Артур Уиггинс - Пять нерешенных проблем науки
В 1920-е годы в атмосфере Юпитера и других газообразных планет-гигантов обнаружили метан (CH4). Русский биохимик Александр Опарин предположил, что на ранней стадии развития Земли наряду с аммиаком (NH3), водородом (Н2) и водой (H2O) присутствовал метан. Вероятно, это было сырье, необходимое для начала жизни, поскольку там содержались основополагающие элементы живых организмов: углерод, кислород, водород и азот. В 1924 году Опарин выпускает брошюру о происхождении жизни, где говорится: «Поначалу наблюдались простые растворы органических веществ, чье поведение определялось свойствами входящих в их состав атомов и расположением самих атомов внутри молекул. Но постепенно вследствие роста и усложнения молекул появились новые свойства, и среди более простых органических химических связей утвердился новый коллоидно-химический порядок. Эти обновленные свойства определялись пространственным расположением и взаимными связями между молекулами. Но даже такое состояние органической материи еще не могло породить первых живых существ. Для этого коллоидальные системы в ходе своего развития должны были приобрести свойства более высокого порядка, который позволил бы перейти к следующей, более сложной ступени в устройстве материи. Здесь уже заявляет о себе биологическая упорядоченность. Опережение в росте, борьба за выживание и, наконец, естественный отбор установили такой вид устроения материи, который присущ всему живому теперь».
Опарин обнаружил, что белки, находящиеся в растворенном состоянии, могут слипаться, образуя сгустки. Такие сгустки он назвал коацерватами и заявил, что они способны на метаболизм. Из-за революции в России работы Опарина были неизвестны на Западе до конца 1930-х годов.
В статье 1929 года «Происхождение жизни» [ «The Origin of Life», Rationalist Annual. Vol. P. 148; Происхождение жизни // Планета Земля. М., 1961. С. 315–334] Дж. Б. С. Холдейн, британский биохимик, строит догадки о происхождении жизни на Земле. Приводя недавние опыты о влиянии ультрафиолетового излучения на химические реакции, Холдейн предположил, что ультрафиолетовое излучение своим воздействием на первичную атмосферу Земли в виде двуокиси углерода (СO2), паров воды (H2O) и аммиака (NH3) могло вызвать к жизни органические соединения, которые собирались в океане, достигнув в итоге «состояния горячего разбавленного бульона».
Последующий химический синтез породил первичные организмы, питавшиеся окружающими их органическими веществами. Холдейн особо сосредоточил внимание на воспроизведении, полагая, что первичные организмы походили на простые вирусы, или вироиды. Круг интересов Холдейна был весьма широк, а его рационалистические взгляды — хорошо известны. В конце жизни кто — то спросил Холдейна, что он в своем длительном изучении природы подразумевал под ее творцом. Холдейн задумался: возможно, около 350 тыс. видов жуков, составляющих более половины всех насекомых, а затем ответил: «Создатель, если он есть, питает необыкновенную слабость к жукам» [приводится в сообщении о прочитанном Холдейном 7 апреля 1951 года докладе: Journal of the British Interplanetary Society. 1951. Vol. 10].
Так как Опарин и Холдейн независимо друг от друга пришли к сходным выводам, их гипотезы часто представляют вместе в виде теории Опарина — Холдейна. При всем сходстве выводов Опарин прежде всего подчеркивает метаболизм, тогда как Холдейн — воспроизведение. Это расхождение разбивает сторонников теории происхождения жизни на два лагеря.
После выдвижения гипотезы остается ждать появления доступного проверке предсказания и проведения соответствующих опытов. В 1952 году Стэнли Миллер (аспирант Нобелевского лауреата Гарольда Клейтона Ури в Чикагском университете) проделал новаторский опыт по проверке теории Опарина — Холдейна. Предполагаемые составляющие первичной атмосферы Земли — вода, водород, аммиак и метан — после обеспложивания вводились в соответствующий прибор, где подвергались электрическим разрядам, имитирующим молнии (рис. 3.1).
Через несколько дней после эксперимента Миллер обнаружил в воде простые органические молекулы (табл. 2), среди которых были аминокислоты, кирпичики живых организмов (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Из всего многообразия аминокислот в природе встречается лишь около 100 таких кислот, 20 из которых обнаружены в живых организмах. Четыре кислоты получены в миллеровском приборе. Большое количество этих простых, но примечательных органических молекул возникло всего за несколько дней.
Данные результаты подтвердили теорию Опарина — Холдейна. Конечно, полностью сформировавшиеся живые организмы получены не были. Хотя произведенные прибором Миллера молекулы представляли собой лишь простые составные части необходимых для обеспечения жизни молекул, само их образование в течение нескольких дней существенно укрепляло позиции данной теории.
Опытное подтверждение теории Опарина — Холдейна о происхождении жизни носило все же отрывочный характер, поскольку подробности биохимии жизни еще не были раскрыты.
Рис. 3.1. Прибор, использованный Миллером для воспроизведения условий, существовавших на первобытной Земле
(из кн.: Raven P. H., Johnson G. В. Biology. 6th edition. N.Y., 2002 [Кемп П., Армc К. Введение в биологию / Пер. с англ. Л Александрова и др. / Под ред. Ю. Полянского. М.: Мир, 1988. С. 339])
В последующий год все круто изменилось: в Кембридже Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик установили исходное строение молекулы, отвечающей за наследственность, дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. После того как молекулярные биологи приступили к упорядочиванию запутанных отношений между ДНК, РНК (рибонуклеиновой кислотой), белками и прочими молекулами, обеспечивающими деятельность живых организмов, стали известны дополнительные сведения о молекулярных взаимодействиях.
Таблица 2. Молекулы, образованные в ходе опыта Миллера
Как говорится, бес прячется в подробностях. Теория Опарина — Холдейна о происхождении жизни не содержала подробного списка химических реакций по зарождению жизни, поскольку на ту пору эти молекулы не были известны. Далее дается описание нынешнего понимания молекулярной основы жизнедеятельности организмов. Постараемся выяснить, что же могло послужить первой, простейшей формой жизни. Затем рассмотрим условия на Земле во время ее формирования и проследим, как химические реакции могли превратить простые молекулы в виде смеси в тот молекулярный механизм, что управляет ходом жизни. Потом мы рассмотрим некоторые иные трудности, делающие вопрос происхождения жизни одной из основных нерешенных проблем. Наконец, мы исследуем немногие пути, способные привести к ее разгадке.
Нынешняя жизнь: клеточные структуры
Ныне жизнь предстает крайне сложным явлением. Учитывая миллионы видов (где 350 тыс. приходится лишь на жуков) трудно рассчитывать на сохранение простейшей формы жизни, которую можно было бы исследовать. Ее нет. После 4 млрд. лет мутаций, воспроизведения, борьбы за пищу и изменений окружающей среды вряд ли стоит удивляться, что первой предполагаемой формы жизни давно не существует.
В сущности, что же такое жизнь? В 1947 году неугомонный британский генетик Дж. Б. С. Холдейн сказал: «Я не собираюсь отвечать на этот вопрос». После борьбы с промежуточными формами вроде вирусов, вироидов и прионов биология двинулась дальше в поисках четкого определения жизни.
Живые организмы порой описывались в соответствии с присущими им отправлениями (функциями):
Метаболизм: поглощение энергии, ее усвоение и вывод отходов.
Рост и восстановление: достижение нужных размеров и устранение неполадок.
Ответ на раздражители: выполнение действий в соответствии с внешними событиями.
Воспроизводство: создание себе подобного организма.
Современная биология избрала более простой путь: любое живое существо — клеточное. Отдельный организм может быть одноклеточным или состоять из множества взаимодействующих специализированных клеток, но в основе всех организмов лежит клетка. Далее, каждая клетка обладает мембранной оболочкой для обособления ее от остального мира. Внутри этой мембраны содержится полный набор команд по работе и воспроизведению клетки. Эти команды записаны в виде кода в дезоксирибонуклеиновой кислоте — ДНК.
Долгое время считалось, что существует лишь два вида клеток — эукариоты и прокариоты (рис. 3.2). Они разнятся размещением команд (эукариоты имеют ядро, а у прокариот оно отсутствует) и воспроизведением (эукариоты размножаются путем деления клеток, именуемого митозом; прокариоты — простым разрывом клеток).
Рис. 3.2. Прокариотная и эукариотная клетки
