Борис Медников - Дарвинизм в XX веке

Над этим стоит задуматься, тем более что японский исследователь X. Нода совместно с профессором С. Поннамперумой, пропуская электрические искры через газовую смесь, имитирующую атмосферу Юпитера (метан и аммиак), получил красно-коричневые продукты с очень высоким молекулярным весом (до 2000). Нагревая их с соляной кислотой (обычный метод расщепления белков), он получил свободные аминокислоты. Быть может, путь к возникновению жизни был более прямым, чем это нам сейчас кажется? А может быть, на Юпитере есть жизнь?..

Дотошный читатель напомнит о нуклеиновых кислотах. Каким путем могли возникнуть их цепочки? Механизм возникновения их составных частей — пуриновых и пиримидиновых оснований и сахаров-пентоз (последние легко синтезируются из формальдегида) уже более или менее расшифрован. Менее ясен путь возникновения из них полимеров. Но уже сейчас предложены весьма правдоподобные гипотезы, в которых основную роль играют разные производные окиси фосфора, в первую очередь полифосфорной кислоты.

Заключить этот раздел можно оптимистическим утверждением, что конденсация первичных «кирпичиков» жизни — аминокислот и нуклеотидов в белки и нуклеиновые кислоты (точнее, полипептиды и полинуклеотиды) весьма вероятна, не менее, чем создание «первичного бульона». На очереди другой вопрос: каким образом из этих «блоков» могла возникнуть первая клетка и насколько вероятен этот процесс?

Все живое на Земле представлено индивидуумами, особями. Индивидуум по-латыни то же, что и атом по-гречески — неделимый. Особи — атомы жизни. Самая простая особь — единичная клетка типа бактериальной. Она содержит в себе все необходимое для жизни: набор генов, молекул, ферментов, необходимых для раскодирования информации генома, и рибосомный аппарат для синтеза белков.

Существует мнение, поддерживаемое рядом известных ученых, что гены — самоудваивающиеся цепочки нуклеиновых кислот — возникли раньше клетки, уже в «первичном бульоне». В принципе они напоминали современные вирусы. Лишь потом они «обросли» клеточными оболочками: вирусы наших дней — их отдаленные предки. Вряд ли это так: мы помним, что вирус вне клетки, без рибосомного аппарата мертв. А самостоятельное возникновение рибосом в «первичном бульоне» невозможно. К тому же рибосомы не размножаются, не удваиваются. Вся информация об их составе (а они, грубо говоря, состоят из трех молекул РНК и нескольких десятков молекул специфичных белков) заключена в геноме.

Поэтому, скорее всего, не жизнь возникла раньше клетки, а… клетка раньше жизни. Каковы же были эти первичные клетки, протоклетки?

Коацерватные капли в растворе.

Одна из моделей их возникновения предложена А. И. Опариным. Протоклетки Опарин называет коацерватами (от латинского глагола коацерваре — объединяться, слипаться). Явление коацервации известно давно. Исследователи с давних пор примечали, что растворы высокомолекулярных веществ при стоянии могут мутнеть, оттого что молекулы их слипаются в комплексы, а комплексы образуют крошечные капли, взвешенные в жидкости. Внешне они похожи на капли молочного жира в молоке. Концентрация веществ в таких каплях может быть в десятки и сотни раз выше, чем в окружающем их растворе.

Однако до работ Опарина никто не подозревал, на что способны коацерваты. Дело в том, что раз концентрация веществ в них больше, значит, с гораздо большей скоростью идут химические реакции. Коацерваты могут обмениваться веществами с окружающей средой (нечто вроде ассимиляции и диссимиляции), набухать (расти), делиться и слипаться. Таков путь возникновения клеток по Опарину — из эмульсии коацерватов в «первичном бульоне».

Иной механизм образования клеток предложил также упоминавшийся нами С. Фокс. Мы уже говорили, что Сроке нагреванием безводной смеси аминокислот получал цепочки аминокислот, схожие с белками. Он назвал их протеиноидами. Протеиноиды, полученные в результате нагревания аминокислот в куске лавы с Гавайских островов, растворяли горячей водой. В результате получалась жидкость, мутная от какой-то взвеси. Микроскоп показал, что эта взвесь состоит из крохотных, около двух микрон в диаметре, шариков, напоминавших современные бактерии-кокки. Фокс, не мудрствуя лукаво, так и назвал их микросферами — маленькими шариками.

Электронная микрофотография микросфер, полученных в опыте С. Фокса.

Некоторые из них образовывали цепочки или напоминали дрожжевые клетки в период деления. Электронный микроскоп показал, что каждая микросфера окружена двойной оболочкой, очень похожей на мембраны современных клеточных стенок.

В дальнейшем Фокс ставил опыты с комплексами протеиноидов и полинуклеотидами. Эти комплексы также могли образовывать микросферы, причем делящиеся и почкующиеся. Сходство их с современными микроорганизмами разительно. Меня, во всяком случае, оно потрясло, особенно когда профессор Фокс стал показывать великолепные диапозитивы процесса деления микросфер.

Так что же было вначале: коацерваты Опарина или микросферы Фокса? Какая из моделей ближе к протоклетке?… Трудно сказать, тем более что есть и другие точки зрения. Дж. Бернал, например, полагает, что первые клетки образовались путем оседания органических молекул на частицах глины или других подобных минеральных образованиях. Жизнь, согласно Берналу, возникла не в толще воды, а в грунте. «Первичный бульон» был перемешан с глиной. Такая точка зрения очень близка к точке зрения, выдвинутой в довоенные годы нашим известным биологом Л. С. Бергом. Берг полагал, что жизнь имеет наземное, вернее, подземное происхождение.

Дело в том, что при отсутствии в атмосфере кислорода не возникает защищающий нас сейчас «озоновый экран», и жесткий ультрафиолет Солнца достигает земной поверхности. Но под толстым слоем воды жизнь вполне могла бы развиваться. Кроме того, не был ли жесткий ультрафиолет необходимым условием возникновения жизни — не только источником энергии для синтеза биомолекул, но и фактором своеобразного отбора? Есть данные, что чем длиннее молекула нуклеиновой кислоты, тем лучше она противостоит жесткому излучению. А. Ван де Ворст, изучая действие рентгеновских лучей на ДНК, пришел к выводу, что «радиохимический отбор» играл большую роль в процессе возникновения жизни. Не следует, однако, смешивать этот отбор с дарвиновым. Подобному отбору подвергается, например, галька на морском берегу, когда волны стачивают мягкие камни быстрее, чем твердые.

Можем ли мы считать коацерваты или микросферы живыми, иными словами, создана ли уже жизнь в колбе? Нет, как справедливо отвечают Опарин и Фокс, пока мы создаем только модели, показывающие, каким путем могла бы возникнуть клетка. Или, вернее, структура, предшествовавшая ей. Эти опыты имеют, однако, огромное значение, ибо свидетельствуют, что в процессе развития жизни с весьма высокой вероятностью должны возникать ограниченные, замкнутые в себе структуры, имеющие важнейшую способность — обмениваться веществами с окружающей средой (разумеется, это еще не обмен веществ в биологическом понимании).

На этом месте биохимия перестает быть нам проводником так же, как раньше, на пути от сложного к простому, спасовала палеонтология. Между коацерватом, полученным в лаборатории, и простейшей бактериальной клеткой существует ничем не заполненный разрыв.

Попробуем, как говорил Кольцов, «перелететь его на аэроплане натурфилософии». Иными словами, оставаясь строго на почве материального, путем логических выкладок представим усложнение протоклетки до первой клетки, не привлекая божественную сверхслучайность.

Итак, представим себе «первичный бульон», в котором плавают протоклетки — микроскопических размеров образования, окруженные мембранами — одно- или двуслойными, как в случае микросфер Фокса, оболочками. Они могут сливаться в результате соприкосновения или делиться от случайного механического возмущения. Такое допущение приемлемо — и Опарин и Фокс согласно доказывают, что подобные структуры просто не могут не возникнуть в растворе биополимеров.

И в протоклетках, и в окружающей их среде идут одни и те же химические реакции. Но они в обоих случаях приводят к совершенно разным результатам. Ибо протоклетка — кусочек среды, отгороженный от внешнего окружения полупроницаемой мембраной, через которую проходят сравнительно свободно маленькие молекулы и с трудом, а то и совсем не проходят большие.

Реакции полимеризации, идущие с возрастанием молекулярного веса конечного продукта, происходят и в протоклетках, и в «первичном бульоне». Но в «первичном бульоне» результат таких реакций — лишь образование новых протоклеток. В протоклетке дело иное: если там уменьшается число молекул — а это и происходит, когда простые молекулы сливаются в более сложные — снижается осмотическое давление, которое зависит только от числа молекул, а не от их массы.