Биология для тех, кто хочет понять и простить самку богомола

Глава третья. Откуда что взялось или теории происхождения жизни на Земле

Вопрос о том, откуда на нашей планете взялась жизнь, волновал человечество с древнейших времен, но первую стройную научную теорию происхождения жизни на Земле предложил в 1923 году советский биолог Александр Опарин.

Место и время рождения этой теории, которая получила название теории биохимической эволюции или теории абиогенного[14] синтеза, хотя на деле являлась гипотезой,[15] были неслучайными. Советское правительство, активно пропагандировавшее атеизм, остро нуждалось в научном объяснении появления жизни на нашей планете. И дать такое объяснение должен был ученый нового социалистического времени, свободный от буржуазно-религиозных предрассудков. Опарин, окончивший естественное отделение физико-математического факультета МГУ в революционном 1917 году идеально подходил под это требование. Впоследствии идеи Опарина получили развитие в трудах английского ученого Джона Холдейна и потому теорию Опарина часто называют теорией Опарина-Холдейна.

Опарин считал, что живая материя зародилась в недрах неживой. Собственно, ничего другого и нельзя было предположить. Если отринуть идею Высшей силы, сотворившей все живое, то неизбежно придешь к тому, что живое произошло от неживого.

Невероятно?

Вполне вероятно, давайте проследим за рассуждениями Опарина, который выделял три этапа перехода от неживой материи к живой.

Первый этап Опарин назвал химической эволюцией, подразумевая, что химические вещества переживали такой же естественный процесс развития, как и все живое на нашей планете и вектор этого процесса был направлен от простого к сложному – происходил синтез соединений углерода без участия живых организмов.

По мнению Опарина этот синтез начался примерно 4 000 000 000 лет назад. Тогда на нашей пока еще безжизненной планете повсеместно извергались вулканы, выбрасывая в атмосферу огромные количества раскаленной лавы. В атмосфере Земли тогда не было озонового слоя, улавливающего часть солнечного излучения (а именно – коротковолновое ультрафиолетовое излучение, которое неблагоприятно для всего живого) и лучи Солнца доходили до земной поверхности без потерь. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Таковы были предпосылки химической эволюции.

Схематическое изображение теории биохимической эволюции

И что же произошло?

Под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры окружающей среды, электрических разрядов молний и активной вулканической деятельности в атмосфере нашей планетынепрерывно образовывались различные органические соединения, которые затем попадали в океан. Концентрация органических соединений в воде постоянно увеличивалась, и в конечном итоге воды океана стали «бульоном» из пептидов,[16] сахаров, нуклеозидов и прочих низкомолекулярных органических веществ, причем – довольно насыщенным бульоном.

Второй этап был ознаменован появлением белков и других высокомолекулярных соединений. В какой-то момент, под действием перечисленных выше факторов, началось слияние небольших молекул в крупные комплексы, что привело к образованию белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Венцом химической эволюции стало появление коацерватов – капель с бо́льшей концентрацией коллоида нежели в остальной части раствора того же самого химического состава.

Давайте вспомним из курса химии, что коллоидами (в переводе с греческого – «клеевидными») называются дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и взвесями, в которых в растворителе присутствуют не молекулы, а мелкие частицы растворенного вещества, состоящие из многих молекул.

Коацерватные капли, образующиеся в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот, способны адсорбировать различные вещества. А еще они способны к слиянию друг с другом и к распаду на несколько частей, условно сравнимому с размножением. Условно, потому что коацерваты не способны к самовоспроизведению. И к саморегулированию они тоже не способны, поэтому их нельзя рассматривать в качестве живых организмов. Опарин рассматривал коацерваты как некие «предбиологические» системы.

Коацерват

Третьим и заключительным этапом было «оживление» коацервата. «На бумаге», то есть – теоретически, все выглядело логично. Вокруг коацерватов возникли слои липидов, отделившие их от окружающей водной среды. В процессе эволюции эти слои превратились в наружную мембрану. В коацерватах начали формироваться взаимные связи между нуклеиновыми кислотами и белками. В результате синтез необходимых оживающему коацервату белков стал осуществляться на основе информации, «записанной» в молекулах нуклеиновых кислот. Эти кислоты получили способность к самовоспроизведению при участии специфических белковых ферментов…

В результате всего этого коацерваты превратились в так называемые протобионты – уже живые, могущие размножаться и способные к обмену веществ, но пока еще не имеющие клеточной организации. Со временем это «недостаток» был исправлен – внутри протобионта сформировались митохондрии и некоторые другие органеллы. Химическая эволюция завершилась образованием первичной клетки, которую Опарин называл «археклеткой» – древнейшей клеткой. С этого момента началась другая эволюция – биологическая.

Та-да-да-дам! Хочется трубить в фанфары и аплодировать, однако в бочке нашего меда есть целый половник дегтя.

Возможность абиогенного синтеза высокомолекулярных органических веществ была экспериментально доказана в 1953 году американскими учеными Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Для проведения эксперимента был создан аппарат, состоявший из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь (см. рисунок). В одну из колб было помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты – два электрода, между которыми регулярно происходил электрический разряд напряжением примерно в 60 000 вольт. В другой колбе постоянно кипела вода. Аппарат был заполнен смесью газов, соответствовавшей тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли. Смесь состояла из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода (CO).

После двух недель непрерывной работы в колбе с водой были обнаружены такие вещества, как уксусная и муравьиная кислоты, мочевина и несколько аминокислот. Аминокислоты в данном эксперименте имели первостепенное значение – раз уж они образовались «из ничего», то рано или поздно начнут соединяться в цепочки и таким образом превратятся в белки, основу жизни на нашей планете. Эксперимент можно было не продолжать до образования первых белковых цепочек, все было ясно и так – в соответствующих условиях при наличии определенных исходных продуктов из неорганических веществ в случайном порядке могут образовываться высокомолекулярные органические соединения.

Схема эксперимента Миллера-Юри

Но эксперимент Миллера-Юри все же продолжили другие ученые, которые дошли до «конца первой серии» – получили все виды биологических молекул, в том числе сложные белки, аналогичные белкам живых клеток, и липиды, способные образовывать клеточные мембраны.

Способные образовывать… Наличие материалов, необходимых для строительства дома, еще не означает, что дом будет построен, не так ли?

Первая часть гипотезы Опарина была подтверждена экспериментальным путем, что свидетельствовало о ее состоятельности и давало право называться уже не гипотезой, а теорией. Что же касается второй части – перехода от сложных органических соединений к живым организмам – то с ней вышла загвоздка. Несмотря на многократные попытки ученых, создать живую клетку из коацервата пока еще никому не удалось. А уж люди старались на совесть, ведь превращение коацервата в клетку в лабораторных условиях стало бы самым эпохальным научным экспериментом всех времен. Старались по-всякому… Но ничего не вышло. Правда, в 2011 году повеяло чем-то доказательным, когда ученые из Токийского университета смоделировали подобие протоклеток, способных производству копий собственной ДНК и, следовательно, к самовоспроизведению. Но (как тут не вспомнить классическое: «Все что говорится до слова «но» – не имеет значения») этот эксперимент был поставлен с «посторонней» ДНК, которую ввели в протоклетки на начальной стадии эксперимента. Вот если бы ДНК протоклетки возникла бы сама по себе, то здесь были бы к месту и фанфары, и литавры, и бурные продолжительные аплодисменты, переходящие в овацию, и Нобелевская премия…

Увы, возможность спонтанного возникновения жизни на сегодняшний не доказана и в обозримом будущем вряд ли что-то изменится. Превращение коацервата в живую клетку современные ученые считают заведомо неразрешимой задачей. Нельзя сказать, что ученые «опустили руки», просто все понимают, что возможности современной науки этого не позволяют. Да и сама теория Опарина-Холдейна в наше время теряет сторонников. Она признается «за неимением лучшего», но подвергается критике с различных позиций.

Современные геологи все больше и больше склоняются к мнению относительно того, что древняя атмосфера нашей планеты состояла только из углекислого газа, водяных паров, азота и небольшого количества водорода. Если в аппарат Миллера-Юри поместить такую смесь, то никакие аминокислоты, кроме простейшей аминоуксусной, известной также под названием глицин,[17] там не образуются. Более сложные аминокислоты могут образовываться в ходе эксперимента лишь в присутствии метана, наличие которого в древней атмосфере планеты в наше время вызывает серьезные сомнения. Это первое.

Насколько точно современная наука способна судить о атмосфере давностью в несколько миллиардов лет? Надо сказать, что возможности для точных выводов есть и делаются эти выводы на основании совокупных исследований в ходе которых могут учитываться даже отпечатки дождевых капель на горных породах определенного возраста. Казалось бы – ну разве можно судить о составе и характере атмосферы по отпечаткам дождевых капель? Представьте – можно. Глубина впадин, которые оставляли дождевые капли, дает возможность рассчитать скорость их падения, которая, в свою очередь, позволяет определить плотность воздуха того периода. А на основании плотности воздуха можно судить о его составе. Это был всего лишь один из примеров того, как делаются выводы подобного рода.

Второе возражение связано с отсутствием озонового слоя в древней атмосфере нашей планеты. Коротковолновая ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая поглощается озоновым слоем, способствует разрыву химических связей в молекулах, дает молекулам энергию, необходимую для развития этих связей. Из-за воздействия «короткого ультрафиолета», образовавшиеся в атмосфере органические вещества должны были очень быстро разрушаться, еще до попадания в воду первобытного океана.

Это возражение можно оспорить, переведя процесс образования органических веществ в воду. Газы имеют свойство растворяться в воде, а молнии достигают водной поверхности, так что в верхнем слое океана вполне могли происходить те же химические реакции, что и в атмосфере. В то же время коротковолновая ультрафиолетовая часть солнечного излучения интенсивно поглощается водой. Как говорится – делайте выводы.

Третье возражение основано на непригодности первобытного океана в эпоху интенсивного извержения вулканов для возникновения жизни. Воды первобытного океана содержали великое множество химических веществ, среди которых непременно должны были присутствовать в больших количествах различные ингибиторы – вещества, замедляющие химические реакции и подавляющие активность ферментов. Но тут, как говорится, бабушка надвое сказала. С одной стороны, все, вроде бы и так, а с другой – великое множество химических веществ, в первую очередь, означает великое множество химических реакций и далеко не все из этих реакций могли «тормозиться» ингибиторами. Но если уж говорить начистоту, то третье возражение является самым слабым. Опарин разбил бы его в пух и прах.

А вот четвертый «камень» в огород Опарина и Холдейна является самым увесистым. Критики не верят в то, что молекулы первых ДНК могли возникнуть спонтанно, без родительской матрицы. Надо признать, что их сомнения имеют под собой почву. Вероятность спонтанного появления огромной молекулы нуклеиновой кислоты, причем не просто огромной, но еще и содержащей упорядоченную кодированную информацию, ничтожно мала. Эксперименты по «спонтанному»[18] созданию ДНК успехом не увенчались. Вдобавок нужно добиться спонтанного возникновения сложной системы взаимосвязи ДНК с белками, а каким образом это могло произойти, неясно.

В качестве альтернативной теории нередко приводят гипотезу панспермии[19], выдвинутую немецким ученым Германом Эбергардом Рихтером в далеком 1867 году, задолго до появления теории Опарина. Согласно этой гипотезе жизнь на Земле появилась в результате занесения из космического пространства «зародышей жизни» – спор микроорганизмов. Переносчиком «зародышей жизни» Рихтер считал метеориты. В начале XIX века, после того, как русским физиком Петром Лебедевым было открыто давление светового излучения,[20] возможным переносчиком спор стали считать свет. Давайте не станем углубляться в то, сколь интенсивным должно быть световое излучение для того, чтобы оно могло бы переносить споры, и в то, что метеориты при приближении к нашей планете сильно нагреваются вследствие трения об атмосферу. Это не так уж и важно, в сравнении с главным недостатком гипотезы панспермии – она никак не объясняет возникновение жизни вообще, а всего лишь предлагает конкретный способ появления жизни на нашей планете. Это не выход, ведь нам нужен исчерпывающий ответ на вопрос: «как появилась жизнь?».

В 1968 году американский микробиолог Карл Везе высказал предположение о том, что у истоков жизни на нашей планете могли стоять молекулы РНК, которые хранили генетическую информацию и были способны к самостоятельному воспроизведению. Позднее эта идея была развита другим американским ученым – химиком Лесли Орджелом, который сделал из нее научную гипотезу, доработанную в 1986 году американским же биохимиком Уолтером Гилбертом. Гилберт же и предложил название «гипотеза мира РНК».

Вам нужно объяснить, как появилась первая ДНК-матрица, способная тиражировать себя и несущая информацию о сложных белках, которые необходимы живой клетке? Необходимы, в том числе, и для копирования молекул ДНК, происходящего с при участии некоторых белков, например – белкового фермента ДНК-полимеразы.

Вам нужно объяснить, как образовалась взаимосвязь между ДНК и белками?

Вы смотрите на замкнутый круг «ДНК – Белки» и понимаете, что вам ничего не понятно?

Посмотрите на проблему возникновения жизни с другой стороны.

Молекулы РНК не только хранят наследственную информацию, но и обладают ферментативной способностью, они могут ускорять химические реакции в живых организмах (РНК-ферменты называются рибозимами). А еще молекулы РНК обладают способностью к самокопированию. Такой набор способностей дает РНК возможность автономного существования – на РНК-матрице РНК-ферменты делали копии…

Если у вас возник вопрос – а при чем тут ферменты? – то имейте в виду следующее. Процесс копирования молекулы или части молекулы ДНК или РНК происходит следующим образом – молекуле ползет фермент, считывающий информацию и делающий на ее основании копию. Сама по себе, по мановению волшебной палочки, молекула не удвоится, кто-то должен этим заняться. Если принять за отправную точку создание ДНК, то сразу же возникает вопрос – а кто считал информацию с первой молекулы ДНК, для того, чтобы синтезировать первую молекулу белка и первую молекулу РНК? Две молекулы ДНК помочь друг другу с копированием не могут, в отличие от двух молекул РНК.

Справедливости ради нужно заметить, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей ферментативными свойствами, весьма низка и этот довод является основным аргументом критиков гипотезы РНК-мира. И абиогенный синтез РНК из более простых соединений пока не удалось воспроизвести экспериментально в полной мере. Но многим современным ученым гипотеза РНК-мира нравится гораздо больше, чем теория-гипотеза Опарина-Холдейна. Даже те, кто критикует гипотезу РНК-мира, не столько отказывают ей в состоятельности, сколько сомневаются в первичности РНК-мира, предполагая, что этот мир стал следующим этапом после этапа спонтанного синтеза разных органических веществ, о котором говорили Опарин с Холдейном.

Напрашивается вопрос – а как в этом прекрасном РНК-мире появились белки, липиды и углеводы? Зачем они понадобились молекулам РНК, которые прекрасно обходились без «чужаков»?

Если чужак окажется полезным, то он сразу же станет своим. В результате каких-то сбоев в считывании-копировании наследственной информации могли возникать аномальные соединения – например белок, обладающий ферментативной активностью. Мутации превратили мир одной клетки-праматери в то великолепие, которое мы имеем сейчас.

Мутацией, если кто не в курсе, называется стойкое изменение генетического материала, приводящее к изменению наследственной информации и потому передающееся потомству. Термин этот образован от латинского слова «мутацио» – изменение. В свое время мы подробно поговорим о мутациях, о эволюции, о естественном отборе и об отличиях синтетической теория эволюции от классического дарвинизма. А сейчас нам надо закончить с РНК-миром.

Как, по-вашему, можно ли считать существование вирусов доказательством гипотезы РНК-мира? Мол, сначала появились вирусы, а уже затем – клетки.

Разумеется – нет, ведь вирусы не способны размножаться сами по себе, вне живых клеток. Гипотеза первичности вирусов не выдерживает критики и сразу же сдувается. Единственное, о чем можно говорить, так это о примерно одновременном появлении вирусов и живых клеток.

Согласно гипотезе побега или гипотезе бродяжничества, вирусами стали молекулы (часть молекул) ДНК или РНК, покинувшие клетку. Однако эта гипотеза не может объяснить, как эти «сбежавшие» нуклеиновые кислоты обзавелись капсидом.

Наиболее правдоподобной, но при этом довольно слабой, выглядит гипотеза регрессивного происхождения или гипотеза вырождения вирусов («регресс» означает «вырождение»). Согласно этой гипотезе, вирусы произошли от обычных клеток, которые стали паразитировать внутри других клеток. Со временем клетки-паразиты утратили клеточное строение и упростились до нуклеиновой кислоты в оболочке. А зачем паразитам нужны органеллы и обмен веществ и энергии, если они живут в клетках-хозяевах и получают все, что нужно для размножения, от них? Эволюция при помощи естественного отбора закрепляет полезные признаки и убирает все ненужное вместе с вредным, поэтому паразитизм на любом уровне живой организации приводит к упрощению строения. В этом вы можете убедиться самостоятельно, сравнив строение триклад со строением бычьего (свиного) цепня или же строение кого-то из представителей отряда Desmodorida со строением аскариды. Гугл вам в помощь!