(Продолжение. Начало см «Наука, и жизнь» № 7)
Прилетали ли на Землю инопланетяне? Далеко ли от Земли могут быть обитаемые миры? Исследователям, которые пытаются ответить на эти вопросы, многое могут рассказать пришельцы из космоса - метеориты. Тщательное их исследование помогает выяснить, насколько вероятно зарождение жизни на космических телах, и, следовательно, позволит оценить вероятность существования во Вселенной населенных миров.
КАЛЕЙДОСКОП СЕНСАЦИЙ
Уже с самого начала исследований метеоритного вещества начались, и находки, имеющие то или иное отношение к проблеме возникновения жизни. Еще в прошлом веке - в 1806 году - в метеорите Алэ был обнаружен углерод - химический элемент, на основе которого развилась земная жизнь. Через 30 лет в том же метеорите были найдены некоторые органические соединения, составившие примерно 1 процент от веса метеорита. Еще через 25 лет в метеорите Колд Боккевелд было обнаружено смолоподобное вещество, которое назвали метеоритной нефтью.
Все эти находки были сделаны в крупинчатых каменных метеоритах - хондритах. Позднее из их числа выделили углистые хондриты - особый класс метеоритов с заметным, до нескольких процентов, содержанием углерода.
Первые находки породили, и первые дискуссии. Появились гипотезы биогенного, и абиогенного происхождения метеоритных органических соединений. Первая из них - биогенная - утверждала, что органические соединения - это результат, какой-то жизнедеятельности в самих метеоритах или на той планете, с которой они прилетели. Вторая гипотеза - абиогенная - предполагала, что биология здесь ни при чем, что органические соединения в метеоритах образовались в результате химических реакций, путем прозаического соединения углерода, водорода, кислорода, серы, и других элементов в сложные молекулы.
Здесь, по-видимому, уместно заметить, что если бы восторжествовала биогенная гипотеза, если бы, исследуя метеориты, можно было доказать существование жизни еще где-нибудь, кроме Земли, то это было бы огромной победой сторонников населенного космоса. Если жизнь могла зародиться не только на Земле, значит, процесс этот - зарождение жизни - не прихоть случая, а закономерность.
После первых открытий в исследовании углистых хондритов наступил перерыв чуть ли не в 50 лет. В это время были сделаны лишь единичные работы, не добавившие, каких-либо принципиально новых сведений. Зато, начиная примерно с 1950 года, после появления новых, совершенных приборов, и методов тонкого химического, и структурного анализа, один за другим пошли, и новые научные результаты.
Самым сенсационным, конечно, было обнаружение в метеоритах уже не просто органических соединений, а остатков целых живых' существ - остатков различных микроорганизмов. Многие исследователи рассмотрели в углистых хондритах сложные структуры, получившие общее название «организованные элементы». Раньше других - это случилось в 1961 году - в метеоритах Ивуна и Оргей было обнаружено пять типов фоссилизированных, то есть, как бы «засушенных» тысячелетиями водорослей. В среднем в одном миллиграмме метеоритного вещества обнаруживалось до 1 700 фрагментов водорослей размером от 4 до 30 микрон. Один из пяти типов - водоросли с фрагментами гексагональной формы - не имел никаких земных аналогов. Трудно было найти лучшее доказательство того, что гексагональные водоросли являются представителями внеземной жизни.
Открытия следовали одно за другим, одно другого интересней. Вот уже найдены в метеоритах Алэ, и Тонк новые фрагменты водорослей, получивших собственные имена - Diadophore berzelli и Apolinarisphaera nieteoriticola. А в метеорите Оргей обнаружено несколько типов одноклеточных микроорганизмов, в их числе два ранее неизвестных, и названных Caelestites sexangu-latus и Clausisphaera fisa. Уже в метеоритах Мигеи и Оргей найдено более 20 форм клеточных оболочек, а также пыльца и споры. Составлены каталоги поразительных находок, и попутно отмечено, что «организованные элементы» чаще всего имеют размеры 3, 5 и 9 микрон. Это соответствует трем главным типам метеоритных микроорганизмов. Обнаруживаются все более сложные структуры, и даже наблюдаются, как бы застывшие картины клеточного деления.
Одним словом, большое число исследований метеоритного вещества, выполненных буквально за, каких-нибудь 3 - 4 года разными исследователями в разных лабораториях разных стран, дает наконец убедительное экспериментальное подтверждение идеям существования жизни на иных, кроме Земли, небесных телах.
Эксперименты эти могли бы, конечно, навсегда прекратить дискуссии оптимистов и пессимистов, если бы не одно существенное «но». Микроорганизмы, споры, пыльца, клеточно-подобные структуры, обнаруженные в углистых хондритах, все эти открытия - все! - сделанные разными исследователями в разных лабораториях разных стран, вскоре были признаны ошибочными, и поток сенсационных открытий сменился потоком сенсационных опровержений.
Не следует думать, что взлет и падение жизнеподобных «организованных элементов» происходили в разговорном жанре. И те, кто открыл жизнь в метеоритах, и те, кто ее «закрыл», тщательно исследовали метеоритное вещество, добывали истину во всеоружии тонких аналитических приборов и методов. Но, видимо, у открывателей метеоритной жизни просто не хватило дефицитного иногда продукта - осторожности в оценке результатов. За чистый эксперимент приходится платить дорого, и средствами, и временем, и тягостными сомнениями, и даже возможностью опоздать с открытием. За чистый эксперимент приходится платить дорого, но вряд ли здесь можно, что-либо сэкономить.
Все следы микроорганизмов в метеоритах были признаны либо причудливыми, минеральными зернами, сложными образованиями мертвого метеоритного вещества, либо следствием контаминации. Слово это - «контаминация» - коварным призраком стоит теперь за спиной каждого исследователя метеоритов, и означает оно не, что иное, как загрязнение. Контаминация была доказана разными методами, в том числе, и очень простыми. И очень убедительными.
Об одном из таких доказательств рассказывает известный советский микробиолог академик А. А. Имшенецкий.
- В свое время в Институте микробиологии Академии наук была начата разработка методики микробиологических анализов метеоритов. Был сконструирован, и изготовлен металлический бокс со стеклянными окнами, внутри которого находилось сверлильное устройство. В стенку бокса были вделаны резиновые перчатки для рук экспериментатора. Перед работой бокс помещался в большой автоклав. В боксе в стерильных условиях брались пробы из кусков горных пород, и метеоритов, и высевались в жидкую питательную среду.
В первую очередь следовало выяснить пригодны ли метеориты, упавшие на Землю, для микробиологических анализов? Не загрязняются ли они почвенной микрофлорой уже после падения? Чтобы выяснить это, куски горных пород, и метеориты были предварительно тщательно простерилизованы, и размещены на почве в различных районах нашей страны. Контролем служили стерильные куски, хранившиеся в лаборатории. Через различные сроки куски образцов раскалывались в стерильном' боксе пополам, и из центральных частей на расколотой поверхности брались пробы для анализа.
Эти эксперименты позволили прийти к следующим выводам 1) куски горных пород, и метеориты, пролежавшие на поверхности снега или льда в Арктике, не загрязняются в своих центральных частях микроорганизмами; 2) все образцы, находившиеся под Москвой на поверхности почвы, уже через 4 дня были загрязнены почвенной микрофлорой.
Значит, метеориты, упавшие на поле или в лес, совершенно непригодны для микробиологического анализа. Теперь становится понятным, почему в метеоритах находили так много разнообразных микроорганизмов. Это все были вульгарные формы, которые легко найти в почве. Стерилизация поверхности метеоритов ничего не могла дать, так, как микробы проникают в центральные части метеорита вместе с почвенной влагой из-за его пористости. Пористость метеоритного вещества обнаруживается уже в самых простых опытах.
Неудачи с «организованными элементами» в метеоритном веществе, бесспорно, давали повод для иронических улыбок. Однако сама идея исследования метеоритов не была скомпрометирована. И прежде всего потому, что к моменту, когда вовсю полыхали страсти разоблачения метеоритных лжебактерий, удивительные результаты были получены в очень скромных на первый взгляд исследованиях химического состава углистых хондритов.
Об этих находках попросим рассказать одного из исследователей метеоритного вещества, Г. П. Вдовыкина, научного сотрудника Института геохимии, и аналитической химии имени В. И. Вернадского АН СССР.
- Расскажите, пожалуйста, Геннадий Петрович, о методах исследования органических соединений в метеоритном веществе.
- Это, по сути дела, все современные методы тонкого химического, и структурного анализа, включая все спектроскопические методики - электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, спектроскопию в видимой, инфракрасной, ультрафиолетовой области, исследование собственного свечения - люминесценции - некоторых соединений, а также рентгеновские методы изучения структуры сложных молекул, термический анализ, электронная микроскопия, и многие другие тонкие, и точные методы. Вначале, как обычно, из метеоритного вещества с помощью различных органических растворителей извлекают те или иные группы битумообразных соединений. Производится их элементарный микроанализ с точностью до сотых долей процента определяется содержание углерода, азота, водорода, серы, хлора, и других элементов. Затем люминесцентный анализ, и комплекс спектрографических исследований - по спектрам поглощения узнаются те или иные конкретные соединения. Наконец изучение архитектуры соединений, в частности, по картинам дифракции рентгеновских лучей или электронных пучков, сталкивающихся с органическими молекулами. Такова схема исследований в предельно упрощенном виде. В действительности же в эту схему входят десятки очень сложных измерений, операций разделения веществ, сопоставления с известными соединениями, и контрольными образцами, не говоря уже, конечно, о бессчетном множестве вспомогательных операций. Детальное изучение веществ, какого-нибудь метеорита может занять годы.
- - Сколько же метеоритов удалось исследовать со столь высокой тщательностью?..
- Мне лично довелось участвовать в достаточно детальных исследованиях 8 углистых хондритов. Думаю, что в разных лабораториях мира исследовано еще около 10 метеоритов этого типа.
- Каковы в самых общих чертах полученные результаты? Какие из химических соединений, обнаруженных в метеоритах, могут, по вашему мнению, иметь интерес для людей, пытающихся представить себе картину происхождения жизни?
- Интересен сам факт существования в метеоритах сложных органических соединений - органических кислот, спиртов, углеводородов, фенолов, сахаров, порфиринов, и других. Особый интерес, конечно, представляют обнаруженные во многих углистых хондритах блоки, из которых собраны наши земные биологические полимеры. В числе найденных блоков 12 из 20 аминокислот, которые входят в белки, в частности, аминокислоты, лейцин, валин, глицин, метионин, аспарагиновая кислота, и другие. Из пяти азотистых оснований, блоков, из которых собираются молекулы нуклеиновых кислот, в метеоритах, найдено два - аденин и гуанин.
- Нет ли у вас опасения, что эти находки - результат контаминации, загрязнения?..
- В отношении большинства соединений таких опасений нет. Сама технология исследований. глубокий, и придирчивый анализ результатов подтверждают, что эти соединения принадлежат самому метеоритному веществу.
Недавно академиком А. П. Виноградовым, и мною описано сложное полимерное соединение, найденное в одном из фрагментов метеорита Мигеи. Его архитектура, некоторые особенности которой видны на дифракционной картине, чем-то напоминает двойную спираль ДНК. И хотя ясно, что сходство весьма отдаленное, мы, видимо, все же встретили сложный спиралевидный полимер. Малый вес фрагмента не позволил пока, к сожалению, произвести детальный его анализ.
В последнее время все чаще появляются сообщения об интересных «химических ископаемых», обнаруженных в метеоритах. К их числу нужно отнести, и вещества, обнаруженные в метеорите Мурчисон (США), который был найден сразу же после падения. Его тщательное изучение проводилось в Исследовательском центре НАСА, а также в Хьюстонском и Аризонском университетах. В мурчисонском метеорите, так же, как, и в других углистых хондритах, были найдены аминокислоты, и азотистые основания, но не те, что можно обнаружить в земных белках, и нуклеиновых кислотах. Это стало первым убедительным доказательством абиогенного происхождения находок. Об этом же не менее убедительно говорило другое - соотношение «левых», и «правых» форм органических молекул.
Органические молекулы, одинаковые по составу, и даже по архитектуре, могут все же отличаться, подобно тому, скажем, как рисунок отличается от своего отраженного в зеркале двойника, как правая рука отличается от левой. Рассмотреть в молекулах это отличие, разумеется, нельзя, но его можно обнаружить косвенным методом. Если направить на молекулы поляризованный свет, то один тип молекул повернет плоскость поляризации влево, другой тип - вправо. Эти молекулы часто так, и называют «левыми», и «правыми», или сокращенно L, и D (от латинских слов leius - «влево», и dextrus - «вправо»). Так вот, в подавляющем большинстве земных растений, и организмов встречаются только «левые» блоки - аминокислоты, и азотистые основания. И если бы метеоритные находки имели земное происхождение, то «левых» блоков должно было быть обнаружено несравненно больше, чем «правых». В то же время в мурчисонском метеорите «левых», и «правых» аминокислот оказалось поровну. Это стало вторым убедительным подтверждением абиогенного происхождения метеоритных органических соединений.
Итог. Следов живых организмов в метеоритах не найдено. Обнаруженные в них блоки живых молекул - аминокислоты, и азотистые основания-тоже нельзя считать следами жизнедеятельности. Одним словом, никаких признаков жизни метеориты в себе не несут.
Но именно это, как ни странно, говорит в пользу высокой вероятности возникновения жизни.
ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ СТАРТ И ФИНИШ
В те времена, когда люди мало, что знали об устройстве живых систем, зарождение жизни многим представлялось довольно просто. Так, например, Аристотель полагал, что животные могут зарождаться всякий раз, когда, какое-либо мокрое тело становится сухим или, наоборот, сухое тело становится мокрым. Распространенную для своего времени точку зрения изложил Шекспир устами одного из героев драмы «Антоний и Клеопатра»:
«Здешние земноводные рождаются из ила благодаря действию Солнца, как, например, крокодилы»
А вот строки из книги «Ortus Medicinae» (. Происхождение медицины») Ван-Гельмонта, известного голландского ученого XVII века:
«если вы набьете открытый кувшин нижним бельем, загрязненным потом, добавив туда некоторое количество пшеницы, то приблизительно через 21 день вы почувствуете изменение запаха, поскольку закваска, находившаяся в белье, проникает сквозь пшеничную шелуху, и превращает пшеницу в мышь. Но, что замечательно, так это то, что возникают (из пшеницы) мыши обоих полов, и эти мыши с успехом спариваются с мышами, которые произошли естественным путем, от родителей»
Шли годы, развивались биологические науки, добывалась истина. Но вслед за ней зловещей тенью всегда тянулись новые, еще более сложные проблемы, новые загадки. По мере того, как исследователям открывалась сложность живого, его многообразие, и совершенство, все более непонятным становилось, в частности, как оно - живое - могло зародиться само по себе. И многие выдающиеся умы своего времени не нашли иного выхода, как выбросить белый флаг, смириться, честно признать свое поражение перед таинствами жизни.
Выдающийся шведский химик прошлого века Йене Якоб Берцелиус:
«Когда мы рассматриваем наш организм, как машину, то, какими бы знаниями о его строении мы ни обладали, как бы глубоко ни понимали взаимодействие веществ друг с другом, причина большинства взаимодействий в живом организме остается так глубоко скрытой от нас, что мы наверняка никогда не сможем обнаружить се»
Английский физик Вильям Томсон:
«Невозможность самозарождения в, какое бы то ни было время нужно считать так же прочно установленной, как закон всемирного тяготения»
И даже Дарвин, правда, с оговоркой («в настоящее время.»):
«Рассуждать в настоящее время о происхождении жизни просто нелепо. С таким же успехом можно говорить о возникновении материи»
Но, конечно же, во все времена были исследователи, которым представлялось, что трудная проблема может все-таки быть решена. Вот, что писал сто лет назад Джон Тиндаль, известный физик-экспериментатор, автор нескольких прекрасных популярных книг о физике:
« я не могу остановиться там, где наши микроскопы перестают быть нам полезными. когда перестает видеть глаз, должен видеть разум. Интеллектуальная необходимость заставляет меня пересечь ту границу, где кончается очевидность, доступная проверке экспериментом, и попытаться увидеть перспективы, и возможности земной жизни в той самой материи, которую мы, в нашем неведении о ее скрытых силах. предали осмеянию»
«Интеллектуальная необходимость.» Может быть, именно она больше других стимулов заставляет задуматься над тем, как могла зародиться жизнь, придумывать для этого процесса правдоподобные модели.
В 1924 году в издательстве «Московский рабочий» вышла небольшая книжка советского биохимика, тридцатилетнего тогда Александра Ивановича Опарина. Книжка называлась «Происхождение жизни», в ней пропагандировались идеи естественной эволюции «от разрозненных элементов к органическим соединениям», и далее «от органических соединений к живому существу»
Автор писал:
«мы не имеем никакого логического права считать жизнь чем-то принципиально отличным от всего остального мира. Жизнь характеризуется не, какими-либо определенными свойствами, а особенной, специфической комбинацией этих свойств.
В течение колоссального периода существования нашей планеты - Земли, - несомненно, должны были создаться такие условия, при которых могло бы осуществиться сочетание ранее разрозненных свойств в характерную для живых организмов комбинацию. Найти эти условия - значит объяснить происхождение жизни»
Пафос книги академика А. И. Опарина, его твердая уверенность в том, что механизмы зарождения жизни могут быть раскрыты, получили мировое признание, а сам ученый по праву считается одним из пионеров современного научного подхода к проблеме.
Известный английский кристаллограф, и общественный деятель профессор Джон Бернал писал о книге «Происхождение жизни»:
«Ее следует рассматривать не, как плод длительных исследований знатока, но скорее, как свежий подход молодого человека к старой проблеме. Она ознаменовала начало новой фазы. в понимании' процессов, связанных с происхождением жизни. Это направление с тех пор непрерывно развивает сам Опарин, а кроме того, оно породило многочисленные исследования других ученых»
Минуя большинство этих многочисленных исследований, сделанных за 50 лет, а вместе с ними минуя многочисленные удачи, и разочарования самих исследователей, мы вернемся из недалекого прошлого обратно, в наши дни. Посмотрим, какой сегодня представляется проблема возникновения жизни.
Но прежде стоит ограничить само понятие «возникновение жизни», провести для него две пограничные линии на огромном полотне истории планеты.
Мы не будем интересоваться происхождением химических элементов, хотя, конечно, все начинается именно с них. И прежде всего они, их свойства определяют ход всех процессов, которым дано имя Жизнь. Как образовались атомы? Почему химические элементы именно такие, а не иные? Чем определился их ассортимент? Их различия? Оставим эти вопросы, как говорится, до лучших времен, и будем считать, что «возникновение жизни» началось на сформировавшейся уже Земле и, что был на ней в то время весь современный набор химических элементов, в точности таких, какие известны нам сегодня. Это первая пограничная линия, линия старта, начало «возникновения»
Вторая пограничная линия - конец «возникновения» - пройдет там, где появились первые живые клетки, первые одноклеточные организмы - водоросли, бактерии. Все, что произошло потом, - усложнение живых систем, образование видов, совершенствование организмов, - все это уже в сфере действия дарвиновской теории естественного отбора (см. «Наука, и жизнь» №№ 3, 6, и 8, 1973 г.).
Таким образом, «возникновение жизни» - это участок от образования планеты с полным набором химических элементов до появления первой клетки. Участок этот - именно его принято называть химической эволюцией - многие исследователи делят на три части, три взаимосвязанных «возникновения», три шага от неживого к живому:
- шаг первый из химических элементов возникают аминокислоты, азотистые основания, сахара, порфирины, и другие блоки, из которых могут строиться большие биологические молекулы;
- шаг второй из этих блоков возникают сами большие молекулы, предшественники современных белков, и нуклеиновых кислот;
- шаг третий на основе больших молекул возникают строго организованные простейшие живые структуры, способные прежде всего к самовоспроизведению.
На все эти три шага, на всю химическую эволюцию отводится примерно 1 - 1.5 миллиарда лет. Почему именно столько? Откуда взялись эти цифры?
Вероятный возраст земной коры - 4,5 миллиарда лет. С другой стороны, ископаемые микроорганизмы, химические соединения говорят о том, что 3 - 3,5 миллиарда лет назад началась биологическая, дарвиновская эволюция. Так, например, в глинистом сланце Нансач (район озера Верхнее, США), возраст которого - 1,05 миллиарда лет, обнаружены остатки морских водорослей, и грибов. В железоносной формации Ганфлинт (район озера Онтарио), насчитывающей 1,9 миллиарда лет, найдены остатки не встречающихся ныне звездообразных, и шарообразных микроорганизмов, палочковидные структуры, нити, напоминающие современные сине-зеленые водоросли. Отпечатки примитивных водных растений находят в ископаемых известняках Южной и Центральной Африки, в частности Сахары. Их возраст достигает 2,7 миллиарда лет.
В сланцевых вкраплениях железоносной формации Соуден (северо-восток штата Миннесота, США) - ее возраст 2,7 миллиарда лет - найдены химические соединения, которые явно имеют биогенное происхождение. Подобные же соединения найдены в Южной Африке, в древней гранитной формации Фиг-Три, возраст которой 3,2 миллиарда лет.
Отсюда, и получается, что на все три шага химической эволюции, и остается 1 - 1,5 миллиарда лет.
ПАДАЕТ ВНИЗ.
Нас удивляет сложность клеточных структур, но справедливости ради вначале нужно было бы удивиться сложности молекул.
Объединение атомов в молекулу - процесс сложный. Он связан с серьезной перестройкой самих этих атомов, с противоборством многих сил, содействующих или препятствующих такому объединению. События, с которыми связано рождение даже сравнительно простой молекулы, наверняка могли бы послужить основой для многосерийного приключенческого фильма с высокой концентрацией драматизма, множеством сюжетных хитросплетений, с калейдоскопом битв, поражений, и побед.
Начнем хотя бы с того, что положительно заряженные ядра объединившихся атомов отталкиваются друг от друга, стремятся разрушить молекулу, развалить ее.
Развалу молекулы решительно противодействует обобществление некоторых электронов - каждый из них движется теперь одновременно вокруг двух, а то, и нескольких ядер и, как бы стягивает их, связывает в единую систему. При этом орбиты электронов сжимаются, приближаются к ядрам, и в итоге меняется скорость движения электронов по орбите, меняется их кинетическая энергия. Кроме того, начинают работать силы электрического взаимодействия каждого ядра не только со «своими», но, и с «чужими» электронами, а в ряде случаев, и их собственные магнитные поля. Пытаются сказать свое слово, и силы гравитационного взаимодействия между частицами, магнитные поля ядер, дополнительные силы взаимодействия сменивших орбиту обобществленных электронов со своим ядром, и с электронами, оставшимися на старых орбитах, не сумевшими выйти за границы атома.
Можно насчитать десятки разных эффектов, сопровождающих образование даже самой простой молекулы - двухатомной молекулы водорода Н2, в которой всего два электрона. Картина резко, лавинообразно усложняется, когда в молекулу объединяется несколько атомов, особенно атомов с большим числом электронов.
Все эти эффекты сложным образом взаимосвязаны, и взаимообусловлены. И именно они все вместе определяют, каким будет равновесное устойчивое состояние системы, какой в итоге получится молекула.
Образование молекул - процесс сложный. Но по, какому бы сценарию он ни развивался, к, какой бы конструкции в итоге ни приводил, процесс этот подчиняется тонким законам квантовой механики, этой конституции микромира. И безоговорочно подчиняются одному из самых общих законов природы «Система всегда стремится к минимуму свободной энергии». Этот закон можно проиллюстрировать рядом очевидных истин. Например, такой «Пружина всегда стремится к минимуму растяжения, старается сжаться». Или такой «Камень всегда стремится к минимуму высоты, стремится упасть вниз»
Свободная энергия устойчивой молекулы все ее пригодные для «свободного обмена» энергетические запасы (в них входит кинетическая энергия движущихся частиц, потенциальная энергия притяжения электронов к ядру, энергия магнитных взаимодействий, и т. п.) меньше, чем была суммарная свободная энергия атомов до их объединения. Наверное, так же уменьшается суммарная энергия мальчишек, когда они с перемены прибегают в класс, и садятся за парты. Объединяясь в молекулу, атомы «падают вниз», переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий. Стремление к минимуму свободной энергии - это великая созидающая сила, сила, которая правит миром химии. Это тот ветер, который надувает паруса всех, и всяких химических превращений, быстрых, и медленных, простых, и сложных - от образования двухатомной молекулы водорода до полимеризации сотен молекулярных блоков в огромные белковые цепи.
Но это еще не все.
Взгляните на довольно простую молекулу метана. Ее четыре луча вписались в строгий тетраэдр, разлетелись из центра под одинаковыми углами друг к другу - ровно 109 градусов 28 минут. Кто создал эту изящную фигуру? Все то же «падение вниз», стремление к минимуму свободной энергии. Атомы водорода автоматически заняли такие положения, при которых потенциальная энергия их взаимного отталкивания минимальна. Подобным же образом, подчиняясь строгим правилам, происходят, и другие чудеса, возникают все другие, в том числе, и самые сложные, молекулы.
Наше воображение удивляет возможность само возникновения живых структур. Но справедливости ради нужно было бы вначале удивиться возникновению молекул, красоте, и сложности их архитектуры. И вот оказывается, что здесь удивляться нечему. Возникновение молекул - совершенно естественный процесс. Это «падение вниз», или, как часто говорят, сползание на дно потенциальной ямы, движение к устойчивой, и вполне определенной структуре, самой выгодной из всех возможных. Молекулы получаются именно такими, какими они получаются, потому, что они должны получиться именно такими.
Во всем этом, правда, есть одна тонкость - чтобы упасть вниз, нужно находиться наверху. Многие молекулы образуются лишь после того, как необходимое для них сырье - атомы или более простые молекулы-полуфабрикаты - «накачиваются» извне определенным количеством избыточной свободной энергии. Причем очень часто молекула образуется в результате многоступенчатых реакций, проходя через несколько промежуточных устойчивых состояний, через несколько энергетических «подъемов», и «падений»
Именно так из наборов простых природных соединений - метана СН, аммиака NH3, окиси углерода СО, воды Н2О, и других - удается в лабораторных условиях, в пробирке, как говорят химики, получать аминокислоты, азотистые основания, сахара, и другие блоки больших биологических полимеров. «Накачку» свободной энергии при этом производят так, чтобы воссоздать условия, которые могли быть на первобытной Земле. Например, повышают температуру смеси исходных веществ (это правдоподобно - температура на поверхности первобытной Земли могла быть весьма высокой, особенно в районах действия многочисленных вулканов), подвергая смесь сильному ультрафиолетовому облучению (и это правдоподобно - над первобытной Землей не было, по-видимому, защитной атмосферы) или пропуская через смесь электрический разряд (он должен имитировать удары молнии). Удачно используется также радиоактивное излучение, ударные волны (они имитируют землетрясения) и разные комбинации разных способов «накачки»
Впервые синтез одной из аминокислот - цитозина - почти двадцать лет назад осуществил С. Миллер, в то время студент-астрофизик Чикагского университета. Сегодня благодаря исследованиям нескольких групп ученых, в частности советских биохимиков Т. Павловской, А. Пасынского, американцев Д. Фокса, С. Поннамперумы, испанца Д. Оро, детально изучены механизмы абиогенного синтеза практически всех биологически важных мономеров всех блоков, которые мы встречаем в живой природе.
Многое стало ясно, и в отношении второго шага химической эволюции - образования больших молекул, аналогов белков и нуклеиновых кислот. Собственно говоря, сама «сшивка» мономеров в большие молекулы, образование полимерных цепей - процесс, известный давно. И давно освоенный не только в пробирке, но, и в огромных реакторах химических комбинатов. Задача поэтому состояла в том, чтобы получить полимеризацию конкретных биомономеров и прежде всего аминокислот, из которых собираются белки, и азотистых оснований, из которых собираются нуклеиновые кислоты. И опять-таки все это нужно было привязать к конкретным физическим условиям - условиям первобытной Земли.
Вот лишь один из полученных результатов.
-Найдены вполне правдоподобные для первобытной Земли условия, при которых в пробирке хорошо полимеризуются аминокислоты, и образуются полипептиды. Эти соединения можно было бы назвать белками, но их так не называют. И вот почему. Соединяясь друг с другом, аминокислоты образуют так называемую пептидную связь - аминогруппа (NH2) первой аминокислоты соединяется с гидроксильной группой (СООН) второй аминокислоты (при этом, кстати, выделяется молекула воды). Таким же способом ко второй аминокислоте присоединяется третья, к третьей - четвертая, и так далее. Образуется полимер с большим числом пептидных связей - полипептид. Пептидная связь - явление совершенно рядовое. Это тоже «падение вниз», уменьшение свободной энергии соединяющихся молекул после небольшой их энергетической «накачки»
Все белки - это полипептиды, такие же в принципе, как и полипептиды, полученные в пробирке. Но только в белках существует строгая последовательность аминокислот, строгий порядок их расположения в полимерной цепи. Этот порядок создается в химических реакторах живой клетки при сборке белков по точным чертежам - молеку лам нуклеиновых кислот. Вот почему живые реакторы могут выпускать совершенно одинаковые белки, похожие друг на друга, как две капли воды. А полипептиды, абиогенно синтезированные в пробирке, - все разные. В них аминокислоты соединяются друг с другом беспорядочно, без, какой-нибудь определенной последовательности - кто раньше подошел, тот раньше, и стал в строящуюся полимерную цепочку. Часто пользуются таким сравнением – белок, это книжная строка, в которой буквы упорядочены, из них сложены слова. А синтетический полипептид - это строка с беспорядочно перепутанными буквами - их сочетания не имеют никакого смысла. То же самое, кстати, можно сказать и о других синтезированных в пробирке полимерах - полинуклеотидах, подобии нуклеиновых кислот. Синтетические, и «живые» полимеры всем похожи друг на друга, кроме одного - кроме порядка.
Кстати, то, что абиогенно синтезируются беспорядочные, «бессмысленные» полипептиды и полинуклеотиды, не может бросить тень на эксперименты по моделированию второго шага возникновения жизни. Создание порядка в больших биологических системах, в том числе, и в больших молекулах, - это уже третий шаг возникновения. Что же касается второго шага - образования больших биоподобных молекул,-то эксперименты в пробирке доказали его высокую вероятность, доказали, что нет ничего сверхъестественного в конструкции известных биологических полимеров. Отсутствие, какой-либо принципиальной разницы между «живыми» и синтезированными в пробирке большими молекулами подтверждается скрупулезными физическими, и химическими исследованиями. И еще простым житейским фактом - синтезированные полипептиды прекрасно выполняли роль корма для бактерий, и грызунов.
Специально для скептиков, для тех, кто сомневается в доказательствах высокой вероятности первого, и второго шагов возникновения жизни. («Знаем мы эти штучки. Где гарантия, что выбирался реальный состав исходных веществ? Где гарантия, что условия в пробирке повторяют то, что бы. HI на реальной Земле? Где гарантия, что не забыт, какой-нибудь самый главный, хотя пока и неизвестный фактор?..»), приведем еще один аргумент, по части которого некому, во всяком случае, в пределах нашей планеты, предъявлять подобные претензии. Помните, чем кончились все сенсации с обнаружением жизни в метеоритах? Они кончились всеобщим признанием того, что никаких следов жизни в метеоритах нет. В то же время в этих космических пришельцах обнаружены блоки, из которых строятся биологические полимеры. Обнаружены даже некоторые из этих полимеров. Что отсюда следует? Л то, что природа довольно твердо, и привычно, с высокой вероятностью, делает первые шаги на пути от неживого к живому.
К сожалению, пока нет оснований, чтобы сказать то же самое о последнем, третьем шаге возникновения жизни.
(Окончание следует.)
