Вселенная Разумная - Максим Карпенко

Простейшая бактериальная клетка имеет весьма скромные размеры: длина ее 3, а диаметр — 1 микрон, масса ее около 6.10-13 граммов, две трети которой составляет вода. Остальное вещество клетки — это белки, свободные аминокислоты, нуклеиновые кислоты, жиры и сахара. Клетка состоит из 40 миллионов больших и средних молекул, участвующих вместе с малыми молекулами в 2–5 тысячах типов химических реакций-некоторые из них проходят в 20–30 стадий.

В клетке имеется примерно 10 тысяч рибосом — больших молекул, на которых собирается несколько тысяч типов белков. Каждая из рибосом собирает в среднем одну молекулу белка в секунду. Сборка каждой молекулы белка представляет собой операцию, во время которой сшивается в определенном порядке несколько сот аминокислот, что, в свою очередь, означает подборку нужных аминокислот, расстановку их по местам, удаление из каждой пептидной связи молекулы воды. Одновременно в клетке содержится миллиард молекул аминокислот, один процент которых связан в белках, остальные «находятся в работе».

Основная информация об устройстве клетки, о конструкции каждого белка записана в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК, — и определяется порядком, в котором расположены в ДНК азотистые основания — аденин, тимин, гуанин и урацил, которые закреплены на углеводно-фосфатных цепочках. Каждая «буква» такой записи — тройка оснований в той или иной последовательности.

В молекулах ДНК бактериальной клетки содержится 2–5 миллионов троек, то есть примерно 6-15 миллионов оснований, расположенных в строго определенном порядке. В молекулах ДНК клетки человека — примерно 3 миллиарда оснований.

Процесс размножения клетки не убавляет сложностей. Для размножения требуется изготовить большое число новых белков, а также снять копию с молекулы ДНК. Эта операция происходит так: двойная спираль ДНК расплетается и к каждой половинке пристраиваются новые азотистые основания, образующие точную копию материнской молекулы. Затем сворачиваются в спираль и сшиваются половинки и старой ДНК, и вновь изготовленной. В процессе репликации ДНК важную роль играют вспомогательные белковые молекулы — ферменты, резко ускоряющие биохимические реакции: эффективность ферментов такова, что какой-либо химический цикл, «проходящий в присутствии ферментов за несколько минут, без них мог бы длиться тысячи и миллионы лет.

Таким образом, проблема заключается в объяснении механизма образования и репликации обладающей столь невероятной сложностью системы, равной которой не было создано за все время научно-технической деятельности человека. Одна из попыток подобного объяснения была предпринята А. И. Опариным, который еще в 1924 году опубликовал книгу «Происхождение жизни». В теории, которую Опарин впервые выдвинул в этой книге и которую развивал на протяжении многих лет, предполагается эволюция так называемых коацерватных капель до клеточной сложности.

Коацерватная капля представляет собой сложный молекулярный агрегат, насчитывающий тысячи и миллионы молекул и образующийся в водной среде Мирового океана под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, распада радиоактивного калия, молний, метеорных ударов, вулканизма и пр. В итоге в коацерватных каплях могут быть сконцентрированы все органические, предбелковые молекулы, образовавшиеся в Мировом океане. В воде, окружающей эти капли, остаются только простые низкомолекулярные соединения.

Считалось, что именно коацерватные капли при определенных условиях могут дать начало образованию первичных живых систем и оставалось только объяснить природу качественного скачка от протобелковых молекул к молекулам белка, а от нее — к живой клетке со всеми ее сложностями.

Более тридцати лет назад волна экспериментальных открытий, послужила основанием для оптимизма: С. Миллером был осуществлен синтез одной из аминокислот — цитозина, вслед за этим С. Понпамперумой, Д. Оро, Д. Фоксом были детально изучены механизмы абиогенного синтеза практически всех биомономеров, встречающихся в живой природе. Следующим этапом исследований должен был стать второй этап химической эволюции — построение биополимеров молекул белков и нуклеиновых кислот. Собственно говоря, этот процесс образование полимерных цепей из мономеров давно и хорошо известен, и было необходимо, привязавшись к гипотетическим условиям первобытной Земли, попытаться получить экспериментально белковые и нуклеиновые полимерные цепи. И эти цепи были получены. Однако оказалось, что полученные полимеры нельзя назвать белками или нуклеиновыми кислотами: существующая в биополимерах строгая последовательность аминокислот, строгий порядок их расположения в полимерной цепи получены не были, и если принять последовательность аминокислот в живом полимере соответствующей какому-то осмысленному тексту, то текст, записанный па полученных синтетических полипептидах и полинуклеотидах, оказался похожим на хаотический набор букв.

В то же самое время, когда проводились многочисленные эксперименты, долженствующие доказать возможность самопроизвольного зарождения жизни, многими учеными были проделаны теоретические расчеты, оценивающие вероятность этого события. Так, американский биохимик Г. Кастлер, исходя из определенного объема «пробирки» — Мирового океана, в котором должны были происходить искомые реакции, времени химической эволюции, оцениваемой им в 2 миллиарда лет и других достаточно приемлемых начальных условий, пришел к выводу, что природа могла в этих условиях предпринять не более 1046 попыток самосборки простейшей бактерии из мономолекулярных блоков.

С другой стороны, структура простейшей живой бактериальной клетки, о которой говорилось выше, — это всего лишь одна. реализованная возможность из 10301 потенциальных конфигураций, которые можно было бы получить из имеющихся в ней молекулярных блоков, то есть природа располагала в 10255 раз меньшим числом попыток, чем было необходимо.

Столь малая вероятность случайного возникновения жизни заставляет исследователей искать альтернативные варианты решения этой проблемы. Одной из древнейших гипотез, объясняющих зарождение жизни на Земле, является гипотеза панспермии, согласно которой Вселенная насыщена спорами жизни, переносимыми на планеты метеоритами, кометами или с космической пылью, движущейся под действием давления света. Эта гипотеза, современную форму которой придал еще в конце прошлого века Сванте Аррениус, и сегодня пользуется популярностью у некоторой части ученых, среди которых уже упоминавшиеся выше Хойл и Викрамасингх. Однако идея посева жизни не решает, а лишь отодвигает проблему возникновения жизни куда-то в космос. К тому же, подставляя в расчеты Кастлера вместо земных «вселенские» параметры, мм получим вероятность случайного образования жизни, равную 10Е-242, что никак не может служить источником для оптимизма.

Гипотеза о самозарождении жизни, помимо указанных, содержит в себе еще ряд весьма серьезных затруднений, одно из которых было довольно-таки ехидно сформулировано следующим образом: если бы в условиях первобытной Земли самопроизвольно возник даже слон, то у него не было бы никаких шансов на дальнейшее существование.

Можно также отметить сложности, связанные с объяснением отмеченной еще Пастером «асимметрии живого», заключающейся в том, что все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют левую асимметрию. Это означает, что хотя большинство органических соединений может существовать в двух пространственных формах, являющихся зеркально симметричными относительно друг друга, для живого земной биосферы совершенно не безразлично использование той или иной формы: все белковые соединения, входящие в состав живых организмов, имеют левую асимметрию. Уже Пастер обратил внимание на то, что асимметричный синтез должен происходить под воздействием какого-то внешнего асимметричного фактора.

Этот аспект природы земной биосферы до настоящего времени не имеет сколь-нибудь приемлемого объяснения.

Еще одну, и все более усугубляющуюся, трудность вносят палеонтологические открытия, все более сокращающие предполагаемый срок химической эволюции. Бели Кастлер в своих расчетах отводил на предбиологическую эволюцию 2 миллиарда лет, то открытия древнейших протоорганизмов — бактерии и сине-зеленых водорослей, появившихся не позднее 3,5–3,8 миллиарда лет назад, сокращают время, отпущенное на самозарождение жизни до всего лишь сотен миллионов лет.

Но так или иначе, однажды возникнув, жизнь стала развиваться, и развиваясь, усложняться и этот рост сложности живой материи, ее приспособительных, адаптивных возможностей таит в себе не меньше вопросов, чем загадка зарождения жизни. Среди множества теорий, объясняющих происхождение всего имеющегося разнообразия живой природы, особого внимания бесспорно заслуживает теория происхождения видов Дарвина, теория, которая, казалось бы, дает ответы на все вопросы развития жизни, ее эволюции. Теория Дарвина, определяя материальные факторы эволюции — наследственность и изменчивость, подводила итоги длительной борьбы с идеалистическими концепциями креационизма — творения как движущей силы эволюции, и уже одним этим импонировала большинству естествоиспытателей, среди которых все большее влияние завоевывал материализм.