Проблемы теорий происхождения жизни

До середины XIX века в рамках биологии, например у Ламарка или отчасти у Дарвина, были представления, которые имели многовековую историю, о том, что жизнь зарождается самопроизвольно из неживой природы. Т.е. живые организмы просто зарождаются. Тепло и солнечный свет могут вызывать процессы, которые приводят к самозарождению живых существ. Вот такое было представление.

1864. Опыты Луи Пастера

В 1864 году Луи Пастер провел ряд опытов. Французская академия наук объявила конкурс на работы по происхождению жизни, который выиграл Пастер. Он путем ряда ярких опытов показал, что прежние теории самозарождения жизни не верны. Он показал, что даже микроорганизм не рождается самопроизвольно. Тем самым он выдвинул тезис «omne vivum ex vivo» (все живое происходит из живого). Тем самым более остро поставил тему происхождения жизни.

Сам Дарвин, как известно, оговаривался: в одних случаях он писал, что Бог породил жизнь, в других случаях он занимал позицию агностицизма, т.е. непонятно, неизвестно или пока неизвестно.

1924. А. Опарин: «Происхождение жизни»

В 1924 году появилось произведение нашего отечественного академика Опарина «Происхождение жизни». Аналогичную гипотезу в 1929 году выдвинул американский биохимик Холдейн. Гипотеза на какое-то время стала достаточно распространенной, но не при жизни авторов. В 20-е годы, когда она была выдвинута, она особого интереса не вызвала. Вероятно, по той же причине, по какой вообще теории происхождения часто у биологов вызывают осторожность или нежелание вдаваться в гипотетические сферы научных исследований.

1953. Опыты С. Миллера и Г. Юри

...Проблема была в том, что в результате опытов Миллера были получены далеко не все аминокислоты. Для синтеза биополимеров из белков и аминокислот требуется как минимум двадцать аминокислот, 5 азотистых оснований, рибоза и дезоксирибоза.

Чем дальше стали изучать этот вопрос о возможности абиогенеза путем химической эволюции, тем больше возникало проблем и вопросов. Как выяснилось, действительно можно синтезировать различные аминокислоты в искусственных условиях и это даже несложно. Но проблема была связана с тем, что они не входят в белковые молекулы, которые участвуют в процессах жизнедеятельности живых организмов. Тут возник вопрос: почему в состав живых организмов входят аминокислоты, которые труднее всего получить путем абиогенного синтеза? Почему в состав вошли именно те аминокислоты, которые путем химических реакций оказалось очень сложно получить, а не те, которые легче всего? В первичном океане химические реакции должны происходить ненаправленно, формироваться простых аминокислот должно намного больше. Сахара рибозу и дезоксирибозу Миллеру вообще получить не удалось.

Не случайно сам Опарин уже в конце своей жизни сравнивал веру в идею случайного первичного возникновения ДНК с тем, чтобы верить, что обезьяна может набрать «Гамлета» Шекспира, случайным образом нажимая на клавиши. Он верил, что случайности этих процессов близки. Как это, мягко говоря, маловероятно, точно так же маловероятно, что это произошло случайно. И он считает, и в этом он близок к позиции номогенеза, что жизнь зародилась закономерно. Возникает вопрос: а в чем причина этой закономерности?

Когда были осознанны проблемы, связанные с гипотезой Опарина, в 80-е годы, выяснилось, что в тех условиях, в которых образуются аминокислоты и азотистые основания, не образуются сахара. Возникла очередная проблема.

1981. Гипотеза «мира РНК»

Правда, некоторую надежду для решения проблемы происхождения жизни дало открытие РНК. В начале 80-х годов была выдвинута гипотеза «мира РНК». Первоначально появились не ДНК, потому что ДНК сложнее объяснить, как они могли сформироваться. Например, для процесса репликации требуется наличие белков. Нуклеиновые кислоты нуждаются в белках для своего функционирования, а для того, чтобы жизнь могла размножаться и формироваться требуются ДНК. Белки нуждается в ДНК, а ДНК нуждается в белках. И вопрос возникает: для того, чтобы вообще существовать, как они могли сформироваться отдельно друг от друга и при этом не разрушиться? Решили, что на самом деле ключ – это РНК. Вначале появилась РНК, а потом уже все остальное. Эта идея – «мир РНК».

Какие возникли проблемы с «мирами РНК»? Во-первых, нуклеиновые кислоты очень не устойчивые соединения, т.е. они разрушаются. Возникал вопрос: как они должны были накапливаться в течение долгих промежутков времени, чтобы потом появилось что-то, напоминающее живую природу. Это стало проблемой. Во-вторых, наличие хиральной симметрии в органических соединениях. Например, есть так называемые правые и левые молекулы. Тоже порождало проблему: если был абиогенный синтез молекул, то они должны быть в равной степени правые и левые. Но в живой природе белки состоят исключительно из левых аминокислот, а нуклеиновые кислоты только из правых сахаров. Даже в клетках существуют определенные ферменты, которые уничтожают неправильные изомеры. Возник вопрос: а как вообще это может в океане вот так все сформироваться, что соблюдается так называемая хиральная чистота? Интересно, что, когда организм умирает, его компоненты вступают уже в другие органические соединения, тут же нарушается хиральная чистота, и здесь все правильно, есть правые и левые. В искусственно получаемых веществах хиральная симметрия соблюдается. Она не соблюдается только в жизнедеятельности живых организмов.

Постепенно от этой гипотезы отказались, потому что возникло очень много проблем. Выяснили, что РНК не способна сама создать копию. Как потом отметил наш отечественный ученый Анатолий Альтштейн, «мир РНК» не объясняет возникновение первого гена. Тайна жизни связана с появлением и существованием генетического кода.

1996. М. Бихи: «Концепция неупрощаемой сложности»

В 90-е годы биохимиком Майклом Бихи было введено понятие «неупрощаемой сложности». О чем идет речь? О том, что в живых организмах, даже на уровне самых простейших, существует так называемая неупрощаемая сложность, когда отдельные части системы могут функционировать только при наличии всех других составных частей. Если что-то отсутствует, то орган уже не функционирует, становится бесполезным. Проблема заключалась в следующем. Как они могли сформироваться самостоятельно и образовать какое-то соединение, которое способно к жизнедеятельности? Еще проблема, что генетический код не поддается редуцированию. Интересный момент, мы говорили о биосемиотике, генетика очень тесно стала переплетаться с этим направлением.

Генетический код не поддается редуцированию. В связи с этим возникло такое понимание, которое потом было сформулировано. На живую клетку постоянно действуют факторы внешней и внутренней среды, и за день, например, может 10 в 9 степени повреждений быть в ДНК. Если бы эти повреждения фиксировались, то геном сам собой бы разрушался. Возник вопрос, откуда берется сложная система защиты: антиоксиданты на первых подступах обороны, а затем есть система так называемой репарации – исправления повреждений ДНК. Существует 7 различных систем репарации. Они состоят из сложных комплексов ферментов, которые осуществляют скрининг, реконструкцию первичной структуры молекул ДНК. Этот комплекс очень сложный. В некоторых случаях могут запускаться программы клеточного самоубийства в интересах всего организма. Эти системы существуют на любом уровне живых организмов, начиная от простейших, кончая самыми сложными. У бактерий - не менее сложная система репарации ДНК, чем у млекопитающих. Даже вирусы вынуждены использовать систему репарации клетки хозяина для того, чтобы размножаться и не погибнуть. Потому что в обычных условиях вне клетки-хозяина время жизни вируса ограничено. Несмотря на то, что у них есть белковый чехол, все равно это не дает возможности полноценно существовать. В результате выясняется, что молекула ДНК является более устойчивой, чем РНК. А по идее «мира РНК» должно быть наоборот.

2002. Ф. Крик: гипотеза панспермии

Возник вопрос: как это все могло сформироваться? Исходя из исследований, получалось, что сложный механизм какой-то репарации не может осуществляться вне клетки, но и клетка не может существовать без этой сложной системы. Как это возможно, чтобы сразу и одно, и другое? Отсюда получается, что жизнь должна сразу существовать в некоем завершенном виде, для того чтобы она могла затем развиваться далее. Вот как это сформулировал профессор Евгений Кунин:

«Решающим в изучении происхождения жизни является вопрос о том, как была достигнута наименьшая сложность, необходимая для приемлемой репликации. Даже в простейших современных системах, таких как РНК-вирусы, точность репликации в которых составляет всего 10?? (то есть в среднем одна ошибка на 1000 нуклеотидов), репликация катализируется сложными белковыми полимеразами. Сами эти полимеразы (репликазы) синтезируются в результате соответствующих м-РНК при посредстве чрезвычайно сложного рибосомного аппарата. Отсюда следует драматический парадокс происхождения жизни: для достижения минимальной начальной сложности, необходимой для того, чтобы биологическая система начала движение, эта система должна обладать гораздо большей начальной сложностью. В рамках обычного эволюционного мышления невозможно даже представить решения этой головоломки».

(с) Кунин, 2014

Получается, чтобы жизнь могла сохраняться, начальная сложность должна быть больше, чем та сложность, которая требуется в конечном виде для продолжения жизни. В связи с этим возник вопрос, как такая информация могла сформироваться? Была просчитана вероятность для формирования и образования клетки, которой нужно 200 белков: вероятность составила 1 к 10 в 40000 степени. Числа получаются такие, что сто миллиардов лет не хватит, чтобы испытать только 100 в 150 степени вариантов образования...

Как вывод: например, нобелевский лауреат Фрэнсис Крик, получивший премию за структуру ДНК, в 2002 году выдвигает гипотезу, что жизнь на Землю была занесена. Как это опровергнуть или доказать? А как она сформировалась не на Земле? Но он посчитал, что просто не хватит того времени, который отводится Земле, для того, чтобы была какая-то реальная вероятность начала процесса, напоминающего жизнь.

Коцюба В.И. Из курса лекций для студентов МФТИ

Источник: vk.com

Комментарии: