Борис Медников - Дарвинизм в XX веке
А результаты? Они оказались весьма обнадеживающими. Удалось воспроизвести синтез практически всех аминокислот, входящих в состав белков (а кроме того таких, какие природа не использует). Попутно были получены разнообразные углеводы и органические кислоты. Многие соединения до сих пор не удается разделить и идентифицировать — слишком уж сложен состав «первичного бульона»!
Большие успехи были достигнуты и при абиогенном (безжизненном) синтезе компонентов нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Американский ученый С. Фокс, о котором мы будем еще говорить, получил из яблочной кислоты и мочевины урацил, а Дж. Оро из цианистого аммония — аденин. Пуриновые основания синтезируются в принципе легко. Условий для надежного синтеза пиримидиновых оснований (цитозина и тимина) пока подобрать не удалось: химики предложили не одну схему синтеза, однако вещества, из которых синтезируются пиримидины, не всегда удается достать и в магазине химических реактивов. Мало вероятно, чтобы на первозданной Земле дело обстояло лучше. Здесь нужно еще немало потрудиться.
Тем не менее общий результат ясен и сейчас: возникновение «первичного бульона» не случайность, а закономерность. На планете с подходящей температурой, достаточным количеством воды и атмосферой, состоящей из самых распространенных во Вселенной газов, «первичный бульон» должен возникать в 100 случаях из 100, причем с достаточно высокой скоростью. Время, потребное для его возникновения, еще более уменьшится, если справедлива гипотеза о «холодном» возникновении Земли из газово-пылевого облака.
В этом нас убеждают анализы метеоритов, падающих на Землю из мирового пространства и, если верна эта гипотеза, являющихся остатками материала, пошедшего на построение нашей планеты. Некоторые из них состоят из углистого вещества, в котором были найдены разнообразные аминокислоты. В последнее время накапливается все больше и больше данных, свидетельствующих о том, что синтез простейших органических веществ идет и в космосе. Какую-то, быть может значительную, часть органики для «первичного бульона» Земля получила как приданое при своем возникновении, что могло свести до минимума первую фазу развития жизни.
Однако аминокислоты, нуклеотиды, сахара и прочая органика — это еще не жизнь. Нам нужно еще обсудить возможность абиогенного синтеза биополимеров — белков и нуклеиновых кислот.
Рассмотрим сначала белки. Белковая молекула — это сложенная соответствующим образом одна или несколько цепочек, именуемых полипептидами и состоящих из соединенных друг с другом аминокислот. Каждая аминокислота имеет по меньшей мере две реакционноспособные группы — аминогруппу (—NH2) и карбоксильную (—СООН). В полипептиде аминогруппы присоединяются к карбоксильным. При этом образуется так называемая пептидная связь и отщепляется молекула воды.
Сразу же возникает весьма неприятное осложнение. Известно, что конечный продукт тормозит прямую реакцию и ускоряет обратную. В водной среде, в растворе с огромным преобладанием воды, конденсация аминокислот в пептиды не пойдет. Будет преобладать обратная реакция гидролиза — расщепления пептида на свободные аминокислоты. Поэтому-то химики предпочитают вести подобные синтезы не в водных растворах, а в обезвоженных органических растворителях. Как же этот процесс шел на заре времен — ведь тогда химиков, несомненно, еще не было?
Есть ли жизнь на Земле?В предыдущем разделе мы пришли к выводу, что возникновение первичных «кирпичиков» жизни — нуклеиновых оснований, Сахаров, амино- и органических кислот должно происходить при довольно обширном размахе физических условий со 100-процентной вероятностью. Возникновение из них белков и нуклеиновых кислот, а также липидов — основных частей клеточных мембран — дело уже довольно сложное, ибо здесь мешает сама среда — вода.
В клетке нуклеиновые кислоты и белки синтезируются весьма сложными системами, о которых мы говорили в главе «Ген обретает плоть», с затратой энергии аденозинтрифосфата и гуанозинтрифосфата. Вероятность случайного возникновения подобного образования практически равна нулю. Поэтому предположение, что жизнь на Земле возникла в результате некоей сверхслучайности, единичной во Вселенной, мы можем смело отбросить. Вероятность такого события становится уже невероятностью. И люди, полагающие, что возникновение жизни — дело случая, смело могут утверждать, что жизнь и на Земле вообще не возникла (чем и объясняется парадоксальное название раздела).
Но в принципе маловероятные события можно сделать весьма вероятными. Допустим, вам предложат собрать заданную фразу из 100 слов путем случайного выброса одновременно, например, 100 фишек с написанными на них словами. Число попыток неограничено. Я думаю, даже совершенно незнакомый с математикой человек от такой попытки откажется — на это не хватит и 100 жизней[12]. Другой путь проще и быстрей. Надо вынимать фишки из кучи, пусть наугад, прочитывать слово и, если это то, что нужно, откладывать, а если ненужное — возвращать обратно. Труднее всего случайно выбрать первую фишку — вероятность этого события 0,01. Но с каждым новым словом дело пойдет быстрее, наша фраза, строясь случайно, «эволюционирует» с возрастающей скоростью (ведь число выборов убывает!), и последнее слово вы выберете со 100-процентной вероятностью.
Быть может, жизнь так и возникла — этапами, причем каждый из них повышал вероятность последующего.
Примем это за основу — ведь в конце-то концов иного выхода у нас нет. Чем сверхслучайность лучше божественного происхождения?
Итак, будем искать путь, по которому биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты — могли бы возникнуть без современного сложного механизма. Уже и сейчас химиками предложено немало подобных способов — если бы только знать, какой из них четыре миллиарда лет назад осуществился на практике! Некоторые из них кажутся уж чересчур радикальными — предполагается, что Земля прежде была покрыта океанами не из воды, а из каких-то других жидкостей.
Остановимся лишь на двух гипотезах. Выбор объясняется тем, что первая гипотеза автору кажется наиболее вероятной, а вторая — импонирует своей оригинальностью.
Крупный американский исследователь С. Фокс, активно работающий над проблемой происхождения жизни, разрубил гордиев узел проблемы, подобно Александру Македонскому: если вода мешает соединению аминокислот в цепочки — пептиды и полипептиды — значит, этот процесс происходил без воды. Фокс нагревал сухие смеси аминокислот — при этом происходила реакция полимеризации, а образующаяся вода испарялась. Полученные пептиды можно было потом растворить в воде, и они оставались стабильными.
Мыслится такой механизм: под поверхностью океана, содержимое которого представляет «первичный бульон» — концентрированный раствор аминокислот и прочих веществ — действует вулкан, в конце концов выносящий свой конус на поверхность. Горячие склоны вулкана покрыты засохшей коркой органических веществ, а дождь смывает образующиеся пептиды в океан. Кстати, вряд ли первичный океан напоминал глубиной современный. Воды на первичной Земле скорее всего было мало, она еще не успела выделиться в результате вулканических извержений. Такой океан могла бы перейти курица. Именно малое количество воды и обеспечило высокую концентрацию низкомолекулярных органических веществ в «первичном бульоне».
Один из опытов Фокса весьма оригинален: вместо колбы он использовал выдолбленный кусок лавы со склонов вулкана — и с положительным результатом. Выход пептидов достигал 10–40 % от начального количества аминокислот. Результат, что и говорить, блестящий. Согласно Фоксу, центрами происхождения жизни на этом этапе были горячие, сухие области вокруг вулканов, которыми была так богата Земля на заре времен.
Автору этих строк довелось принять участие в III Международной конференции по происхождению жизни (она состоялась в маленьком французском городке Понт-а-Муссоне) и услышать там доклад доктора С. Н. Мэтьюса из Чикаго, в котором выдвигалась идея еще более оригинальная.
Согласно Мэтьюсу, не белки возникли из аминокислот, а аминокислоты из белков! Все переворачивается с ног на голову, и, однако, в логике ему нельзя отказать, тем более что идея подкреплена вполне достоверными экспериментами. Мэтьюс полагает, что первичная атмосфера Земли состояла в основном из аммиака, метана и паров циана (синильной кислоты). Все эти вещества широко распространены в космосе, цианом, в частности, богаты хвосты комет. При реакциях между этими газами и возникали пептиды, которые частицами пыли выпадали в океан и там растворялись. Мэтьюс синтезировал подобным путем пептиды, состоящие из 12 разных аминокислот! Свободные аминокислоты в «первичном бульоне» возникли, как он думает, в результате гидролиза этих протопептидов.
