Юрий Мизун - Разумная жизнь во Вселенной
Пастер в качестве доказательства ссылался на свою работу, которая впервые привлекла к нему внимание ученых. Это было исследование причины, по которой винная кислота, образующаяся при брожении винограда, поворачивает плоскость поляризации световых волн, тогда как виноградная кислота, имеющая тот же химический состав, что и винная, таким свойством не обладает. Это различие возникает из-за асимметрии структуры молекул, имеющих отношение к процессу жизни. Пастер утверждал, что это не чисто химический процесс, а, скорее, проявление «силы», корни которой лежат в асимметрии самой Вселенной.
Шведский ученый Сванте Аррениус (один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии) предложил проблему происхождения жизни существенно сузить. Он не ставил вопрос о происхождении жизни вообще, во Вселенной, а задался вопросом — как жизнь возникла на Земле. Он предложил самое простое решение проблемы: жизнь занесена на Землю из других мест в космосе. Эту гипотезу назвали «теорией панспермии». Но оказалось, что не было ни теории, ни панспермии. Любые зародыши жизни за время своего путешествия в космосе должны неизбежно облучаться солнечным ультрафиолетом и погибнуть. Поэтому на Землю им таким путем не попасть. Что касается самой идеи, то ее, собственно, нет, поскольку все равно остается неясным, как зародилась жизнь, неважно где, на Земле или на другой планете.
В 1936 году была опубликована книга советского ученого А. И. Опарина «Возникновение жизни на Земле». Англичанин Дж. Холдейн также предложил свой вариант решения проблемы. Оба исследователя исходили из материалистических представлений о строении мира. Краеугольным камнем в их аргументации было то, что первичная атмосфера Земли не содержала кислорода. В атмосфере с кислородом жизнь зародиться не могла, поскольку образование сложных веществ блокировалось окислением. Но поскольку первоначальная атмосфера Земли содержала аммиак, углекислый газ и водяной пар и не содержала или почти не содержала свободного кислорода, то в ней могла возникнуть жизнь. Конечно, правильно говорить не «возникнуть», а проявить себя, реализоваться, поскольку истинным источником жизни является информационно-биологическое поле Вселенной. Но будем пользоваться общепринятой терминологией. Углерод, который являлся частью земной атмосферы, в настоящее время находится в связанном виде в отложениях угля или в других ископаемых остатках живых организмов. Раньше этот углерод в атмосфере был в виде углекислого газа. Из этого углекислого газа впоследствии и образовался (выделился) свободный кислород. Этот процесс выделения кислорода из углекислого газа начался только после того, как растения начали перерабатывать углекислый газ в углеводы. Пока же в атмосфере свободного кислорода не было, химические «кирпичики» имели достаточно времени, чтобы соединиться в сложные молекулы, которые делают возможным проявление жизни. В присутствии кислорода процесс остановился бы из-за окисления. Синтезирование первичных «кирпичиков» происходило под действием солнечного ультрафиолетового излучения, которое облучало смесь углекислого газа, аммиака и воды. Как известно, органические соединения, в отличие от неорганических, строятся вокруг атомов углерода, которые обычно соединены в цепочку. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения возникает большое разнообразие органических веществ, в том числе сахароза, и некоторые вещества, из которых строятся белки.
Современная земная атмосфера задерживает значительную часть солнечного ультрафиолетового излучения. Главную роль в этом играет озон и вообще кислород.
Первичные формы жизни развивались в среде без кислорода. Такие формы жизни существуют и сейчас. Например, бактерии, которые вызывают столбняк и газовую гангрену, не могут существовать в среде с кислородом. Любопытно, что некоторые из высших организмов повторяют свою эволюционную историю в период эмбрионального развития. Это предоставляет нам удивительную возможность: судить об их эволюции, которая длилась очень долго, по кратковременному эмбриональному их периоду. Оказывается, что они также первое время после оплодотворения живут без кислорода.
Эмбрион в этот начальный период получает энергию в процессе превращения сахара в молочную кислоту в результате брожения. Так же получают энергию и бактерии, которые делают молоко кислым. Это же свойственно и некоторым млекопитающим, в том числе и человеку в первые недели его внутриутробной жизни. Во всех случаях энергия получается в процессе брожения.
Надо иметь в виду, что процессы брожения различных организмов мало отличаются друг от друга. В то же время процессы, в которых расходуется кислород и выделяется нужная энергия для высших форм, весьма разнообразны. Из чего можно заключить, что эти источники энергии характерны для более поздней стадии развития.
Как реально могло происходить проявление жизни? Синтез должен был происходить в результате случайных взаимодействий. Условия были такими, что органические соединения в питательном бульоне ничем не поглощались. Поэтому они становились все более обильными и разнообразными. В конце концов стали образовываться огромные сложные молекулы, способные производить копии самих себя. Правда, это было возможно в том случае, если они находились в особой смеси, состоявшей из меньших молекул. Эти меньшие молекулы могли присоединяться к огромным сложным молекулам. Для развития процесса дальше необходимы условия, при которых самовоспроизводящиеся молекулы заключены в резервуар, содержащий подходящие вещества. Таким резервуаром является живая клетка. Сама клетка могла образоваться по-разному. Одна из возможностей может реализоваться, когда в растворе смеси находится много различных белков и других макромолекул. Тогда они могут образовать коацерватные капли с характерными свойствами. Затем некоторые из молекул перемещаются к поверхности капельки, образуя защитный слой, отделяя тем самым содержимое капельки от окружающей среды. Такие «коацерваты» могут поглощать одни органические вещества из окружающей жидкости и отторгать другие. В этом и состоит одно из важнейших свойств живых клеток. За счет вновь поглощаемого вещества капельки разрастаются до тех пор, пока не достигнут определенных размеров. После этого они делятся, так же как делится капля воды. Другими словами, размножение происходит до того, как образуется система, снимающая копию со структуры и функций клетки. Это и есть система наследственности. Вопрос наследственности мы рассмотрим отдельно. Здесь укажем только, что по современным представлениям химия наследственности должна возникнуть до того, как станет возможным размножение.
Можно спорить о том, где — в открытом океане, устьях рек, прудах или другом мелководье — были лучшие условия для эволюции жизни. Некоторые полагают, что соединения, участвовавшие в реакции, должны предварительно прилипать к поверхностям глины или минералов. Если все это происходило в открытом океане, то предварительно должна была образоваться капелька с оболочкой из масляной пленки. Она должна была иметь все составные части, включая способность к самовоспроизведению. Дальше такой организм должен был разрастаться с невероятной быстротой. Его размеры ограничиваются запасами пищи. На следующем этапе рост приостанавливается, пока один из таких организмов не наталкивается на способ производства собственной пищи с помощью хлорофилла, который основан на использовании солнечной энергии для фотосинтеза. Этот момент в эволюции жизни является решающим. С этого момента жизнь становится независимой от случайного синтеза углеводов в океане. Наступает период биологической эволюции с удивительным разнообразием видов растений и животных.
А.И. Опарин писал: «Должно быть понятно, что сколь бы недолговечным ни был организм и сколь элементарным он ни казался на первый взгляд, он, тем не менее, бесконечно сложнее, чем любой простой раствор органических веществ. Он обладает определенной динамически стабильной структурной организацией, которая основывается на гармонической комбинации строго координированных химических реакций. Было бы бессмысленным ожидать, что такая организация может случайно возникнуть за более или менее короткий промежуток времени из простых растворов или нерастворимых веществ».
Сложен не только человеческий организм, но и бактерии. Все они выполняют разные обязанности, что делает возможным существование их общества как единого целого. Ведь в ничтожной клетке имеется примерно 10 миллионов молекул. В организме человека примерно столько же клеток. Значит, для эволюции первой клетки, которая возникла из первичного бульона, потребовалось столько времени, как и для эволюции человека из одноклеточных организмов.
Если не считать, что жизнь развивалась по заранее заданному плану, то все должно было происходить (по Опарину) так. Вначале химические элементы должны были построиться в огромные молекулы, содержащие тысячи атомов. Затем эти молекулы должны были найти эффективные пути совместной работы, которая составляет сам процесс жизни. Механизм наследственности должен был развиваться прежде, чем появилась любая генетическая система. Было ли все это последовательностью случайных взаимодействий между атомами и молекулами? Конечно, нет! Структура больших молекул живого вещества не является совершенно случайной. Речь должна идти о молекулах белков, нуклеиновой кислоты, жиров и полисахаридов.
