Биохимическая эволюция

Сведениями о распространении жизни во Вселенной и о возможных ее внеземных формах наука не располагает. Весь наш опыт в этой области ограничен единственным доступным примером - Землей, но и эти знания о жизни далеки от полноты.

Может ли жизнь на Земле быть случайным для Вселенной событием, результатом совпадения маловероятных комбинаций? Сравнительно недавно признавалось, что такое мнение имеет право на существование. В наши дни два обстоятельства заставляют считать подобные допущения несовместимыми с новым научным мировоззрением. Во-первых, в последние десятилетия вскрыта чрезвычайная структурная и функциональная сложность "живого" вещества и законов, управляющих его развитием. Высочайшая степень упорядоченности и саморегулирования жизни не могли возникнуть из-за случайных стечений обстоятельств.

Во-вторых, под напором ставших известными фактов признается, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся, в частности, в нарастании со временем сложности и упорядоченности вещества и его структур во Вселенной. Жизнь - одна из самых высоких известных человеку форм упорядоченности вещества, которая может возникнуть только по достижении развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локальных системах, где предыдущее развитие подготовило необходимые условия для перехода к столь высокому уровню упорядоченности вещества. Такие условия могут возникнуть во многих локальных системах, например, на многих планетах, образовавшихся около звезд определенного типа. Но, видимо, лишь в небольшом числе случаев потенциальные возможности реализуются и здесь роль случайности велика. Однако природа такой случайности совсем другая, чем та, о которой говорилось вначале.

Еще в 20-х годах В.И. Вернадский утверждал, что переход на Земле от “неживого” вещества к простейшей жизни произошел на ранней стадии ее развития и занял узкий временной интервал (не более двух сотен миллионов лет). Появление жизни тесно связано с моментом возникновения земных океанов. Возраст Земли предполагается равным 4,6 млрд. лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом около 3,8 млрд. лет. Известны палеонтологические данные, позволяющие утверждать, что температура воды в первичных океанах была не слишком холодной, но и не превышала 58° С.

Следы древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а следовательно, и возраст останков жизни, оценен в 3,2- 3,5 млрд. лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и округлые микроорганизмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейших бактерий и микроводорослей. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химические элементы, соединения которых способны осуществлять фотосинтез. Обнаруженные древнейшие организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений неживого (абиогенного) происхождения. Нет сомнений, что это не самые ранние формы жизни, и что существовали их более древние предшественники. Истоки жизни уходят в тот “темный” первый миллиард лет существования Земли как планеты, который не оставил следов в ее геологической истории. Но именно тогда на Земле имели место условия, впоследствии более не повторявшиеся, когда появилась биосфера. С тех пор, насколько нам известно, живое вещество порождается только живым, а органические соединения, создаваемые организмами, отличаются от соединений того же химического состава, но абиогенного происхождения.

Одним из предполагаемых условий на ранней Земле, способствовавших возникновению на ней жизни, было существование первичной атмосферы, обладавшей восстановительными свойствами. Согласно палеонтологическим данным, анализ древнейших осадочных пород подтверждает восстановительный характер тогдашней атмосферы, кислород в которой практически отсутствовал. Зародившаяся жизнь долгое время развивалась в такой атмосфере, постепенно насыщая ее кислородом в результате процессов фотосинтеза. Критерием перехода атмосферы от восстановительной к окислительной считается достижение в ней концентрации свободного кислорода на уровне 0,01 от современного значения (22%). Это точка Пастера, когда микроорганизмы получают возможность перейти от процессов брожения к процессам дыхания. По современным данным, атмосфера Земли перешла этот рубеж примерно 2,55±0,2 млрд. лет назад..Затем за какие-нибудь две сотни миллионов лет ее насыщенность кислородом достигла современного уровня.

Эти данные подтверждают исходную точку зрения В.И. Вернадского о практически мгновенном в геологическом масштабе времени заселения планеты жизнью. Биосфера создала окислительную атмосферу Земли и не менее двух миллиардов лет поддерживает в ней современный уровень насыщенности кислородом.

Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует мыслящую часть человечества. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но наука все еще далека от ее решения. Как и сто, и двести лет назад, сегодня продолжаются споры о материальной сущности жизни: является ли она просто чрезвычайно упорядоченным состоянием тех же элементов, из которых состоит “неживое” 'вещество, или существуют пока неоткрытые элементарные “частицы жизни”, переводящие на определенном уровне концентрации “обычное” физико-химическое вещество из неживого в живое состояние. Веских доказательств справедливости той или другой точки зрения нет и выбор позиции определяется внутренним убеждением каждого участника спора.

Ни в коей мере не предрешая конечные результаты противостояния мнений (это сделают фактические, данные будущих исследований), обратим внимание на следующее обстоятельство, В науке прочно утвердился принцип, сформулированный еще в XIV в. английским философом Уильямом Оккамом (ок. 1285- 1349) и названным в его честь “бритвой Оккама”: “Не умножай сущностей без необходимости”. Вот два примера, демонстрирующие как справедливость самого принципа, так и вредность поспешного отказа от него.

200 лет назад сложилось убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями лежит непроходимая пропасть. Для подобного мнения были основания: известные тогда органические соединения создавались живыми организмами и другими способами их получить не удавалось; свойства органических соединений были иными, чем у неорганических веществ. Но после того, как из обычных химических элементов и их соединений было синтезировано первое органическое соединение - мочевина, миф о двух разных сущностях, о разной природе органического и неорганического вещества рухнул, а на его месте родилась химия углерода, или органическая химия. Предмет ее изучения - углерод и его особые многоатомные молекулы,

включающие атомы водорода, азота, кислорода, фосфора, серы и других известных элементов и создающие основу как органических молекул, так и собираемых из них живых организмов.

Другой пример. Долгие годы исследователи не могли понять, почему практически все биохимические реакции протекают в организмах с высокими скоростями, а любые попытки их инициирования и поддержания при тех же температурах и давлениях вне организмов терпят неудачу. Возникла гипотеза об особой сущности реакций в организме, отличной от химической. Но вскоре были открыты материальные носители этой "сущности" - ферменты, направленно вырабатываемые в клетках организма и служащие катализаторами соответствующих биохимических реакций. Позже удалось расшифровать химический состав некоторых из них. Вместо гипотезы в органической химии появился раздел, изучающий и расшифровывающий химический состав ферментов, механизмы их работы и другие физико-химические аспекты этих соединений.

Приведенные примеры раскрывают одну из особенностей познания нового. При столкновении с явлением, не укладывающимся в известные до этого представления, у исследователя возникает соблазн пойти по самому легкому пути в поисках его объяснения. Непонятное проще всего объяснить опять же непонятным, вводя новую сущность. На время создается иллюзия, что все понятно. Принцип Оккама предупреждает о бесперспективности такого пути. Но этот принцип не отвергает введения новой сущности после того, как получены доказательства ее реальности или исчерпаны возможности объяснить эффект в рамках “консервативных” представлений. На сегодня возможности объяснить неимоверную сложность, устойчивость, упорядоченность, тончайшую подгонку всех структур и функций живых организмов на базе физико-химических представлений не исчерпаны.

Рассматривая проблему возникновения жизни естественным путем, ученые выделяют три основных этапа предположительного, перехода от "неживого" к "живому":

• этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;

• этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липоидов, углеводородов;

• самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур данного состава, завершающееся образованием простейшей клетки.

Не все ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего этапа признаки прояснения наметились лишь в самые последние годы.