К содержанию

Глава 9. КОНЦЕПЦИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
Сейчас уже прочитаны тысячи последовательностей белков и кодирующих их генов и становит-ся ясным, что гены - не что иное, как случайные последовательности из четырех нуклеотидов, ко-торые чередуются в разных комбинациях. Лишь в незначительной части эти последовательности "отредактированы" естественным отбором для лучшего исполнения своих функций. Такая коррек-тировка не скрывает явных следов случайного, стохастического возникновения последовательно-сти исходной. Но мог ли ген, скажем, гемоглобина или цитохрома С возникнуть случайно?
Вообще-то эта проблема отнюдь не нова. Философы еще в древности задавались вопросом: возможно ли возникновение достаточно сложной структуры в результате случайных, стохастиче-ских процессов? И все давали отрицательный ответ. Еще Цицерон полагал, что из случайно бро-шенных знаков алфавита не могут сложиться "Анналы" Энния.
Теперь эту проблему называют "парадоксом миллиона обезьян": за сколько лет миллион обезь-ян, посаженных за пишущие машинки, напечатают полное собрание сочинений Шекспира или хотя бы одного "Гамлета"? "Обезьяний парадокс" переходит из одного философского трактата в другой: может ли миллион людей, никогда о Шекспире не слыхавших, написать "Гамлета"? Отсюда недалеко до вопроса: а мог ли "Гамлета" написать сам Шекспир, если даже миллиону людей это не под силу? И применима ли вообще теория вероятностей к этой категории явлений?
Как видите, начав с вопроса о случайности сочетаний знаков в нуклеотидных последовательно-стях, мы пришли к проблеме философской, затрагивающей коренные тайны мироздания (Б.М.Медников).
Еще в 1936 г. Н.К.Кольцов писал, что вероятность случайного возникновения полипептида из 17 аминокислотных остатков (гептакайдекапептида) равна одной триллионной, и сделал из этого со-вершенно правильный вывод: гены синтезируются не заново, а матричным путем. Но как возникла первая матрица?
Хватает ли времени на возникновение первого гена - протогена - случайным путем, стохастиче-ским перебором нуклеотидов? Вспомним, что солнечная система - Солнце со всеми планетами - сформировалась, по самым последним оценкам, 4.6 млрд. лет назад (плюс-минус 0.1 млрд.). Пер-вые следы жизни на Земле имеют возраст более 3.8 млрд. лет. В период становления - а это зна-чительный срок - наша планета явно не годилась для возникновения жизни.
Подобные соображения воскрешают гипотезу о внеземном, космическом происхождении жизни. Гипотеза панспермии еще в прошлом веке была выдвинута Сванте Аррениусом, и суть ее можно выразить так: в вечной и бесконечной Вселенной жизнь так же вечна и бесконечна; споры, микро-организмы - эти зародыши жизни - могут покинуть родную планету и давлением света транспорти-руются Бог весть куда - от планеты к планете, от звезды к звезде. У нас к идее панспермии скло-нялся В.И.Вернадский.
Однако гипотеза достаточно слабая. Пусть во Вселенной, хотя бы в одной нашей Галактике, миллионы планет. Исчезающе малую вероятность возникновения жизни (то есть протогена) на од-ной из них нужно умножить на столь же малую величину - вероятность благополучного межзвезд-ного перелета. Это только видимость решения проблемы. Кроме того, похоже, что и всей Вселен-ной не хватает для возникновения жизни. Манфред Эйген подсчитал, что вероятность возникнове-ния одного лишь белка - цитохрома С, состоящего примерно из ста аминокислотных остатков,- 10-130, а во всей Вселенной хватит места лишь для 1074 молекул (при условии, что все планеты, звезды и галактики состоят из вариантов молекул цитохрома).
Как видим, положение все более драматизируется. Получается, что все мы живем вопреки тео-рии вероятностей. Нас не должно быть вообще!
Выход из сложившегося положения попытался найти Фрэнсис Крик. В 1982 г. он совместно с Л.Орджелом издал книгу "Жизнь как она есть, ее происхождение и природа". Сначала Крик драма-тизирует положение. Он исходит из того, что первичный полипептид, кодируемый протогеном, имел 200 аминокислотных остатков, а не 100, как у Эйгена. Тогда вероятность его возникновения 10-260 (это десятичная дробь с двумястами шестьюдесятью нулями после запятой). Далее он на-поминает, что и Вселенная, в том виде, в каком она есть, не вечна. Большинство космологов сей-час считают, что она продукт "Big Bang" - "Большого взрыва", разметавшего все планеты, звезды и галактики, прежде сжатые в предельно малом (атомных размеров!) объеме.
Когда произошел Большой взрыв? Прежние расчеты по скорости разбегания галактик и энергии реликтового радиоизлучения давали неточные и завышенные величины возраста Вселенной. Те-перь она уточнена - по соотношению в звездах радиоактивного тория (период полураспада 14 миллиардов лет) и стабильного ниобия. Оказалось, что возраст самых старых звезд - не выше одиннадцати миллиардов лет. Значит, для возникновения жизни не хватает не только пространст-ва, но и времени. Ведь Вселенная лишь примерно вдвое старше Солнечной системы.
Крик также склоняется к неземному происхождению жизни. Но он физик и потому понимает сла-бости гипотезы панспермии. Конечно, давление солнечного света может придать споре микроор-ганизма третью космическую скорость, - но оно же будет отталкивать от звезды "чужие" микрочас-тицы. За миллионнолетние странствования гены неизбежно разрушатся космическим излучением. Разумеется, споры могут быть экранированы от него, например в метеоритах, но метеорит из-за большой массы не получит нужного ускорения давлением света. Да и вероятность того, что спора, ускоренная наугад, долетит до звезды с подходящими планетами, чересчур уж мала. Вероятность, что выстрел вслепую со стратосферного лайнера поразит, например, белку в глаз, намного выше. Конечно, за большой промежуток времени может произойти и маловероятное событие. Но време-ни-то как раз и не хватает.
И Крик выдвигает гипотезу направленной, управляемой панспермии. Предположим, пишет он, на какой-то из многочисленных планет во Вселенной миллиарды лет назад возникла некая сверх-цивилизация. Ее носители, убедившись в том, что жизнь - штука редкая, возможно, уникальная, захотят распространить ее как можно шире. С этой целью сверхцивилизация начинает рассылать по всем направлениям, в свою и чужие галактики, автоматические ракетные корабли. Двигаясь со скоростью хотя бы 0.0015 % скорости света (около 3 миль/сек), они в среднем за 1000 лет достиг-нут ближайших систем с планетами и рассеют в их атмосферу пакеты с "пассажирами".
Такими пассажирами могут быть лишь замороженные и высушенные микроорганизмы. Они ус-тойчивы к излучениям и перенесут сверхдлительный космический перелет. Устойчивы они и к ог-ромным ускорениям, так что эти гипотетические корабли могут набирать скорость самым эконо-мичным путем - взрывным ускорением в сотни g. Если условия на поверхности новой планеты окажутся пригодными, начнется стремительное размножение - и последующая эволюция, вплоть до появления человека.
А что значит пригодные условия? Мы знаем микроорганизмы, живущие без кислорода, в горячей серной кислоте, использующие в качестве источника энергии серу и восстановленные металлы. Многие земные бактерии, похоже, отлично выживут на Марсе или хотя бы на полюсах Венеры.
И Крик вспоминает старый спор между великими физиками-атомщиками Энрико Ферми и Лео Сцилардом. Сцилард был горячим сторонником сверхцивилизаций, рассеянных по космосу, и скептик Ферми спросил: "Если их много, почему мы их не видим и не слышим? Где же они?" И Крик полагает, что нашел ответ: "Они - это мы, вернее, мы - их сверхотдаленные потомки. В будущем мы, возможно, подхватим эту эстафету". (Крик подсчитывает, что даже наши современные косми-ческие корабли долетят до туманности Андромеды за 4 млрд. лет, когда от нашей цивилизации не останется даже праха.)
Однако доказательства космического происхождения жизни, выдвигаемые Криком и Орджелом, немногочисленны и неубедительны. Первое из них - повышенное по сравнению со средней кон-центрацией для общей массы Земли содержание молибдена в живых организмах. Молибден вхо-дит в состав ряда ферментов, например нитрогеназы микроорганизмов, связывающих атмосфер-ный азот. Это ключевой фермент, делающий жизнь на Земле возможной. И Крик с Орджелом за-ключают: мы все эмигранты с богатой молибденом планеты. Но Морисабуро Эгами показал, что относительные единицы количества (кларки) для живой природы и морской воды по молибдену совпадают. Так что молибденовый след ведет не в космос, а в земной океан.
Второй довод Крика - внезапное возникновение микроорганизмов 3.8 млрд. лет назад. Увы, этот довод в равной мере годится для всех форм жизни, включая человека. Внезапность - артефакт, обусловленный спецификой палеонтологической летописи. Она всегда констатирует широкое рас-пространение формы ("торжествующую обыденность"), а не процесс ее становления. Принцип те-левидения и первые успешные попытки его применения известны с 20-х годов, но археологи бу-дущего найдут первые обломки телевизоров, скорее всего, в слоях 50-х и ими датируют его вне-запное возникновение. А на деле никакой внезапности не было.
Но главное не в этом. Самое досадное, что красивая гипотеза Крика не помогает. Даже призвав на помощь все планеты Вселенной, мы лишь в ничтожной мере повысим сверхкороткую вероят-ность возникновения протогена. Из исчезающе малой дроби (10-260) срежется каких-нибудь пять-десят нулей после запятой - ни времени, ни места по-прежнему не хватает. Так что, перефразиро-вав известное изречение Н.Бора, эта гипотеза недостаточно безумна, чтобы быть верной.
Пожалуй, до конца пошел в этом вопросе лишь астроном и математик Налин Чандра Викрама-сингх (Шри-Ланка). Его исходные положения те же: жизнь не может возникнуть случайным путем. Для жизни нужно возникновение около 2000 ферментов - число пробных комбинаций 10-40000 (со-рок тысяч нулей после запятой!). Вывод Викрамасингха: "Скорее ураган, проносящийся по клад-бищу старых самолетов, соберет новехонький суперлайнер из кусков лома, чем в результате слу-чайных процессов возникнет из своих компонентов жизнь". Но ведь происхождение жизни как-то надо объяснить? И Викрамасингх объясняет (или полагает, что объясняет, хотя это не одно и то же): "Свои собственные философские предпочтения я отдаю вечной и безграничной Вселенной, в которой каким-то естественным путем возник творец жизни - разум, значительно превосходящий наш".
У нас есть выбор. Можно, конечно, согласиться с астрофизиком из Шри-Ланки и на этом покон-чить с разгадкой происхождения жизни. А можно рассмотреть такую проблему: все статистические выкладки, приводящие к чудовищному количеству вариантов и, следовательно, к ничтожно малым вероятностям спонтанного возникновения протогена, верны. Вот только применимы ли они?
Полагаем, что повторить создание "Гамлета" не под силу не только миллиону обезьян, но и миллиону людей с пишущими машинками. Но - последний риторический вопрос: мог ли существо-вать театр, если бы "Гамлет" не был написан? Ведь в бурный елизаветинский век Шекспир мог бы попасть не в "Глобус", а, скажем, в экипаж к Фрэнсису Дрейку и сложить свою буйную голову в кру-госветке "Золотой лани". Ясно, что мы имели бы театр без шекспировских пьес и не переживали бы по поводу их отсутствия. Ибо нельзя скорбеть по тому, что не появилось на свет.
И М.Эйген со своим примером - цитохромом С, и Ф.Крик с гипотетическим ферментом, и Н.Ч.Викрамасингх в расчетах исходят из того, что имеется только один пригодный вариант цито-хрома С, по единственному варианту каждого фермента и так далее - то есть, не будь "Гамлета", и театра не было бы. А ведь это не так. Если вариантов множество (а их практически бесконеч-ность), то и полипептидов, пригодных для работы, например в качестве фермента, так же должно быть практически бесконечное число.
Это утверждение допускает экспериментальную проверку. Если мы правы, то полипептиды, в которых аминокислотные остатки чередуются случайным образом (стохастические полимеры), должны проявлять биологическую активность. Как только стохастический полимер смог проявить ферментную активность при синтезе своей же матрицы - протогена, возникновение жизни можно было бы считать завершенным. Пусть эти полимеры работали хуже современных ферментов - не так эффективно и специфично. Но на то и отбор, чтобы корректировать их последовательности, совершенствуя функции.
Вот хороший пример: есть целая группа ферментов - сериновые протеазы, расщепляющие бел-ки по амидным связям. Установлено, что активность их определяется наличием в последователь-ности тройки: серин-гистидин-аспартат - только тогда белок ускоряет расщепление (реакцию про-теолиза) в 10 миллиардов раз против контроля. Если же мы будем убирать из последовательности сначала серин, потом гистидин, потом аспартат, активность соответственно будет снижаться в 2x106, 2x1O6 и 3x104 раз. Но и без магической тройки она не исчезнет, не будет нулевой.
Отсюда следует, что в достаточно большой и разнообразной совокупности случайно синтезиро-ванных полимеров можно найти такие, которые смогут выполнять функцию любого белка, напри-мер фермента, - такие опыты уже были поставлены. Американский исследователь X.С.Фокс сме-шивал сухие аминокислоты и нагревал их до 200?С; в результате получались полипептиды-цепочки из аминокислотных остатков, практически неотличимые от белков малой молекулярной массы. Мономеры в этих полимерах были распределены совершенно случайно, и в этой смеси вряд ли можно было найти две одинаковые молекулы. По-видимому, такие соединения - протеи-ноиды - легко возникали на начальном этапе существования Земли, например на склонах вулка-нов.
Х.С.Фокс и его сотрудник Л.Бахадур проверили, может ли смесь протеиноидов работать как фермент. Оказалось, что она проявляла активность, имитирующую функцию ферментов пиро-фосфатазы, каталазы, АТФазы. Другие исследователи, многократно проверив опыты Фокса, при-шли к выводу, что подобная смесь может имитировать функцию практически любого фермента. Возможно, что протеиноиды катализировали синтез первых генов - матриц, на которых синтезиро-вались уже настоящие белки, но тоже со случайными последовательностями. Как только среди них нашлась одна, способная ускорить синтез и репликацию своей матрицы - нуклеиновой кислоты, труднейшая проблема происхождения жизни была решена.
Для этого не требовалось сверхастрономического числа Вселенных и вмешательства сверхразума. В опытах Фокса участвовало не 10230 молекул, а существенно меньше - 1023,- одного моля, как говорят химики. Для возникновения жизни вполне хватило бы случайных химических реакций в достаточно большой грязной луже, вроде той, которую воспел Н.В.Гоголь в "Миргороде".
Опровергнуть эту концепцию можно посетив несколько планет земного типа из других звездных систем. Вполне возможно обнаружить на некоторых из них, хотя бы на одной, жизнь. Вот если та-мошние гены и кодируемые ими белки будут гомологичны генам и белкам земных организмов, можно принять идею Творца.
Пока это не грозит: мы знаем, что и на Земле один и тот же ген не возникал дважды, как не было написано дважды любое литературное произведение, тот же "Гамлет".