Мыслящая Вселенная
Шрифт:
Шведский ученый Сванте Аррениус (один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии) предложил проблему происхождения жизни существенно сузить. Он не ставил вопрос о происхождении жизни вообще, во Вселенной, а задался вопросом — как жизнь возникла на Земле. Он предложил самое простое решение проблемы: жизнь занесена на Землю из других мест в космосе. Эту гипотезу назвали «теорией панспермии». Но оказалось, что не было ни теории, ни панспермии. Любые зародыши жизни за время своего путешествия в космосе должны неизбежно облучаться солнечным ультрафиолетом и погибнуть. Поэтому на Землю им таким путем не попасть. Что касается самой идеи, то ее, собственно, нет, поскольку все равно остается неясным, как зародилась жизнь, неважно где, на Земле или на другой планете.
В 1936 году была опубликована книга советского ученого А.И. Опарина «Возникновение жизни на Земле». Англичанин Дж. Холдейн также предложил свой вариант решения проблемы. Оба исследователя исходили
Современная земная атмосфера задерживает значительную часть солнечного ультрафиолетового излучения. Главную роль в этом играет озон и вообще кислород.
Первичные формы жизни развивались в среде без кислорода. Такие формы жизни существуют и сейчас. Например, бактерии, которые вызывают столбняк и газовую гангрену, не могут существовать в среде с кислородом. Любопытно, что некоторые из высших организмов повторяют свою эволюционную историю в период эмбрионального развития. Это предоставляет нам удивительную возможность: судить об их эволюции, которая длилась очень долго, по кратковременному эмбриональному их периоду. Оказывается, что они также первое время после оплодотворения живут без кислорода. Эмбрион в этот начальный период получает энергию в процессе превращения сахара в молочную кислоту в результате брожения. Так же получают энергию и бактерии, которые делают молоко кислым. Это же свойственно и некоторым млекопитающим, в том числе и человеку в первые недели его внутриутробной жизни. Во всех случаях энергия получается в процессе брожения.
Надо иметь в виду, что процессы брожения различных организмов мало отличаются друг от друга. В то же время процессы, в которых расходуется кислород и выделяется нужная энергия для высших форм, весьма разнообразны. Из чего можно заключить, что эти источники энергии характерны для более поздней стадии развития.
Как реально могло происходить проявление жизни? Синтез должен был происходить в результате случайных взаимодействий. Условия были такими, что органические соединения в питательном бульоне ничем не поглощались. Поэтому они становились все более обильными и разнообразными. В конце концов стали образовываться огромные сложные молекулы, способные производить копии самих себя. Правда, это было возможно в том случае, если они находились в особой смеси, состоявшей из меньших молекул. Эти меньшие молекулы могли присоединяться к огромным сложным молекулам. Для развития процесса дальше необходимы условия, при которых самовоспроизводящиеся молекулы заключены в резервуар, содержащий подходящие вещества. Таким резервуаром является живая клетка. Сама клетка могла образоваться по-разному. Одна из возможностей может реализоваться, когда в растворе смеси находится много различных белков и других макромолекул. Тогда они могут образовать коацерватные капли с характерными свойствами. Затем некоторые из молекул перемещаются к поверхности капельки, образуя защитный слой, отделяя тем самым содержимое капельки от окружающей среды. Такие «коацерваты» могут поглощать одни органические вещества из окружающей жидкости и отторгать другие. В этом и состоит одно из важнейших свойств живых клеток. За счет вновь поглощаемого вещества капельки разрастаются до тех пор, пока не достигнут определенных размеров. После этого они
Можно спорить о том, где — в открытом океане, устьях рек, прудах или другом мелководье — были лучшие условия для эволюции жизни. Некоторые полагают, что соединения, участвовавшие в реакции, должны предварительно прилипать к поверхностям глины или минералов. Если все это происходило в открытом океане, то предварительно должна была образоваться капелька с оболочкой из масляной пленки. Она должна была иметь все составные части, включая способность к самовоспроизведению. Дальше такой организм должен был разрастаться с невероятной быстротой. Его размеры ограничиваются запасами пищи. На следующем этапе рост приостанавливается, пока один из таких организмов не наталкивается на способ производства собственной пищи с помощью хлорофилла, который основан на использовании солнечной энергии для фотосинтеза. Этот момент в эволюции жизни является решающим. С этого момента жизнь становится независимой от случайного синтеза углеводов в океане. Наступает период биологической эволюции с удивительным разнообразием видов растений и животных.
А.И. Опарин писал: «Должно быть понятно, что сколь бы недолговечным ни был организм и сколь элементарным он ни казался на первый взгляд, он, тем не менее, бесконечно сложнее, чем любой простой раствор органических веществ. Он обладает определенной динамически стабильной структурной организацией, которая основывается на гармонической комбинации строго координированных химических реакций. Было бы бессмысленным ожидать, что такая организация может случайно возникнуть за более или менее короткий промежуток времени из простых растворов или нерастворимых веществ».
Сложен не только человеческий организм, но и бактерии. Все они выполняют разные обязанности, что делает возможным существование их общества как единого целого. Ведь в ничтожной клетке имеется примерно 10 миллионов молекул. В организме человека примерно столько же клеток. Значит, для эволюции первой клетки, которая возникла из первичного бульона, потребовалось столько времени, как и для эволюции человека из одноклеточных организмов.
Если не считать, что жизнь развивалась по заранее заданному плану, то все должно было происходить (по Опарину) так. Вначале химические элементы должны были построиться в огромные молекулы, содержащие тысячи атомов. Затем эти молекулы должны были найти эффективные пути совместной работы, которая составляет сам процесс жизни. Механизм наследственности должен был развиваться прежде, чем появилась любая генетическая система. Было ли все это последовательностью случайных взаимодействий между атомами и молекулами? Конечно, нет! Структура больших молекул живого вещества не является совершенно случайной. Речь должна идти о молекулах белков, нуклеиновой кислоты, жиров и полисахаридов.
Белки — это важный, структурный материал всей живой природы. Будучи ферментами, они служат катализаторами, которые ускоряют химические реакции. Каждая молекула белка состоит из сотен аминокислотных звеньев, которые скреплены в цепочку. Эта цепочка обычно образует спираль. На этой спирали имеются перекладинки. Ими служат атомы водорода. Эти перекладинки сохраняют положение спирали в пространстве неизменным. В состав белков входят только 20 аминокислот. Их комбинации могут образовывать бесчисленные последовательности с различными функциями. Непрерывность жизни обеспечивают нуклеиновые кислоты. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) в ядре клетки является хранилищем программы, по которой функционирует клетка, рибонуклеиновая кислота (РНК) — передаточным звеном. Она переносит информацию от ДНК к тем частям клетки, в которых образуются белки. В ходе этого процесса аминокислоты сцепляются друг с другом в соответствии со строением ДНК.
Что касается самих ДНК, то они представляют собой двойные спирали, наподобие винтовой лестницы огромной длины. Строение ее и состав строго определены. Так, белковые стороны этой лестницы состоят из единиц сахара и фосфатов, а перекладинки состоят из соединенных в пары пуринов и пиримидинов. В ДНК имеется только четыре пурина и пиримидина. Это аденин, цито-дин, гуонсин и тимин. Именно они переносят информацию от ДНК. Что же касается РНК, то она состоит из тех же веществ, только вместо тимина в их состав входит урацил.
Запасом энергии служат жиры. Они принимают участие в образовании структуры клетки. Молекулы жиров состоят из скелета связанных друг с другом атомов углерода, на котором крепятся атомы кислорода и водорода. Полисахариды представляют собой цепочки молекул сахара. Эти молекулы накапливают сахар (так же, как и в крахмале) и в виде целлюлозы служат компонентой клеточных стенок. Молекула целлюлозы сложная и большая. Она состоит примерно из 200 глюкозных единиц. Полисахариды относятся к углеводородам.