Общая Биология

В ХГХ в. французский ученый Луи Пастер доказал невозможность самозарождения живых организмов даже в питательном растворе, тщательно прокипяченном и закрытом от проникновения микробов. За свои эксперименты он получил специальную премию французской Академии наук. Л. Пастер, основавший микробиологию и иммунологию, открывший анаэробные бактерии и причину брожения, по поводу идеи самозарождения жизни говорил, что «потомки в один прекрасный день от души посмеются над глупостью современных нам ученых материалистов».

В 1920-х гг. русский биохимик А. И. Опарин и английский биолог Дж. Холдейн независимо друг от друга выдвинули гипотезу, согласно которой появлению жизни предшествовал длительный период абиогенного образования и накопления органических соединений под воздействием молниевых разрядов и ультрафиолетового излучения. Эти соединения образовали «первичный бульон», в котором формировались сгустки — коацерватные капли. В коацерватах начался синтез новых соединений из органических молекул «бульона», постепенно они приобрели способность размножаться и образовали примитивные проклетки — пробионты.

В 1955 г. американский исследователь С. Миллер моделировал предполагаемые условия древней планеты, пропуская электрические разряды величиной до 60 кВ через смесь СН4, NH3, Н2 и паров Н2О при температуре 80 °С и давлении в несколько паскалей. Миллеру удалось получить всего лишь уксусную и муравьиную кислоты, наипростейшие жирные кислоты и в небольшом количестве некоторые аминокислоты.

§ 52. Абиогенез и законы термодинамики

В рамках эволюционной теории до сих пор не удается решить один из главных вопросов: откуда появились первые организмы? Если эволюцию животных можно себе хотя бы представить, то как объяснить самопроизвольное зарождение живых существ? Могла ли неживая материя произвести жизнь, нас с вами? Совершенно естественно, что положительный ответ всегда вызывал сомнение. Известный физик В. Гейзенберг, один из создателей квантовой теории, одобрительно отзываясь о своем знаменитом коллеге В. Паули, писал: «Паули скептически относится к очень распространенному в современной биологии дарвинистскому воззрению, согласно которому развитие видов на Земле стало возможным лишь благодаря мутациям и результатам действия законов физики и химии».

Обратимся к научным фактам и рассмотрим начало предполагаемого абиогенеза. Вероятность случайного появления в коацервате функциональной белковой молекулы среднего размера — всего 10-325 (расчет на с. 11). Нужно собрать 10325 комбинаций аминокислот, чтобы получился один нужный белок. Насколько велико это число? Во всей видимой части Вселенной около 1080 электронов. Если в каждом ее электроне разместить свою Вселенную, в каждом электроне которой тоже находится Вселенная, все электроны которой содержат по целой Вселенной, тогда будет 10320.

Заметим также, что биологически активные белки содержат аминокислоты исключительно левого вращения, а сами по себе в природе могут образовываться лишь смеси правых и левых фоpм в случайных пропорциях. Невозможно представить, чтобы аминокислоты левого вращения сами по себе собирались отдельно от правых форм и формировали белки. Если аминокислот левого и правого вращения поровну, то вероятность того, что в белке из 500 аминокислот все они случайно окажутся левой симметрии, составляет всего лишь (1/2)500, или 10-160.

Пpоцесс самоусложнения молекул невозможен и по другой причине. Согласно второму началу термодинамики, всякая молекулярная система, предоставленная себе самой, стремится к состоянию наибольшего хаоса. Поэтому, например, тепло не передается самопроизвольно от менее нагретого тела более нагретому, а распределяется равномерно. Поэтому, приезжая весной на дачу, мы можем обнаружить лишь прохудившуюся крышу да покосившийся забор, а отнюдь не самим собой возникший второй этаж. Рассматриваемое явление самофоpмиpования белков противоречит эмпирическому опыту ученых, сформулировавших второе начало термодинамики.

Появление порядка наблюдается нами в природе, но это отнюдь не самоупорядочение. Вода скапливается в низких местах, образуя лужи, а замерзая в воздухе — симметричные по форме снежинки. Многие вещества обладают свойством формировать кристаллы. Эти состояния просто-напросто отвечают минимуму потенциальной энергии и сопровождаются выделением теплоты, так что в целом степень хаоса увеличивается (чем выше температура, тем больше хаоса в броуновском движении молекул вещества).

Переходы в более упорядоченное состояние возможны лишь в некоторых исключительных случаях неравновесных, необратимых процессов в открытых системах (теорию самоорганизации неравновесных термодинамических структур основал французский физик русского происхождения И. Пригожин). Но нет никаких причин считать предполагаемый процесс образования белков неравновесным, необратимым. Ведь катализаторов подобной сборки в первоокеане быть не могло, не было и положительных обратных связей (когда появление нужных промежуточных молекул ускоряет образование таких же). А развал белков интенсивно усиливался бы ультрафиолетовыми лучами, гидролизом и разнообразными химическими веществами первоокеана. В живых организмах ферменты ведут синтез со скоростью, в десятки раз превышающей скорострельность пулемета (тысячи операций в секунду). Иначе и нельзя: промежуточные молекулы очень нестабильны и могут распадаться, целые «бригады сборщиков» (группы молекул) сменяются сотни раз в секунду.

Самосинтез в каждый момент шел бы и вперед посредством флуктуаций (случайного появления нужных молекул), и еще быстрее — назад, через развал новой структуры из молекул аминокислот, то есть равновесным и обратимым образом. Вероятность же гигантской флуктуации, приводящей к появлению белка целиком, ничтожно мала. Пригожин и его коллеги не смогли и приблизиться к доказательству того, что огромное количество информации, необходимое для самовоспроизведения молекул, могло накопиться естественным путем. Теория самоорганизации Пригожина—Арнольда—Хакена предлагает лишь некоторые теоретические размышления и аналогии, весьма далекие от доказательств возникновения жизни из хаоса, что бесспорно признавал и сам И. Пригожин. Комментируя некоторые явления упорядочения, теория самоорганизации не в состоянии объяснить начало жизни — появление белковых молекул.

Живые организмы, несомненно, обладают свойством самоорганизации, увеличивая свою упорядоченность, но их функционирование не объясняет появления жизни. На земле из семян вырастают деревья, используя энергию солнца, минеральные вещества и углекислый газ. Зерно или яйцеклетка уже содержат всю необходимую генетическую программу для полного развития во взрослый организм. Яйцеклетка представляет собой весьма сложную структуру, наделенную всеми метаболическими системами, необходимыми для жизни. Но как появились первые существа — остается для эволюционной гипотезы неразрешимой загадкой.

1. В чем отличие биогенеза от абиогенеза?

2. Расскажите об исследованиях Пастера, Опарина и Миллера.

3. Какие особенности строения белков исключают их случайное появление?

4. Возможно ли, согласно второму началу термодинамики, самоформирование жизненно важных макромолекул?

5. Что позволяет живым организмам самоупорядочиваться?

§ 53. Абиогенез с позиций биохимии

Многие ученые пытались осуществить абиотический синтез белков из смеси аминокислот. Однако было получено лишь некое отдаленное подобие белков, так называемые термальные протеиноиды, состоящие из полимеpной сетки (не цепочки!) аминокислот с не а-пептидными связями. Существующие в белке а-пептидные связи формируются на рибосомах при участии ферментов. При случайном образовании связей лишь ничтожная часть из них оказывается а-пептидными. Полимерная сетка не обладала пространственной структурой белка, не имела свойственной ему совершенно определенной последовательности соединения молекул и соответственно не имела никакого отношения к жизни.

В процессе воспроизведения белков в живых существах участвуют ДНК, мРНК, не менее 20 различных тРНК (каждая со своей аминокислотой) рибосомы (состоящие из 3—4 рРНК и 55 различных белков), целый комплекс ферментов. Необходимо еще тонкое энергетическое обеспечение посредством АТФ: для синтеза среднего белка требуются тысячи молекул АТФ — обыкновенный подогрев или освещение Солнцем могут только разрушить молекулярные связи. В синтезе белка участвует вся живая клетка, нарушение хотя бы одного из компонентов блокирует процесс. Сам факт функционирования этой сложнейшей системы в организме вызывает удивление и восхищение мудростью Создателя, возможность же самопроизвольного синтеза белков биохимики абсолютно исключают.