7.2. Гипотезы происхождения жизни

Наука испытывает серьезные трудности не только с определением сущности жизни, но и с проблемой ее происхождения. Общепризнанной научной теории происхождения жизни не существует, хотя попытки ее создания предпринимались учеными на протяжении многих веков. Имеются следующие гипотезы:

1. Концепция вечной жизни. Если допустить, что жизнь существовала всегда, то вопрос о начале не возникает.

2. Креационизм (лат. сreatio – созидание). Согласно религиозным учениям Вселенная и все живые существа в ней сотворены Богом. Наука отвергает эту идею, но опровергнуть ее не в состоянии.

3. Самозарождение. Эта версия появилась в качестве альтернативы креационизму еще в античную эпоху, так как повседневные наблюдения показывали, что в мусорных кучах постоянно появляются личинки, мухи, черви и т.п. Считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. Таких взглядов придерживались Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Гете, Декарт и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования этой концепции и ее широкое распространение. Серьезный удар по ней нанес в 1688 году итальянский врач Франческо Реди, экспериментально доказав, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, – это личинки мух. Его вывод о том, что живое возникает только из живого, был подтвержден в XIX в. опытами Л.Пастера и утвердился в биологии как принцип Реди, или концепция биогенеза.

4. Внеземное происхождение. Предполагается, что жизнь занесена на Землю из других областей Вселенной в виде неких семян (идея панспермии) или же в лице пришельцев из других цивилизаций. Этой концепции придерживались С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. Довольно большое число сторонников имеет она и в наши дни. Так, спектральный анализ излучений, приходящих из дальнего космоса, позволил обнаружить в межзвездном пространстве 130 видов различных молекулярных соединений; в 2002 г. были получены неопровержимые доказательства наличия глицина (простейшей аминокислоты) в газопылевых облаках. Эти и подобные им факты рассматриваются некоторыми учеными как косвенное подтверждение того, что химические процессы, необходимые для возникновения жизни, не уникальны и не связаны исключительно с земными условиями, а могут происходить и в космическом пространстве. Тем не менее, убедительных аргументов в пользу концепции панспермии нет. Зато есть серьезные доводы против нее: считается, что живые организмы не могут не погибнуть под действием ультрафиолетовых и космических лучей. Кроме того, все существующие варианты этой концепции все равно не решают проблемы происхождения жизни, а лишь выносят ее за пределы Земли.

5. Биохимическая эволюция. Возраст Земли, согласно современным данным, составляет около 5 млрд лет, и долгое время условия на ней сильно отличались от современных. Температура поверхности была очень высокой, атмосфера состояла из тяжелых газов (аммиак, метан, диоксид углерода, пары воды). Отсутствие кислорода способствовало образованию углеводородов. В 1923 г. А.И. Опарин выдвинул гипотезу, по которой в «первичном бульоне» органических веществ могли образоваться доклеточные организмы – прокариоты. Они производили кислород, который их в конце концов погубил, и около 600 млн лет назад наступила эра эукариотов (организмов с оформленным клеточным ядром и кислородным дыханием). Некоторые этапы такой эволюции воспроизводятся в современных экспериментах, но качественный скачок от неживого к живому по прежнему остается загадкой.

Современное состояние исследований. В настоящее время центральной проблемой в вопросе происхождения жизни является описание эволюции механизма наследственности. Ведь жизнь возникла тогда, когда начал действовать механизм воспроизводства. Трудность здесь заключается в том, что для репродукции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты. На протяжении XX в. ученые вели дискуссию о том, что возникло раньше – белки (концепция голобиоза) или нуклеиновые кислоты (концепция генобиоза) и когда произошло их объединение в единую систему. Конечно, проще всего было бы предложить, что они возникли одновременно, после чего началась их совместная коэволюция. Но этот вариант не получил признания ученых, так как белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны. В силу этого они не могли появиться одновременно.

Согласно концепции голобиоза считается, что сначала в первичном океане или в сырых местах суши случайно образовались молекулы аминокислот, затем эти молекулы сгруппировались в сгустки, и в этих сгустках начался процесс формирования белков. По расчетам вероятность образования одной белковой молекулы в таком процессе всего 10^-325. И при этом белок получился бы биологически неактивным. Дело в том, что биологически активные белки содержат аминокислоты исключительно левого вращения, а химические законы могут давать лишь смеси правых и левых форм в случайных пропорциях. Трудно себе представить, чтобы аминокислоты левого вращения сами по себе сбивались в большие кучи (отдельно от правых форм) и формировали белки.

Гипотеза самообразования белковых молекул противоречит и основным законам термодинамики. Вспомним второе начало термодинамики: энтропия (величина, характеризующая степень хаоса) замкнутой системы может только увеличиваться. Переходы в состояние с меньшей энтропией возможны лишь в некоторых исключительных случаях неравновесных, необратимых процессов в открытых системах. Но нет никаких причин считать предполагаемый процесс образования белков или нуклеиновых кислот неравновесным и необратимым. Ведь катализаторов подобной сборки в первоокеане быть не могло, а развал образующихся сложных молекул интенсивно усиливался бы ультрафиолетом, гидролизом и разнообразными химическими веществами первоокеана. Самосинтез белков шел бы равновесным и обратимым образом. Вероятность же гигантской флуктуации, приводящей к появлению белка целиком, ничтожно мала. Теория самоорганизации Пригожина–Арнольда–Хакена предлагает лишь некоторые теоретические размышления и аналогии, весьма далекие от доказательств возникновения жизни из хаоса, что признавал и сам И. Пригожин. Комментируя некоторые явления упорядочения, теория самоорганизации пока, к сожалению, не в состоянии объяснить самое начало жизни – появление белковых молекул. Живые существа несомненно обладают свойством самоорганизации, понижая свою энтропию за счет внешних источников, но их функционирование не объясняет появления жизни.

Некоторые ученые утверждали, что им все-таки удалось синтезировать белки из смеси аминокислот. Но реально было получено лишь некое отдаленное подобие белков, так называемые протеноиды, состоящие из полимерной сетки аминокислот с непептидными связями. Полимерная сетка не обладала пространственной структурой белка, не имела свойственной ему совершенно определенной последовательности соединения молекул и соответственно не имела никакого отношения к жизни.

В рассмотренных возможностях самообразования макромолекул предполагалось, что на древней Земле отсутствовали прямые запреты таких процессов, хотя их было, по меньшей мере, два. Первый запрет – разрушение формирующихся из аминокислот белковых молекул водой в результате реакций гидролиза. Второй запрет – немедленное окисление соединений аминокислот кислородом. Предполагалось, что в древности на планете отсутствовал кислород, и тогда-то смогли зародиться макромолекулы, сформировавшие простейшие микроорганизмы. Но в самых древних породах содержится двуокись железа, так что нет оснований предполагать отсутствие кислорода в древней атмосфере. Если бы все же кислород отсутствовал, то ультрафиолет, проникающий сквозь такую бескислородную атмосферу, не имеющую защитного озонового слоя, разрушил бы молекулы белков.

Есть и третий запрет. Предполагалось, что первоатмосфера состояла из метана и аммиака – компонентов, необходимых для самосинтеза аминокислот. Как показали экспериментальные исследования и компьютерное моделирование древней атмосферы, эти газы разрушились бы ультрафиолетовыми лучами, а первичная атмосфера теоретически могла состоять лишь из азота и углекислого газа. Возникает справедливое недоумение: Откуда же тогда появились аминокислоты, из которых состоят белки?

К началу 80-х гг. чаша весов стала склоняться в пользу концепции генобиоза. Было обнаружено уникальное свойство молекул РНК – способность воспроизводиться в отсутствие белковых ферментов. Таким образом, сегодня считается, что доклеточным предком являлась молекула РНК и процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК.

Однако концепция генобиоза тоже имеет ряд недостатков. В 1986 г. состоялась встреча Международного общества по изучению возникновения жизни, на которой присутствовали около 300 ведущих исследователей. Учеными было доказано, что синтез РНК в условиях первичного океана абсолютно невозможен. Более того, оказался невозможным даже синтез рибозы – более простой составляющей РНК.

Даже если биологическая макромолекула откуда-то появилась – это еще не живая клетка. В состав клетки входит множество макромолекул, соединенных в определенном порядке. В процессе воспроизведения участвует ДНК, информационная РНК, 20 различных транспортных РНК, каждая со своей аминокислотой, рибосомы, состоящие из 3 рибосомных РНК и 55 различных молекул белка, целый комплекс ферментов. Известный астрофизик Фред Хойл подсчитал вероятность случайного образования ферментов необходимых живой клетке хотя бы один раз за миллиард лет. Получилась величина 10^{-40 000}. По оценке Хойла, если всю солнечную систему заполнить людьми (10⁵⁰), каждый из которых, не глядя, случайным образом крутит кубик Рубика, то указанная вероятность образования живой клетки из готовых ферментов примерно равна вероятности того, что у всех этих людей грани кубика одновременно вдруг окажутся собранными по цвету.

Помимо ферментов в клетке есть еще более сложные образования. Вероятность самосборки клетки из приготовленных и сложенных «в кучку» необходимых атомов даже в самой благоприятной химической среде составляет 10^{-100 000 000 000}. Такие величины наглядно показывают, как сильно мы ошибаемся, ожидая подобные события. Самопроисхождение жизни – вовсе не такой уж естественный процесс, как его рисуют. Напротив, с самого начала (зарождения сложных молекул) и до самого конца (появления человека) – это нелепое нагромождение невероятных, противоестественных случайностей. Попытаемся осознать, что значат эти чудовищно малые вероятности. Может ли обезьяна, шлепая по клавишам, случайно набрать «Войну и мир»? Как говорит математика, может, но вероятность такого события очень мала, примерно 10^{-5 000 000}. Выходит, ожидая случайного появления одной простейшей клетки, мы надеемся на то, что обезьяне удастся 20 000 раз подряд без единой ошибки набрать «Войну и мир».

В 1990-е гг. появился еще ряд версий, в соответствии с которыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках на морском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Появление этих гипотез вызвано недостатками концепции генобиоза, но они еще не получили достаточного обоснования и развития.

«Происхождение жизни – чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании», - сказал в 1971 г. нобелевский лауреат Ф. Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК. Ограниченность наших знаний относится не только к сложной материальной структуре и функции живого, имеется еще «духовная» составляющая, которая превосходит первую по сложности и важности для жизнедеятельности организма. Прежняя научная парадигма, не включающая душевной и духовной составляющих, оказалась не в состоянии объяснить феномен жизни. Видимо, чтобы постичь ее смысл, нужно взглянуть на нее в более крупном масштабе, представляя Живое лишь этапом на пути к Мыслящему и Духовному.