Из грязи в кванты

О разнообразии и несостоятельности теорий происхождения жизни

Можно с уверенностью сказать, что нет ни одного человека, который бы не задумывался над тем, как мы произошли. Как вообще возникла жизнь?

Эти вопросы волнуют не только наших современников. Проблема зарождения живой природы беспокоила ещё древних мыслителей. Эволюционировала не только Вселенная, природа, бытность людей, но и представления о том, как человек представлял себе «великий акт зарождения». Давайте попробуем восстановить хронологию и разнообразие гипотез об этом.

Но прежде стоит отметить, что все теории происхождения жизни делятся на два класса. К первому классу относятся теории абиогенеза, согласно которым жизнь возникла из неживой природы. Второй класс – теории и гипотезы биогенеза, которых объединяет представление, что живое могло произойти только от живого. При этом, эти теории никак не могут объяснить, как же возникло то самое «изначальное живое», которое дало толчок всему остальному, наделенному способностью «жить».

Итак, перейдем к главному.

1. Теория самозарождения жизни. Согласно этой теории, живые существа способны образоваться из неживой материи спонтанно. Такие представления были свойственны народам, которые жили очень давно. Их мысли были записаны в древних китайских, индийских рукописях, египетских иероглифах, клинописи Древнего Вавилона. Оказывается, раньше всерьёз верили, что живые существа запросто могли возникнуть из воды, грязи, гниющей материи. А в Древнем Египте считали, что лягушки, змеи и даже крокодилы рождаются из слоя ила после сезонных разливов на берегах Нила. В Древнем Китае не сомневались, что тля может неожиданно образоваться на молодых побегах бамбука. Древние люди полагали, что все эти процессы происходят благодаря влаге, теплу и солнечному свету. Сейчас такие представления кажутся наивными и детскими.

На самом деле, идея о том, что все живое могло возникнуть спонтанно, господствовала довольно долго. Например, Аристотель считал, что какие-то частицы вещества содержат некое активное начало, которое при определенных условиях может создавать живой организм. Другой древнегреческий философ Фалес Милетский верил, что жизнь – это свойство материи. Он считал, что всё на свете состоит из мельчайших частиц – атомов. Согласно его концепции, жизнь зарождается как результат взаимодействия между собой сил природы, например, атомов огня и влажной земли.

Впоследствии теории самозарождения жизни были решительно опровергнуты. Считается, что в большей мере этому способствовало появление христианства, которое имело свою картину сотворения мира, описанную в Ветхом завете.

2. Теория Опарина-Холдейна (теория химической эволюции). Удивительно, но спустя какое-то время теория самозарождения все-таки снова возродилась, но уже на новом витке своей парадигмы, в теории российского учёного Александра Опарина в 1924 году. Эта теория отличалась от взгляда древних более научным, последовательным подходом. Основная идея – возникновение жизни из абиотических компонентов, под которыми подразумевались углеродистые соединения «до биологического происхождения». С этой точки зрения перед возникновением жизни происходила химическая эволюция органических соединений на основе углерода. Эта химическая эволюция была необходимым этапом перед возникновением жизни и таким образом предваряла биологическую эволюцию.

Постепенно химическая эволюция перешла на качественно новый уровень биохимической эволюции. Подобных взглядов также придерживался британский биолог Джон Холдейн. Он считал, что ранние океаны представляли собой разбавленный горячий бульон, вернее суп, в котором образовывались органические соединения, служившие строительными блоками для формирования живых организмов. Такие древние океаны-бульоны существенно отличались от нынешних солёных океанов.

По гипотезе Опарина, в растворах высокомолекулярных соединений («бульоне» из углеводородов первичного океана, существовавшего в ранней планете) могли самопроизвольно протекать сложные химические изменения, в результате которых образовывались более сложные органические соединения. Причем, как считал Опарин, атмосферный кислород не нужен был для таких процессов, наоборот, он даже препятствовал бы синтезу органических молекул.

Следующий шагом было образование так называемых коацерватных капель –множества органических молекул, окруженных водных оболочкой. Эти коацерваты были отделены от окружающей среды, но поддерживали обмен с ней. Они могли, например, поглощать вещества извне. Если же в коацерватной капле оказывался катализатор, включая ферменты, то в ней могли происходить различные реакции, в том числе полимеризации поступающих извне мономеров. Такие процессы увеличивали каплю в объёме и весе. Более того, капли были способны дробиться на более мелкие образования. Таким образом, коацерваты росли, размножались, в них протекали примитивные процессы обмена. Коацерватные капли участвовали в естественном отборе, то есть в эволюционном процессе.

Эта теория получила своё подтверждение в 1953 году в эксперименте американских учёных Стэнли Миллера и Гарольда Юри. Что же они сделали? Они взяли две колбы, соединили их трубками. Такая система была заполнена газовой смесью из метана, аммиака, водорода и моноокиси углерода. Ученые верили, что подобный состав был характерен для земной атмосферы в ранний период развития планеты. Одна колба была наполовину заполнена водой. Во вторую колбу подавались электрические разряды, которые имитировали молнии на ранней Земле. В эксперименте, который проводился непрерывно в течение недели, 10-15 процентов углерода перешло в форму органических соединений: сахара, липиды, предшественники нуклеиновых кислот. Два процента углерода оказалось в составе аминокислот. Впечатляюще, не правда ли?

Однако, несмотря на «вещественные доказательства» теории Опарина-Холдейна, она подвергалась критике. Одна из причин – отсутствие единой хиральности (отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны) у полученных в результате эксперимента аминокислот. Такие аминокислоты представляли собой равную смесь стереоизомеров разной пространственной ориентации, что не характерно для аминокислот биологического происхождения, у которых преобладает только один вид пространственной ориентации. Такое соотношение препятствует дальнейшему синтезу сложных органических соединений. Кроме того, американский биохимик Роберт Шапиро указал, что аминокислоты в эксперименте Миллера и Юри имели слишком простую структуру и содержали не более трёх атомов углерода, в то время как природные аминокислоты имеют в своём составе шесть и более атомов углерода. Не было доказано, что коацерваты могут усложняться, то есть эволюционировать. Тем не менее, до сих пор продолжаются споры о возможности самопроизвольного зарождения жизни на самых ранних этапах.

3. Теория стационарного состояния. Эту теорию также называют гипотезой этернизма – от латинского слова eternus, что означает «вечный». Автор идеи – немецкий физиолог Тьерри Прейер – создал свое детище в 1880 году. Согласно теории стационарного состояния, Земля существовала вечно. Всегда была жизнь, и виды живых существ никогда не возникали, а существовали вечно, не подвергаясь изменениям, разве только незначительно. Сторонником идей Прейера был известный русский академик Владимир Вернадский, автор учения о биосфере. Он также верил, что жизнь вечна, так как Космос вечен. Однако ошибочность теории стационарного состояния очевидна. Эта гипотеза противоречит данным современной астрофизики, согласно которым звёзды имеют конечное время жизни. Также эта теория не соответствует другим научным данным, в частности палеонтологическим. Все это привело к тому, что современная наука не воспринимает ее всерьез. Гипотеза представляет только исторический и философский интерес.

4. Теория зарождения жизни в горячей воде. В 1970-х российский учёный Лев Мухин выдвинул предположение, что жизнь могла возникнуть вблизи подводных вулканов. Некое подтверждение эта мысль нашла в работах болгарского учёного Игната Игнатова и российского учёного Олега Мосина. Они исследовали спектры горячей минеральной воды и пришли к выводу, что жизнь в ней в принципе могла возникнуть. Их мысли подтвердил Евгений Кунин со своей научной группой из Национальных институтов здравоохранения США в городе Бетесда. Исследователи заявили о возможности зарождения жизни в пресноводных озерах, в которые поступает пар и горячая вода из геотермальных источников. Доводом в пользу пресноводных водоёмов было предположение, что солёная вода океанов менее благоприятна для зарождения жизни. Гораздо больше для этого подходят вулканические подогреваемые пресные озёра. Нобелевский лауреат Джек Шостак также отметил, что легче представить накопление органических соединений в не слишком больших первичных озёрах, чем в огромном океане.

5. Теория панспермии. А теперь немного фантастики! Немецкий химик Юстус фон Либих, немецкий медик Герман Рихтер и шведский физико-химик, Нобелевский лауреат Сванте Аррениус уверены, что жизнь на Землю могла прийти из космоса. Как такое возможно? Очень легко! Например, под давлением света по пространству переносились споры, семена и даже простейшие организмы. Попадая в новые условия, они адаптировались и размножались. Также был возможен перенос живых организмов инопланетного происхождения с метеоритами, кометами и космической пылью. Эта гипотеза даже имеет некоторые подтверждения, которые, однако, некоторым ученым представляются спорными. Приведем эти подтверждения.

В 2004 году при проведении миссии Стардаст автоматическая межпланетная станция NASA сблизилась с кометой Уильд-2 на расстоянии 240 километров. Собрала образцы вещества из хвоста кометы, в которых оказались сложные углеводородные молекулы. Некоторые учёные уверены, что эти молекулы вполне могли служить строительными блоками для жизни. В 2005 году в рамках проекта NASA «Deep Impact» по комете Темпель 1 был выстрелян 372-килограммовый ударный модуль, который вызвал взрыв эквивалентный взрыву пяти тонн тротила. Столкновение произошло на расстоянии 133 миллионов километров от Земли. От выделившейся энергии металл модуля испарился, а на комете образовался кратер диаметром 100 метров и глубиной с десятиэтажный дом. С помощью камеры, установленной в ударном модуле, несущей части зонда «Deep Impact» и двух космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер» был исследован состав вырванного ударом вещества. В частности, была обнаружена смесь органических и глинистых частиц из глубин кометы. Считается, что глинистые частицы могли действовать в качестве катализатора, превращая простые органические вещества в более сложные соединения.

Американские ученые из Университета Аризоны и Калифорнийского университета в Санта-Крузе, исследуя метеорит «CR2 Грэйв Нунатаки 59229», найденный в 1995 году в Антарктиде, обнаружили, что он содержит довольно много аммиака – источника азота для простейших форм жизни. Как известно, азот входит в состав белков и ДНК, без которых невозможна жизнь. Это открытие также подкрепляет гипотезу о том, что толчок для зарождения жизни за Земле мог быть извне.

После открытия пагубной для живых существ космической радиации позиция теории панспермии ослабла. Тем не менее, было доказано, что многие организмы и споры устойчивы к радиации, низким температурам и другим экстремальным воздействиям. Но до сих пор нет научных доказательств теории панспермии.

А теперь еще чуть больше фантастики! В 1973 году лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине Фрэнсис Крик и британский химик Лесли Орджел предложили несколько иную теорию – управляемой панспермии, согласно которой микроорганизмы были доставлены на Землю инопланетной цивилизацией на космических аппаратах. Причиной этому могла стать глобальная катастрофа на их родной планете и желание сохранить жизнь. По другой версии, такой перенос проводился для будущей колонизации, для этого нужно было провести предварительное терраформирование с помощью этих микроорганизмов (то есть создание необходимых климатических и экологических условий на новой планете). Противники теории панспермии указывают на то, что эта теория не решает вопроса возникновения жизни, так как непонятно, как она образовалась на других планетах.

6. Креационизм. Это теологические концепции, в основном из авраамических религий, согласно которым Земля, мир в целом, а также жизнь на нашей планете, включая человечество, были созданы Творцом, или Богом. В иудаизме, христианстве и исламе используется догмат из Ветхого Завета (Пятикнижие Моисеево), описание сотворения мира. Несмотря на многочисленность армии религиозных людей, теория креационизма не была принята научным миром из-за отсутствия доказательной базы.

Не все существующие ныне религии объясняют происхождение мира и жизни. Например, согласно буддизму, миры постоянно появляются, изменяются, разрушаются и исчезают, продолжая бесконечный цикл. По Будде, стремление к знанию о подобных вещах является пустой тратой времени, так как цель жизни человека – освободиться от страданий.

7. Эволюционное учение Чарльза Дарвина. Это одна из самых популярных теорий, касающихся жизни на Земле. Согласно этой теории, все живые существа на нашей планете никем не были созданы, они появились естественным путем благодаря законам природы.

Дарвин полагал, что жизнь началась в тёплом маленьком пруду со всеми необходимыми веществами и теплом. Постепенно появились белковые соединения. Органические формы медленно изменялись, то есть эволюционировали, подстраиваясь под условия окружающей среды. В основе преобразования видов лежат наследственность, изменчивость и непрерывно происходящий естественный отбор, который можно назвать также борьбой за существование. Естественный отбор происходит через сложное взаимодействие живых организмов друг с другом и окружающей средой. Результат такой эволюции – приспособленность живых существ к условиям их обитания и многообразие видов в природе.

Надо отдать должное Дарвину. Его идеи вдохновили учёных на активные исследования в области биологии, экологии и генетики. А также способствовали развитию атеизма.

Теперь немного о современных идеях возникновении жизни. Одна из главных проблем, которая волнует современных ученых, это что было первично – белки или генетический код. В зависимости от этого выделяют два подхода – генобиоз и голобиоз. Генобиоз подразумевает первичность молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Голобиоз основан на идее первичности структур со свойствами элементарного обмена веществ с помощью ферментов.

8. Гипотеза РНК-мира. Существует версия, что первые живые существа были РНК-организмами, без белков и ДНК. То есть, был возможен «мир РНК», это гипотетический этап возникновения жизни, когда жизнь на ранней Земле состояла только из рибонуклеиновых кислот, которые хранили генетическую информацию и самостоятельно, без участия белков, участвовали в процессах репликации.

Идея мира РНК была впервые высказана американским микробиологом Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита британским химиком Лесли Орджелом и окончательно сформулирована американским ученым, Нобелевским лауреатом Уолтером Гильбертом в 1986 году.

По представлению ученых, впоследствии из ассоциаций РНК возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды.

Но как возникли первые РНК? В качестве версии высказывается возможность появления РНК-подобных цепочек путем эволюции из полициклических ароматических углеводородов. Мир полиароматических углеводородов – это гипотетический этап химической эволюции, когда полициклические ароматические углеводороды в первичном бульоне ранней Земли привели к синтезу молекул РНК. Эту гипотезу впервые высказал Саймон Платтс 2004 году. Затем она получила развитие в работах многих других ученых.

Почему жизнь такая сложная?

Наверняка всем нам приходилось слышать (в том числе и от учёных), что наша жизнь настолько сложная, что без Бога тут не обошлось. Любой невольно задумается над справедливостью подобной мысли. Действительно, ведь все перечисленные выше теории (а это основные теории происхождения жизни) никак не объясняют сложность природы. Загляните в «простейшую» структуру, живую клетку. Как мог заработать удивительный, слаженный механизм в мельчайшем образовании? Как тут не поверить в высшие силы? Может, как предлагают буддисты, действительно не стоит тратить время впустую и пытаться понять, откуда всё возникло и почему это всё так синхронно и правильно работает? Ведь без этих умственных напряг и жить легче и спать слаще. Но…

Но человек по своей природе очень любознателен и непременно хочет узнать «всё обо всём».

Появление в прошлом веке квантовой механики изменило многое в науке, да и вообще в повседневной жизни. Не только физики, но также ученые из других областей, включая биологов, стали интересоваться квантовыми явлениями и пытаться использовать их для объяснения многих феноменов. Сейчас на этапе своего развития находятся различные теории происхождения жизни с использованием законов квантовой механики. Эти законы затрагивают глубинные процессы нашего мира. Стоит вспомнить, что все частицы микромира, включая атомы, протоны, нейтроны, электроны подчиняются не законам обычной механики «больших тел», которую все мы изучали в школе. Они признают только квантовую механику. Это очень сложная наука. Как-то известный американский физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман сказал: «Я могу с уверенностью сказать, что квантовую механику никто не понимает». Может, в чём-то Фейнман и прав. Тем не менее, именно в квантовых явлениях и квантовых парадоксах, весьма вероятно, кроется тайна возникновения жизни.

---

Фирюза ЯНЧИЛИНА,
Нью-Йорк.
Член Всемирной федерации научных журналистов (WFSJ).
Член Международной ассоциации научных писателей (ISWA).
Автор свыше 1000 статей на тему физики, астрофизики, химии, биологии, экологии, медицины.
Для “RA NY”