прогресс современной молекулярной биологии.

*) Впрочем, некоторые количества других аминокислот имеются у низших организмов. Следует, однако, заметить, что у этих организмов ДНК отличаются от обычных.

Философские идеи о происхождении жизни на Земле

Введение

Жизнь - одна из форм бытия и одна из высших форм движения. Однако при всей очевидности, казалось бы, и наглядности феномена жизни познание сущности жизни, ее критериев, закономерностей развития - дело чрезвычайно сложное. Показателем этой сложности служит факт, что до сих пор отсутствует определение жизни, которое удовлетворяло бы научным требованиям. Современная наука во взгляде на жизнь исходит из представлений о качественном отличии живого от неживого, о наличии общих свойств у растительного и животного мира, включая человека. Естественнонаучное познание жизни осуществляется по многим направлениям. Практически в него вовлечены все науки. И все же основная тяжесть выпадает на биологию - науку о жизни.