А.ДЖ.КЕРНС-СМИТ
Первыми организмами могли быть кристаллы глины
ПРИ ВСЕМ разнообразии ныне существующих на Земле форм жизни у них есть общее: главные молекулярные механизмы у современных организмов, как было неоднократно показано, одни и те же. Установление этой общности биохимической организации — одно из крупнейших открытий за последние сто лет. Нет никакого сомнения, что оно проливает свет и на историю эволюции. Но, как мне кажется, при рассмотрении самых первых этапов эволюции концепция единства биохимической организации не приносит большой пользы.
Сказанное противоречит наиболее широко распространенной точке зрения относительно зарождения жизни. Принято считать, что до возникновения первых организмов, или, иными словами, до возникновения систем, способных к неопределенно долгой эволюции под действием естественного отбора, происходила иная, химическая эволюция, в ходе которой образовался некий набор молекул, своего рода универсальный конструктор, из которого «собраны» ныне существующие организмы. В этот набор входили аминокислоты, сахара и молекулы других типов.
Такая точка зрения имеет свои корни в исследованиях 20-х годов, когда советский биохимик А.И.Опарин и английский биолог Дж.Холдейн создали концепцию «первичного бульона», содержавшего органические молекулы, которые существовали в океанах до зарождения жизни на Земле. Предполагалось, что «бульон» образовался в результате геохимических процессов и воздействия различных энергетических процессов на атмосферу, которая в чем-то напоминала существующую сегодня на Юпитере — в ней преобладали неокисленные газы метан, аммиак и водород. Этого мнения относительно состава первичной атмосферы придерживался Г.Юри. В его пользу говорили результаты опытов С. Миллера (в ту пору студента в лаборатории Юри), которые он выполнил в начале 50-х годов. Через смесь газов, которые предположительно входили в состав примитивной атмосферы, Миллер пропускал электрические разряды («молнии») и после этого обнаружил в ней водорастворимые молекулы органических веществ. Не менее 15% углерода, входившего первоначально в состав метана, превращалось в относительно небольшое число некрупных молекул, включая четыре из двадцати аминокислот, образующих белки — эффект весьма впечатляющий. Не менее убедительны результаты экспериментов X.Оро, которые он провел в начале 60-х годов. Оро показал, что молекулы синильной кислоты HCN в одностадийной реакции могут конденсироваться с образованием аденина. Ранее Миллер продемонстрировал, что синильная кислота может образовываться в опытах с электрическими разрядами. При этом происходило образование малых молекул еще одного типа — формальдегида СН2О; а уже лет сто известно, что молекулы формальдегида также способны объединяться с образованием Сахаров, таких, как рибоза, являющаяся одним из компонентов РНК.
Думалось, что формирование адекватного «конструктора для начинающих» в таких условиях было лишь вопросом времени. Замечание скептиков, что первичная атмосфера на Земле могла иметь иной состав, чем ныне на Юпитере (а сегодня так считают многие), не казалось существенным, поскольку эксперименты с искусственными атмосферами другого состава и при использовании иных источников энергии давали похожие смеси аминокислот.
ВСЕ ЖЕ первоначальные предположения не нашли подтверждения. Экспериментальный подход, предложенный Миллером, не имел развития. В таких опытах при имитации условий, существовавших на ранних этапах развития Земли, даже простейшие молекулы образуются в очень небольших количествах. Дело осложняется и тем, что эти молекулы составляют обычно лишь малую часть продуктов реакций. Трудно представить себе, как осуществлялись их отделение и очистка в ходе геохимических процессов, в которых обычно смеси органических веществ, напротив, становятся все более беспорядочными. Чем сложнее молекулы, тем более усугубляются эти противоречия. В частности, трудно представить себе чисто геохимическое образование нуклеотидов (мономеров ДНК и РНК). Во всяком случае, в имитационных экспериментах типа тех, что ставил Миллер, образование нуклеотидов до сих пор не наблюдалось.
Остается ли, несмотря на все сказанное, в пределах здравого смысла предположение, что конструктор должен был образоваться в самом начале? Действительно или ложно, что:
1) самые главные молекулы жизни одинаковы у всех организмов, живущих сегодня на Земле;
2) по меньшей мере некоторые из этих молекул могли образоваться в условиях, характерных для ранних стадий истории Земли?
Я думаю, что эти утверждения уводят нас в сторону, а то, что их два, еще больше ухудшает дело.
Неправомерность первого из них выявляется при анализе единства биохимии, когда мы вспоминаем, что для всех организмов общим является нечто большее, чем конструктор из малых молекул. Имеется система — общий план организации, который всегда одинаков. Взаимодействие механизмов в такой системе чрезвычайно сложное. Даже единичная молекула белка — это сложное образование, в котором специфически соединены тысячи атомов, а ведь для жизнедеятельности нужны сотни таких должным образом организованных молекул. Одно из звеньев, где потребность в белках выражена наиболее ярко (и где они должны быть наиболее «noдогнаны»), — механизм биосинтеза белка. Этот типичный пример клубка проблем представляет другой аспект единства биохимии — тесную взаимосвязь всех компонентов жизнедеятельности. Наконец, существует и произвольность в наших представлениях относительно некоторых свойств самого комплекса основных механизмов. Так, код для «перевода» текста РНК в последовательность белка, всюду практически одинаков, а набор аминокислот везде один и тот же. Трудно поверить, что был возможен только один работоспособный код или один набор аминокислот или что они были наилучшими для всех организмов при всех обстоятельствах.
Вне сомнения, наиболее правильно заключить из этого детального рассмотрения единства биохимии следующее:
1) все живое на Земле происходит от общего предка,
2) на эволюционном древе этот предок располагается достаточно высоко и
3) главная биохимическая система к этому времени уже сложилась.
Тот факт, что она оставалась без изменений столь долго, определялся, без сомнения, взаимосвязанностью ее компонентов и сложностью. Это сложность того же типа, что и в инженерных разработках высшего уровня, когда многие тщательно отобранные компоненты настолько тесно взаимосвязаны, что ни один из них не может быть изменен. Такая «умная машина» могла быть лишь продуктом эволюции. В то же время далеко не ясно, сложился ли в результате эволюции и набор вошедших в ее состав компонентов. Итак, можно заключить, что единство биохимической организации сложилось не на начальных этапах эволюции, а гораздо позже.
ГЛИНА КРИСТАЛЛИЗУЕТСЯ из слабых растворов, которые образуются при просачивании воды сквозь выветренные породы. Слева кристаллы галойзитовой глины, которые растут в воде, просачивающейся сквозь трещины в граните (электронная микрофотография: увеличение х 3750). Справа кристаллы иллита, растущие в порах песчаника (увеличение х 16 000). Процессы такого рода могли играть главенствующую роль при возникновении жизни.
Второй постулат из вышеприведенной пары можно перефразировать так: «некоторые из важнейших биохимических компонентов живого получить очень легко — и точка». На доказательство и дополнение его новыми данными были нацелены эксперименты, выполненные вслед за экспериментами Миллера. Действительно, оказалось, что ряд веществ, к числу которых принадлежат некоторые простейшие аминокислоты, легко получить в самых разнообразных условиях, а не только сходных с существовавшими на ранних этапах эволюции Земли. Это «и точка» в постулате смазывает историческую перспективу, поскольку, приняв постулат, мы должны будем предполагать, что суть длительного эволюционного процесса заключалась в объединении компонентов, иные из которых было не слишком сложно соединить вместе и которые обладали достаточной стабильностью. Как и в случае первого постулата, все это мало говорит нам о событиях, происходивших у основания эволюционного древа.
Конечно, мы можем продолжать считать, что первые организмы были образованы из молекул тех же типов, что и современные, но такую точку зрения нужно рассматривать лишь как гипотезу, не имеющую подтверждений.
На самом деле имеется много оснований для сомнений. Прежде всего вспомним об исключительной сложности и взаимосвязанности основных биохимических процессов. Первые организмы не могли быть устроены таким образом. В них должны были действовать относительно простые «молекулярные машины», которые могли без особого труда вступать во взаимодействие и которые «работали» проще (выражаясь фигурально, это были копья, а не пулеметы). Здесь мы имеем дело с иным подходом к проблеме: он должен привести к мысли, что первые организмы имели другое строение, чем современные, и состояли из других веществ. Это справедливо и для вещей, сделанных человеком: для создания сложных и простых устройств нужны и разные материалы, и разные составные части. Не пытайтесь отыскать хоть одну костяшку от деревянных счетов в карманном компьютере (да и дерево вообще).
