Отправлено 10:04:55 - 19.02.2006
Это не совсем о появлении человека, это скорее о возникновении жизни вообще.
Итак, о гипотезе Опарина-Холдейна слышали все. Это классическая и первая научная теория, касающаяся абиогенного происхождения жизни (из неживой материи) после уничтожающих опытов Луи Пастера, которые поставили точку на гипотезе самозарождения (мыши из грязного белья, мухи – из гниющего мяса и т.д.), которая была первой в истории науки Нового времени (XIX в.) попыткой объяснить феномен жизни на Земле, не прибегая к помощи Творения.
Традиция сводить биологическую проблему возникновения к жизни к химической проблеме возникновения компонентов живых организмов (макромолекул – протеинов и нуклеиновых кислот) из компонентов первичной атмосферы Земли ведется со времен Э.Геккеля (1866). Абиогенез – теория явно редукционистского характера. До сих пор успехи этого направления ограничиваются созданием в условиях, имитирующих первичную атмосферу (состав – метан, аммиак, сероводород – и электрические разряды), аминокислот и нерегулярных полипептидов (коротких случайных аминокислотных цепей).
Неудачи абиогенного синтеза жизни привели к тому, что было осознанно ограничение, которое является неустранимым: в природе наблюдается т.н. хиральная чистота (или хиральная асимметрия) биогенных компонентов.
Органические соединения могут представлять собой смесь из оптических изомеров. Это химически идентичные вещества, которые различаются физическими свойствами, а именно, оптической активностью. При прохождении через кристаллы или растворы таких веществ, луч поляризованного света отклоняется по-разному. В зависимости от направления отклонения эти вещества называются лево- (L) и правовращающими (D). Растворы из смеси этих изомеров (рацемическая смесь, то есть смесь, в которой представлены обе изомерические формы) оптически неактивны – только растворы и кристаллы чистых изомеров. Явление оптической активности связано с т.н. зеркальной симметрией: если написать структурную формулу любой аминокислоты, например, аланина, а рядом – ту же запись в зеркальной симметрии,
то это и будут оптические изомеры аланина. Химически они абсолютно идентичны, но в 1848 году Л.Пастер в своих классических опытах установил, что они неравнозначны в биологическом отношении: на питательной среде из виноградной кислоты плесневый гриб Penicillum потребляет только D-изомер, а на среде из молочной кислоты – только ее L-изомер. Человек, кстати, определяет на вкус изомеры молочной кислоты.
Сейчас точно установлено, все белки на нашей планете построены из исключительно из L-изомеров двадцати аминокислот (исключение – глицин, который нехирален), а все нуклеиновые кислоты – только из D-изомеров соответствующих сахаров: рибозы и дезоксирибозы. Это свойство живого называется хиральной чистотой и считается одним из наиболее фундаментальных атрибутов живого вещества. Хиральная чистота делает практически невозможной сепарацию D- и L-изомеров на основе химического синтеза, так как эти вещества химически идентичны, и при любом абиогенном синтезе конечные продукты состоят из примерно равного количества оптических изомеров, из-за чего оптически неактивны. Результаты экспериментальной работы классиков гипотезы абиогенеза таковы, что ни один из синтетических биогенных продуктов оптически неактивен, а органика метеоритного вещества состоит из равного количества изомеров.
На вопрос о том, почему в живой среде наблюдается хиральная асимметрия, существует довольно простой ответ. В любом организме все биохимические реакции катализируются белками-ферментами. Молекула каждого белка-фермента имеет область (активный центр), комплементарную субстрату, превращения которого он катализирует. В рацемической смеси представлены оба изомера, каждый из которых требует фермента соответствующей хиральности. Следовательно, рацемический организм должен содержать удвоенный набор белков-ферментов, что эволюционно невыгодно.
Итак, проблема хиральности – главная в ряду фатальных трудностей, с которой столкнулась классическая теория абиогенеза, которая пыталась свести биологию к химии и решить таким образом вопрос о возникновении жизни.
Вторым ударом стала фактическая невозможность объяснить, как макромолекулы, если даже проблема хиральной чистоты была преодолена, смогли сложиться в пробионт – эволюционный предшественник современной клетки-прокариоты (клетка без оформленного клеточного ядра - таковы все бактерии; считается, что прокариоты эволюционно предшествовали эукариотам, у которых клеточное ядро оформлено). Сейчас точно известно, что молекулярные, доклеточные формы жизни – вирусы и бактериофаги – являются облигатными (обязательными) внутриклеточными паразитами генетического уровня, не способными к активному существованию (размножению) вне клетки. Это второе непреодолимое обстоятельство отодвинуло теорию абиогенеза еще дальше от реальности.
И, наконец, третье обстоятельство чисто математического характера. Поскольку специфических физико-химических закономерностей, позволяющих по сценарию гипотезы абиогенеза сделать возникновение жизни неизбежным, не существует, приходится признать это событие случайным. Отсюда следует третий удар по классической теории абиогенеза – с точки зрения теории вероятностей, вероятность спонтанного возникновения макромолекул и клеточных элементов из неживой материи астрономически низка. И хотя сама по себе низкая вероятность не говорит о том, что событие невозможно, приходится признать, что классический абиогенез почти неправдоподобен и почти невероятен.
Несмотря на то, что теория А.И.Опарина оказалась невероятной, не стоит думать, что она оказалась одновременно полностью ложной. В науке почти не бывает так, что от прежней теории полностью отказываются. В любой гипотезе есть рациональное зерно, которое нельзя игнорировать. Теория А.И.Опарина создала общую конструкцию будущей теории ВЖНЗ и указала вектор поиска новых объяснений и теоретических компонентов. Величайшая заслуга А.И.Опарина в том, что именно на основе его гипотезы сформулированы основные шаги предбиологической эволюции и определены пути, по которым движутся теоретики абиогенеза. Современные исследователи выделяют три основных этапа формирования жизни на Земле:
1. Возникновение биологически важных молекул. К биологически важным веществам можно отнести вещества-предшественники биополимеров: сахара, липиды, аминокислоты нуклеотиды. Все эти вещества довольно сложны, следовательно, обладают избытком свободной энергии. Поэтому в равновесной термодинамической системе их концентрация ничтожно мала. Однако в открытых системах, к которым неприменимо Второе начало термодинамики, при доступе к свободной энергии биологические вещества могут накапливаться в довольно больших концентрациях. При этом если их количество было бы распределено равномерно, то установилось бы такое соотношения скоростей образования и распада, что концентрация биологически важных веществ в первичном океане было ничтожным. Отсюда следует необходимость второго шага предбиологической эволюции.
2. Спонтанное скопление органических молекул. Именно на принципиальную возможность этого процесса в 1924 году обратил внимание А.И.Опарин. Ему удалось экспериментально показать, что в насыщенном растворе органические вещества могут формировать постоянные и четкие зоны повышенной концентрации – коацерватные капли (коацерваты). Это явление вполне объяснимо с точки зрения физической химии. Работа А.И.Опарина и его зарубежных коллег очень важна: в ней была показана принципиальная возможность того, что в концентрированных растворах органики могут спонтанно возникать условия, благоприятствующие созданию биополимеров.
3. Образование информационной системы. Информационная система должна обладать особым свойством: она должна «уметь» пребывать во многих состояниях (различные состояния системы – и есть информация), каждое из которых должно быть стационарным (стационарность состояния – основа памяти). Коацерваты, содержащие случайным образом возникающие полинуклеотиды и полипептиды, этими свойствами обладают. При этом система диссипативна, поскольку на синтез полимеров затрачивается энергия, часть которой переходит в тепло.
Таковы основные шаги абиогенной эволюции, приводящие к возникновению жизни в том виде, в котором она нам знакома. Легко видеть, что концептуальный каркас теории не претерпел существенных изменений. Собственно говоря, заслуга современных исследователей состоит в синтезе гипотезы А.И.Опарина и теорий, которые были детально разработаны в последние 25-30 лет: неравновесная термодинамика, теории информации и глобальная экология. Сторонники же креационизма до сих пор занимаются тем, что «показывают» невероятность классических гипотез, тогда как они и в научных кругах давно перестали быть актуальными.
Начало неравновесной термодинамики связано с именем нобелевского лауреата Ильи Пригожина. Приложение этого метода к проблеме ВЖНЗ было подготовлено работами специалистов по кибернетике и теории информации Г.Кастлером, А.А.Ляпуновым, Дж. Фон Нейман, а впервые приложение неравновесной термодинамики к проблеме ВЖНЗ реализовал физикохимик М.Эйген.
В 1965 году А.А.Ляпуновым было доказано особое свойство информации: на нее не распространяются законы сохранения; информация может быть вновь создана и безвозвратно утрачена. Это сделало принципиально возможным прогрессивную биохимическую и биологическую эволюцию, в процессе которой возникает и исчезает информация. В 1966 году Г.Кастлер проанализировал поведение системы нуклеиновых кислот в рамках теории информации и пришел к выводу: новая информация возникает в системе только в том случае, если в ней происходит случайный выбор с последующей фиксацией результатов. Если речь идет о целенаправленном отборе наилучшего результата, новая информация не возникает, а лишь реализуется информация, заложенная в систему изначально.
В 60-х гг. прошлого века один из основателей кибернетики Дж. фон Нейман (1960), занимавшийся проблемой самовоспроизводящихся автоматов, пришел к удивительному выводу. Он выяснил, что способность автоматов к самовоспроизведению с прогрессирующей сложностью зависит от уровня сложности самого автомата: существует критический уровень сложности автомата, ниже которого сложность становится вырождающейся (автомат может производить лишь автоматы с более низкой, чем у него, сложностью). Выше этого уровня тенденция к вырождению перестает быть всеобщей: сложность может поддерживаться и даже расти.
Проанализировав все эти моменты, М.Эйген (1982) сформулировал собственную новую концепцию. Концепция М.Эйгена заключается в том, что в системе из самовоспроизводящихся единиц (которые сами по себе могут еще не быть живыми, например, химические реакции), которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве, с неизбежностью возникает конкуренция и естественный отбор. Второй момент состоит в том, что в процессе самовоспроизведения единицы, информация всегда воспроизводится искаженно, с «информационным шумом» (эволюции видов роль информационного шума играют мутации). Классики абиогенеза, подходили к проблеме ВЖНЗ с позиций редукционизма. Они рассматривали химическую эволюцию как закономерный процесс и таким образом сводили биологию к химии. Выдвигая на первый план дарвиновский принцип естественного отбора, М.Эйген «сводит» химию к биологии.
Эйген обнаружил реальный класс химический реакций, которые вели бы себя подобно дарвиновским видам, а эволюцию которых можно было бы рассматривать с точки зрения теории автоматов. Именно такими свойствами обладают нелинейные автокаталитические реакции, которые Эйген назвал гиперциклами. Эти реакции широко распространены в природе и могут носить как чисто физический характер (таков цикл Бете-Вайцзеккера, обеспечивающий светимость Солнца – ядерная реакция превращения четырех атомов водорода в атом гелия), так и сложную биохимическую природу (цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот, обеспечивающий утилизацию продуктов клеточного дыхания). Циклом можно назвать любую реакцию, в процессе которой происходит превращение высокоэнергетичных веществ в вещества, бедные энергией при сохранении катализаторов и промежуточных продуктов (интермедиатов). Циклические реакции, в которых все интермедиаты являются катализаторами, образующимися из субстрата при каталитической поддержке интермедиата-предшественника, называются каталитическими циклами. Каталитический цикл эквивалентен автокатализатору, то есть может катализировать свои собственные превращения при условии, что субстрата достаточно. Каталитический цикл – это тот критический уровень сложности, выше которого сложность воспроизводимых циклов может самоподдерживаться или даже прогрессировать.
Важным свойством гиперциклов является, во-первых, их способность группироваться в циклы более высокого порядка, а во-вторых, их способность к дарвиновскому поведению за пределами этого объединяющего цикла, то есть жесткой конкуренции с любой внешней самовоспроизводящейся системой. Возникающая система обладает интегрирующими свойствами и предоставляет своим членам возможность коэволюции (совместной эволюции), которая определяется конкурентными условиями за пределами системы.
Такая система удовлетворительно описывает возникновение на основе взаимного катализа системы «белок – нуклеиновая кислота», которое является решающим шагом в процессе возникновения жизни.
А.С.Раутиан (1995) подошел в проблеме ВЖНЗ с несколько иных позиций. До сих пор было принято рассматривать жизнь как биохимический феномен. Раутиан предложил т.н. геохимический подход к проблеме. Традиционным является взгляд, согласно которому биосфера и жизнь как явление неотделимы от живых организмов. Геохимический подход предполагает несколько иной взгляд на жизнь и биосферу.
Открытый космос холоден: 2,7 градуса выше абсолютного нуля. По шкале Цельсия это составляет примерно -270 градусов. Но в звездных системах, содержащих вещество в виде планет, излучение звезд нагревает планетную поверхность. В результате между теплой поверхностью планеты и холодным космосом возникает температурный градиент (направление наиболее быстрого изменения физической величины, в данном случае температуры; вектор убывания температуры планеты перпендикулярен поверхности и направлен вверх). Любой градиент стремится к выравниванию, что порождает на планете, имеющей подвижные оболочки (гидро- и атмосферу) физико-химический круговорот, в который рано или поздно вовлекается литосфера - формируется кора выветривания. Формирующийся глобальный геохимический цикл является прообразом биосферы.
Геохимический круговорот на планете постоянно поддерживается за счет притока энергии извне в виде излучения центральной звезды, создающего температурный градиент. Вследствие суточного вращения планеты ее поверхность нагревается неравномерно и глобальный цикл распадается на элементарные циклы – прообразы экосистем, которые испытывают дефицит энергии, находясь на теневой стороне планеты. При этом неизбежно должен возникать отбор циклов на стабильность, то есть на их способность порождать собственную структуру. Иными словами, для того, чтобы быть стабильными, циклы должны научиться запасать энергию с тем, чтобы поддерживать себя во время энергетического голода, а для этого требуется увеличение скорости оборота вовлеченного в циклы вещества. В итоге выигрывают те циклы, в которых по стечению обстоятельств возникают наиболее эффективные катализаторы. В условиях Земли наиболее энергетически выгодными являются процессы, протекающие при участии высокомолекулярных соединений углерода.
С этой точки зрения жизнь как свойство глобальных геохимических циклов является их наиболее эффективным катализатором и способствует их выживаемости. При этом циклы движутся засчет внешнего источника энергии. Вся эта ситуация очень напоминает автокаталитические системы (самовоспроизводящиеся автоматы), способные к прогрессивной эволюции главным образом за счет совершенствования системы катализаторов (в нашем случае – предбиологических систем-предшественников первых организмов), которая приводит в конечном итоге к возникновению первичных организмов. Отсюда следует удивительный вывод, к которому независимо друг от друга пришли Дж.Бернал (1969) и М.М.Камшилов (1972): жизнь как явление должна предшествовать появлению живых организмов. Поэтому с точки зрения геохимического подхода очевидна бесперспективность попыток синтезировать жизнь в колбе, ибо для этого нужна колба размером с планету плюс небольшая звезда типа Солнца.
Литература
1. Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней: От хаоса до человека. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. – 312 с. – (Факультатив). Стр. 52-73.
2. Воронов В.К., Подоплелов А.В. Современная физика: Учебное пособие. – М.: КомКнига, 2005. – 512 с. Стр. 487-510.
Взято с форума ATEISM.RU, написано человеком к мнению которогоя всегда прислушивалась, а писать тоже самое самой просто лень.
