Проблема возникновения жизни

Принято считать, что живые системы отличаются от неживых не столько уникальным химическим составом (который в основ­ном включает широко распространенные элементы, такие, как уг­лерод, азот, кислород, водород), сколько сложной упорядоченнос­тью, определяющей уникальные биологические функции. Живые системы отличаются от неживых способностью к переработке энергии, хранению информации и самовоспроизведению.¹⁷ Приня­то считать, что самая первая живая система была много проще, чем простейшая из современных живых систем — бактерия; но, тем не менее, для обеспечения этих трёх функций необходим опре­делённый базовый уровень сложности. Кроме того, недопустимы простые аналогии между биологической эволюцией, основанной на естественном отборе, и химической эволюцией, поскольку есте­ственный отбор в биологической эволюции предполагает участие систем, способных к воспроизведению. Вопрос о возникновении жизни — это вопрос о появлении именно таких систем. Эту пробле­му очень убедительно сформулировал Берталанфи: «Отбор, то есть выживание «наиболее приспособленных» предвестников жизни, сам по себе уже предполагает существование автономных, сложных, открытых систем, способных к соперничеству; следовательно, от­бор никак не может объяснить возникновение таких систем».¹⁸

На рисунке 5.2 наглядно показано взаимоотношение биологи­ческой активности и молекулярной структуры на примере молеку­лы белка, действующей как катализатор. В водном растворе хи­мическая реакция молекулы АТФ и глюкозы (сахар) протекает очень медленно: маловероятно, что две молекулы смогут удержи­ваться в нужном положении достаточно долго для того, чтобы могла произойти химическая реакция. Однако в присутствии молекулы белка-катализатора АТФ и глюкоза присоединяются к катализато­ру таким образом, что устанавливается их особое взаимное поло­жение, и дальнейшая реакция между глюкозой и АТФ протекает очень быстро. В результате скорость химической реакции возрас­тает в 10 миллионов раз.

Катализаторы такого рода регулируют химические реакции во всех живых организмах. Из рисунка 5.2 становится ясно, что именно строго определённое трехмерное строение и химический состав поверхности молекулы катализатора обеспечивают столь значи­тельное ускорение химической реакции между АТФ и глюкозой.

В наши дни известно, что трёхмерное строение определяется как последовательностью, в которой расположены звенья цепи полиме­ра (в данном случае — белка), так и природой химических связей между этими звеньями.¹⁹ На рисунке 5.3 представлена молекула белка. Она представляет собой последовательность L-аминокислот (их существует 20 видов), особым образом соединенных между со­бой пептидными связями. И хотя для поддержания трёхмерной струк­туры не обязательно, чтобы все аминокислоты в цепи находились на своих местах, около половины таких участков имеют строгий поря­док аминокислот. Если в каком-то из этих так называемых «актив­ных участков» находится «неправильная» аминокислота, это может повлечь за собой самые трагические последствия. Так, причина сер-повидноклеточной анемии — сбой в одном-единственном активном участке цепи аминокислот, образующих молекулу гемоглобина.

Более того, образование трёхмерной структуры, происходящее после начальной полимеризации, возможно при наличии только оп­ределенных видов химических связей. В частности, все аминокис­лоты должны быть соединены пептидными связями (как схемати­чески показано на рисунке 5.4). В экспериментах по воспроизве­дению добиологических условий такие связи удавалось получить лишь в половине случаев.

Наконец, аминокислоты бывают левосторонние и правосторон­ние (L-аминокислоты и D-аминокислоты), как указано на рисунке 5.5, но белки, обладающие биологической функцией, состоят толь­ко из L-кислот. L-аминокислоты и D-аминокислоты в природе встречаются одинаково часто, химические реакции у них протека­ют одинаково, и это — еще одна проблема, возникающая при синте­зе белков, обладающих каталитической активностью. Как и в слу­чае с пептидными связями, полимеризация только L-аминокислот в полипептидную цепь является, вероятно, необходимым условием формирования трехмерной структуры молекулы, которая обеспе­чивает каталитическую активность белка.

Схожая, но еще более серьёзная проблема связана с образовани­ем молекул ДНК и РНК, обладающих биологической функцией. Клю­чевой постулат в этом вопросе состоит в том, что биологическая функция неразрывно связана с особым, строго определённым рас­положением исходных звеньев в молекуле биополимера. Было пока­зано, что с помощью теории информации сложности этой молеку­лярной структуры можно придать и численное выражение.³⁰ Таким образом, тайна возникновения жизни может в конечном итоге быть сведена к следующему вопросу: возможно ли образование молекул-носителей информации из простых исходных звеньев исключитель­но под действием потока энергии, проходящего через систему и, воз­можно, определенного отбора на молекулярном уровне?

Взаключение следует сказать, что для выполнения биологи­ческой функции необходимы особые трёхмерные структуры, обра­зующиеся благодаря высоко специфическому молекулярному стро­ению, которое, в свою очередь, предполагает наличие молекул-но-сителеи информации. Вопрос о возникновении таких молекул прин­ципиален для понимания возникновения жизни.

Гипотеза Опарина

Публичная демонстрация классического опыта Луи Пастера в Париже, в Сорбонне, в 1864 году стала надгробным камнем на могиле теории о самозарождении жизни. Пастер смело заявил: «Доктрина самозарождения жизни никогда не оправится от смер­тельного удара, нанесенного этим простым опытом». Далее в той же работе он пишет: «Сегодня нам неизвестны обстоятельства, при которых можно было бы утверждать, что микроскопические существа появились на свет без участия неких зародышей, без родителей, которые их напоминают».³¹ Но даже тогда уже были причины полагать, что в общем и целом предсказанию Пастера не суждено сбыться. Теория эволюции, которую Дарвин опубликовал пятью годами раньше, в 1859 году, постепенно завоевывала все больше сторонников среди ученых. Если первая клетка вследствие естественных процессов эволюционировала в разные виды существ и, в конечном итоге, в человека, то резонно было предположить, что когда-то у этой эволюции было естественное предисловие. В 1871 году в одном из писем Дарвин рассуждал о том, что в «теплой лужице химических веществ» солнечный свет мог вызвать реакции, необходимые для зарождения первого живого существа.²²

Однако подробная гипотеза возникновения жизни была выдви­нута только полвека спустя. В знаменитой статье, опубликованной в 1924 году, русский биохимик А. И. Опарин заявил, что атмосфе­ра молодой Земли значительно отличалась от той, что окружает нас сегодня.²³ В частности, он предположил, что она состояла из аммиака, метана, водорода с водяным паром, а кислород в ней отсутствовал. Далее Опарин выдвинул гипотезу, что под влиянием электрических разрядов в атмосфере и ультрафиолетового излуче­ния компоненты этой атмосферы вступали в химические реакции, в результате которых образовывались различные органические молекулы, в том числе аминокислоты, азотистые основания, саха­ра и липиды, необходимые для образования биополимеров. Он сде­лал вывод, что со временем этот процесс должен был привести к концентрации значительного количества этих веществ в океанах и озёрах, то есть к образованию пресловутого первичного бульона. Когда бульон достиг предельной концентрации, эти химические ком­поненты должны были вступить в реакцию, объединяясь в поли­меры (что означает много «меров», то есть молекулярных субъе­диниц). По прошествии длительного времени некоторые полимеры из первичного бульона, скорее всего, проявили бы биологическую активность, — по крайней мере, так утверждает теория. Согласно Опарину, полимеры стали скапливаться в клеткообразные систе­мы, получившие название «коацерваты» или «протоклетки», что постепенно привело к появлению клеток.

Гипотеза Опарина сильно подкосила доверие к эксперименту Па-стера, поскольку Опарин говорил не о внезапном самозарождении, а о постепенном возникновении жизни, которое происходило мил­лионы лет посредством небольших химических изменений. Конеч­но, простой, но от этого не менее замечательный эксперимент Па-стера не мог опровергнуть такую точку зрения. К тому же, в 1924 году теория Дарвина уже имела множество сторонников, и сход­ство этих двух теорий придавало теории Опарина еще больший вес.

Таким образом, гипотеза Опарина и сходные с ней идеи, выдви­нутые примерно в то же время английским химиком Дж. Б. С. Хол-дейном, обеспечили теоретическое обоснование и, по сути, опре­делили направление — более того, явились парадигмой — огромно­го количества исследований в области возникновения жизни, про­ведённых в XX веке. ²⁴ Эксперименты Миллера в начале 1950-х годов, с описания которых мы начали эту главу, были первыми по­пытками проверить эту парадигму на практике. Рассмотрим эти эксперименты более подробно.