Синтез малых биологических молекул

В 1952 году Стэнли Л. Миллер, поддержав идею Гарольда Юри проверить гипотезу Опарина, наполнил соединенные между собой химические сосуды атмосферой молодой Земли по рецепту Опа­рина: смесью аммиака, метана, водорода и водяного пара. Затем в течение нескольких дней он пропускал через эту смесь электри­ческие разряды. Последующий анализ содержимого специальных ловушек, в которых скапливались и сохранялись продукты реак­ции, обрадовал не только экспериментатора: среди них содержа­лось небольшое количество (2%) молекул, входящих в состав био­полимеров, в частности, аминокислот.

В результате многочисленных последующих экспериментов по воссозданию атмосферы молодой Земли были получены 19 из 20 биологических аминокислот (не был получен только лизин²⁵), все пять азотистых оснований ДНК и РНК и разнообразные жирные кислоты, входящие в состав клеточных мембран. Утверждения о том, что рибоза и дезоксирибоза, важные компоненты РНК и ДНК, тоже были синтезированы в подобных условиях, позже оказались ложными. В 1986 году на совещании Международного общества изучения возникновения жизни (TSSOL) в Беркли Роберт Шапиро, выпускник Гарвардского университета, специалист в области хи­мии ДНК, работавший в университете штата Нью-Йорк, в своём блистательном выступлении доказал, что распространённые заяв­ления о синтезе рибозы и дезоксирибозы в экспериментах, подоб­ных опыту Миллера, на самом деле представляют собой ссылки на одну-единственную сомнительную работу. Впоследствии Ша­пиро показал, что синтез рибозы в условиях добиологической ат­мосферы в принципе невозможен. Позже работа Шапиро была опуб­ликована в книге «Возникновение жизни и эволюция биосфе­ры)}.²⁶ Подобные факты отмечал и Дозе, включивший рибозу, де-зоксирибозу и реплицируемые олиго- и полинуклеотиды в список молекулярных компонентов, синтез которых представляет труд­ность.²⁷ Хорган (Horgan) также отмечает, что РНК и ее составля­ющие очень сложно синтезировать в лаборатории даже в оптималь­ных условиях — не говоря уже о тех, что, как предполагают, были на Земле в момент зарождения жизни.²⁸

Несмотря на то, что опыт Миллера приобрёл символическое значение как положивший начало экспериментам по воспроизведе­нию добиологических условий на Земле и проверке гипотез Опари-на-Холдейна, он подвергается все более серьезной критике, кото­рая свидетельствует о том, что во многих значительных аспектах эти эксперименты не смогли убедительно воссоздать окружающую среду молодой Земли. Во-первых, Миллер использовал метан, но единственным источником энергии были электрические разряды, игравшие роль молний. Однако ведь должны были существовать и другие источники энергии. В атмосфере молодой Земли под воз­действием ультрафиолетового излучения метан превращался бы в углеводороды с большей молекулярной массой, в результате чего Земля покрылась бы масляным слоем толщиной до 10 метров.²⁹ Ответ Миллера на это затруднение довольно выразителен: «Если предположить, что для появления жизни требовались аминокислоты сложнее глицина, то выходит, что метан в атмосфере был просто необходим».³⁰ Иными словами, метан должен был присутствовать в атмосфере Земли — в противном случае аминокислоты не могли бы синтезироваться (по крайней мере, с точки зрения натурализма). Аммиак — другой важный ингредиент как в опыте Миллера, так и в последующих имитациях добиологической атмосферы — быст­ро разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения, которое разлагает его на газы водород и азот, причем водород ухо­дит в космическое пространство. Легкость, с которой водяной пар разлагается на кислород и водород так, что водород улетучивает­ся в космос, тоже вызывает некоторые сомнения в отсутствии кис­лорода в атмосфере молодой Земли. Самый сильный аргумент в пользу отсутствия кислорода в атмосфере молодой Земли исходит не от геологических доказательств, касающихся уровня окисле­ния минералов, а от катастрофических последствий использования кислорода при воссоздании условий возникновения жизни.³¹ И опять-таки мы сталкиваемся с тем, что аргументы берутся не из дан­ных, полученных экспериментальным путем, а на основе предва­рительно выстроенных теорий.

Водород — третий основной компонент эксперимента Миллера, наряду с метаном и аммиаком, — вряд ли способен накапливаться в больших количествах, поскольку он слишком слабо притягивается к Земле. Собственно говоря, в конце семидесятых годов учёные со­шлись во мнении, что атмосфера ранней Земли не содержала значи­тельных количеств метана, аммиака и водорода.³² Скорее всего, она в основном состояла из азота, двуокиси углерода и водяного пара.

К сожалению, попытка синтезировать биологические молекулы из такой атмосферы удалась примерно так же, как идея древних егип­тян, приказавших рабам-евреям делать кирпичи без соломы. При­чина проста. Элементарные, на уровне первого курса химических факультетов, уравнения баланса массы и энергии показывают, что синтез аминокислот из аммиака, метана и водорода — это экзотер­мическая реакция (энергия выделяется), с уменьшением энтальпии приблизительно на 200 ккал/моль. И, напротив, реакция синтеза аминокислот из азота, углекислого газа и водяного пара — эндотерми­ческая (энергия поглощается), с увеличением энтальпии на 50 ккал/ моль. Немудрено, что химикам больше нравилось экспериментиро­вать с опаринской атмосферой из аммиака, метана и водорода, пусть даже Опарин и был не прав в своих гипотезах.

Хотя Опарин не имел геологических оснований для гипотезы о составе атмосферы молодой Земли, у него были серьёзные, осно­ванные на физической химии причины предполагать, что атмосфе­ра, богатая азотом, углекислым газом и водяным паром (а именно такой, как считается в наши дни, и была атмосфера Земли) попро­сту не даст желаемых результатов. И современные эксперименты с таким составом воздуха доказали, что так оно и есть.³³

Но это еще не все проблемы, связанные с экспериментом Мил­лера и ему подобными. Для достижения удовлетворительных ре­зультатов требуется избирательное поступление энергии из един­ственного источника, но это условие совершенно не отображает ситуацию на ранней Земле. Например, хотя коротковолновое ульт­рафиолетовое излучение может способствовать превращению ме­тана, аммиака и водорода в аминокислоты, но излучение с боль­шей длиной волны, которое без сомнения, тоже присутствовало в ранней атмосфере, быстро разрушило бы эти аминокислоты. Кро­ме того, синтезированные молекулы могли бы разрушиться и от тепла, и от постоянных электрических разрядов. Только избира­тельное поступление энергии и быстрое удаление полученных ве­ществ из потока энергии позволило экспериментаторам получить даже эти скромные 2% аминокислот, если не меньше.

Можно сделать вывод, что после первых восторгов по поводу экспериментов Миллера ситуация ухудшилась во всех отношениях. Сегодня приходится трезво признать, что сравнительный успех экс­периментов, подобных опыту Миллера, по синтезу аминокислот, азо­тистых оснований и жирных кислот неизменно достигался при таких химических условиях и таком выборе источника энергии, какие ни­чуть не напоминали среду молодой Земли. Более того, рибоза и де-зоксирибоза, два вида сахара, из которых состоят ДНК и РНК, так никогда и не были синтезированы — не считая тех опытов, когда для синтеза были созданы совершенно неправдоподобные условия, не имеющие никакого сходства со средой на молодой Земле.

Как мы увидим из следующего раздела, синтез компонентов биомолекул — самый простой эпизод общей истории возникнове­ния жизни. Тем не менее, при нынешнем уровне знаний нам сложно представить себе и эту стадию.