Мог ли Боинг возникнуть случайно за 10 млрд. лет? Отвечаем на популярные вопросы креационистов

Спикер: Михаил Никитин — научный сотрудник отдела эволюционной биохимии НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского. Автор книги «Происхождение жизни. От туманности до клетки». Доклад прозвучал 16 июня 2018 г. на Форуме «Ученые против мифов-7» (организатор АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ)

Стенограмма: Дарья Третинко

Александр Соколов: Михаил, здравствуйте. Прежде чем начнётся ваше выступление, я хочу провести ещё один опрос. Его тема появится сейчас на экране.

Хотя ещё не все зрители вернулись в зал после перерыва, тем не менее, я прошу поднять руки тех, кто считает, что жизнь могла возникнуть естественным путём.

Спасибо. А теперь поднимите руки те, кто считает, что не обошлось без божества, инопланетян или иной сверхъестественной силы.

Спасибо. А кто не уверен?

И я прошу тех, кто смотрит нас онлайн перейти по ссылке в чате и проголосовать дистанционно с помощью формы голосования. Прошу Михаил, теперь вам слово.

Михаил Никитин: Здравствуйте. Сегодня мы с вами будем говорить о мифах, связанных с происхождением жизни. Конкретно я сегодня постараюсь разобрать три мифа.

Миф о том, что живая клетка это слишком сложная штука, чтобы она возникла случайным путём за какое-то разумное время.

Миф второй, что дальше опытов Миллера середины двадцатого века никому не удалось продвинуться и никому не удалось получить, например ДНК в пробирке.

И третий миф, немножко в бок, о том, что эволюция жизни противоречит законам термодинамики. Конкретно — второму закону.

Миф первый, про то, что вероятность возникновения клетки случайным путём ничтожно мала и возраста Вселенной на это не хватит. Этот миф родом из 20-х годов ХХ века, когда вслед за работами Опарина и Холдейна происхождение жизни представляли следующим, очень простым образом. Сначала, в первичном бульоне, во всепланетном океане накопились разные органические молекулы, потом из них случайно собралась клетка, которая дальше стала размножаться.

И очень известная цитата на эту тему от астрофизика Фреда Хойла, что вероятность появления сложной жизни путём такой случайной самосборки сравнима с вероятность того, что торнадо случайно соберёт из разбросанных по свалке деталей готовый к полёту «Боинг 747». Можно посчитать, используя комбинаторику и теорию вероятности, сколько времени на это потребуется случайным перебором. Возраст Вселенной ничтожно мал по сравнению с этим временем. Что тут можно сказать?

Теория «первичного бульона», выдвинутая Опариным и Холдейном, получила в середине ХХ века, действительно, некоторое подтверждение в опытах Миллера и Юри.

Они запаивали в такую стеклянную установку смесь газов, имитирующую атмосферу древней Земли. Бескислородную, с преобладанием таких газов, как метан и аммиак. Пропускали электрические разряды, нагревали колбу с водой, охлаждали водяной пар в другой части и оно там булькало и крутилось. И через несколько дней или недель вода мутнела, желтела и анализ показывал, что там появились разные органические вещества. Например, аминокислоты, такие же как в составе клеток. То есть, видимо, действительно первичный бульон накапливает органику. А дальше, действительно, всё сложнее.

Сравнение клетки, даже бактериальной, с Боингом 747, на самом деле имеет глубокий смысл. Боинг 747 далеко не является самым первым самолетом на Земле. Он является продуктом десятилетий развития авиации, которая имеет много общего с биологической эволюцией.

Например, первый самолёт появился в результате симбиоза. Симбиоза планера и двигателя внутреннего сгорания. И дальше в эволюции самолётов большую роль сыграл естественный отбор. Неудачные конструкции бились, часто вместе с создателями. Подобно биологической эволюции там можно выделить несколько геологических эпох. Рост разнообразия:

Разные вымершие формы: [смех и аплодисменты в зале]

Бурный рост разнообразия самолётов, конечно, приходится на Вторую мировую войну, с расширением экологических ниш для истребителей и бомбардировщиков, с обострённой конкуренцией.

С очень обострёнными отношениями хищник-жертва. В это время происходит практически полное вымирание бипланов. Появляются бронированные формы, развивается коллективная оборона и многие другие инновации. Ко временам Второй мировой войны, относится и крупная революция в авиации - появление реактивных самолётов.

И точно также, как в биологической революции, новое магистральное направление начинается с очень странных и местами уродливых форм. Первые реактивные истребители на этом слайде, действительно, выглядят странно.

Также как в биологической эволюции известны переходные формы. Например, бомбардировщик Convair В-36 — у него 6 винтовых двигателей плюс 4 реактивных:

И, как и биологические переходные формы, просуществовал он недолго и удачным не был. Также как и в биологии, мы здесь видим параллельную эволюцию.

Например, в послевоенный период много пассажирских самолётов возникает на основе бомбарировщиков. Ну и Боинг 747 среди пассажирских является далеко не первым:

Только в линейке Боинга ему предшествовали Боинг 707, Боинг 727 и 737. Потренировавшись на относительно небольших и скромных моделях, инженеры боинга замахнулись на рекордный по размерам пассажирский самолёт своего времени - Боинг 747.

То есть долгая эволюция со сменой многих поколений, со многими промежуточными достижениями. И если живая клетка, даже бактериальная, сравнима по сложности с самолётом, то, скорее всего, она тоже является продуктом какой то довольно долгой предшествующей эволюции из более простых форм.

А сложность бактериальной клетки — она действительно, как мы сейчас знаем, довольно серьёзная. Любой бактериальной клетке нужно порядка тысячи типов белков, которые выполняют в ней разные функции. Последовательность всех этих белков закодирована в геноме, содержащем несколько мегабайт информации. Клетка отделена от внешней среды мембраной, которая большинство веществ не пропускает. И многие белки нужны даже не сами по себе, а в составе сложных молекулярных машин, состоящих из десятков белковых молекул. Это прежде всего рибосома, которая собирает новые белки. Репликативная вилка, которая копирует ДНК. И комплексы транспортных белков, в мембране, которые закачивают нужные вещества внутрь клетки и выводят наружу ненужные.

Мы знаем, что биологическая эволюция может создавать сложные формы жизни из простых. То есть многоклеточные животные происходят из одноклеточных форм. И даже самые простые клетки, которые довольно сложны тоже, наверное, могли таким путём возникнуть из чего-то более простого. А что проще, чем бактериальная клетка? И что при этом способно к биологической эволюции?

Для эволюции необходимо и достаточно 4 условия.

Первое условие — размножение. А следующие три называются «триадой Дарвина», потому что если с размножением всё было очевидно с незапамятных времён, то это уже сформулировал Дарвин. Нужна изменчивость, чтобы потомки возникающие при размножении не были точной копией родителей, чтобы они имели отличия. Нужна наследственность, чтобы отличия детей передавались и внукам. И нужен отбор, чтобы эти отличия влияли на вероятность размножиться дальше, оставить нам следующие поколения. Эти 4 условия необходимы и достаточны, чтобы эволюция пошла. Наличия ДНК, белков и вообще органических молекул для этого, на самом деле, не обязательно. Точно также работает, скажем, эволюция программ в компьютере. Есть технология эволюционного программирования, которая, без вмешательства человека, в процессе эволюции может создать вполне работающий код. И она кое-где применяется.

Какая форма жизни может быть проще бактерий, но удовлетворять этим четырём условиям?

Кишечная палочка, она, конечно, проще Боинга 747, но с ранними реактивными машинами её сравнить уже можно. А вот нам нужен какой-то биологический аналог «этажерки братьев Райт». Что это может быть? Да. Биологи в первую очередь посмотрели на вирусы.

Потому что это действительно форма жизни, которая намного проще бактерий. У вирусов нет рибосом, системы сборки белков. У большинства вирусов нет мембраны. И у них довольно маленькие геномы. Самые маленькие и простые вирусы имеют менее десяти своих белков. Не тысяча-две-три, как бактериальные клетки, а всего десяток. Проблема в том, что вирусы без клеток жить не могут. Все вирусы паразитируют на клетках. То есть раньше клеток вирусы, как мы их знаем сейчас, возникнуть не могли. Но изучение вирусов натолкнуло учёных на более продуктивные идеи. Из которых сейчас наиболее общепринята теория «мира РНК».

Вот тут нам придётся немного углубиться в устройство клетки. Большая часть сложности клеток приходится на три типа молекул. Это полимерные молекулы, то есть длинные цепочки, составленные из нескольких типов кирпичиков, у которых есть последовательность. Молекулы, у которых есть последовательность — это ДНК, белки и РНК.

ДНК хранит наследственную информацию, белки делают почти всю работу по клетке. И есть ещё РНК (рибонуклеиновая кислота), которая, в основном, в клетках является посредником между ДНК и белками. Чтобы понять, как это работает, можно представить клетку по аналогии с заводом.

Рибосомы — это станки с программным управлением, которые, в зависимости от заложенной программы, могут делать самые разные изделия.

Геномная ДНК — это архив чертежей, который лежит в кабинете у главного инженера. А молекулы РНК, прежде всего матричная РНК, это временные копии, которые снимаются с чертежей из архива и выдаются в цех, которые не жалко порвать и испачкать. Срок жизни которых довольно невелик. То есть РНК это прежде всего такой посредник. Временный короткоживущий носитель информации. Но это в клетках. А у многих вирусов РНК является главным и единственным носителем наследственной информации. У вируса гриппа никакой ДНК ни на какой стадии жизненного цикла не бывает. Он обходится только РНК. Более того, РНК может делать работу и за белки. Главная функция, на которую работают большинство белков в клетке, это то, что у химиков называется “катализ”. То есть ускорение определённых химических реакций. Главное слово даже не “ускорение”, а “определённых”. Одни ускоряем, другие - нет. Чтобы обмен веществ шёл, нужна достаточная точность катализа, чтобы из нескольких похожих реакций ускорять только одну.

Молекулы РНК тоже обладают таким свойством. Хотя РНК химически довольно близка к ДНК, по поведению цепочки в водном растворе или в клетке они отличаются. ДНК образует довольно жёсткие негнущиеся двойные спирали из двух ниточек, РНК обычно присутствует в клетке в виде одной ниточки, которая сворачивается более-менее в такие вот клубки. Это сворачивание в трёхмерные клубки — оно придаёт ей общие свойства и с белками тоже.

То есть можно себе представить простую форму жизни, в которой РНК вообще работает за троих. За белки и за ДНК и за себя-посредника. Мир РНК — жизнь без белков, без ДНК! До этого биологи додумались к концу 70-х годов. И дальше этот гипотетический «мир РНК» пытались вписать в условия древней Земли, который геологи с годами всё лучше и лучше представляют. Дальше возникла идея, как эти РНК-организмы могли прожить без клеточных мембран.

Клеточная мембрана нужна, чтобы отделять содержимое клетки от внешней среды. У вирусов, у которых мембраны нет, просто работает белковая оболочка — «капсид». Но она жёсткая, ограниченного размера и ограниченной проницаемости. Это довольно плохая оболочка для активной формы жизни. И возникла гипотеза первичной пиццы — по аналогии с первичным бульоном: что до появления клеточных мембран компоненты первых живых систем отделялись от внешней среды слоями минералов. Например, слоистые глины очень хорошо для этого подходят. РНК, белки, витамины и многие другие молекулы прекрасно налипают на глину и вписываются между слоями мокрой глины. Щель между слоями мокрой глины как раз подходит по толщине для цепочки РНК или белковой цепочки, и какие-то примитивные формы жизни так жить могли. Кстати: эти слоистые глины, абсорбирующие биомолекулы — вы с ними в быту наверняка встречались. Эти глины продаются в магазине под названием «минеральный наполнитель для кошачьего туалета». Их свойство — абсорбировать разные биомолекулы — в этом применении тоже работает. То есть можно себе представить примитивную форму жизни, которая размножается, не имея белков, не имея ДНК, не имея мембраны. Только РНК на глине.

Ну и тут мы подтягиваем второй миф — про то, что ни у кого не получилось продвинутся дальше опытов Миллера и Юри, дальше получения аминокислот.

С миром РНК история такая: для него нужны не аминокислоты, для него нужны нуклеотиды, строительные блоки молекул РНК и ДНК. Это более сложные молекулы, чем аминокислоты, и в опыте Миллера они вообще не получаются. То есть тут не то, чтобы продвинуться дальше: тут, казалось бы, назад откатились. Просто опыт Миллера есть в школьном учебнике, а последующие результаты учёных до школьных учебников ещё не дошли. На самом деле они, конечно, есть. Я их кратко перечислю.

За подробностями читайте мою книгу, я её всю в рамках выступления здесь пересказать не успею. Азотистые основания для ДНК и РНК удалось получить легко и с хорошим выходом из синильной кислоты, и это ещё в 70-е годы было.

Отказ от метаново-аммиачной атмосферы и получение органических веществ из углекислого газа — из той формы углерода, которой в космосе больше всего. Впервые это удалось в 1993 году, моделируя условия “чёрных курильщиков” в горячих источниках на морском дне. Температура 200 градусов, высокое давление, железо-серные минералы и много сероводорода. В таких условиях из углекислого газа получаются уксусная кислота, молочная кислота и другие молекулы, встречающиеся в обмене веществ.

В 2000-х годах результаты пошли большим потоком. Например, удалось избирательно получить такие сахара, как рибоза, нужная для РНК. Из простого вещества, из формальдегид, который бывает даже в космосе в составе газопылевых облаков. Он мог образовываться в условиях древней Земли в атмосфере под действием ультрафиолета. Был открыт процесс минерального фотосинтеза, который делает органические кислоты из углекислого газа на кристаллах сульфида цинка. Опять же, под действием солнечного ультрафиолета.

Был ряд экспериментов по получению цепочек РНК из нуклеотидов. Тут проблема в том, что они в воде совершенно не хотят соединяться в цепочку. Но если отказаться от водной среды и делать это в формате запекания сухой смеси, или использовать органические растворители — такие как формамид. Или ещё лучше: водно-жировую эмульсию, похожую на майонез. В майонезной среде нуклеотиды объединяются в цепочки РНК длиной до 100 нуклеотидов. Что уже вполне достаточно для получения активных рибозимов, которые будут что-то делать.

Ну и из более свежего, что все 4 нуклеотида, необходимых для РНК, одновременно получаются в одной пробирке из цианида, формальдегида и сероводорода. То есть шаги от простых веществ, заведомо доступных на древней Земле, до РНК — пройдены. Правда, пока не все в одной пробирке. В предельном варианте нужно две пробирки: одна с сернистыми соединениями и цианидом, а другая — с майонезом, в котором полученные нуклеотиды будут соединяться. То есть две разных пробирки уже позволяют создать РНК в пробирке. Ну, учёные работают над тем, чтобы сделать это в одной. И я думаю, что добьются. Принципиальных препятствий к этому уже не видно. То есть наука ушла очень далеко вперёд от опыта Миллера. Просто большинство этих достижений совсем свежие и в школьные учебники не попали. О них можно иногда прочитать в научных новостях в интернете. Но даже на сайтах типа элементы.ру, где это хорошо организовано, это всё-таки отдельные разрозненные статьи, по которым их место в контексте науки понять трудно.

Что тут важно? Почти все эти последние достижения включают в себя ультрафиолет. Это намекает на то, что происхождение жизни, скорее всего, имело место под солнышком. Не в глубинах морей. Нуклеотиды отличаются от других молекул высокой устойчивостью к ультрафиолету, РНК ещё устойчивее. То есть, вероятно, ещё на стадии химической эволюции, до того как появилось размножение, ультрафиолет уже мог быть фактором отбора, выделившим именно нуклеотиды и РНК из всяких других похожих молекул.

И колыбелью жизни, по совокупности данных, сейчас, скорее всего, можно назвать наземные горячие источники. Конкретно — грязевые котлы, которые бывают на Камчатке, в Исландии, в Йеллоустоунском заповеднике. Где вот такая жиденькая серая глина, из которой пробулькиваются вулканические газы и пары.

Вода грязевых котлов больше всего похожа по минеральному составу на клеточное содержимое. Она обогащена калием, фосфором и микроэлементами. Садоводы уже опознали калий и фосфор, да? Это не случайно. Они освещены Солнцем, они постоянно подогреваются и температура там мало зависит от капризов погоды. Постоянные испарения концентрируют растворённые вещества. Воды там не очень много. И вот эта мелкозернистая глина даёт огромную поверхность для налипания органических веществ и огромное количество мелких пор, в которых РНК организмы могли жить отдельно друг от друга, не смешиваясь в общей луже.

То есть по всей видимости мы нашли биологический, вымерший, правда, аналог этажерки братьев Райт. РНК организмы, обитавшие, предположительно, в грязевых котлах. Ну и теперь учёные, конечно, работают над воспроизведением этого, но требуется время. Прогресс на самом деле идёт, тут надо следить за новостями. В своей книге я более менее подвел итоги того, что было сделано до 2016 года, но прогресс не стоит на месте: с тех пор были и новые достижения.

И теперь мы переходим к третьему мифу. Про то, что эволюция и возникновение жизни, якобы, нарушают второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики строго формулируется так: в замкнутой системе энтропия или растёт, или — в идеальном случае — не убывает. И на более бытовом языке его упрощённо формулируют так, что самоорганизация невозможна. «Порядок сам себя не наведёт» или «бардак везде, где вы про него забыли». В этой упрощённой формулировке выпадает важная часть: «в замкнутой системе».

Ну и неплохо бы построже определить, что такое энтропия.

Вообще термодинамика — это исходно была довольно прикладная отрасль физики: наука о паровых машинах. Наука о том, как делать паровые машины эффективнее. И довольно быстро, в начале XIX века, в термодинамике было установлено, что коэффициент полезного действия тепловых двигателей ограничен. Принципиально он не может быть 100% никогда. Он ограничен, прежде всего, разницей температур между нагревателем и холодильником. То есть если у нас в котле паровоза вода закипает при 100 градусах и охлаждается на морозном воздухе до температуры 0 градусов, то КПД будет в идеальном случае всего порядка 25%. И вот долю тепловой энергии нагревателя, которая недоступна для совершения работы — недоступна, потому что холодильник недостаточно холодный — её как раз и назвали энтропией. Это всё в начале XIX века. Потом, по мере развития физики, оказалось, что энтропия может использоваться как мера любой неупорядоченности системы. Чем более система упорядочена, тем энтропия в ней ниже. Но второй закон термодинамики относится только к замкнутым системам.

Замкнутые системы — это те, которые не обмениваются веществом и энергией с внешней средой. Никакой живой организм замкнутой системой не является. Живые организмы что-нибудь кушают и дышат. Не является замкнутой системой биосфера, не является замкнутой системой планета Земля. На биосферу Земли светит Солнце и — это главный источник энергии. Замкнутой системой можно считать ну разве что Солнечную систему. А если у нас система не замкнутая, то энтропия вполне может и убывать. Локальное убывание энтропии может вам сделать и обычный холодильник. Он охлаждает свой внутренний объём, нагревая комнату. То есть энтропия системы «холодильник-комната» при этом падает. Но происходит это только потому, что холодильник включён в розетку и получает энергию с электростанции. Энтропия системы «холодильник-комната-электростанция», конечно, растёт.

Точно также и с биосферой. Падение энтропии при эволюции жизни в ней, оно полностью оплачивается ростом энтропии Солнца. Энтропия растёт в результате термоядерных реакций внутри Солнца и это намного более серьёзные изменения энтропии, чем всё, что делает жизнь на Земле. Поэтому чтобы повысить энтропию в масштабах галактики галактической цивилизации понадобится источник энергии, внешний по отношению к этой галактике. Нарушения второго закона термодинамики никакого нет, жизнь на такое не способна.

Более того, доказано уже в ХХ веке, Ильёй Пригожиным, в том числе, который получил за это Нобелевскую премию по физике, что в открытых системах, обменивающихся энергией с внешней средой, вполне возможна самоорганизация. Возникновения порядка из ничего.

Например, в атмосфере Земли, которая получает энергию в виде тепла от Солнца, самоорганизация проявляется в виде циклонов или торнадо. В химических системах самоорганизация — это не циклоны, это не все видели, но пример — это реакция Белоусова-Жаботинского, химические часы, которая в тонком слое даёт красивые пробегающие цветные волны. И менее приятный и безопасный пример химической самоорганизации, на которую нарвались инженеры в своё время, это неустойчивость горения в ракетных двигателях. Когда пытались сделать ракетные двигатели побольше и помощнее, сталкивались с тем, что давление в нём начинает быстро скакать сотни раз в секунду. Эти колебания нарастают, и дальше двигатель взрывается, или ракета разваливается от вибрации, в общем всё плохо. И в 50-х — 60-х годах много учёных инженеров работали над тем, чтобы эту химическую самоорганизацию, вредную и опасную, побороть. И это было важной причиной развития термодинамики, потому что для учёных XIX века такой самоорганизации, конечно, быть не могло. Никто бы в это не поверил. На этом у меня по третьему мифу всё.

Дополнения

Результаты онлайн-голосования (5 минут после начала доклада):

Скетч Юлии Родиной:

 

Источник: m.vk.com

Комментарии: