Как возникла жизнь

Многие сотни, а может быть, и тысячи лет ищут люди ответ на этот вопрос. И чем дальше шагает в будущее человечество, тем большую остроту он приобретает. Но конкретные пути и возможности разгадки тайны зарождения земной жизни весьма немногочисленны и очень затруднены. Ведь интересующие нас первые, простейшие, начальные формы жизни, существовавшие 3—3,5 млрд. лет назад (а может быть и ранее), давным-давно исчезли под натиском своих более сильных, более приспособленных к земным условиям потомков. И даже если бы процесс рождения жизни из неживого материала повторился на Земле в наши дни (что маловероятно), человечеству вряд ли удалось бы познакомиться с нашими возродившимися предками: простейшие живые формы неминуемо были бы уничтожены современными микроорганизмами.

В распоряжении науки остаются лишь косвенные, окольные пути. О возникновении жизни на Земле мы можем судить по разнообразным уцелевшим остаткам ее древних форм (но наиболее интересные, наиболее древние существа не оставили никаких следов!), по разрозненным данным геологии, палеонтологии, астрономии, физики, химии, генетики.

Еще 100—200 лет назад таких разрозненных данных было совершенно недостаточно, чтобы сделать даже самую первую попытку научного рассмотрения этого вопроса. Великие ученые-биологи XVIII—XIX вв. Луи Пастер, Клод Бернар, Герман Гельмгольц, отвергая идеи «сотворения» живых существ в прошлом, их самозарождения в настоящее время (что было важной победой научной биологии), в то же время не могли противопоставить им строго обоснованную материалистическую теорию возникновения жизни. Если Omnis cellula e cellula (каждая клетка — из клетки), то как возникла первая клетка? Ответ па этот вопрос в рамках метафизического материализма, отрицающего развитие, не мог быть получен. Да и фактов, относящихся к проблеме возникновения жизни, было тогда слишком мало. Вот почему выдающиеся биологи-материалисты XIX в. либо оставляли открытым вопрос о возникновении жизни, либо отстаивали мысль о вечности жизни: «...ничто не рождается, ничто не творится, а все продолжается. Природа не представляет нам ни одного акта творения; она есть вечное продолжение» [К. Бернар. Жизненные явления, общие животным и растениям 1878, с. 53.]. «Пройдет еще немало времени, прежде чем мы сможем сами увидеть, как слизь, или протоплазма, или что-либо в этом роде породит живое существо... Рассуждать в настоящее время о возникновении жизни просто нелепо. С таким же успехом можно говорить о возникновении материи» [Ч. Дарвин. Из письма к Дж. Д. Гукэру, 29 марта 1863 г.].

В геологическом и тем более в астрономическом масштабе времени столетие — срок ничтожный. Однако последнее столетие принесло несравненно больше фактов, гипотез, теорий, относящихся к проблеме возникновения жизни, чем тысячелетия предшествующего развития науки. Сегодня над загадкой жизни бьются не ученые-одиночки, а целые научные коллективы, тысячи ученых. Первая подлинно научная теория происхождения жизни была создана в 1924 г. советским ученым А. И. Опариным. Значительный вклад в эту проблему внесли и другие советские ученые: Н. Холодный, А. Г. Пасынский, А. Н. Теренин, английские исследователи Дж. Холдейн, Дж. Бернал, американцы М. Кальвин, С. Фоке, С. Миллер, К. Поннамперума, К. Саган, Г. Юри, Дж. Оро, японский ученый Ш. Акабори и другие. Из крупиц истины, отдельных опытов, предположений, сопоставлений постепенно складывается стройная картина далекого прошлого нашей планеты, картина зарождения жизни.

Начальный период возникновения жизни был, вероятно, и самым длительным. Миллиарды лет потребовались для возникновения первых, самых примитивных жизненных форм. Следующие этапы эволюции живого совершались уже быстрее. А биологическая история человека насчитывает «всего» два, максимум три миллиона лет.

С чего же начался процесс образования живого? На этот вопрос можно дать точный ответ: с образования на поверхности нашей планеты органических веществ, соединений углерода. Именно этот элемент обладает уникальной способностью образовывать длинные цепочки из десятков, сотен и даже тысяч атомов — скелет органических молекул. Сложные органические соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором и другими элементами — это строительный материал живых тел. Из таких молекул состоят и вещества жизни — нуклеиновые кислоты и белки.

Биологической эволюции, процессу развития живых организмов на Земле, очевидно, предшествовала эволюция химическая — процесс абиотического (вне организма) образования все более сложных соединений углерода. Простейшие из них — углеводороды — обнаружены во всей доступной наблюдению Вселенной: и в раскаленной атмосфере звезд (в том числе и Солнца), и в холодных газопылевых облаках межзвездной среды, и на поверхности больших планет и их спутников, и в веществе космических странниц — комет, и в упавших на Землю метеоритах. Были они, очевидно, и на древней, еще безжизненной Земле.

Чтобы понять, как совершался переход от углеводородов к более сложным соединениям углерода, нужно ясно представить себе условия на первобытной Земле, состав ее атмосферы.

Древнейшая атмосфера Земли состояла в основном из водорода с примесью гелия — самых легких элементов, наиболее распространенных во Вселенной, в том материале, из которого формировалась древняя Земля. Однако притяжение Земли оказалось недостаточным, чтобы удержать эту легкую атмосферу. Спустя определенное время водород почти полностью улетучился в мировое пространство. На смену водородно-гелиевой пришла первичная атмосфера Земли, состоявшая из простейшего углеводорода метана, водяных паров, аммиака, а также, вероятно, сероводорода, некоторого количества углекислоты и окиси углерода. Все эти газы выделялись из горных пород по мере постепенного радиогенного разогрева Земли. В этой-то атмосфере и начали действовать силы, способствовавшие возникновению разнообразных и достаточно сложных соединений углерода.

Какие это силы? Это ионизирующие излучения (космические лучи и излучение радиоактивных изотопов земной коры), ультрафиолетовое излучение Солнца, атмосферные электрические разряды (молнии), извержения вулканов, удары метеоритов. Из пяти перечисленных источников энергии именно ультрафиолетовые лучи Солнца — наиболее мощный, постоянно и глобально действующий фактор — сыграли самую выдающуюся роль.

Чтобы узнать, какие вещества могли возникать в первичной атмосфере Земли под влиянием названных выше источников энергии, нужны точные эксперименты, в которых бы смесь газов подвергалась воздействию одной из этих сил. Такие опыты ставились во многих странах начиная с 1950 г. Первый опыт с облучением смеси С0₂, водяных паров, водорода (в присутствии ионов железа Fe++) а-частицами с энергией 40 Мэв был поставлен в 1950 г. М. Кальвином. Ученому удалось обнаружить образование муравьиной кислоты и формальдегида.

В 1953 г. американский биохимик С. Миллер в смесь газов ввел аммиак, что сразу увеличило количество возникающих веществ. Кроме того, в установке было предусмотрено удаление из реагирующей смеси образующихся соединений. В этой смеси при электрическом разряде образуются циан, а также аминокислоты и альдегиды — достаточно сложные и важные органические соединения.

Советские ученые А. Н. Теренин, Т. А. Павловская и А. Г. Пасынский в 1955—1960 гг. использовали действие ультрафиолетовых лучей и наблюдали образование в газовой смеси, имитирующей первичную атмосферу Земли, аминокислот глицина, аланина, ряда карбоновых кислот и т. п. Американский ученый С. Фоке получил сходные результаты, пропуская смесь газов через горячую трубку.

Интересно, что набор возникающих органических соединений почти не зависит от источника энергии и определяется исключительно составом смеси газов и соотношением их элементов.

После всех описанных выше опытов стало ясно, что в атмосфере древней Земли естественным абиогенным путем возникали такие сложные органические молекулы, как аминокислоты глицин, аланин, серии, валин, пролин — составные части белков; аденин и азотистые основания — компоненты нуклеиновых кислот; формальдегид и сахара — продукты его конденсации; простейшие жирные кислоты, а также цианиды, выступающие в роли катализаторов (ускорителей) синтеза органических соединений. Таким образом, можно считать доказанным образование на древней Земле основных видов органических молекул.

Следующий этап химической эволюции — образование полимеров, гигантских молекул, столь характерных для всех форм жизни. Этот новый этап стал возможен после того, как на Земле накопились большие количества мономеров — простых органических соединений, перечисленных выше. В месте их образования, в атмосфере, концентрация этих веществ не могла быть большой: те же факторы, которые способствовали образованию органических соединений, обусловливали их разрушение. Очевидно, молекулы образовавшихся соединений вымывались из атмосферы дождями и попадали в водоемы, в первичный древний океан. Здесь они были защищены от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов и т. п., здесь они могли беспрепятственно накапливаться. По мнению А. И. Опарина, это происходило в мелководных заливах океана, по мысли Дж. Бернала,— в заливаемых морскими приливами устьях рек — эстуариях. Под действием теплых лучей Солнца воды первобытного моря превратились в своеобразный «питательный бульон» жизни.

Накоплению органических молекул, соединению их в длинные цепи могли способствовать их оседание и концентрация на частицах глины, кристаллах кварца, апатита, глины, особенно благоприятствовало присутствие цианидов и аммиака. Наибольшие шансы «выжить», сохраниться в этих условиях имели, конечно, вещества, склонные к аутокатализу, т. е. к химическому самовоспроизведению. Таковы, например, порфирины — активная часть столь важных органических веществ, как хлорофилл, гемоглобин, многие ферменты,— образующиеся, как показали опыты, абиогенно из веществ первичной атмосферы в присутствии ионов некоторых металлов.

В морском мелководье, на отмелях и в эстуариях древнего океана в результате накопления и взаимодействия органических веществ возникали и распадались тысячи различных соединений. Реакции совершались причудливым образом, хаотически. Количество вариантов химической структуры увеличивалось, но пока не было преемственности, не было и дальнейшего прогресса. Не было и не могло еще быть жизни.

Новый этап химической эволюции начался только после того, как сложные белковоподобные молекулы образовали первичные комплексы, выделились в виде капель (их называют коацерватными), отделились от раствора поверхностью раздела. Это был, по представлениям А. И. Опарина, зачаток организации, первый зародыш живого организма. Коацерваты могли избирательно поглощать «нужные» им вещества из воды, усложняя свою организацию. С появлением коацерватов становится возможным отбор более устойчивых и совершенных систем, в ходе которого постепенно складывались отдельные цепи обменных реакций, отбирались белковоподобные вещества, способные ускорять эти реакции — зачатки ферментов. ' Были ли коацерваты переходной формой от неживого к живому, или этот переход совершался несколько иначе — пока мы не знаем. В современных теориях возникновения жизни немало белых пятен. И самое большое из них — это вопрос о том, каким образом возник простейший механизм сохранения и наследования полезных свойств первичных организмов. Ведь без закрепления достигнутого немыслимо движение вперед.

Молекулярная биология в содружестве с биохимией, биофизикой, физической химией, кибернетикой, фото- и радиобиологией добилась в последние 20—25 лет колоссальных успехов в разгадке самых сокровенных тайн жизни. Стало ясно, что жизнедеятельность клеток — от бактерий и синезеленых водорослей до клеток мозга человека — протекает по одним и тем же законам, на основе единых принципов организации.

Любой сложный организм начинает свой индивидуальный жизненный путь с одноклеточной стадии, с оплодотворенной яйцеклетки — зиготы. В этой единственной клетке-прародительнице уже заложена, закодирована вся программа развития будущего организма, закреплена «навечно» и передается от клетки к клетке, из поколения в поколение наследственная память вида — совокупность наиболее ценных и важных черт организации, накопленных за тысячелетия развития.

Хранителем и передатчиком наследственной информации является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Наследственный «алфавит» насчитывает всего четыре «буквы» — четыре варианта азотистых оснований. Различные комбинации этих четырех исходных элементов определяют порядок чередования аминокислот в белках — основных структурных элементах клетки и главных «дирижерах» ее жизненных процессов. Молекула ДНК — единственная в своем роде органическая молекула, обладающая удивительным свойством самокопирования, самовоспроизведения. При клеточном делении каждая дочерняя клетка получает полный набор копий, отпечатков с материнской матрицы — ДНК. А в процессе жизнедеятельности клетки матрица ДНК, полученная по наследству, отдает зашифрованную в ней наследственную информацию, обеспечивает клетку набором вторичных штампов для производства всех необходимых белков.

Этот матричный принцип организации наследственного механизма присущ всем живым существам на Земле. Способ зашифровки наследственной информации в молекулах ДНК — генетический код — также идентичен, един и для плесневого грибка, и для кузнечика, и для березы, и для человека. Таким образом, внутриклеточный наследственный механизм в главных чертах одинаков у всех земных организмов. Это великое открытие нашего времени особенно надежно утверждает мысль, что все живые существа на нашей планете — более или менее близкие родственники и что этот единый наследственный механизм сложился где-то на самой заре жизни. И лишь с этого момента стало возможно закрепление достигнутого, а значит, и дальнейший прогресс живого. Проблема зарождения земной жизни лишь тогда приблизится к своему разрешению, когда будет понят и объяснен в самых общих чертах процесс возникновения этого механизма. Современные теории эту проблему еще не могут решить.

Предполагается, что одновременно с возникновением простейших белковоподобных соединений образовывались и полифосфаты — прообразы нуклеиновых кислот. Их образованию и усложнению способствовали кристаллическая структура частиц глины, апатитов, цианистые соединения. В процессе синтеза в числе источников энергии важная роль принадлежит ультрафиолетовому излучению Солнца.

Простейшие формы жизни постепенно использовали запасы органических веществ, накопленные на Земле за миллионы лет добиологического развития, химической эволюции. Условием их дальнейшего развития стал процесс усвоения неорганических веществ, синтеза живого из неживого при помощи живого. Новый процесс получил название фотосинтеза, потому что в нем для синтеза органических соединений используется энергия солнечного света.