Возникновение живого

Если оставить в стороне гипотезу В. И. Вернадского о вечности жизни - гипотезу, которая никак не увязывается с современными представлениями о пульсирующей Вселенной (см. последнюю главу), то остаются две возможности: или жизнь каким-то образом занесена на Землю из Космоса, или живое зародилось из неживого на самой Земле в ходе биохимической эволюции. Рассмотрим главные гипотезы, представляющие в естествознании оба направления.

Еще в 1907 г. известный шведский химик Сванте Аррениус высказал гипотезу панспермии, согласно которой споры микроорганизмов переносятся с одной планеты на другую мельчайшими пылинками твердого вещества. Сами же эти пылинки летят в мировом пространстве с огромной скоростью, гонимые световым давлением, а споры, путешествующие на пылинках, могут по мнению Аррениуса, выдержать и холод, и вакуум, и космические излучения мирового пространства. Свет и мельчайшие частицы твердого вещества таким способом «осеменяют» Вселенную, всюду сея семена жизни. На это потребуются, конечно, огромные сроки - наша Галактика таким способом могла бы быть «осеменена» не быстрее, чем за сотни миллионов или даже за миллиарды лет. Но у вечности запасы времени неограниченны.

Так рассуждали в начале века. Но сейчас эти идеи выглядят неубедительными. Во-первых, споры, «вытолкнутые» из верхних слоев атмосферы планеты за ее пределы, подвергнутся губительному ультрафиолетовому облучению от центральной звезды и не успеют достичь даже ближайших планет. Во-вторых, если даже пылинка в конце концов покинет свою планетную систему, то за время путешествия к другой звезде споры получат смертельную дозу облучения со стороны космических лучей (в основном стремительно летящих протонов и ядер гелия). И в-третьих, наконец, гипотеза Аррениуса не решает главного вопроса: где и как зародились те споры, которые в конце концов превратились в межзвездных путешественников.

Любопытный вариант гипотезы панспермии был предложен в начале 70-х годов нашими современниками, двумя видными учеными - лауреатом Нобелевской премии Ф. Криком (Англия) и профессором Л. Оргелом (США).

По современным данным, возраст Галактики оценивается примерно в 10 млрд. лет, тогда как возраст Солнца и Солнечной системы по крайней мере вдвое меньше. Отсюда следует, что Солнце - звезда второго поколения, а значит, до нее существовали другие многочисленные солнца и планетные системы. К периоду, когда Земля еще только начинала длительный путь своего геологического развития, одна из древних высокоразвитых космических цивилизаций могла сознательно занести на нашу молодую тогда планету первые семена жизни. Весь же остальной прогресс земной жизни мог быть осуществлен по законам органической эволюции.

Трудно, конечно, сказать, с какой целью высокоразвитые цивилизации таким громоздким и сверхмедлительным способом «оживляют» Вселенную. С позиций логики земного разума, колонизация чужих планет - куда более быстрый способ распространения Разума во Вселенной, чем растянутое на миллиарды лет «оживление» через эволюцию заброшенных на планету семян или микроорганизмов. Тем не менее описанная гипотеза направленной панспермии, по-видимому, не лишена некоторых оснований и может быть даже проверена экспериментально.

Известно, что химический состав живых организмов в какой-то степени определяется составом среды их обитания. Если в земных организмах обильно присутствуют такие химические элементы, которых почти нет в обычной земной среде, это означает, что жизнь, возможно, занесена на Землю извне. Например, в земных организмах аномально много молибдена, тогда как вообще на Земле молибден - весьма редкий химический элемент. Если бы удалось доказать, что химический состав земных организмов соответствует составу пока еще гипотетических молибденовых звезд, это сделало бы гипотезу Крика и Оргела более убедительной.

Другой эмпирический аргумент в пользу их взглядов - универсальность генетического кода. Если живые организмы Земли являются потомками единственного внеземного организма, такая универсальность становится понятной. В противном случае проблема осложняется, и универсальность генетического кода остается необъясненной.

Впрочем, и современный вариант гипотезы панспермии не отвечает на вопрос о происхождении жизни. Поэтому обратимся теперь к таким гипотезам, которые пытаются объяснить, как именно неживое стало живым в рамках нашей планеты. Из гипотез этого типа наиболее популярна гипотеза академика А. И. Опарина.

Мы уже говорили, что в космосе достаточно обильно представлены те органические вещества, из которых (хотя бы в принципе) могло образоваться живое. Но в возникновении жизни на Земле главная роль, по-видимому, принадлежала тем процессам органического синтеза, которые происходили когда-то на поверхности нашей планеты.

«Конечно, Земля как в прошлом, так и сейчас «подкармливалась» и «подкармливается» метеоритной и кометной органикой, - писал академик Опарин, - но все же, наряду с этой экзогенной органикой, главное значение, по-видимому, принадлежит собственно «эндогенным» органическим веществам Земли, возникшим в процессе формирования Земли как планеты» (Абиогенез и начальные стадии эволюции жизни. М., Наука, 1968, с. 28)

Академик Опарин рассматривает возникновение жизни как закономерный этап эволюции углеродистых соединений на нашей Земле. Согласно его концепции и другим, близким к ней гипотезам, первичная атмосфера Земли состояла главным образом из углекислого газа, водяных паров, метана, аммиака с примесью сероводорода. Постоянно бушевавшие грозы, жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое тогда достигало поверхности земного шара вследствие отсутствия защитного озонового слоя (атмосфера еще не обогатилась свободным кислородом), обусловили формирование аминокислот и, возможно, нуклеотидов. Вместе с осадками эти соединения выпадали в первичный океан, постепенно превратившийся в своеобразный «бульон».

Заметим, однако, что исследования последних лет поставили под сомнение предположение о составе первичной атмосферы. В ней преобладали СО2 и N2. Высокое содержание метана и аммиака могло иметь место на протяжении не более 10-100 тыс. лет, так как они быстро распадались за счет окисления. Свободный кислород в атмосфере нашей планеты присутствовал уже на очень раннем этапе ее развития: об этом свидетельствует наличие в древнейших породах оксидов железа и сульфатов. Поэтому описанный выше путь возникновения сложных органических соединений, как многие считают, вряд ли был возможен.

Интересную гипотезу предложил советский исследователь Л. М. Мухин (Подробнее см. в кн.: Л. Мухин. Планеты и жизнь. М., Мол. гвардия, 1980). По его мнению, подводные вулканы играли немалую роль в синтезе органики. При извержениях подобных вулканов выделяются не только пеплы, вулканические бомбы, лавы, но и такие газы, как СО, СН4, Н2О, H2S и другие, необходимые для синтеза сложных органических веществ. Этому синтезу способствуют также повышенные температура и давление в жерлах вулканов, а водная среда обеспечивает стабильность образовавшихся соединений. Твердые частицы, выбрасываемые вулканом, способствовали концентрированию и полимеризации органики. Как показал Мухин, в зоне подводных вулканов могли образовываться альдегиды, углеводы и другие виды органических соединений, так что подводный вулканизм мог сыграть не последнюю роль в создании «полуфабрикатов» жизни. В пользу таких взглядов говорит и факт обнаружения аминокислот в пепле вулкана Тятя на Курильских островах. Еще ранее в горячей лаве вулкана Алаид был обнаружен цианистый водород - вещество, играющее роль промежуточного продукта в синтезе биологически важных молекул. В других районах вулканической деятельности также найдены органические соединения подчас довольно сложного состава.

Заметим, что в атмосфере Земли органические молекулы часто распадаются под действием солнечного излучения. За счет этого процесса фотодиссоциации содержание органических веществ в первобытных океанах уменьшалось. На образование же органики в ходе подводных извержений фотодиссоциация существенно не влияет. Подсчеты показывают, что в результате только одного извержения могут образоваться тысячи тонн органических соединений.

По мнению Л. М. Мухина, в зоне подводных извержений могли происходить, например, такие реакции:

2CO+NH3 -> NCH+3H2

2CO+NH3 -> NCH+CO2+H2

СО+Н2 -> Альдегиды и другие органические соединения, в том числе и углеводороды

Дальнейшая история сходна с общепринятой: сложные органические соединения попали в воды океана, образуя тот «питательный бульон», в котором, вероятно, и возникла жизнь. Этот «бульон» не оставался однородным. В первичных морях и океанах, а скорее даже в небольших, спокойных и мелких водоемах, возникли каплеобразные сгустки, коацерватные капли. Они, конечно, не были простейшими живыми существами. Но они обладали рядом свойств, в некоторых отношениях напоминающих живое.

По исследованиям А. И. Опарина и других ученых, коацерватные капли имитируют некоторые жизненные процессы. Наблюдается своеобразный обмен веществ этих капель с внешней средой. Они могут расти, усложняться или, наоборот, деградировать. Среди коацер-ватных капель наблюдается даже нечто похожее на борьбу за существование, в результате которой остаются «победителями» капельки более устойчивые, более приспособленные к внешней среде.

Надо заметить, что в опытах американского исследователя 3. Фокса аминокислоты удалось синтезировать без воды прямо из газов, в обстановке, имитирующей вулканические условия. Однако дальнейшая эволюция аминокислот немыслима без водной среды, без образования коацерватных капель или каких-то подобных им структур, например жидких кристаллов.

А. И. Опарин указывает, что со временем происходило не только разрастание коацерватов, но и постепенное совершенствование их организации. В конечном итоге это привело к возникновению более сложных образований, нежели динамически устойчивые коацерватные капли, но все еще несравнимо более простых, чем даже самые примитивные из известных нам микроорганизмов.

Но тут как раз мы и подошли к самому трудному и, по существу, главному вопросу: каким образом мертвые коацерватные капли превратились в живые микроорганизмы? Как был совершен этот скачок?

Главный признак живого организма заключается в способности к самовоспроизведению. Но у коацерватных капель это свойство отсутствует. Лишены они и другой характерной для всего живого особенности - способности к самообновлению своего состава. Похоже, что коацерватные капли лишь кое в чем напоминают живое, оставаясь при этом мертвыми.

«С гипотезой А. И. Опарина в настоящее время трудно согласиться, - пишет известный советский астрофизик И. С. Шкловский. - Наличие аналогов обмена веществ и «естественного отбора» у коацерватов еще не есть доказательство того, что они могли привести к образованию первых примитивных живых организмов. Основными свойствами всякого живого организма помимо обмена веществ является наличие «копировальной системы», «кода», передающего по наследству все характерные признаки данной особи. Между тем у коацерватов ничего подобного нет.

Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза А. И. Опарина совершенно не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики может помочь решению этой важнейшей, основной проблемы. Важным вопросом является возможность синтеза ДНК в условиях первобытной Земли» (И. С. Шкловский. Вселенная, жизнь, разум. М., Наука, 1980, с. 179).

В самом деле, молекулы дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот определяют одно из важнейших свойств жизни. Как ДНК, так и РНК являются носителями генетической информации, причем РНК превращает эту информацию в конкретные молекулы белка, т. е. ДНК и РНК программируют все свойства организма - от внешней формы до самых тонких физиологических реакций. Удивительно то, повторяем, что код этой программы универсален: он одинаков для любых групп организмов - от вирусов до человека.

С другой стороны, любая жизнедеятельность требует затраты энергии. Поставляют эту энергию молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Без этого универсального «энергетического» вещества немыслима жизнь (по крайней мере, в белковой ее форме). Значит, кроме ДНК и РНК в первичные живые организмы должны были на какой-то стадии попасть и молекулы АТФ.

Жизненно важные молекулы первоначально могли быть более простыми, и процесс воспроизведения себе подобных происходил гораздо медленнее, чем теперь. Но сам факт «сборки» одной молекулы на другой, ей подобной, означал великую революцию в истории Земли: родился новый принцип, обеспечивший дальнейший ход органической эволюции. Новые молекулы отныне синтезировались в соответствии с программой, заложенной в структуре предсуществующей молекулы.

Вирус - нечто стоящее на грани живого и неживого. То ли это вещество, обладающее свойствами существа, то ли существо со свойствами вещества. В клетке вирус паразитирует, а значит, ведет себя как существо, вне клетки он мертв, как камень. Современные вирусы в бездеятельном состоянии принимают кристаллическую форму. Вполне возможно, что именно вирусы или вирусоподобные организмы были первыми обитателями Земли, возникшими из жидкокристаллических структур. Это предположение имеет достаточные основания, так как у некоторых жидкокристаллических структур при введении в них ферментов, выделенных из клеток, наблюдаются некоторые псевдобиологические процессы.

У вируса табачной мозаики есть только одна нуклеиновая кислота - РНК. Но она работает за двоих, осуществляя и передачу наследственной информации, и синтез белка. Может быть, жизнь на Земле первоначально зародилась в форме подобных вирусов?

Рассматривалась и другая проблема: может быть, когда-то раньше кодирование свойств и воспроизведение организмов происходило на иной основе, например, на основе нуклеотидов - отдельных молекул, из которых строятся более сложные нуклеиновые кислоты. Однако теоретический анализ показывает, что это предположение очень мало вероятно.

До недавнего времени был неясен также механизм образования длинных, сложных цепочек органических молекул, без чего нельзя было представить пути формирования ДНК или РНК. Потом было показано, что форма этих сложных молекул обусловлена свойствами белков, а совсем недавно выяснилось, что «сшивка» молекул в длинные цепочки происходит, например, под воздействием ударной волны. А поскольку похоже, что зарождение жизни происходило в процессе формирования древнейшей земной коры, которая, в свою очередь, слагалась в ходе бурных магматических и вулканических процессов первозданной Земли, то недостатка в постоянно возникающих ударных волнах огромной силы на нашей планете не было. Очевидно, что это обстоятельство свидетельствует в пользу гипотезы Л. М. Мухина.

Сложность проблемы происхождения жизни заключается не только в загадке возникновения механизмов кодирования. Неясно также, каким образом сформировались и вошли в структуру организма гормоны.

Наконец, неясно происхождение характера симметрии живого вещества - от «основных кирпичиков» - аминокислот до симметрии самих внешних форм организмов.

Если элементы, из которых состоит живое на Земле, широко распространены во Вселенной, раз «кирпичики жизни» - аминокислоты и многие сложные органические вещества (например, сахара, некоторые гормоны) сравнительно легко образуются под воздействием многих видов энергии (электрической, радиоактивного и ультрафиолетового излучений и др.), а их превращение в полимерные молекулы происходит под действием простых ударных волн, то возникновение жизни не может быть случайным явлением. И вряд ли наша планета в этом отношении является единственной, неповторимой.

Что такое жизнь, мы пока вполне удовлетворительно определить не в состоянии. Существует немало определений, раскрывающих отдельные свойства живого, но нет еще такого, которое определило бы жизнь во всей ее полноте. Данное Энгельсом определение жизни как формы существования белковых тел при современном уровне наших биологических знаний углубилось и расширилось: ...«жизнь представляет собой способ существования белковых тел и нуклеиновых кислот, содержанием которого являются непрерывный обмен веществ между организмом и окружающей средой, процессы отражения и саморегуляции, направленные на самосохранение и воспроизводство организмов» (Основы марксистско-ленинской философии. М., Изд-во полит, литературы, 1973, с. 64).

Можно ли, однако, утверждать, что всегда и всюду живые организмы состоят из белков? Для нашей планеты иных форм жизни мы не знаем, но это не означает, что во Вселенной все явления жизни всегда и непременно «привязаны» к белковому субстрату.

Если стать на такую позицию, то живое следует отличать от неживого не по тому, «из чего» состоит данный объект, а по тому что он «умеет делать».

Иначе говоря, определение жизни должно быть не субстанциональным, а функциональным. Известный советский математик А. А. Ляпунов характеризовал жизнь как высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки «сохраняющих реакций» информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул. Такое определение живого не связано с конкретным веществом, и поэтому оно может быть применено как к реальным белковым организмам, так и к теоретически мыслимым существам на иной основе.

В обстоятельной монографии В. Н. Веселовского «О сущности живой материи» (М., Мысль, 1971) показано, что и различные функциональные определения жизни сегодня еще далеки от совершенства, хотя стремление отвлечься от частных особенностей земных форм жизни Веселовский считает достоинством «функционального подхода».

Жизнь (судя по земному опыту) проявляет себя как непрерывно разрастающийся центр упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной. Жизнь неустанно борется с хаосом, распадом, смертью. Отдавая смерти мириады живых или когда-то живших особей, жизнь все же торжествует победу в преемственности поколений.

Наука накопила достаточное количество фактов, свидетельствующих о том, что жизнь возникла в результате несчетного количества реакций на протяжении не менее чем миллиарда лет и что развитие ее распадается на два крупных этапа: этап химической эволюции, продолжавшийся до появления первых организмов, и этап биологической эволюции, продолжающийся и в наше время.

Возникновение жизни было результатом длительной химической эволюции Вселенной.

Вероятность случайного возникновения простейшего живого существа, как показывают расчеты (Кестлер и др.). практически равна нулю. Однако механизм перехода от неживого к живому сегодня еще далеко не ясен. Как заявил на Бюраканском симпозиуме в 1971 г. один из основоположников современной молекулярной биологии Р. Крик, «мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни - чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании».

Но ведь наука продолжает развиваться, и кто осмелится утверждать, что тайна происхождения жизни так и останется неразгаданной?

В связи с этим обращают на себя внимание работы лауреата Нобелевской премии М. Эйгена (М. Эйген, Р. Винклер. Игра жизни. М., Наука, 1979, с. 130). Его гипотеза - крупное событие в науке. Эйген показал на игровых моделях, каким образом из беспорядка может возникать порядок. Иначе говоря, на этих примерах пояснен принцип самоорганизации материи, который, по мнению Эйгена и других ученых, является главным принципом добиологической эволюции. Конечно, модели Эйгена не воспроизводят событий, имевших место на Земле в период зарождения на ней жизни, но описанные в его книге так называемые гиперциклы образуют особый класс самоорганизующихся химических цепей. А как известно, нуклеиновые кислоты и белки, играющие главную роль в явлениях жизни, принадлежат как раз к классу цепных молекул.

«За самоорганизацией живых структур стоит физический принцип, а именно: при выполнении определенных физических граничных условий возникновение и эволюция живых структур - несмотря на неопределенность индивидуального пути - представляют собой в принципе неизбежный процесс, - пишут М. Эйген и Р. Винклер. - Неотъемлемым свойством прогрессивной эволюции является ее направленность во времени. Это качество тесно связано с временным направлением роста энтропии при необратимых процессах».

Перейти от игровых моделей к пониманию (а может быть, и к воспроизведению) того, что на самом деле происходило в начале эволюции земной биосферы, - одна из важнейших проблем современного естествознания.