Развивающаяся Вселенная

3.6 От химической эволюции к биохимической эволюции

Во-первых, в последние десятилетия вскрыта чрезвычайная структурная и функциональная сложность "живого" вещества и законов, управляющих его развитием. Высочайшая степень упорядоченности и саморегулирования жизни не могли возникнуть из-за случайных стечений обстоятельств.

Во-вторых, под напором ставших известными фактов признается, что развитие Природы носит направленный характер, выражающийся, в частности, в нарастании со временем сложности и упорядоченности вещества, его структур во Вселенной.

Еще в 20-е годы В.И.Вернадский утверждал, что появление жизни на Земле произошло на ранней стадии ее развития и заняло узкий интервал времени, не более пары сотен миллионов лет. В настоящее время это предположение получило убедительное подтверждение. Появление жизни увязывают с появлением земных океанов. Возраст Земли определен равным примерно 4,6 миллиардов лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о существовании крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом ~3,8 миллиардов лет. Согласно палеонтологическим данным, приводимым в [44], температура воды в первичных океанах была не слишком холодной, но и не выше 58^o С. Следы древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а следовательно и возраст останков жизни, оценен в ~3,5 миллиарда лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и округлые микроорганизмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейших бактерий и микроводоросли. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химические элементы, соединения которых способны осуществлять фотосинтез. Судя по этим данным, обнаруженные древнейшие организмы бесконечно сложны по сравнению с самыми сложными органическими соединениями неживого (абиогенного) происхождения. Нет сомнений, что они – не самые ранние формы жизни, и что существовали их более древние предшественники. Об этом же судят по косвенным признакам, указывающим на широкую распространенность жизни в те древнейшие периоды существования Земли. Так, в осадочных породах той поры накоплены огромные количества углерода разного изотопного состава. Известно, что жизнь, базирующаяся на углероде, использует только один из его изотопов, а именно ¹²С. В древнейших накоплениях углерода этот изотоп с удивительным постоянством составляет примерно 20% от общего количества. Отсюда следует вывод, что в те далекие времена, к которым относятся найденные останки одноклеточных организмов, жизнь уже полностью контролировала земной цикл углерода.
История земной жизни, таким образом, уходит в тот "темный" первый миллиард лет существования нашей планеты, который не оставил следов в ее геологической истории. Но именно тогда на Земле имели место условия, впоследствии не повторявшиеся, когда появилась биосфера. С тех пор, насколько нам известно, живое вещество порождается только живым, а органические соединения, создаваемые организмами, структурно отличаются от соединений того же химического состава, но абиогенного происхождения.

Самый главный вопрос, трудный поиск ответа на который ведут ученые, это вопрос о том, как возникла жизнь на Земле. Знакомясь с предшествующими материалами, читатель не мог не обратить внимание на выделенность Земли среди других планет своей группы. Такая выделенность, заключающаяся в особой тектонической активности земных недр, в существовании на ней мощнейшей гидросферы, в особом характере ее энергетического баланса, связанного с определенным местоположением планеты относительно Солнца, создала условия для существования и эволюции земной жизни. Но как возникла эта земная жизнь, где ее начало?

С позиций современной науки можно рассматривать две альтернативные гипотезы.
Одна из них предполагает, что жизнь или некие ее основы занесены на Землю из Космоса. Так, Владимир Иванович Вернадский, опираясь на представления о стационарности Вселенной, высказывал убеждение в вечности и неуничтожаемости жизни, семена или споры которой переносятся в Космосе и, попав в подходящие условия, дают начало развитию жизни. В столь прямолинейной трактовке эта гипотеза несовместима с моделью Развивающейся Вселенной, имеющей начало и, следовательно, некое завершение развития, неизбежно сопровождающееся уничтожением жизненных основ.
Другой вариант гипотезы - внеземное происхождение жизни, семена которой были занесены на Землю. Этот вариант не решает проблему происхождения жизни, лишь отодвигая ее в космические дали. Вполне возможно, что в ходе последующего расширения наших знаний и о Космосе, и о жизни, возникнут новые обстоятельства, которые подтвердят внеземные источники ее происхождения. Поэтому сейчас нет оснований отвергать эту гипотезу.

Альтернативная гипотеза предполагает, что в процессе самоорганизации вещества Вселенной, на определенной стадии ее развития, появляются условия для перехода "косного" (по терминологии Вернадского) материала в "живые" формы вещества. Такой переход закономерен и неизбежен в рамках Развивающейся Вселенной, и он находится в полном согласии с концепцией развития Природы. А так как в данной книге автор стремится изложить основы современной естественнонаучной концепции развития, то дальнейшее наше рассмотрение проблемы опирается на идеи сторонников гипотезы происхождения земной жизни естественным путем из косного вещества, что по своему духу близко именно этой концепции.

То обстоятельство, что «начало» земной жизни скрывается в пока непознаваемом наукой первом миллиарде лет существования планеты, лишает ученых возможности реконструировать существовавшие тогда на Земле условия. Но можно уверенно говорить, что именно условия того периода времени обеспечили возникновение жизни на планете, поскольку акт рождения земной жизни был одноразовым и нет никаких признаков того, что он повторялся в последующей истории. Одним из основополагающих компонентов исходных условий того периода была первичная атмосфера планеты, обладавшая, в частности, восстановительными свойствами. Однако восстановительная атмосфера, отличная от первичной, сохранялась и в "геологический" период истории.

По палеонтологическим данным, приводимым Рутеном [44], восстановительный характер земной атмосферы прослеживается вплоть до рубежа 2,55 ± 0,2 миллиарда лет назад. Начальные формы возникшей жизни долгое время развивались в такой атмосфере. Критерием перехода от восстановительной к окислительной атмосфере считается достижение точки Пастера, когда содержание кислорода стало примерно равным 0,01% от его современного уровня. Тогда микроорганизмы получили возможность перейти от процессов брожения к процессу дыхания. После прохождения через этот рубеж насыщенность атмосферы кислородом за какие-нибудь пару сотен миллионов лет достигла современного уровня (22% от общего количества газа в атмосфере) и с тех пор такая концентрация поддерживается почти в неизменном состоянии.

Загадка появления жизни на Земле волнует думающую часть человечества с незапамятных времен. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но до сих пор основные дискуссии затрагивают вопрос о материальной и духовной сущности жизни. Является ли жизнь просто чрезвычайно упорядоченным состоянием тех же элементов, из которых состоит "неживое" вещество, или существуют пока неоткрытые элементарные "частицы жизни" (индусы называют это праной, палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден – частицами элементарного сознания и т.д.), переводящие на определенном уровне своей концентрации "обычное" физико-химическое вещество из неживого в живое состояние. Общепризнанного ответа на этот вопрос нет, и выбор позиции определяется внутренними убеждениями каждого участника спора. А его разрешение, если такое событие произойдет в обозримое время, определят результаты будущих исследований. Не предрешая этих результатов, хочу обратить внимание читателя на следующее.

Ученый, в силу своей профессии, не может руководствоваться принципом "верую". В науке утвердился другой принцип, сформулированный еще в XIV веке английским философом Вильямом Оккамом и получивший название "бритвы Оккама": не умножай сущностей без необходимости. Этот принцип, внося известную долю консерватизма, защищает науку от необоснованных спекуляций. Иллюстрацией действенности принципа могут служить два примера (из множества). 200 лет назад сложилось убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями лежит непроходимая пропасть, что они представляют собой две разные сущности. Для такого утверждения были, казалось бы, веские основания. Все известные в то время органические соединения создавались живыми организмами и других способов их получения не знали; свойства органических соединений были иными, чем у неорганических веществ. Но в 1828 году Ф.Веллер синтезировал первое искусственно созданное органическое соединение, употребив в качестве сырья обычные химические элементы и их соединения. Это была мочевина, типичный продукт жизнедеятельности животных. Миф о двух разных сущностях, о разной химической природе органического и неорганического вещества рухнул, а на его месте родилась химия углерода или, иначе, органическая химия. Предмет ее изучения - углерод, способный образовывать особо сложные многоатомные молекулы, включающие атомы водорода, азота, кислорода, фосфора, серы и других известных элементов и не включающие никакие другие сущности. Именно из подобных молекул собираются живые организмы.

Другой пример. Долгие годы исследователи не могли понять, почему практически все биохимические реакции протекают в организмах с высокими скоростями, но любые попытки их инициирования и поддержания при тех же давлениях и температурах вне организмов терпят неудачу. Возникла гипотеза об особой сущности протекания реакций в организмах, отличной от химической сущности. Но вскоре были открыты материальные носители этой "сущности", ферменты, направленно вырабатываемые в клетках организма и служащие катализаторами соответствующих биохимических реакций.
Позже удалось расшифровать химический состав некоторых из них. Вместо гипотезы в органической химии появился раздел, изучающий и расшифровывающий химический состав ферментов, механизмы их работы и другие физико-химические аспекты этих соединений.

Приведенные примеры раскрывают одну из особенностей познания нового. Сталкиваясь с явлением, не укладывающимся в известные до этого представления, у исследователя возникает искушение выбрать самый простой путь для его объяснения, а именно, ввести новую сущность. Ее природа столь же непонятна, как и само явление, но на время создается иллюзия, что феномен получил объяснение. Согласно принципу Оккама, такой прием бесперспективен. Но не отвергается возможность введения в оборот новой сущности после получения доказательства ее реальности или после исчерпания возможности объяснения феномена в рамках "консервативных" представлений. На сегодня возможность объяснить крайнюю сложность, устойчивость, упорядоченность, тончайшую подгонку всех структур и функций живых организмов на основе физико-химических представлений не исчерпана.

Проникновение в суть явления, называемого происхождением жизни на Земле, перестало выглядеть безнадежным занятием после того, как усилиями ряда ученых сформировался системный подход к нему, рожденный новым научным мышлением. Выше уже упоминалось в этой связи имя В.И. Вернадского. Конкретные идеи такого плана выдвинул в 1924 году А.И. Опарин. Видимо, новое понимание проблемы назрело в науке, и независимо от Опарина несколько позже (в 1929 году) подобный подход провозгласил Дж. Холдейн. Эстафету подхватил и понес дальше Дж. Бернал. В появлении жизни эти ученые увидели единый естественный процесс, слагавшийся из протекавшей в особых условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей затем на качественно новый уровень, на уровень биохимической эволюции. Эти процессы с самого начала были неразрывно связаны с геологической эволюцией внешних оболочек Земли.

Состояние проблемы происхождения жизни на Земле, современные представления о доисторической химической эволюции и путях ее перехода в биохимическую эволюцию, энциклопедически полно отражены в знаменитой книге Джона Бернала, изданной в Лондоне в 1967 году и затем переведенной на многие языки мира, в том числе и на русский [45]. С момента выхода книги Бернала многое изменилось в биологических и смежных с ней науках, но в том, что касается самой проблемы происхождения жизни и подходов к ее решению, эта книга останется надолго руководством для тех, кто занят поиском ответов на подобные "вечные вопросы". Она по-прежнему остается средоточием идей, определяющих пути решения проблемы естественного перехода при подходящих условиях от косной материи к жизни и, что особенно важно, в книге формулируются вопросы, на которые следует искать ответы. А, как известно, правильно поставить вопрос даже важнее, чем получить ответ, тем более в условиях, когда еще не созрели предпосылки для его получения.

Приступая к рассмотрению возникновения жизни на Земле естественным путем, выделяют три последовательные стадии такого процесса.
На первой стадии происходило образование исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях, имевших место на Земле в самый ранний период ее существования как планеты.
На второй стадии из появившихся и накопившихся в первичном океане мономерных органических молекул образовывались в процессах полимеризации полимеры и биомолекулярные комплексы, в том числе способные формировать элементы, обеспечивающие протекание жизненных процессов. Возможно, что на этой стадии появились предшественники двух жизненных основополагающих процессов - обмена веществ и воспроизведения сложных органических структур строго определенного состава и строения.
На третьей стадии возникшие элементы сформировали самые простые организмы, обособленные от неживой природы.

Наиболее разработана и обоснована первая стадия этого сложнейшего процесса. Она могла протекать в особых условиях, имевших место в "догеологическую" эпоху первого миллиарда лет существования Земли. Эти условия предполагают существование первичной атмосферы восстановительного характера, в состав которой входили метан и аммиак, наличие на Земле достаточно обширных водоемов и, следовательно, присутствия в атмосфере паров воды. Отсутствие озонового слоя означало проникновение к поверхности планеты жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. В таких условиях неизбежно протекали процессы образования органических мономерных молекул, в том числе и таких сложных, какими являются аминокислоты, сахара и органические кислоты. Из таких соединений затем могли возникать элементы, составляющие основу жизни.
В 1953 году Миллер впервые провел модельные лабораторные эксперименты, подтвердившие сказанное выше. В смеси метана, аммиака и водяных паров осуществлялись электрические разряды, после чего обнаруживался весь набор упоминавшейся органики. Подобные эксперименты после этого неоднократно повторялись в разных вариантах другими исследователями, и результаты воспроизводились, наглядно демонстрируя реальность такого пути образования органических соединений, обеспечивших исходным сырьем протекание в дальнейшем второй стадии возникновения жизни.
Но особенно сильное впечатление на ученых произвел факт обнаружения подобного набора мономерных органических молекул в выпадавших на Землю углистых каменных метеоритах. Высказывается предположение, что такие соединения возникли в астероидах 4,5 миллиарда лет назад, в период, когда формировалась Солнечная система. Углистые метеориты рассматриваются как фрагменты распавшихся астероидов. Обнаружение столь сложной органики вне Земли указывает на повсеместный процесс образования преджизни во Вселенной, выражаясь образно, везде, где есть пыль и газ. Но последующие стадии, ведущие к появлению самой жизни, протекают не везде, а только там, где возникают необходимые для этого условия.