Причины происхождения жизни.
Происхождение видов. Сначала одна обезьяна слезла с пальмы, взяла палку и начала ею сбивать бананы. Так появился человек. Потом другая обезьяна слезла с пальмы, взяла палку и ею заставила человека сбивать бананы для себя. Так появились начальники.
(Анекдот)
Прежде всего нам следует дать определение понятию «жизнь». Мы не будем пользоваться формулировкой Энгельса – жизнь это способ существования белковых тел – из-за расплывчатости и слабой функциональности такой краткой формулировки. Одна из ранних книг на эту тему – «Что такое жизнь» - была написана знаменитым физиком Вернером Гейзенбергом, отцом матричной модели квантовой механики. С тех пор, однако, прошло немало времени, и к описанным в этой книге представлениям добавилось немало деталей. Одной из современных книг на эту тему является публикация биолога А.В.Маркова «Рождение сложности». Примечательно, что автор не дает определение теримину «жизнь», полагая, что это понятие настолько же первично, как аксиомы геометрии Евклида. Более того, Марков в своей книге излагает лишь свои взгляды на теорию биологической эволюции, пропуская самый важный вопрос о происхождении всего живого. В другой своей публикации «Зарождение жизни» Марков пишет: «Общепринятого определения жизни не существует. Одни ученые полагают, что жизнь – скорее процесс, чем структура, и определяют ее, например, как процесс сохранения неравновесного состояния органической системы извлечением энергии из среды.Такому определению могут соответствовать и системы, не имеющие четких пространственных границ – автокаталитические циклы, "живые растворы". Другие подчеркивают обязательную дискретность живых объектов и считают, что понятие "жизнь" неотделимо от понятия "организм"».
Мы полагаем, что научная постановка вопроса должна начинаться с определения основных терминов, иначе любая попытка критического анализа приведёт к потере времени на бесплодные дискуссии, поскольку каждый участник такой диксуссии будет говорить о чём-то своём. Чтобы придать определённость нашим рассуждениям, мы дадим три определения терминам «жизнь», «живая материя» и «живой организм». Каждое из этих определений – функциональное, морфологическое и информационное – дополняет два других.
Достаточно содержательной нам представляется формулировка, в которой живой объект наделяется набором функциональных признаков: обмен веществ с окружающей средой, адаптируемость к изменениям параметров этой среды, подвижность и способность к воспроизводству. Как видите, в такой формулировке нет указания на обязательность присутствия белка. Иными словами, допускается возможность жизни на небелковой основе. Таким образом функциональное определение жизни: динамика природных объектов, осущесвляющих обмен веществ и энергии с окружающей средой для построения своего тела, способных к движению, самовоспроизводству и адаптации к изменению внешних условий. Само по себе, такое определение нисколько не претендует на новизну. Более того, оно не порождает никаких научных парадоксов, поскольку оно является лишь классификационным, то есть оно отделяет множетсво живых объектов от объектов косной материи.
Морфологическое определение описывает структуру живых объектов, которые могут существовать лишь в виде целостной системы, называемой живым организом. Такая система имеет свои подсистемы, обеспечивающие выполнение вышеуказанных функций: опорно-двигательный аппарат, система пищеварения, репродуктивные органы и высшая нервная система. Однако при совершенно необъятном разнообразии форм жизни на макроуровне уровне живых организмов, определяющим моментом здесь является то, что все проявления жизни, как животной, так и растительной, состоят из клеток единой структуры с единым механизмом кодирования наследственной информации, обеспечивающей устойчивость воспроизводства живых систем и механизмом синтезаа живой материи. Для ученых этот факт уже представляется весьма настораживающим, если исходить из гипотезы происхождения жизни как результата естественных процессов, в которых на результат и скорость прохождения даже простейших химических реакций в естественных условиях воздействуют тысячи самых разнообразных факторов. Столь сложные живые системы должны обязательно иметь значительное разнообразие как микроструктуры, так и механизмов управления синтезом структур. Однако ДНК пшеницы и человека имеют совершенно одинаковый набор нуклеотидов, составляющих основу механизма наследственности и одинаковый способ кодирования генетической информации, отличаясь лишь количественно длиной цепочки ДНК. Причем длина этой цепочки далеко не всегда у высших организмов больше длины ДНК у низших., а структура этой молекулы у человека наиболее полно повторяется у свинья, а вовсе не у обезьян.
Информационное определение жизни потребует введение количественной характеристики сложности природных объектов. Такой характеристикой может служить понятие энтропии. Энтропия сложного объекта, состоящего их атомов, определяется, главным образом, не общим числом атомов, а способом их организации между состояниями «хаоса» и «порядка». Энтропия определяется как логарифм числа комбинаций перестановок элементов структуры, с помощью которых можно «сконструировать» сложный объект. Это можно пояснить на примере объекта «табуретка». Новая табуретка, сделанная мастером своего дела – это объект достаточно высокой степени организации. Она имеет вполне определенные размеры, соответствующие габаритам и весу среднего человека, и при её изготовлении должен соблюдаться вполне определенный порядок действий, вариации которых весьма незначительны. Объект «сломанная табуретка» можно получить с помощью гораздо большего объема вариаций возможных действий, особенно если табуретка разломана «в хлам». Для замкнутых систем, в которых рассматриваемый объект и причины, воздействующие на него, включены в систему, действует закон возрастания (если быть совсем точным – неубывания) этнропии, называемый также вторым началом термодинамики. Именно по этой причине в природе невозможны естественные процессы, в которых сломанная табуретка превратилась бы в исправную.Это может сделать только творец, в сознании которого есть план исправной табуретки и набор процедур превращения неисправного объекта в исправный (опыт) или набор процедур изготовления новой табуретки из природных материалов (мастерство).
Поскольку нарушать фундаментальные законы природы никому непозволительно, живые системы принято считать открытыми.Они нарушают второе начало термодинамики лишь локально в пространстве и времени. Обмениваясь веществами с окружающей средой, они поддерживают низкий уровень энтропии своего организма за счет повышения энтропии этой самой среды. Учитывая, что живые организма питаются, главным образом, растительной или животной пишей,этот факт можно выразить фразой «любой живой организм поддерживает свою жизнь за счет пожирания жизней других живых объектов, а в информационном смысле – за счет пожирания отрицательной энтропии (негэнтропии) других живых объектов природы». Такой вот «каннибализм» лежит в основе столь прекрасного понятия, как «жизнь».
Проявления жизни более чем разнообразны. Иногда весьма непросто в каком-либо экземпляре так вот сразу определить наличие или отсутствие жизни, поэтому было бы полезно указать на самый простейший образец живого существа. Таким образцом, по-видимому, может служить одноклеточное существо, и потому элементарным «атомом» жизни очень сооблазнительно назвать клетку. Однако, подлинной границей между элеменитами живого и неживого следует назвать вирус, который состоит из одной или двух цепочек ДНК или РНК и белковой оболочки. Вирус – это паразит, который может размножаться только в клетке, встраиваясь в ее собственную ДНК. В конечном итоге, элементарным полноценным элементом жизни оказывается все-таки клетка, поэтому исследование процессов возникновения и эволюции живой материи должно включать в себя как «химический этап» (синтез сложных органических молекул, отвечающих за производство белка и передачу наследственных признаков), так и биологический, объясняющий происхождение одноклеточных организмов и их эволюцию в многоклеточные.
При анализе истоков происхождения жизни можно выделить четыре возможных ответа на этот вопрос:
1) Жизнь самозародилась в результате естественных процессов эволюции Вселенной, которые вначале были чисто химическими, затем трансформировались в биохимические;
2) Жизнь во Вселенной существовала всегда, она была занесена на Землю из других звездных и планетных систем в виде «семян жизни» естественными процессами (гипотеза панспермии) или целенаправленно разумными космическими путешественниками;
3) Жизнь была искусственно синтезирована на Земле разумными существами внеземного происхождения;
4) Жизнь была сотворена некими сверхсущностями – Богом, богами или различными разновидностями Сверхразума или мировой космической идеи.
Анализ истоков происхождения жизни мы начнем с первого варианта, процитировав для начала наиболее содержательный отрывок из публикации, размещенной на форуме «Биология и медицина»
http://medbiol.ru/medbiol/lifehist/0009c5ba.htm :
Некоторые ученые утверждали, что им все-таки удалось синтезировать белки из смеси аминокислот. Однако с сенсацией явно поспешили: реально было получено лишь некое отдаленное подобие белков, так называемые термальные протеиноиды, состоящие из полимерной сетки (в белках, как мы знаем, аминокислоты образуют цепочку) аминокислот не только с альфа-пептидными связями, но и с бета-пептидными. Существующие в белке альфа-пептидные связи формируются в сложном взаимодействии множества специальных молекул. При случайном образовании связей лишь половина из них оказывается альфа-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, информационная РНК, не менее 20 различных транспортных РНК, каждая со своей аминокислотой, рибосомы, состоящие из 3-4 рибосомных РНК и 55 различных молекул белка, 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. Для современных ученых удивителен и сам факт функционирования этой сложной системы в организме. Возможность же самовоспроизведения белков квалифицированные биохимики абсолютно исключают!
В 1986 г. состоялась встpеча Междунаpодного Общества по изучению возникновения жизни, на которой пpисутствовало около 300 ведущих исследователей. Учеными было доказано, что синтез РНК в условиях первичного океана абсолютно невозможен. Более того: оказался невозможным даже синтез моносахарида рибозы — более простой составляющей РНК.
ДНК не имеет полной стабильности и внутри живой клетки. Ее строение контролируется и исправляется (репарируется) определенными ферментами. Эта макромолекула функционирует в состоянии динамического равновесия возникающих в ее строении нарушений и их исправления ферментами. Вне клетки ДНК быстро разрушается. Сооткрыватель двойной спирали ДНК лауреат Нобелевской премии Ф. Крик категорически отрицает возможность самопроизвольного возникновения жизни из химических элементов Земли.
И даже если биологическая макpомолекула откуда-то бы появилась — это еще не живая клетка. В состав клетки входит множество макромолекул, соединенных в определенном поpядке. Веpоятность случайного обpазования ферментов, необходимых клетке, хотя бы один раз за миллиард лет составляет всего 10^-40000. Это число, как заявил один из авторитеных ученых астрофизик Фред Хойл, "достаточно мало, чтобы похоронить Даpвина и всю теоpию эволюции". Если всю солнечную систему заполнить людьми (1050 человек), каждый из которых не глядя крутит кубик Рубика, то указанная вероятность образования ферментов, необходимых живой клетке, примерно равна вероятности того, что у всех этих людей грани кубика одновременно вдруг окажутся собранными по цвету!
Помимо феpментов в клетке есть еще более сложные обpазования. Веpоятность самосборки живой клетки из приготовленных и сложенных "в кучку" необходимых атомов даже в самой благоприятной химической среде составляет 10^-100 000 000 000! Такие величины наглядно показывают, о чем вообще идет речь, как сильно мы ошибаемся, ожидая подобные события. Каким же образом ученым "удалось" игнорировать эти ничтожные вероятности? Специалисты в области молекулярной эволюции, называя свою науку "весьма гипотетической", указывают, что расчеты вероятностей самозарождения жизни никогда не производились и не принимались во внимание, поскольку эволюция считалась фактом. Ученые лишь пытались объяснить, как она могла произойти.
Самопpоисхождение жизни — вовсе не такой уж естественный пpоцесс, как наивно полагали последователи Дарвина. Напротив, с самого начала (заpождения сложных молекул) и до самого конца (появления человека) — это нелепое нагромождение невероятных, противоестественных случайностей. Справедливо заключить, что вера в ныне принятые схемы спонтанного абиогенеза противоречит здравому смыслу. Невозможность самозарождения жизни стала камнем преткновения всех прежних и новейших эволюционных теорий.
Гениальный Томас Эдиссон (именно он изобрел современную лампочку, разработал телефон и телеграф) известен интересным высказыванием: "Существование Бога может даже быть доказано химическим путем". Предсказанное великим изобретателем доказательство сейчас перед нами: факты молекулярной физики, генетики и биохимии полностью доказывают невозможность случайного самопроисхождения живых существ. Выходит, Создатель у нас все-таки есть? Гениальный ученый Макс Борн, один из основателей квантовой теории, писал: "Время материализма прошло. Мы убеждены в том, что физико-химический аспект ни в коей мере недостаточен для изображения фактов жизни, не говоря уже о фактах мышления".
«Ученый, который расшифровал код молекулы ДНК, объявил, что теперь он верит в Господа» - такими заголовками пестрели газеты в 2000 году, когда в Белом доме прошла торжественная церемония, посвященная завершению проекта «Геном человека». На ней его руководитель Френсис Коллинз прилюдно отрекся от атеизма. Поскольку был поражен наисложнейшей структурой кода, которым записана программа всех живых организмов на Земле - от бледной спирохеты до человека (http://www.kp.ru/print/article/24467/626896/). Почему Коллинз стал верующим, он рассказал недавно в своей книге «Язык Бога: наука представляет свидетельство в пользу веры».
Из числа публикаций на данную тему значительный интерес представляет статья Д.С.Чернавского «Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики» (УФН, T.170, №2, с.157-183), которая обобщает предыдущие обзоры Г.Р. Иваницкого, Г.Д. Абарбанеля и В.Л. Гинзбурга, опубликованные ранее в этом же журнале. Работа Чернавского отличается от ряда других публикаций прежде всего четкостью формулировок рассматриваемых проблем, поэтому мы рассмотрим ее более подробно. В процессе формирования прототипа живого организма автор выделяет три этапа:
- образование биологически важных молекул (аминокислот и нуклеотидов);
- самопроизвольное скопление этих молекул в пространстве и их конденсация с образованием полимеров (полипептидов и полинуклеотидов) со случайными последовательностями;
- возникновение биологической информационной системы и ценной информации о ней.
Современная наука не находит никакой мистики в осуществлении первого из указанных этапов. Более того, она приводит ряд хорошо изученных случаев и условий синтеза биологически важных молекул. Относительно второго этапа отмечено, что образующиеся полинуклеотиды неустойчивы и в естественных условиях подвержены гидродизу. Для стабильного их образования необходимы условия, при которых наряду с полимеризацией происходило образование АТ и ГЦ пар азотистых оснований, что становится возможным при высокой концентрации активированных (фосфорилированных) нуклеотидов в каплях коацерватах. Далее вероятности воспроизведения этих условий в естественной среде не обсуждаются. Самое важное – не обсуждаются условия устойчивости этих процессов, которым вне всякого сомнения должны препятствовать множества случайных факторов (изменения температуры, давления, концентраций), которые стохастически проявляются в росте энтропии в естественных природных процессах, и тем самым активно препятствуют процессам самоорганизации материи.
Относительно третьего этапа - кодирования наследственной информации отмечены весьма важный факты:
- генетический код вырожден. Это означает, что несколько разных комбинаций оснований А, Г, Т, Ц кодируют одну и ту же аминокислоту (из двадцати возможных);
- обратное вырождение, т.е. ситуация, в которой один кодон соответствует нескольким аминокислотам практически отсутствует, иначе биосинтез белка содержал бы элементы случайности;
- В современной биосфере во всех живых организмах работает единый универсальный код от простейших до высших растений и животных;
- современный код содержит условную информацию. Любой другой код, полученный, например, перестановкой аминокислот работал бы столь же успешно, как и существующий.
При обсуждении вероятности возникновения жизни вводится понятие гиперцикла – цикла биохимических процессов, в которых белки катализируют образование полинуклеотидов, а последние «кодируют» биосинтез белков. Рассмотрены две модели. В первой биосфера содержит около 100 белков, каждый из них содержит порядка 100 аминокислот, для их кодирования необходима ДНК из 60 тысяч нуклеотидов. Если принять, что вся эта информация является ценной, в этом случае вероятность случайного возникновения такой ДНК равна W1= 4^-60000=10^-40000 – абсурдно мала. Во второй модели предположено, что первичный механизм кодирования отличался от современного, а именно: адаптеры, транспортные РНК и др. участники отсутствовали, а кодирование осуществлялось за счет прямого узнавания кодов и соответствующих им аминокислот. В этом случае первичный гиперцикл был максимально прост и состоял из одного полинуклеотида и одного белка-репликазы. Последний, однако должен был содержать не менее 200 аминокислот, иначе он не смог бы выполнять свою функцию. В этом случае вероятность синтеза ДНК равна W2=4-600=10^-400 – также исчезающе мала. Для преодоления трудности автор предлагает отказаться от буквального понимания слова «кодирует» и принять, что молекула ДНК в первичном гиперцикле катализировала синтез белка-репликазы без участия кода.
Перейдем к выводам, сделанным автором:
«Проверка утверждения о том, что среди возможных кодов имелся наилучший (наиболее устойчивый к мутациям), требует болших усилий и длительного времени. Для этого нужно создать систему, в которой работает иной код, и сравнить ее с существующей. Это не сделано.
Для проверки гипотезы о прямом избирательном воздействии кодонов с аминокислотами необходимо определить энергии этих взаимодействий. Это вполне возможно, но не сделано.
Для проверки гипотезы гетерогенного катализа необходимо: во-первых, найти условия, при которых на биспирали ДНК образуется плотный адсорбант аминокислот; во-вторых, произвести конденсацию аминокислот на полученном комплексе; в-третьих, проверить репликазную активность полученного полипептида. Эти эксперименты в современных условиях вполне реальны, но пока не сделаны».
Добавим от себя: для сохранения лица можно напридумать еще не один десяток самых разных гипотез и моделей, но без экспериментальной проверки такая деятельность ничем не отличается от верчения столов или гадания на кофейной гуще. По этой причине главный вывод таков: возникновение жизни, в принципе, могло происходить так, как описывает автор, или иначе, но причина возникновения жизни и механизм ее реализации до настоящего времени науке не известны. Почти как в известном комедийном фильме: «Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе...». Ценность же данной статьи в том, что она указывает пути, на которых следует искать истину.
Далее Чернавский, полагая, что жизнь тем или иным способом возникла (а в этом ни у кого сомнений и без всяких моделей не было), бодро переходит к вопросу о темпах биологической эволюции. Эту главу автор предваряет словами: «За несколько миллиардов лет биосфера прошла эволюцию от простейших до человека. Существует мнение о том, что темпы слишком высоки и даже необъяснимы с позиций современной науки. Существует и противоположное мнение. Так что вопрос остается дискуссионным». Уже после такого вступления у читателя возникает знакомое впечатление, что и в этом вопросе анализ гипотез также напоминает скорее гадание на кофейной гуще, чем доказательные
Автор упоминает, что развитие биосферы состоит из скачкообразных точечных мутаций, приводящих к появлению новых видов, и медленных, протяженных во времени эволюционных фаз, когда уже возникшие виды осваивают экологические ниши и приспосабливаются к изменениям внешней среды. Далее он замечает: «Проблема состоит в том, что объяснить появление скачков с точки зрения традиционного дарвинизма действительно невозможно... Проблема, по существу, та же, что и при возникновении жизни, но есть и отличия». В рассматриваемый период (скачка) заново создается не новый белок, а кодирующий его участок ДНК, то есть новая информация. На примере фотосинтеза система должна содержать, как минимум, два белка (хромофор и АТФ-синтетазу), каждый размером не меньше 200 аминокислот. Кодирующий систему участок ДНК должен содержать 1200 нуклеотидов. Количество информации в таком участке J=log241200=2400 бит. Вероятность возникновения такого участка за счет точечных мутаций равна W=2-J=2^-2400, то есть абсурдно мала. Более точные расчеты дают J=100, W=2^-200, но и эта оценка исчезающе мала. Именно эти оценки лежат в основе утверждения о том, что наблюдаемые темпы эволюции нельзя объяснить рационально. Здесь автор также предлагает некие гипотезы о том, что количество новой генерируемой информации должно быть минимальным, а большая часть необходимой информации должна черпаться из резерва. Как это реализуется на самом деле в природе не знает никто, поэтому, как и в предыдущем разделе, автор резюмирует: «Упомянутые выше проблемы еще не решены окончательно, для этого необходимы экспериментальные и теоретические исследования». М-да...
Последний, самый обширный раздел публикации Чернавский уделяет проблеме возникновения разума. Здесь он многословно рассуждает о смысле фундаментальных понятий «информация», «новая инфолрмация», возникновение «цели» у сложной системы и пространно излагает основы теории распознавания образов и нейронных сетей. Вот лишь небольшой образчик таких рассуждений: «Возникает вопрос: была ли цель (и какая) у объектов между живыми и неживыми (то есть у гиперциклов), и как возникла способность к целеполаганию? Ответ ясен из предыдущего: в неживой материи могут возникнуть системы, удовлетворяющие специальным условиям. Примером такой системы является ансамбль гиперциклов. Однако как только такая система возникает, она становится живой»,- прямо шаманизм какой-то. После столь пространного экскурса в теорию распознавания образов и ее ключевую роль в формировании мышления, автор заключает: «Тем не менее остается вопрос: в какой мере мышление может быть сведено к распознаванию? Общепризнанного ответа на этот вопрос пока нет» - это называется «приехали»! Зачем автор городил столь сложный огород, так и осталось не ясным. В самом конце Чернавский делает вывод о том, что мышление бывает двух видов: логическое и интуитивное. Интуитивное мышление – это результат биологической эволюции, им обладают в какой-то степени и животные, а логическое – результат развития социальных отношений. Все это, конечно, интересно, но остаются вопросы и сомнения: почему, например, социальные отношения и логическое мышление развились у единственного биологического вида, а у остальных зашли в тупик? Вопросы, вопросы, вопросы...
Гипотеза панспермии на сегоднящний день не является достаточно популярной, поскольку она предполагает вечность существования Вселенной, в то время как наука достаточно убедительно свидетельствует о примерно пяти миллиардах лет, прошедших со времени Большого Взрыва. Гипотеза о занесении «семян жизни» путешественниками также заставляет задаться вопросом о происхождении жизни в тех других местах, откуда она была занесена.
Теория синтеза жизни достаточно развитыми разумными существами не находит сколь-нибудь убедительного подтверждения, отсылая нас к мифам и сказаниям древних цивилизаций, прежде всего – шумеров. Каждый волен верить подобным мифам при желании или воспринимать их лишь как элементы древних культур, воплотивших человеческие желания и мечты, не нашедшие более убедительного развития и научного подтверждения. Собственно же человеческие знания, опирающиеся на достижения генетики, говорят о принципиальной возможности синтеза живых организмов, но даже самые смелые гипотезы такого рода остаются лишь в узких рамках синтеза живой материи, оставляя в стороне гораздо более сложные вопросы о единой гармонии всего сущего вообще и синтезированной жизни в Природе, в частности.
Так или иначе, но все эти вопросы находят удовлетворительное объяснение только в рамках творения Вселенной некоей сверхсущностью, то есть Богом. Заметим также, что если бы науке удалось установить происхождение жизни более или менее естественным путем, вопрос о происхождении разумной жизни все равно требовал бы отдельного рассмотрения и доказательства, тогда как гипотеза о божественном творении объясняет все три вечных вопроса сразу, однако исследование этой гипотезы не является предметом научного рассмотрения, а целиком основана на феномене веры.