От химических веществ к первому организму

Теперь, когда мы знаем, откуда на нашей Земле взялись химические вещества, – давайте проследим маршрут их преобразования в первый живой организм. Несмотря на то, что унифицированная модель добиологической эволюции до сих пор не разработана, ученые выделяют в ней следующие основные этапы.

1. Рождение Земли. 4,5 миллиарда лет назад на месте Солнечной системы было одно большое водородное облако, наполненное продуктами распада первых протозвезд. Под действием гравитации это облако начало уплотняться и вращаться. В его центре реакция столкновения атомов водорода достигла такой интенсивности, что запустилась термоядерная реакция. Так возникло наше Солнце. Молодая звезда, вращаясь, разгоняла останки газового облака и звездной пыли вокруг себя. В результате все легкие летучие компоненты (гелий, аммиак и метан) оказались во внешних холодных областях, позже из них сформировались газовые гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. А рядом с Солнцем остались более тяжелые и богатые минералами частицы звездной пыли. Из них впоследствии появились твердотельные планеты: Меркурий, Венера, Марс и Земля.

2. Появление простых органических соединений. Молодая Земля была раскалена и представляла собой шар, заполненный магмой. Но постепенно его поверхность начала остывать. Тогда внутри заработали вулканы, которые стали перераспределять и выбрасывать на остывшую поверхность все накопленные внутри газы. Так возникла атмосфера планеты. Считается, что она состояла из водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂), метана (CH₄), аммиака (NH₃) и сероводорода (H₂S). Эти вещества стали главными источниками упомянутых выше углерода, кислорода, азота, серы и т. д., из комбинации которых впоследствии образовались простейшие органические соединения: кислоты и спирты.

3. Появление сложных органических соединений. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца, тепла вулканических процессов, электрических разрядов в атмосфере и множества других процессов, характерных для ранней Земли, из простых органических соединений стали образовываться первые «биомолекулы». Так на планете появились аминокислоты и нуклеотиды, из которых спустя сотни миллионов лет образовались белки, жиры, полисахариды.

4. Появление первого живого организма. Спустя еще где-то пятьсот миллионов лет из всего этого многообразия органических веществ возникла протоклетка. Первый живой организм, способный размножаться и биологически эволюционировать.

И на этом разговор можно было и закончить, если бы каждый из этих этапов ученые могли повторить опытным путем. Однако это невозможно даже в стерильных условиях наисовременнейших лабораторий. Проще всего дело обстоит с синтезом несложных органических соединений – их удалось получить в предполагаемых условиях ранней Земли. Но опять же – в виде рацемической смеси. На этом мы уже заостряли внимание, поэтому давайте вынесем химическую асимметрию за скобки и переключимся на следующий этап – появление первого живого организма или первой биоклетки. Вы не поверите, но этот процесс еще более загадочный, чем возникновение хирально чистой органики.

Чтобы уловить его проблематику, нужно вспомнить о естественном отборе.

В биологической эволюции, когда ученые объясняют парадокс преобразования протоклетки в человека, они ссылаются именно на естественный отбор. Если мы возьмем биоклетку и хомо сапиенса, то поймем, что разница в нашей сложности – это даже не пропасть, а бездна принципиальных отличий, которую не преодолеть через обычное улучшение. С одной стороны – клетка, которая умеет только копировать себя, с другой – человек, обладающий разумом и представляющий собой высокоорганизованный ансамбль из 30 триллионов клеток. Однако ученые говорят, что биологическая эволюция смогла преодолеть эту бездну благодаря естественному отбору. Поскольку живые организмы вынуждены конкурировать за питательную среду, они проходят отбор, который подстегивает их к постоянному самосовершенствованию. Кто не меняется – погибает. Кто не выживает – не размножается. Поэтому предполагается, что если применить эти принципы в отношении временного отрезка в три миллиарда лет, то биоклетка шаг за шагом меняясь и накапливая полезные изменения, может в итоге эволюционировать в человека.

Встает вопрос – если биологическая эволюция смогла перепрыгнуть бездну между примитивной клеткой и суперсложным телом человека с помощью естественного отбора, то как такую же бездну преодолела добиологическая эволюция? Ведь между отдельно взятыми аминокислотами и первой биоклеткой, способной к самокопированию, лежит не меньший, а то и больший объем требуемых изменений. Чтобы накопить его, требуется бесконечная череда полезных улучшений, но откуда они возьмутся, если в абиогенезе естественного отбора нет? Он появляется только вместе со способностью размножаться, которая по понятным причинам отсутствует у неживой природы. И тут мы сталкиваемся с неразрешимой проблемой. Как образовалась первая биоклетка, способная к самокопированию, если инструмент закрепления положительных изменений ей был недоступен?

Мы задаемся вопросом, как обезьяна эволюционировала в человека, но это ничто по сравнению с вопросом, как кисель из химических веществ эволюционировал в организм, способный к самокопированию.

Когда я учился в школе нам рассказывали о том, что первая живая клетка появилась где-то в первичном океане в результате случайных химических реакций. Спустя 30 лет, когда наука продвинулась в понимании того, как устроена биоклетка, как устроены белки, из которых она преимущественно состоит, и как устроены аминокислоты, из цепочек которых собраны белки, стало очевидно, что собрать биоклетку случайным образом практически невозможно. Вероятность этого настолько ничтожна, что не поддается рациональному анализу.

Тем, кто не знаком с молекулярной биологией, очень сложно представить, насколько сложна клетка, поэтому и появление на свет первого организма им может показаться обыденным событием. На самом деле ни один из наших суперкомпьютеров и даже пугающий своей сложностью адронный коллайдер не выдержат сравнения с организацией простейшей живой клетки. Чтобы адекватно оценить процесс зарождения жизни на Земле, представьте, что вам нужно из грязи и солнечного света сделать работающий компьютер с процессором, памятью, монитором и блоком питания. Теперь умножьте сложность задачи на миллиард, потому что этот компьютер должен еще и сам себя копировать. Вот с чем пришлось справиться добиологической эволюции, чтобы создать первый живой организм.

Если мы возьмем простейшую биоклетку, обладающую минимальным набором функций, то увидим в ней по меньшей мере сотню различных белков и биологические механизмы необходимые для:

• размножения;

• роста;

• преобразования энергии;

• хранения и обработки генетической информации;

• защиты от внешней среды.

При добиологической эволюции естественный отбор не работал, поэтому биоклетка должна была возникнуть случайно и уже быть готовой выполнять все свои основные функции. Какова вероятность того, что хаотично перемещающиеся химические вещества случайно соберутся в такую сложную и работоспособную биоструктуру? Не буду утомлять вас расчетом вероятности этого события, но можно сказать, что оно находится за пределами возможного. С таким же успехом можно ожидать, что двухлетний ребенок, с упоением тарабанящий по клавиатуре, напишет код работоспособной операционной системы. Существует ли вероятность, что каждый из случайно напечатанных им символов сложится в миллиард осмысленных строчек кода, каждая из которых будет не просто синтаксически корректной, но и логически содержательной, чтобы избирательно дополнять функционал других строчек кода? Теоретически такая вероятность существует. Но реальна ли она? Нет. Так и здесь. Чем больше ученые узнают о живой клетке и ее строительных блоках, тем сильнее убеждаются в собственном бессилии разгадать тайну зарождения жизни на Земле, не говоря уже об искусственном воспроизведении этого процесса. Всего научного потенциала человечества пока недостаточно, чтобы даже в лабораторных условиях смоделировать образование способного к саморазвитию организма. Поэтому все, что у нас есть – это множество разнообразных и противоречащих друг другу теорий.

«Большинство химиков, как и я, считают, что жизнь возникла спонтанно из смеси молекул на добиологической земле. Как? Я не знаю».

Джордж Вайтсайдс, один из самых известных химиков на планете