Жизнь как она есть: её зарождение и сущность - Крик Фрэнсис - Страница 15

Мысль о том, что древняя атмосфера была не похожа на современную, а содержала намного меньше кислорода, по-видимому, получила впечатляющее подтверждение в 1953 году от Стенли Миллера, студента Гарольда Урея (Harold Urey), который пропускал электрический заряд через смесь CH4, NH3, H2 и H2O, помещенную в закрытую систему. Система состояла из фляги воды, которую кипятили для того, чтобы ускорить циркуляцию газов, и которая служила для поглощения любых летучих, растворимых в воде продуктов реакции и их защиты от разделения электрической искрой. Через неделю (или около этого) разряд прекращался. Оказывалось, что вода содержит ряд мелких органических соединений, включая значительное количество двух простых аминокислот, глицина и аланина, найденных во всех белках. С тех пор проводилось много подобных экспериментов с использованием различных смесей сазов и множества источников энергии и условий эксперимента, включая пропуск газов через нагретые неорганические поверхности. Их результаты слишком сложны, чтобы кратко их здесь описать, за исключением одного поразительного факта. Если смесь газов включает значительное количество кислорода, то мелких молекул, похожих на молекулы, имеющиеся в живых системах, не обнаруживали. Если газообразный кислород отсутствует, то такие мелкие молекулы образуются при условии, что смесь газов содержит, в том или ином виде, азот и углерод. Некоторые смеси газов создают большее разнообразие аминокислот по сравнению с другими, особенно если в них не содержится H2. На первозданной Земле H2 обычно терялся в космическом пространстве, тогда как в Первоначальном эксперименте Миллера, который проводился в закрытом сосуде, у любого образованного H2 не было такой возможности, и поэтому он накапливался в установке, пока шел эксперимент.

Таким образом, если атмосфера была восстановительной, то вода на первозданной Земле, вероятно, содержала довольно разбавленную смесь мелких органических молекул, многие из которых могли послужить исходным материалом для древнейших живых систем. Какие именно образовались молекулы, в каком количестве и где — в верхних ли слоях атмосферы, в океанах, около подводных вулканов или в приливных заводях, в небольших озерах, в горячих источниках, вблизи вулканических трещин или же во всех этих местах, — этот вопрос остается открытым. Многие из этих молекул неустойчивы в воде в течение очень длительных периодов времени, поэтому, в конечном итоге, окажется, что установленные их количества появились благодаря равновесию между их непрерывным образованием в течение тысяч или миллионов лет и их разрушением вследствие теплового движения. Большинство аминокислот имеют как отрицательный, так и положительный заряд, поэтому, несмотря на то, что они небольшие и в сумме электрически нейтральные, они скорее останутся в воде, чем попадут в воздух. По этой причине они обычно не терялись при испарении. Этот первозданный бульон, как его часто называют, «получился плохим» в обычном смысле, потому что тогда не было микроорганизмов, которые жили бы в нем и питались бы его молекулами.

Однажды я спросил своего коллегу Лесли Оргела, который работает над проблемой происхождения жизни: какой могла быть концентрация этого бульона. Он рассказал мне, что провел весьма приблизительные расчеты и что, судя по всему, этот бульон содержал примерно столько же органического вещества (хотя главным образом мелких органических молекул), сколько содержит куриный бульон. Я был поражен. Я хорошо помнил, что однажды в один из редких случаев, когда я вынужден был готовить себе сам, я открыл банку с куриным бульоном и что, кроме маленьких кусочков мяса, в ней была еще густая, жирная, питательная смесь. Существование целого океана подобной смеси представлялось мне крайне невероятным. Однако оказывается, что это вещество правильнее охарактеризовать как куриный отвар. Оргел имел в виду именно прозрачный, довольно жидкий куриный бульон. На самом деле ему удалось даже измерить количество органического вещества в отдельной его пробе. Возможно, не каждый согласится с его оценкой, но она дает самое приблизительное представление об общем количестве органического сырья, которое, вероятно, имелось на Земле до зарождения на ней жизни.

Если окажется, что древняя атмосфера была не восстановительной, а содержала значительное количество кислорода, то картина усложняется. На первый взгляд, может показаться, что, поскольку не было подходящего исходного материала, жизнь едва ли могла зародиться здесь. Если это действительно так, значит, это доказывает гипотезу о направленной панспермии, потому что где-нибудь в другом месте Вселенной планеты могли иметь более восстановительную атмосферу (что мы обсудим в главе 8), и поэтому там был более благоприятный пребиотический бульон. Однако даже в условиях окислительной атмосферы на Земле могло быть несколько мест, где были восстановительные условия, например, под горными породами и на дне озер и океанов. Возможно, на дне моря были горячие источники, которые обеспечили поблизости подходящие условия для пребиотического синтеза.

Еще одна возможность заключается в том, что значительное количество мелких молекул, найденных в космическом пространстве, тем или иным способом достигло поверхности Земли, может быть, на столкнувшихся с ней кометах, образовав локальные концентрации подходящих химических веществ. Даже если они составляли лишь небольшую часть поверхности Земли, на ней могло быть достаточно таких особых мест, чтобы начались эти процессы, если допустить, что жизнь при наличии подходящей окружающей среды может зародиться очень легко.

Несмотря на всю эту неопределенность, кажется вполне возможным, что на каком-то раннем этапе истории Земли на ее поверхности существовало значительное количество воды и что в таких местах она состояла из слабого раствора мелких органических молекул, многие из которых относились к исходным веществам, необходимым для создания белков и нуклеиновых кислот, наряду с различными солями, вымытыми из окружающих горных пород. Условия также могли быть вполне подходящими для появления некой очень примитивной формы жизни. Поэтому мы оказываемся в затруднении при принятии решения: на какой стадии этого непрерывного процесса химической эволюции нам следует признать такую очень простую систему живой.

Выбор какой-то конкретной стадии должен быть до некоторой степени произвольным, но есть один критерий, который мы можем с пользой применить, чтобы провести разграничение между живым и неживым. Действует ли естественный отбор, пусть даже довольно незатейливым образом? Если он есть, тогда редкое событие может стать распространенным. Если его нет, то любое редкое событие должно проявиться исключительно благодаря случаю и сложной природе вещей. Этот критерий важен, потому что, как мы увидим, зарождение жизни действительно могло быть весьма необычным событием, и нам очень хотелось бы знать, до какой степени необычным оно было.

Какова вероятность того, что при наличии той или иной разновидности бульона самопроизвольно зародилась система, которая могла развиваться с помощью естественного отбора? Здесь мы сталкиваемся с невероятно трудными проблемами. Чтобы ни произошло в те давние времена, мы можем быть уверены, что примитивная система, в конце концов, достаточно плавно развилась в систему, существующую в настоящее время. Репликация последней основана на нуклеиновых кислотах, а действие — на синтезе белка. Мы не можем быть уверены, что в основе древнейшей развивающейся системы не лежало нечто совершенно иное, что подготовило почву для развития современной, Даже если это не так и первая система репликации содержала некоторые элементы той, что мы имеем сегодня, мы не располагаем данными, появилась ли сначала нуклеиновая кислота, или же первым появился белок, или они оба развивались одновременно. Мое собственное пристрастное мнение заключается в том, что первой появилась нуклеиновая кислота (может быть, РНК), и за ней вскоре последовала простая форма синтеза белка. По моему мнению, это самый легкий путь развития, но даже он, по-видимому, чреват трудностями. Вероятно, фосфат был широко распространен, а сахарная рибоза (которая не содержит азота) могла легко образоваться в некоторых особых условиях, потому что известно, что формальдегид (НСНО) был одним из самых распространенных пребиотических химических элементов. Однако для синтеза оснований, таких как аденин, требовался несколько иной набор элементов, которые обязательно содержат азот. Затем возникает проблема связывания сахара как с фосфатом, так и с основанием в правильном порядке (возможны и несколько неправильных), и далее активирования этого соединения (называемого нуклеотидом), возможно, с помощью присоединения к нему еще одного или двух фосфатов, чтобы обеспечить необходимую энергию для связывания воедино двух нуклеотидов. Эта операция, если бы она повторялась, привела бы к возникновению цепочечной молекулы, которую мы называем РНК. Нелегко представить, как это могло произойти в смеси других, достаточно похожих соединений без частого присоединения к цепи не тех молекул, если там не было какого-нибудь достаточно специфического катализатора. Предположительно, им мог бы быть минерал или некий пептид, созданный случайным скоплением аминокислот, но даже если все происходило именно так, тому все еще нет достаточно убедительных доказательств. И если подобный процесс действительно происходил, пусть даже всего лишь в одной определенной заводи в одно определенное время, то он только привел бы к появлению РНК с довольно случайной последовательностью оснований.