Ноябрь 2017 / Хешван 5778

Глава 7

Глава 7

ШАНСЫ

Такое может произойти только раз в жизни

Что же касается происхождения жизни, то Время творит чудеса. На самом деле, герой этого романа - Время.

Нобелевский лауреат Джордж Уолд

Случайные события не могли привести к появлению жизни - по крайней мере, за то время, которое было в распоряжении Вселенной.

Гарольд Моровиц

Изучая наши космические корни, мы не должны сбрасывать со счета возможность того, что превращение инертной материи в жизнь могло произойти в результате случайных неуправляемых химических и физических процессов. Из предыдущих глав мы узнали, что физические и химические процессы подчиняются естественным законам, установленным при сотворении Вселенной. Если мы поверим в то, что это сотворение было результатом действия Бога, тогда нам нетрудно будет признать и то, что случайное возникновение жизни - тоже результат Божественного свершения, посредством Богом же созданных законов природы. В конце концов именно эти законы природы, имеющие Божественное происхождение, управляли теми взаимодействиями, которые в итоге привели к появлению жизни. И, следовательно, даже если бы возникновение жизни было итогом цепочки случайных процессов, - Богу, а вовсе не случаю мы были бы обязаны нашим существованием.

С Богом или без него, но ученые и философы поддерживали идею существенной роли случайности в течение времени от неживой материи к жизни. «Дайте нам достаточно длительный промежуток времени», — говорили они, — «и множественность случайных комбинаций материи неизбежно приведет к появлению жизни».

И в самом деле иногда создается впечатление, что живое и неживое не так уж сильно отличаются друг от друга. Скажем, рост вовсе не является прерогативой только живой материи. Массивная глыба соли в Мертвом море начинает свое существование в виде единичного кристалла, который постепенно добавляет все больше и больше соли к своей поверхности, извлекая ее из окружающей среды и организуя ее в упорядоченную форму того же кристалла. Рост кристалла происходит из-за того, что электрические заряды на его поверхности притягивают соответствующие атомы, помещая их в определенные точки. Безусловно, кристалл растет только в том смысле, что образующаяся на его поверхности новая структура в точности повторяет уже имеющееся пространственное расположение атомов, но такие простейшие формы жизни, как вирусы, делают практически то же самое. Клеточный материал, необходимый им для собственного воспроизводства, они берут от клетки-хозяина, в которую они внедряются.

Строительными блоками для белка являются аминокислоты. Эти органические молекулы синтезируются в клетках живых организмов. В 1953 году Стенли Миллер сообщил о результатах своих экспериментов, в которых он синтезировал аминокислоты из простых неорганических соединений, широко распространенных во Вселенной, с помощью абсолютно небиологических реакций1. Миллер показал, что аминокислоты, эта основа всей жизни на Земле, и в самом деле могут быть продуктом случайных реакций, без какой бы-то ни было сверхъестественной силы.

Механизм воспроизводства органических клеток, заложенный в генах, связан с двумя структурами - ДНК и РНК. Мы не знаем, каким образом этот механизм появился, но современные представления говорят о том, что его действие происходит по законам физической химии. ДНК и РНК выбирают из обширного набора органических и неорганических соединений, содержащихся в клетке, те молекулы, которые соответствуют генетическому коду ДНК и РНК. И хотя ДНК и РНК выполняют функции организации таких сложных молекул, как аминокислоты, в качественном отношении этот акт «репродуцирования» интеллектуален не в большей степени, чем рост неорганического материала2.

Сами по себе отдельные химические реакции, обеспечивающие поддержание жизни, в значительной степени подобны тем, которые происходят в неживой материи. Не подлежит сомнению, что процессы в живом и неживом во многом совпадают. Это процессы одного типа, хотя и качественно различные.

Поскольку жизнь имела своим источником землю и воду («Бытие» 1:11, 20, 24), неудивительно, что реакции между биологическими молекулами сохранили подобие реакциям своих неорганических предшественников. И те, и другие базируются на универсальных свойствах всей материи. Возможно, именно организация мириа-дов этих индивидуальных, «естественных» реакций в некий связный ритм и создает то, что мы называем жизнью. Если дело обстоит так, то генетический код, этот биохимический организатор, и есть ключ к различию между живым и неживым, или, говоря на языке науки, межцу биотическим и абиотическим.

Аминокислоты, образовавшиеся в экспериментах Миллера, были далеки от того, чтобы считаться «живыми». Но даже если бы его опыты действительно привели к появлению живой материи, это не отменило бы вопроса: может ли жизнь возникнуть в результате случайных реакций между неорганическими молекулами? Эксперименты Миллера проводились в условиях, которые ни в коей мере нельзя назвать случайными. В каждом случае вне пробирки находилась жизнь - в лице исследователя, искусно управлявшего средой внутри пробирки.

Тех, кто верит в возможность возникновения жизни из неживой материи, можно найти по обе стороны от теологического водораздела. Есть такие, кто утверждает, что, согласно Библии, силы жизни были заложены в материю во время творения. Так, на третий день («Бытие» 1:11-12) Земля была в состоянии «произвести» растительную жизнь. «И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя, дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод...». И хотя выбор времени, когда на Земле произросло множество растений, был сделан в соответствии с волей Бога, акт сотворения в этот день не упоминается. То же самое происходит в случае с появлением животной жизни. На четвертый день небеса очистились, а на пятый день воды были заполнены животной жизнью. «И сказал Бонда произведет вода пресмыкающихся, душу живую...» («Бытие» 1:20). И снова нет упоминания о сотворении. Это может быть воспринято как намек на то, что вода, как и Земля, обладает потенциалом создания жизни. То, что Земля может «произвести» и растительную, и животную жизнь, становится ясным из использования одного и того же глагола в обоих случаях:

И произвела земля зелень, траву...

«Бытие» 1:12

И сказал Бог: да произведет земля душу живую по роду ее...

«Бытие» 1:24

В 1860 году вопрос о том, может ли жизнь и в самом деле возникнуть спонтанно из неживой материи, был почти похоронен Луи Пастером. До работ Пастера, в течение столетий самопроизвольное зарождение жизни считалось установленным фактом. Любая пища, оставленная на несколько дней, начинала кишеть жизнью. Такие христианские священники, как Августин, и такие ученые, как Ньютон, Харвей и Декарт, признавали реальность этого феномена. Но постепенно научные исследования стали приносить результаты, которые поставили под серьезные сомнения справедливость этой идеи. В 1668 году Франческо Реди, итальянский врач, показал, что черви развиваются из яиц, откладываемых в гниющем мясе мухами, а вовсе не появляются самопроизвольно. Однако столетием позже, с появлением микроскопа, сторонники идеи спонтанного зарождения жизни получили новые доказательства своей правоты. Микробы, эти крошечные крупицы жизни, появлялись сами собой в любом питательном растворе, оставленном открытым на несколько дней. Джон Нидэм, шотландский священник, и Лаззаро Спалланзани, итальянский аббат, развернули дискуссию по поводу эффективности стерилизации как средства предотвращения спонтанного образовании жизни. В мясном бульоне, который был прокипячен и затем запечатан, жизнь не появлялась. Бульон, оставленный открытым после кипячения, вскоре начинал гнить. Нидэм утверждал, что интенсивное кипячение убивало ту силу жизни, которая присутствовала в молекулах любой неорганической материи. Бульон в открытых сосудах начинал гнить потому, что соприкасался с открытым воздухом.

Пастер попытался найти такой способ, который позволял бы свежему воздуху проникать в сосуд, но предотвращал бы попадание микробов в бульон. Он обратил внимание на то, что пыль, оседающая на ватной пробке при прокачке через нее воздуха, буквально кишела жизнью. Чтобы отвергнуть возражения рьяных сторонников существования «жизненной силы» в неорганической материи, Пастер либо закрывал свои сосуды пробками из ваты, либо использовал колбы с длинной и узкой, изогнутой наподобие буквы S горловиной. Пастер предположил, что, хотя воздух сможет проникнуть в колбу сквозь вату или узкую горловину, пыль и микробы будут оседать на поверхности ваты и стенках горловины и не достигут питательного бульона. По мере охлаждения прокипяченного бульона водяной пар, заполняющий сво

бодный объем колбы, конденсировался и холодный воздух проникал в колбу. Фильтрация микробов оказалась успешной. Бульон оставался чистым даже после поступления в колбу наружного «свежего» воздуха.

Пастер разрешил загадку спонтанного появления жизни. Ее источником были микробы и яйца мух, а вовсе не самопроизвольное зарождение.

Но так ли это на самом деле?

Если вывод о спонтанном зарождении червей из мяса и в самом деле был результатом ошибочного приписывания мясу некоей таинственной силы, то главный вопрос о происхождении жизни оставался без научного объяснения. Если самопроизвольное появление жизни невозможно, то что же явилось источником жизни? Содержали ли результаты Пастера, в косвенной форме, доказательство сверхъестественного сотворения жизни? Ответом агностика на это предположение было бы, скорее всего, «Боже упаси!»

В 1936 году Александр Иванович Опарин, русский биохимик, опубликовал книгу под заглавием «Происхождение жизни». В книге он описал условия, которые могли существовать на первозданной Земле, и случайные химические и физические процессы, которые могли протекать в такой среде. Эти процессы, утверждал он, неизбежно вели к появлению жизни. Через семнадцать лет Стенли Миллер использовал в своих экспериментах по образованию аминокислот почти такие же условия. Опарин предположил, а Миллер доказал, что молнии и другие источники энергии, существующие естественным образом на Земле, могли превращать неорганические молекулы в некоторые соединения, присутствующие в живой материи.

Но каким образом природа смогла организовать эти отдельные молекулы в сложные соединения, присутствующие даже в самых простых формах жизни? Теоретически необходимая последовательность событий, которая провела бы исходные молекулы по сложному пути, ведущему в конечном итоге к белку, могла бы представлять собой цепь случайных реакций, которые совершались бы шаг за шагом в течение долгого времени. Проблема такого медленного и случайного процесса заключается в том, что вместе с вероятностью образования промежуточных звеньев в цепи превращений, ведущих к появлению жизни, существует и вероятность их самопроизвольного распада.

При каждом шаге на пути от простых к сложным соединениям мы как бы плывем против течения энтропии. Поэтому вероятность распада вновь образованного органического соединения намного больше, чем вероятность его образования.

Если разрушение преобладает над созиданием, каким же образом живые организмы регулярно воспроизводят сложнейшие соединения, и при этом в больших количествах? Жизнь решает эту проблему, функционируя в хорошо защищенной среде внутри клеток, используя катализаторы, способные отбирать и концентрировать необходимые химикалии и ускорять реакции, расходуя значительную энергию для выполнения своей задачи. Охранительная среда, необходимая для жизни, находится в ней самой.

Но если клеточная система перестает функционировать нормально, организм умирает — любой, от самого простого до самого сложного. Его быстрое разложение после смерти явно свидетельствует о химической нестабильности соединений, из которых состоит жизнь.

Катализаторы в живых организмах, называемые энзимами, сами являются белками, производимыми уже живущими клетками. На процесс, который завершается за несколько секунд внутри системы животного, управляемой энзимами и находящейся при температуре 36,6 градуса Цельсия, может уйти несколько лет в системе без катализатора. Для тех молекул, которые предшествовали появлению жизни, не существовало ни энзимов, ни защитной стенки клетки.

Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, требует для своего создания наличия уже существующей жизни.

Всемирно известный биолог Джордж Уолд не видел в этом обстоятельстве никакой проблемы. В своей статье в журнале «Scientific American» он привел логически убедительные аргументы в пользу того, что случайные процессы, следующие физическим законам нашей Вселенной, могут и фактически оказались в состоянии спонтанно создать жизнь из неживой материи. Для Уолда жизнь является неизбежным продуктом химических процессов. Следует только подождать, и необходимые случайные события произойдут. «Что же касается происхождения жизни,» - пишет он, — «то Время творит чудеса. На самом деле, герой этого романа - Время.»

Я уделил столько внимания рассуждениям Уолда потому, что из его категорических заявлений можно извлечь важный урок. Но урок этот заключается не в том, что жизнь неизбежна. Урок состоит в том, что направление мысли в этом весьма противоречивом исследовании происхождения жизни очень часто основывалось на недостаточно полно изученных данных, представленных как научный факт одним или несколькими знаменитыми учеными. Чтобы понять, какое влияние могло оказать мнение Уолда на непрофессиональную публику, следует указать на его положение в среде ученых. В 1948 году, когда вышла его статья в Scientific American, Уолд был полным профессором в Гарварде. Он считался одним из ведущих ученых в области биохимии зрения и за свои исследования получил Нобелевскую премию.

А теперь представьте себе, что должны были подумать читатели Scientific American, когда ученый с такой безупречной репутацией публикует в журнале свои «факты», говорящие о происхождении жизни? Что уж он-то знает, о чем говорит? Что нет сомнений в том, что случайные события могут привести и действительно привели к появлению жизни? Что считается доказанным, что силы эволюции, ведомые лишь законами природы, обусловили развитие жизни от первого микроба до человека? Конечно, читатели поверят ему.

К сожалению, Уолд владеет математикой не так хорошо, как биологией, а ведь именно на математическом аппарате теории вероятности базирует Уолд свои, не слишком оригинальные аргументы.

В 1968 году профессор Гарольд Моровиц, физик из Йельского университета, опубликовал книгу «Течение энергии в биологии»5. Его, вместе с другими физиками и математиками, беспокоила та легкость, с которой некоторые ученые, изучавшие происхождение жизни, допускали возможность осуществления маловероятных событий. Эти ученые делали далеко идущие допущения без того,.чтобы тщательно исследовать вероятность подобных событий. Моровиц произвел расчеты времени, необходимого для зарождения бактерии за счет случайных химических реакций -не столь сложного организма, как человеческий, и даже не цветка, а простой одноклеточной бактерии. Основывая свои расчеты на оптимистически высокой скорости реакций, он показал, что расчетное время для образования бактерии превосходит не только возраст Земли - 4,5 миллиарда лет, но и 15 миллиардов лет - весь возраст Вселенной. Вероятность зарождения жизни из первозданного химического бульона за счет случайных процессов оказалась даже меньше, чем вероятность того, что вы, встряхивая омлет, сможете отделить белок от желтка!

Но рядовая публика, находясь под впечатлением аргументов таких выдающихся людей, как Уолд, продолжала верить в то, что случай является источником жизни, хотя журнал Scientific American позже признал, что Уолд ошибся.

По иронии судьбы, именно ископаемые находки постепенно рассеяли эту уверенность в решающей роли случая. Дело в том, что жизни для того, чтобы «случайно» появиться на свет, не понадобилось ни 15, ни 4 миллиардов лет. Археологическая наука утверждает, что жизнь появилась на Земле почти немедленно после ее образования!

Выясняя, как возникла жизнь на Земле, мы должны учитывать, что для этого возникновения были необходимы некие основные условия. Простейшим из них является охлаждение расплавленного агломерата, которым была первозданная планета Земля, до температуры, при которой вода могла бы находиться в жидком виде и служить средой для протекания химических реакций. По имеющимся оценкам, это охлаждение земной коры произошло 4,5 миллиарда лет назад. Только с тех пор вода могла существовать в виде жидкости. О жидкой воде свидетельствуют осадочные породы, ибо они появляются в результате вымывания и эрозии первичных скальных пород (обычно водой). Первые осадочные породы появились 3,8 миллиардов лет назад. Только с этого времени стало возможным протекание химических реакций в воде в достаточно широких масштабах.

Если мы находим ископаемые свидетельства ранних проявлений жизни, значит, существовали условия для их образования. Организм, оказавшийся среди крупных скал, не превратится в ископаемое. Окаменелость может сохраниться только в скальной породе, которая подверглась выветриванию или вымыванию, затем осаждению и последующему затвердеванию, при этом организм, которому суждено было стать ископаемым, должен был попасть в осадочную породу до ее затвердевания.

Такие ранние осадочные породы свидетельствуют как о появлении на Земле большого количества воды, так и о создании условий для образования окаменелостей живых организмов.

Обнаруженные до настоящего времени древнейшие осадочные породы находятся в южном Африканском щите и в Канадском щите в Северной Америке. В центральной области Африканского щита есть состоящая из кремнистого сланца скальная порода, которая называется формацией фигового дерева. Внутри этой осадочной породы, возраст которой составляет 3.3 миллиарда лет, Элсо Баргхоорном и Дж. У. Шопфом, учеными из Гарварда, были найдены окаменевшие остатки одноклеточных организмов сферической и цилиндрической формы6. Размеры и форма этих ископаемых организмов соответствуют размерам и форме микробов, которые сегодня существуют в водных средах.

Это самое раннее свидетельство существования жизни относится к периоду, наступившему менее чем через 500 миллионов лет после появления самого древнего типа осадочных пород, которые могли содержать в себе окаменелости. На этом, сравнительно раннем, этапе уже образовались несколько форм живых организмов. Статистически маловероятно, в сущности — просто невозможно, чтобы случайные события породили жизнь за такое относительно короткое время.

Если случайные события, ведущие к появлению жизни, статистически невероятны, то что можно сказать о главном аргументе сторонников решающей роли фактора случайности? Мне неведом какой-либо определенный ответ на этот вопрос. Исследования показали, что основные молекулы, содержащиеся в вулканических газах — метане, аммиаке и водяном паре — могут преобразовываться в аминокислоты - те молекулы, которые входят в состав белков. Более того, биохимические реакции в живой клетке, сами по себе, весьма подобны некоторым неорганическим реакциям. Если рассматривать жизнь как последовательность отдельных химических реакций, то ее можно принять за некое продолжение неодушевленного мира.

Камнем преткновения в этом переходе от геохимического к биологическому является появление генетического кода. Генетический материал клетки совершает нечто большее, чем просто воспроизведение себе подобного. Он является матрицей, по которой выстраиваются все биохимические потребности клетки, от извлечения химической энергии, содержащейся в усвоенной пище, до производства сотен белков, необходимых для жизнедеятельности клетки, ее роста и воспроизводства, и все это совершается в соответствии с исключительно сложной гармонией жизни.

Длинные, закрученные спиралью молекулы, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), являются основой генетического материала всех живых клеток, изученных по сей день. Вполне возможно, что именно из-за исключительной сложности генетического материала все формы жизни имеют один и тот же тип генетического кода. Изучаем ли мы стебель травы, бактерию или человека, мы убеждаемся в том, что существование их всех основано на одних и тех же 20 аминокислотах. Все белки, образованные генетическим материалом, имеют одну и ту же левостороннюю конфигурацию молекулы. Все сахара обладают правосторонней конфигурацией молекулы. В неживой материи конфигурации молекул случайны. Более того, несмотря на сложность и многообразие белков (нередко в белке содержится до различных 300 аминокислот), только несколько почти одинаковых белков появляются в большинстве форм жизни.

Это подобие всех форм жизни весьма убедительно свидетельствует в пользу существования единого источника жизни. Невероятно, чтобы оно возникло по воле случая. Существует 20 различных типов аминокислот, с помощью которых образуются белки. Вероятность случайного повторения двух идентичных белковых цепей, каждая из которых содержит по 100 аминокислот, равна одному шансу из 20юо или из 10130 (последнее число выражается единицей с 130 нулями). Чтобы составить себе представление о совершенно невообразимой величине этого числа, можно, скажем, указать на то, что в 15 миллиардах лет, прошедших с момента Большого Взрыва, содержится менее чем 1018 секунд.

Чтобы случайное образование одного белка оказалось возможным, необходимо, чтобы в каждую секунду, прошедшую с начала времен, совершалось 10™ случайных соединений! Чтобы обеспечить эти одновременно проходящие реакции необходимым материалом, потребовалось бы 1090 грам углерода. Но вся масса Земли (считая все элементы) равна только бхЮ27 грам! Фактически 1090 грам во много миллиардов раз превышает предполагаемую массу всей Вселенной! Из этих соображений совершенно ясно, что случай не мог быть той движущей силой, которая создала одинаковые белки в бактерии и в человеке. Но они, тем не менее, существуют - эти одинаковые белки - и в бактерии, и в человеке.

Представляется, что на самом деле была только одна, переданная по наследству, модель всех форм жизни. Вполне вероятно, впрочем, что много типов генетического кода могли быть жизнеспособными и тот код, который существует сегодня, лишь по случаю образовался первым. Если дело обстоит именно так, то наш код является лишь одним из многих возможных и не кажется невероятным, что только по воле случая развился именно он. Но если жизнеспособными были много типов кодов, а не один, тогда должно было сформироваться и выжить большее их число. Такая точка зрения выглядит вполне справедливой, если мы основываем свое мнение на том, что мы знаем о жизни. Живые организмы можно обнаружить в любой среде, в которой существуют питательные вещества, будь то выход газа на глубине 5 километров под поверхностью океана или сухой песок пустыни. Разнообразие форм жизни проявляется на всех уровнях организации живых организмов, от бактерий до млекопитающих. К такому способу прибегает природа, чтобы использовать все имеющиеся ресурсы и обеспечить сохранение жизни, если и когда грянет катастрофа. А если разнообразие характерно для всех форм жизни, то мы вправе предполагать разнообразие и в развитии генетического кода. Но дело обстоит совсем иначе. Существует только один код, и наиболее вероятная причина этого заключается в том, что жизнеспособным оказался только он.

Как известно, ископаемые свидетельства различных форм жизни на уровне микробов были обнаружены в осадочных породах, возраст которых составляет более.3,3 миллиарда лет. Древнейшие осадочные породы относятся к периоду более 3,8 миллиарда лет назад. В течение этого промежутка времени - примерно 0,5 миллиарда лет - общий предок всего живого на Земле должен был выработать совершенно экстраординарный и тонкий химический механизм жизни и успеть мутировать достаточно для того, чтобы воспроизвести многообразное потомство.

Появление жизни на Земле вскоре после того, как она оказалась в состоянии поддерживать ее существование, и невозможность случайного зарождения и развития нашего генетического кода в отведенный для этого промежуток времени заставили представителей многих научных дисциплин предположить возможность внеземного происхождения жизни. Лауреаты Нобелевской премии Сванте Август Аррениус, Фрэнсис Крик и астроном сэр Фред Хойл были среди тех, кто направил свои взоры в космос в поисках источника нашего происхождения7.

Но даже если мы найдем доказательства того, что жизнь была принесена на Землю из космоса, это не поможет нам разрешить загадку происхождения жизни как таковой. Как отмечал Моровиц, даже 15 миллиардов лет было недостаточно для появления жизни в результате случайных неуправляемых реакций.

Пробуя разобраться в наших космических корнях, мы убеждаемся в том, что многие уважаемые ученые из самых различных областей науки пытаются найти некие силы, отличающиеся от наблюдаемых на Земле, которые могли бы объяснить происхождение ископаемых свидетельств жизни, потому что эти свидетельства не могут быть истолкованы с помощью обычных законов химии и биологии. В научном мире появилось не существовавшее ранее осознание того факта, что упрощенный подход, представлявший происхождение жизни как эволюцию от неорганических химических реакций к биохимическим, требует пересмотра.

...И создал Господь Бог человека из праха земного...

(«Бытие» 2:7)

Говоря языком как Библии, так и науки, мы созданы из вещества Вселенной. И важнейшим шагом на пути к научному пониманию Вселенной явился тот факт, что мы теперь знаем, что мы появились не в результате цепи случайных событий.

ПРИМЕЧАНИЯ

1.    Значение статьи Миллера подробно обсуждается в статье Дикерсона «Химическая эволюция и происхождение жизни» (Dickerson, «Chemical evolution and the origin of life»), в книге Добжанского и др., «Эволюция» (Dobzhansky et al., Evolution, p. 30).

2.    Тейлор. «Великая тайна эволюции» (Taylor, The Great Evolution Mystery, pp. 166-169).

3.    Опарин. «Происхождение жизни».

4.    Уолд. «Происхождение жизни» (Wald, «The origin of life». Scientific American 191 (August 1954):48.

5.    Моровиц. «Течение энергии в биологии» (Morowitz, Energy Flow in Biology).

6.    Баргхоорн. «Древнейшие ископаемые остатки» (Barghoorn, «The oldest fossils», Scientific American 224 (May 1971):30); Шопф. «Эволюция ранних клеток» (Schopf, «The evolution of the earliest cells», Scientific American 239 (September 1978):84).

7.    Крик и Орджел. «Направленная панспермия» (Crick and Orgel, «Directed panspermia», Icarus 19 (1973):341); и Хойл и Викрамасингх, «Происхождение жизни» (Hoyle and Wickramasinghe, The Origin of Life).