Проблема появления жизни на Земле в научном и богословском аспектах
Секция «Христианство и наука»
Муравник Галина Леонидовна,
преподаватель биологии Лицея духовной культуры во имя преподобного Серафима Саровского,
руководитель секции преподавателей биологии православных школ Москвы.
Проблема появления жизни на Земле в научном и богословском аспектах
«Загадка жизни», «тайна жизни» – эти словосочетания можно встретить не только в популярной, но и в научной литературе. Жизнь существует на Земле около 3.8 млрд. лет, но уже натурфилософы древней Греции (Милетская школа, V век до Р.Х.) задавались вопросом о её происхождении.
Средневековые учёные вели споры о том, может ли жизнь самозарождаться или нет. А если может, то, как это трактовать, как проявление особой «жизненной силы», некоего «духовного начала» или как естественный природный процесс? Спор о том, существует абиогенез(зарождение живого из неживого) или нет, продолжался три столетия. Лишь знаменитые опыты Л.Пастера поставили твёрдую точку. В 1862 г. за эту работу Пастер получил специально учреждённую премию Парижской академии наук. Выбор между биогенезом и абиогенезом был сделан в пользу первого. Знаменитый афоризм учёного XVII века Франческо Реди «Omne vivum ex vivo» – «Всё живое от живого», обрёл экспериментальное подтверждение.
Но остался вопрос: если живое не зарождается из неживой материи, то, как возникло первое живое существо? Проблема происхождения жизни, хотим мы того или нет, выходит за рамки биологии – науки, породившей её. Проблема эта – не только научная, но и гносеологическая. Она неизбежно приводит нас к вопросу о границах познания.
Но у этой проблемы есть ещё и богословский аспект, если принять точку зрения, что возникновение жизни на Земле – это одно из деяний Творца. Библейский рассказ об этом уникальном событии в первой главе Книги Бытия предельно краток. Бытописатель Моисей, по Воле Господа, оставляет нам право на свободный научный поиск, делая акцент лишь на одном: первоисточник жизни находится в Боге, Его Творящей Воле. Господь – автор чуда жизни. Конкретные механизмы этого процесса остаются вне контекста Шестоднева, как бы до времени сокрытые в тени. Это – поле научного исследования.
Попытаемся оценить сегодняшнее состояние проблемы происхождения жизни: что известно? в чём трудности? каковы перспективы?
* * *
«В природе не обнаруживаются предшественники живой клетки. Ни филогенез, ни онтогенез не законсервировали для нас эти ступени», – таково мнение известного исследователя в данной области М. Эйгена (см. его книгу «Игра жизни»). Да, по всей вероятности, картина возникновения первого живого существа никогда не будет реконструирована до конца, во всех деталях. И дело не только в неполноте палеонтологической летописи или несовершенстве научных методов. Принципиален вопрос о том, с какого момента надо вести историю живого. Где точка отсчёта? Каковы критерии того, что считать живым?
И всё же палеонтологическая летопись располагает значительным арсеналом фактов, которые выстраиваются в довольно стройную картину. Попробуем заглянуть в этот «колодец прошлого».
Вначале несколько важных цифр:
теоретически рассчитанный возраст Земли – 4.5-4.8 млрд.лет;
возраст самых древних земных пород – 3.9 млрд.лет;
возраст древнейших пород, в которых найден углерод органического происхождения – 3.7 млрд.лет.
Итак, жизнь родилась всего за 200 миллионов лет – по космическим масштабам почти мгновенно. Важно отметить, что следы жизни обнаруживаются одновременно с первыми следами воды – необходимого условия для возникновения живого.
Что же обнаруживается в древних слоях? Нет, не окаменевшие бактерии и даже не их отпечатки. Это – углерод органического происхождения с особой изотопной аномалией С12/С13. Это – следы хемоавтотрофных организмов, которые были первыми обитателями Земли.
Надо сказать, что самая древняя жизнь уже была организована в форме экосистемы, или биоценоза, что предсказывал ещё В.Вернадский: автотрофы образовывали органические вещества из неорганических, используя или энергию химических реакций (хемоавтотрофы) или энергию солнечного света (фотоавтотрофы), а гетеротрофы потребляли то, что производили и выделяли автотрофы. Т.е. цепь питания была сбалансирована. Хорошим аналогом этой гипотетической древней экосистемы являются современные микроскопические сообщества, обитающие на мелководье – так называемыематы.
Другим не менее любопытным сообществом, дающим представление о первичных очагах жизни, являются обитатели гидротерм. Гидротермы – это места выхода горячих вод и газов на дне океанов (в разломах). Температура там более +100 оC из-за чрезвычайно высокого давления. Именно в гидротермах обитают чрезвычайно древние одноклеточные существа, не претерпевшие существенных изменений за три с лишним миллиарда лет своего существования.
Судя по всему, жизнь зарождалась в суровых, даже экстремальных условиях среды, при температуре близкой к +100 оС, и лишь позднее, по мере остывания Земли, адаптировалась к более низким температурам. Первые живые организмы были анаэробами, т. е. для жизнедеятельности они не использовали кислород. Причина этого – иной газовый состав древней атмосферы.
По мнению большинства исследователей, первичная атмосфера Земли была не окислительной, как в настоящее время, а восстановительной (или, в крайнем случае, нейтральной). Она имела примерно такой газовый состав: СО2;СН4;NH3;H2S;H2O. Большой интерес представляет вопрос о кислороде. Вероятно, его образовывание шло не только за счет бактериального фотосинтеза, а и путём различных физико-химических процессов, таких, к примеру, как фотолиз воды (H2O = H2 + О2) или термосинтез (H2 + СО2 = СH2O + О2). Свидетельства того, что кислород всё же присутствовал в древнейшей атмосфере – окислы различных металлов и неметаллов, обнаруживаемые в древних слоях Земли.
Но между 2.2 и 1.9 миллиарда лет назад ситуация кардинально изменилась. В эти 300 миллионов лет произошла величайшая из революций – “кислородная”. Кислород, который до этого вступал в химические реакции (большей частью с железом), начал накапливаться в атмосфере. Причина тому, по данным биофизики, – опускание железа в ядро Земли (где оно пребывает до сих пор). В этих условиях и началось накопление свободного молекулярного кислорода в атмосфере. Когда его концентрация достигла “точки Пастера”(1%), стала возможна принципиально иная форма жизни – аэробная, т.е. с использованием кислорода для дыхания. Действительно, в палеонтологической летописи этого периода появляются следы водорослей и Mn-осаждающих бактерий – типичных аэробных существ.
Таким образом, суть «кислородной революции» в том, что атмосфера из восстановительной перешла в окислительную. Кислород, будучи побочным продуктом фотосинтеза, перестал уходить в неорганические циклы и начал использоваться аэробными бактериями для дыхания. Обращает на себя внимание удивительная сбалансированность процессов дыхания и фотосинтеза:
СО2 + H2O Сх(H2O)y + О2
Нижняя стрелка указывает на протекание фотосинтеза (слева направо), а верхняя – на дыхание (справа налево).
return false">ссылка скрытаОколо 850-600 миллионов лет назад, к концу протерозоя (последний этап докембрия), количество кислорода в атмосфере достигло современного уровня и с тех пор практически остаётся неизменным (порядка 20 %).
Итак, можно уверенно говорить, что около 2 млрд. летназад полностью сформировалось функциональное разнообразие бактерий, а в сложившихся экосистемах поддерживались замкнутые биохимические циклы в той форме, которая близка к их современным вариантам. Далее примерно 1.8 млрд. лет назад появились ядерные одноклеточные организмы (протисты), 1.2 млрд. лет назад – многоклеточные растения, а0.9 млрд. лет назад – первые многоклеточные животные.
Итак, палеонтологическая летопись позволяет с большой вероятностью говорить о следующем:
- жизнь на земле имела начало во времени;
- в земных слоях зафиксированы основные этапы появления живого;
- живое появляется в определенном порядке сложности, т. е. развитие идёт от простого к сложному;
- «лестница живого» имеет не только начало, но и конец; на её верхней ступени находится вид Homo sapiens – Человек разумный.
Полагаю, что большего извлечь из палеонтологии, при всём уважении к этой науке, невозможно. Нетрудно заметить, что остаётся открытым главный вопрос – каков механизм возникновения живого? Надо признать, что недостатка в теориях и гипотезах нет. Круг их весьма обширен. Все существующие модели могут быть разделены на несколько принципиально отличающихся групп:
1. стационарное состояние;
2. панспермия;
3. биохимическая эволюция (в разных вариантах);
4. парадигмальный синтез (вариант, предлагаемый автором данного сообщения).
Краткая характеристика каждой модели:
1. Идея стационарного состояния, как ясно из названия, – это представление о том, что жизнь, также, как космос и материя, не имела начала во времени, а существовала вечно, меняя лишь видовой состав и численность, постоянно двигаясь по неким замкнутым циклам. Эта теория снимает саму постановку вопроса о происхождении жизни. Подобные взгляды в наиболее завершенном виде представлены в индуизме (идея вечности бытия и реинкарнации).
Среди ученых представление о вечности жизни разделял В.И. Вернадский. Он был твёрдым сторонником биогенеза, основываясь на неоспоримом факте, что никогда и никому не удавалось наблюдать или получать живое из неживого. Поэтому он считал, что начала жизни в космосе, доступном нашему наблюдению, не было, следовательно, она всегда существовала во вселенной и распространена повсюду.
Идея вечности жизни окончательно потеряла право на существование после открытия «большого взрыва». Именно это событие, с которого началась история существования вселенной, логически приводит к выводу о том, что и у жизни тоже должно быть начало.
2. Панспермия (отгреч.«pan» – всё, весь; «sperma» – семя). Основная идея состоит в том, что источником примитивных форм жизни или органических молекул, необходимых для появления живого, служило вещество комет, астероидов, метеоритов – словом различных космических тел, которые падают на Землю. Надо сказать, что идея о заносе жизни на Землю из космоса – весьма древняя, ее высказывал ещё в V веке до Р.Х. древнегреческий натурфилософ Анаксагор.
В Новое Время она получила второе рождение: немецкий химик Г.Э. Рихтер в 1865 г. высказал предположение, что в мировом пространстве содержится громадное количество органических зародышей, которым он дал имя «космозои». Он считал, что космозои могут переноситься метеоритами на любые расстояния. В поддержку этой гипотезы высказался немецкий химик – Ю. Либих, а затем физики Г.Л. ГельмгольциУ. Томсон. В 1907 году с аналогичными идеями выступил шведский химик С. Аррениус, который наиболее подробно разработал гипотезу панспермии.
Существуют ли какие-либо теоретические основания, для подобных предположений? Да, и связаны они с открытием Дж. Максвеллом,П.Н. Лебедевым явления давления солнечного света на твердые тела. Расчеты показали, что очень мелкие шаровидные тельца диаметром 0.00016 мм, оторвавшиеся от Земли под давлением солнечных лучей, могут достичь орбиты Марса уже на 20-й день, а орбиты Юпитера – на 80-й. Эти вычисления вселили надежды на возможность заноса жизни из космоса. Однако поиск механизмов возникновения жизни всё же повернул в другое русло. В настоящее время жизнь рассматривается большинством исследователей всё-таки как земной, а не космический феномен.
Тем не менее, теория панспермии имеет авторитетных сторонников и сейчас. Среди них – лауреат Нобелевской премии, один из первооткрывателей спиральной структуры ДНК Френсис Крик. В книге под названием «Жизнь как она есть, ее происхождение и природа», он выдвинул гипотезу о том, что «семена жизни» были занесены на Землю космическим кораблём, запущенным представителями высокоразвитой инопланетной цивилизации, вероятно, из другой звёздной системы или даже галактики. Несколько миллиардов лет назад эти разумные существа, по мнению Ф. Крика, установили наличие на Земле подходящих условий. Далее они отправили на космическом корабле капсулу с микроорганизмами с целью «посеять» на нашей планете самую простую форму жизни, чтобы в дальнейшем наблюдать за её развитием. Эта гипотеза, носящая название «направленной (управляемой) панспермии» фактически провозглашает, что феномен жизни на Земле – это глобальный космический эксперимент, поставленный неизвестными нам разумными существами.
Конечно, Ф. Крик, будучи серьезным ученым, понимает слабости идеи «ненаправленной» панспермии: выживание в условиях космоса каких-либо форм живого весьма маловероятно. За миллионы лет странствий по вселенной генетический материал неизбежно был бы разрушен космическим излучением. Кроме того, вероятность, что какая-либо спора случайно долетит до звезды с планетной системой, да ещё попадёт на планету с подходящими условиями, крайне мала. Другое дело – если семена жизни будут доставлены «строго по назначению». «Пассажиры», по мнению Ф. Крика, – это лиофилизированные и глубоко замороженные споры бактерий. Несмотря на насмешки многих учёных, Крик считает направленную панспермию серьёзной возможностью, поскольку все теории «земного» происхождения жизни, по его мнению, не убедительны.
Располагает ли в настоящее время астробиология данными в пользу этой гипотезы? Что известно о «гостях из космоса»?
Любимым объектом исследователей является метеорит, в 60-е годы упавший в Австралии. Он был найден сразу, поэтому вероятность его загрязнения веществами земного происхождения, чрезвычайно мала. В этом метеорите, получившем название «Мерчисон», были обнаружены четыре аминокислоты. Казалось бы, этот факт явно свидетельствует о присутствии каких-то форм жизни там, откуда прилетел «Мерчисон». Однако оказалось, что эти аминокислоты не входят в состав белков живых организмов, по крайней мере, на Земле. Скорее всего, они – продукт химических реакций, происходивших во внутренних структурах метеорита под влиянием жёстких условий космоса.
В Московском институте палеонтологии были проведены микроскопические исследования «Мерчисона», на основании которых сделано предположение, что в микросколах метеорита имеются образования, напоминающие остатки бактерий. Однако вопрос о том, что же представляют собой эти так называемые «биоморфы», остаётся открытым. Сейчас ведётся изучение остатков бактерий в древнейших земных слоях, чтобы иметь возможность провести сравнительный анализ с «биоморфами».
Надо сказать, что среди палеонтологов нет единодушия в отношении «биоморф», многие считают, что это не остатки бактерий, а некие формы кристаллизации породы. К тому же они имеют чрезвычайно малые размеры, порядка нанометров (10-9 м), что значительно меньше, чем все известные бактерии на Земле.
Но история с метеоритами на этом не закончилась. В1984 годув Антарктиде был обнаружен осколок весом 1.9 кг, который, как выяснилось, имеет марсианское происхождение. Эта находка стала одной из самых громких сенсаций тех лет.
Исследование микросколов этого образца проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа и лазерного масс-спектрометра. Были обнаружены структуры, по форме напоминающие бактериальные клетки (их фотографии обошли многие журналы). Кроме того, химический анализ показал, что там содержатся полициклические углеводороды, которые в земных условиях могут образовываться лишь при участии микроорганизмов. Но и это не всё. Выяснилось, что внутри метеорита есть изотопная аномалия С12/С13. Дело в том, что существует группа метанообразующих бактерий, которые избирательно поглощают из субстрата изотоп С12, при этом в окружающей их среде накапливается изотоп С13. Понятно, что там, где находилась подобная бактерия, будет выше содержание С12, а в окружающем субстрате – С13. Именно такая аномалия зарегистрирована в марсианском осколке. По совокупности этих данных были сделаны выводы о том, что на метеорите, возможно, обнаружены следы древней марсианской жизни.
Но и у этой версии появились оппоненты. Ряд американских геохимиков считает, что обнаруженные «биоморфы», лишь внешне напоминают бактерии, на самом деле не являясь ими, а содержащиеся там органические соединения – это результат не биологических, а сугубо химических процессов. Для решения этого спора нужны строгие критерии, которые позволили бы подтвердить достоверность той или иной точки зрения. Пока вопрос остаётся открытым.
Вывод, который следует из совокупности этих данных, состоит в том, что теория панспермии к настоящему времени не располагает строгими научными подтверждениями. Кроме того, она, не решает проблему происхождения жизни по существу, а лишь уводит её в сторону. Если жизнь, действительно, занесена на Землю из космоса, то всё равно остаётся вопрос о её возникновении, хотя и в другой части вселенной.
3.Биохимическая эволюция –так называют большую группу различных гипотез, авторы которых пытаются смоделировать и воспроизвести биохимический путь ранней эволюции живого. При всём разнообразии этих гипотез, их объединяет одно – все попытки повторить процесс возникновения живого экспериментально заканчиваются неудачей.
Наибольшей известностью до сих пор пользуется гипотеза, предложенная А.И. Опариным.В1922 г. молодой, никому не известный биохимик Опарин сделал в Русском ботаническом обществе доклад о первичном происхождении жизни на Земле; в 1924 г.была издана его книга “Происхождение жизни”, в которой автор изложил основные этапы этого процесса:
1. абиогенный самопроизвольный синтез в первичной атмосфере Земли простейших органических веществ из неорганических;
2. образование из простейших органических веществ на основе физико-химических закономерностей структурных комплексов – коацерватов;
3. появление у коацерватов простейших биологических функций, т.е. превращение их в клетки.
В 1929 г. с похожей гипотезой выступил английский генетик Дж.Б.С. Холдейн.Он не был знаком с работой А.И. Опарина, поэтому предложенная гипотеза носит двойное имя Опарина-Холдейна. Однако нельзя не отметить, что Дж. Холдейн постоянно корректировал свои взгляды на проблему происхождения живого, старясь учитывать новые научные открытия. Опарин же всю жизнь твёрдо придерживался позиции, занятой им ещё в 20-е годы.
Гипотеза Опарина-Холдейна имеет целый ряд спорных и весьма уязвимых для критики положений. Главные из них – это так называемая проблема киральной чистоты, проблема возникновения генетического кода и механизма матричного синтеза.
Надо сказать, что существует довольно стойкий научный миф о том, что гипотеза Опарина-Холдейна, якобы, имеет экспериментальное подтверждение. Речь идёт об опытах Ст. Миллера (1953 г.). Однако строгий анализ полученных результатов свидетельствует об обратном: Миллер показал, что, идя по пути авторов гипотезы, в принципе невозможно воспроизвести ранние этапы самопроизвольного возникновения жизни. А.И. Опарин знал об этих затруднениях и даже пытался найти пути их разрешения, но это ему не удалось.
Нельзя не отметить, что А.И. Опарин в своих построениях подменил проблему происхождения жизни более частным вопросом об абиогенном возникновении аминокислот и далее – белков, а это вовсе не одно и то же. Как свидетельствуют люди, общавшиеся с А.И. Опариным в последние годы его жизни, он категорически отвергал всякие попытки обсудить проблему абиогенного возникновения нуклеиновых кислот, генетического кода и матричного синтеза. И причина этому вполне очевидна – его гипотеза молчит об этих важнейших этапах становления живого.
Думается, что заслугой А.И. Опарина и его школы является не нащупывание истинного пути возникновения живого (это им, увы, не удалось), а широкомасштабные биохимические исследования, которые показали, в каком направлении следует двигаться дальше.
В 1947 г. английский физик Джон Берналпредложил свой вариант возникновения жизни. Его теория носит название биопоэз(от греч. “биос” – жизнь, “пойесис” – создание). В настоящее время эта теория обретает всё больше сторонников, хотя проблемы, с которыми она сталкивается, в принципе те же, что и в гипотезе Опарина-Холдейна. Главная трудность состоит в том, что нет ответа на главный вопрос: каким образом в результате серии случайных событий мог возникнуть сложнейший механизм кодирования, хранения и воспроизведения генетической информации, свойственный всему живому.
Исследование этапов биохимической эволюции помогает осознать важную мысль: центральным событием, приведшим к рождению жизни, можно считать появление самовоспроизводящейся молекулы нуклеиновой кислоты. Конечно, это еще не была та самая “душа живая”, с которой началась эра жизни на Земле, однако трудно представить, чтобы жизнь началась с какой-то иной биологической молекулы. Эта первая “живая молекула” должна была обладать совершенно особыми, даже уникальными, информационными свойствами, так сказать “инструкцией обо всем” – как воспроизводить саму себя, как передавать информацию в поколениях в неискаженном виде, но вместе с тем быть способной мутировать для тонкого приспособления к меняющимся условиям среды.
Все эти уникальные свойства живого обеспечиваются генетическим аппаратом, или, говоря языком химии, нуклеиновыми кислотами(ДНК и РНК). Именно по этой причине их появление, можно считать первым шагом на пути рождения жизни.
Надо отметить достойный особого внимания факт – всё живое использует единую систему кодирования информации, т.е. универсальный генетический язык. Отсюда напрашивается важный вывод: проблема происхождения жизни (на биологическом уровне!) сводится к проблеме возникновения наследуемого механизма биосинтеза белков. Процесс этот немыслим без появления нуклеиновых кислот со всеми присущими им механизмами, обеспечивающими их самовоспроизведение. Как могли возникнуть эти механизмы? Многие исследователи отмечали, что здесь получается нечто вроде замкнутого круга, о чём образно сказал известный биолог, лауреат Нобелевской премии Ф. Жакоб: "Генетическая информация не может быть считана иначе, как посредством продуктов самого считывания. Без нуклеиновых кислот белки не имеют будущего, без белков нуклеиновые кислоты остаются генетически инертными. Что из них курица, а что яйцо? Где искать предшественников?"
В 60-е годы был предложен принципиально иной сценарий происхождения жизни, получивший название “Мир РНК”. Авторы этой гипотезы – Карл Вёзе, Френсис Крик и Лесли Орджел, предположили, что первой в водах древнего океана появилась молекула одноцепочечной РНК. Это событие, по их мысли, породило новую реальность, которую назвали “РНК-овый мир”.
Но почему именно РНК, если известно, что во всех живых организмах (за исключением некоторых вирусов) хранителем наследственной информации является не РНК, а ДНК. Тому есть ряд причин, однако из-за их сложности мы не можем с ними детально познакомиться. Стоит лишь сказать, что переход от РНК к ДНК, называемый обратной транскрипцией, – это процесс хорошо известный, не составляющий больших проблем.
Авторы гипотезы предположили, что “древняя” РНК обладала некоторыми особенными свойствами, которых нет (по крайней мере, они не обнаружены до сих пор) у современной РНК. Она могла осуществлять собственную репликацию, т.е. являлась одновременно и информационной молекулой, и ферментом. Кроме того, она могла сама катализировать синтез белков, не прибегая к помощи огромного ферментативного аппарата, как это происходит сейчас. Существуют ли какие-либо научные данные в пользу этого предположения? Судите сами.
Одним из косвенных доказательств считается открытие в 1983 г. особого фермента – рибозима. Этот необычный фермент является в химическом смысле не белком, как все ферменты, а рибонуклеиновой кислотой. Каковы его функциональные возможности? Они достаточно просты: разрезание и сшивание молекул РНК. Но получается любопытная вещь: РНК выполняет и информационную, и ферментативную функции. На этом сюрпризы рибозима не закончились. Был получен модифицированный рибозим, который способен даже сшивать отдельные рибонуклеотиды в небольшую цепочку РНК. Следовательно, рибозим ведет себя, как “классический” фермент белковой природы. Однако надо признать, что в живых организмах не обнаружено случаев репликации молекул РНК при участи рибозима. Если такое и возможно, то открытие этого многообещающего феномена еще впереди.
Вернёмся к гипотезе. Другим фактом, косвенно её подтверждающим, является открытие у РНК способности мутировать. Это важное, совершенно необходимое свойство для молекулы, которую прочат на роль предшественника генетического аппарата.
Итак, авторы гипотезы предположили, что молекула с этими гипотетическими свойствами появилась в водах древнего океана. События могли разворачиваться следующим образом:
Абиогенный синтез рибонуклеотидов
¯