Тайна происхождения жизни
Чему равна вероятность случайного возникновения жизни? Как произошла жизнь на нашей планете? И что вообще такое жизнь?
Доминирующей в современной науке является абиогенетическая гипотеза, согласно которой жизнь возникла самопроизвольно из неживой материи миллиарды лет назад. Последующая эволюция стала причиной возникновения всех известных видов растений и животных, а также человека. Согласно этому подходу эволюции биологической предшествовала эволюция химическая, то есть процесс, в результате которого из неорганических молекул образовались органические, которые в свою очередь взаимодействовали друг с другом, пока не образовались биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты.
В 1924 году советский биохимик Александр Иванович Опарин выступил с предположением, что химическая эволюция с последующим зарождением жизни могла протекать в первобытном океане - «бульоне», который вкупе с первобытной атмосферой содержал воду, аммиак, метан и водород.
В 1953 году сотрудник Чикагского университета Стэнли Миллер опубликовал результаты своих экспериментов, в которых он попытался сварить такой «первобытный бульон», воспроизведя в лаборатории условия, которые должны были сопутствовать возникновению жизни. Учёный подверг воздействию электрических разрядов смесь из метана, воды, водорода и аммиака. Действительно, в этих и подобных им экспериментах удалось получить аминокислоты и азотистые основания. Напомним, что первые (аминокислоты) являются молекулярными кирпичиками, из которых построены белки, а вторые (азотистые основания) наряду с сахарами рибозой и дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты входят в состав нуклеиновых кислот.
Однако, детальный анализ продуктов спонтанного синтеза, протекающего в лабораторном «первобытном бульоне», вызвал немало вопросов.
Во-первых, в ходе этих экспериментов образовывались в равном количестве L- и D- изомеры аминокислот (эти формы являются зеркальным отображением друг друга). Но белки живых организмов состоят только из L- аминокислот. Возникает закономерный вопрос: каким образом возникли белки, состоящие исключительно из L- аминокислот? На него до сих пор так и не был получен удовлетворительный ответ. Во-вторых, факты говорят о том, что концентрации аминокислот в «первобытном бульоне» должны были бы быть слишком маленькими.
Химик Дональд Халл подсчитал, что концентрация самой простой аминокислоты, встречающейся в живых организмах - глицина, - не должна была быть больше 10-12 моля. Он пишет:
«Даже максимально вероятное содержание аминокислоты является безнадёжно низким, чтобы служить отправной точкой для самопроизвольного зарождения жизни».
(Hull D.Е. 1960. Thermodynamics and kinetics
of spontaneous generation. Nature 186:693, 694).
Такие низкие концентрации ставят под сомнение идею самопроизвольного образования даже самых простых белковых молекул. Вероятность же самосборки сложных белков, состоящих из сотен L- аминокислот, соединённых между собой в определённой последовательности, - ещё меньше. Чтобы понять, какова она, приведём один весьма наглядный пример.
Предположим, мы хотим получить белковую молекулу из ста аминокислот в результате хаотичного, самопроизвольного возникновения в «первобытном бульоне». Сколько времени для этого необходимо? Как известно, природные белки состоят из двадцати аминокислот. Вероятность того, что мы случайно отберём из двадцати аминокислот строго определённую - один шанс из двадцати (или 0.05). Если мы хотим получить белок, аналогичный природному, - то все аминокислоты, входящие в него, должны быть L-изомерами. Вероятность того, что отобранная аминокислота будет именно L-изомером - один шанс ид двух (0.5). Присоединение аминокислот к растущей пептидной цепочке возможно с двух её концов, следовательно, вероятность присоединения аминокислоты с «нужного» конца - один шанс из двух (0.5).
Таким образом, для того, чтобы найти вероятность появления одной определённой L-изомерной формы аминокислоты в нужном месте белка, нам необходимо просто перемножить все найденные нами три вероятности. Искомое число будет - один шанс из восьмидесяти (0.0125). Вероятность того, что две L-формы конкретных аминокислот расположатся в нужной последовательности в белке - один шанс из шести тысяч четырехсот (или 0.000156; чтобы получить эту величину необходимо умножить 0.0125 на 0.0125). Для ста аминокислот вероятность их случайного попадания в строго определённое место белка составляет один шанс из 4.9 x 10-191.
(Bradley WL., Thaxton CB. 1994.
Information and the origin of life.
In: Moreland JP, editor. The creation hypothesis:
science evidence for an intelligent designer.
Downers Grove, III.: InterVarsity Press, pp. 173-210).
Оценочные расчёты, выполненные с целью определения примерного количества атомов в наблюдаемой части Вселенной, показывают, что вероятность найти конкретный атом методом проб и ошибок среди всех атомов Вселенной намного выше вероятности спонтанного возникновения белка из ста аминокислот, идентичного натуральному (образующемуся в живом организме).
(Crick F. 1981. Life itself: its origin and nature.
New York: Simon and Schuster, p. 51).
Дело ещё больше усложняется, если мы попытаемся обсудить вероятность самопроизвольного возникновения нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).
В 1953 году (это тот же самый год, когда были обнародованы результаты экспериментов Стенли Миллера) Джим Уотсон и Фрэнсис Крик установили, что ДНК (молекула, носитель информации о живом организме) образует в живых системах двойную спираль, в которой нуклеотиды располагаются друг напротив друга. Было подсчитано, что вероятность того, что самопроизвольно образуется только одна пара нуклеотидов в нуклеиновой кислоте, с учётом всех возможных сочетаний атомов входящих в их состав, составляет 10-87. Число нуклеотидных пар в ДНК человека превышает 3 миллиарда, а для некоторых цветковых растений может достигать десятков миллиардов. Понятно, что вероятность случайного возникновения строго определённой последовательности ДНК из миллиарда конкретных нуклеотидов несуразно мала. (Для сравнения, можно напомнить, что в 4,5 миллиардах лет, (столько обычно отводят на эволюцию на нашей планете), всего 1025секунд).
Заметим, что условия, которые должны были бы сопутствовать появлению в «первобытном бульоне» сахаров (сахара рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот) и аминокислот (компонентов белков) различны. Аминокислоты образуются в кислой среде, которая непригодна для образования сахаров.
Переход от простого набора биополимеров к функционирующему живому организму, пускай даже очень простому, представляется ещё более сложной проблемой, чем спонтанный синтез белков и нуклеиновых кислот. Об этом говорят биохимики-эволюционисты Дэвид Грин и Роберт Гольдберг:
«Переход от макромолекул к клетке является скачком фантастических масштабов, который лежит за пределами поддающейся проверке гипотезы. В этой области всё является предположением. Доступные факты не дают основания постулировать, что на этой планете возникли клетки».
(Green D.E., Goldberger R.F. Molecular insights
into the living process.
New York & London: Academic Press, 1967, pp. 406-407)
Гарольд Моровиц подсчитал, что вероятность самоорганизации биополимеров с образованием кишечной палочки (Escherichia coli) равна одному шансу из 10-110, для микоплазмы - один шанс из 10-450.
(Morowitz H.J. Energy flow in biology:
biological organization as a problem in thermal physics.
New York & London: Academic Press, 1968, p. 67).
Компоненты живой клетки, функционируя как единое целое, находятся в сложном взаимодействии друг с другом. В клетках белковые молекулы образуются в результате реакций матричного синтеза, которые протекают в соответствии с информацией, заложенной в молекуле ДНК. В этом сложном процессе может участвовать несколько сот специфических белков, и отсутствие одного из них делает матричный синтез просто невозможным. В свою очередь, белки участвуют в процессах биосинтеза нуклеиновых кислот. Таким образом, для синтеза белков в клетках нужны нуклеиновые кислоты, а для биосинтеза нуклеиновых кислот - белки. Как разрешить это противоречие?
Высказывались предположения, что первыми могли возникнуть самовоспроизводящиеся РНК. Но никаких экспериментальных подтверждений получено до сих пор не было. Нобелевский лауреат биохимик Христиан де Дюв говорит по этому поводу следующее:
«Попытки создать - при тщательной разработке и технической поддержке, которой не мог похвастаться первичный мир - молекулу РНК, способную катализировать самовоспроизведение, пока не увенчались успехом».
(De Duve C. The beginning of life on earth.
1995, American Scientist 83:428-437).
Почему же до сих пор так и не получили такую РНК? Крупный российский биохимик Александр Спирин утверждает:
«Я глубоко убеждён, что «перебором», путём эволюции невозможно получить сложный прибор... Это таинственное, я бы сказал, «божественное» соединение - РНК, центральное звено живой материи, не могло появиться в результате эволюции. Она либо есть, либо её нет. Она настолько совершенна, что должна была быть создана некой системой, способной изобретать».
Так существовал ли первобытный бульон? Ряд довольно крупных учёных считают, что нет. Австралийский биолог Майкл Дентон убеждён, что гипотеза о первобытном бульоне - хорошо устоявшийся научный миф:
«Учитывая, что на пребиотический бульон ссылаются во множестве дискуссий о происхождении жизни как на уже установленную реальность, понимание того, что нет абсолютно никаких положительных доказательств его существования, оказывается чем-то вроде шока».
(Michael Denton. Evolution:
A Theory in Crisis. - Bethesda, Marylan:
Adler and Publishers; 1986. p. 261.).
Такого же мнения придерживается английский астроном Фред Хойл, профессор Кембриджского университета:
«Вероятность образования жизни из неодушевлённой материи равна отношению единицы к числу с 40000 нулей после неё. Оно достаточно велико, чтобы похоронить Дарвина и всю теорию эволюции. Никакого первичного бульона не существовало ни на нашей, ни на какой-либо другой планете, а если происхождение жизни было не случайным, то, следовательно, оно было продуктом преднамеренного акта, направляемого разумом».
(Fred Hoyle. Hoyle on Evolution.
Nature. 1981, Vol. 294, №5837, November 12).
|
