Новость, надо сказать, не очень свежая: жизнь на нашей планете появилась четыре миллиарда лет тому назад. И эволюционировала она до того самого времени, пока в результате естественного отбора не появились ученые-биохимики, которые поставили вопрос, а именно каким образом мертвая материя переродилась в живую.

Длинная и узкая комната. Такая, как это бывает во многих других старых институтах. За простенком слева от входа — уголок с добротной вытяжкой. Постукивает помпой лабораторная установка со стек­лянными и пластиковыми трубками, металлическими баллонами, железными штативами, переходниками, вентилями. Главной деталью данного хозяйства является стеклянный цилиндр, внутри которого методично пробивается электрический разряд. Всплывают ассоциации с ретортой, хотя реторта — это колба с изогнутой горловиной, которую широко использовали для своих опытов еще алхимики…

— Из помойки все это сделано, — кивнул в сторону установки один из двоих довольно-таки немолодых сотрудников.

— Это, — второй кивок в угол на стеллаж, где разбросаны гаечные ключи и, видимо, то, что с натягом можно назвать исходным материалом: всё те же железяки и трубки в совершенно разобранном виде. Обернувшись ко второму сотруднику, флегматично замечает: — Весь азот утек.

— Ну вы даете! — живо реагирует второй. — Если так, нужно подать воздух, чтобы корреспонденты посмотрели.

Воздух подается в систему, и установка снова принимается постукивать помпой и выстреливать разрядом в реакционной колонке — на лабораторном столе нам демонстрируется эксперимент по зарождению жизни, один из целой серии экспериментов, которые в московском Институте геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (ГЕОХИ) ведутся уже в течении двух лет.

Первый из этих двух немолодых сотрудников, которые работают с установкой, называется Валентином Стрижовым. Именно его, ведущего инженера института, разработка положена в основу агрегата, сделанного в высшей степени великолепно, пусть и «из помойки», но установка умеет исправно производить довольно сложные органические молекулы из разряда «простой химии» — метана и азота. Тот, кто беспокоился об интересах корреспондентов, называется Виктором Лупатовым, и является старшим научным сотрудником и руководителем экспериментальной группы. А главным идеологом этих исследований считается один из координаторов программы Российской Академии Наук «Проб­лема возникновения и эволюции биосферы» директор института ГЕОХИ Эрик Галимов.

Дизайнер против грязного белья

Проблему зарождения жизни можно сформулировать довольно просто: каким образом из мертвой материи появились живые организмы? Долгое время эта задача решалась умо­зрительно. К примеру, Аристотель верил в существование некоего «активного начала» всего живого, которое позволяло мухам рождаться в гниющем мясе. Потом появились совсем уж варварские опыты: на полном серьезе в Средневековье утверждалось, что мыши появляются из грязного белья, где в качестве активного начала использовался человеческий пот (настолько сильным в те времена авторитетом пользовался Аристотель). И только Луи Пастер в XIX веке, опираясь на свои изящные эксперименты, показал, что спонтанно зародиться ничего не может, даже обычные бактерии. Собственно говоря, это породило некий тупик — теперь было вовсе непонятно, каким же образом на свет появилась самая первая живая клетка, если, конечно, не опираться на популярную в некоторых кругах и по сей день, хотя и малопродуктивную гипотезу о существовании «создателя».

Из возникшего тупика наука была выведена биохимиком Александром Опариным, первая работа которого по этой теме была опубликована в 1924 году. Гипотеза Опарина гласила, что организмы на Земле, даже простейшие, появились не сразу, они имели гораздо более простых предшественников — небольшие группы сложных органических молекул. Молекулы эти были синтезированы на древней Земле из самых простых элементов — углекислого газа, воды, метана и тому подобное. Следующим этапом было их объединение, когда в водоемах образовывались «коацерватные капли», про которые про которые нам рассказывали в школе на уроках биологии. Естественный отбор в своем результате привел к образованию на Земле полноценных одноклеточных организмов, и некоторые из них привели к возникновению многоклеточных. Естественный вопрос «так почему в наши дни жизнь не зарождается?» был снят предположением, что в настоящее время любая примитивная органика незамедлительно съедается вездесущими бактериями.

Именно гипотеза Опарина создала предпосылки на проведение конкретной программы экспериментов на долгие годы вперед, однако, самое главное в 1953 году сделал Стэнли Миллер, пропустивший через смесь газов, моделирующих первичную атмосферу Земли, мощные электрические разряды. Миллеру со своими последователями удалось получить элементы белков — аминокислоты — и даже короткие белковые цепочки, а кроме того, нуклеотиды, или проще говоря участки наследственного материала ДНК. С тех пор минуло полвека, которые можно назвать золотыми пятьюдесятью годами молекулярной биологии: за это время открыли структуру ДНК, генетический код, механизмы синтеза белка в клетке, фотосинтез сахаров, возникающий за счёт энергии солнечного света, кроме того, были обнаружены энергетические молекулы, и в первую очередь, АТФ, своеобразное клеточное «горючее»…

Конечно, трудно себе представить, чтобы вся эта внутриклеточная начинка появилась в одном месте совершенно случайно. Просчитали вероятность «поэтапной сборки» и получилось, что на такую технологическую цепочку потребовалось бы больше времени, чем является продолжительность жизни самой Вселенной, и это в случае, если бы вся Вселенная была битком набита органикой. В начале девяностых академик Александр Спирин задумчиво вещал на лекциях студентам биофака МГУ: «Естественный отбор — это, безусловно, правильно, однако, рибосома (основной молекулярный агрегат синтеза белка. — Ред.) настолько сложна, что я не совсем понимаю, каким образом она могла эволюционировать. Если, конечно, она не возникла сразу, по готовому плану». Впрочем, в настоящее время академик явдляется главным сторонником гипотезы, которая называется «мир РНК».

Эта гипотеза утверждает, что первые молекулы, которые научились размножаться, были цепочки РНК, которые в современных клетках задействованы в аппарате белкового синтеза. Определенная часть из них на самом деле может производить свои собственные копии, другие катализируют синтез белков. Таким образом возможно не только представить «мир РНК», но и его эволюцию. Представим отбор самых стабильных молекул или молекул, которые копируют себя точнее. Некоторые молекулы РНК совершенно случайно проявили способность кодировать короткие белки, а затем среди них оказались те, что «необходимы» для размножения и синтеза самих себя. Однако, даже интуитивно ясно, что вероятность подобных событий необычайно низка. Во всяком случае, пока что в экспериментах ничего подобного получить не удается.

Машина создания

— Наблюдения Дарвина не помогают объяснить то, как же, все-таки, появилась жизнь, — утверждает академик РАН Эрик Галимов. — Естественный отбор на молекулярном уровне будет выглядеть следующим образом: выживут болеебыстрые или, к примеру, более устойчивые молекулы. Собственно, это обыкновенная термодинамика. А обыкновенная термодинамика приводит к максимуму энтропии, к потере порядка! Каким образом биологи находят выход из положения? За отправную точку берется случайное событие: каким-то образом возникли первые сложные молекулы, а уж потом они начали свою эволюцию. Меня же заинтересовал как раз момент первичного упорядочения — как это произошло.


В лаборатории ГЕОХИ им. Вернадского создается живое из неживого

Концепция естественного отбора в современной биологии является главной догмой. Дарвинизм прекрасно показывает, как может идти эволюция. Однако он не объясняет, почему в ходе эволюции происходит усложнение организмов. По логике теории, случайные, и потому маловероятные изменения могут накапливаться и приводить к чему-либо сложному, однако, могут и не приводить. Какого-либо специального механизма производства более высокоорганизованных видов ни дарвинизм, ни современная генетика не представляет. Данная проблема постоянно используется критиками теории, а по вопросу зарождения жизни она оказывается попросту неодолимой. Об этом наша беседа с академиком Галимовым, которая прошла в директорском кабинете в ГЕОХИ, где этажом ниже находится лабораторная установка, которая оптимистично постукивая, занимается «производством жизни».

— Мы решили показать, что природа имеет такую «машину», которая в обязательном порядке заставляет работать процесс упорядочения, — расказывает академик. — Упорядочение — это ни в коем случае не усложнение, так как иногда сложное, может быть совсем не неупорядоченным. Упорядочение — это несвободность поведения в нарастающей степени. Все живые организмы имеют высокое упорядочение. Каждая часть полимерной молекуле — мономер — имеет ограничение в поступательной и вращательной степенях свободы. Как и белки-ферменты, которые катализируют лишь определенный цикл реакции, иначе говоря имеют ограниченный выбор пути. Устройство генетического кода говорит о том, что каждому триплету оснований соответствует только одна аминокислота. И так можно продолжать далее. Разные части системы будут точно соответствовать друг другу, что собственно и означает упорядочение. Но по закону термодинамики такого быть просто не должно. Это означает, что второй закон термодинамики описывает действительность не полностью. (Второй закон гласит, что энтропия, или иначе мера беспорядка любой системы, может лишь возрастать. — Ред.) Второй закон, описывающий разупорядочение, противоречит наблюдаемому упорядочению, процесс которого имеетк обязательный характер. Если бы я был моложе, мне бы, наверное, пришлось заняться еще и этим. Но сейчас мне хочется показать, как это приводит к возникновению жизни.

— Существуют ли доказательства существования такого процесса?

— Имеются достаточно серьезные основания считать подобным образом. Мне приходилось заниматься, да и сейчас тоже я занимаюсь геологическим фракционированием изотопов. В 80-е годы мы занимались изучением поведения изотопов в биологической системе. Углерод имеет два основных изотопа — 12-й и 13-й. До войны вообще думали, что соотношение их — константа. Однако, довольно быстро пришли к мысли, что белки, жиры и уг­леводы внутри организма различны по изотопному составу. Как раз в это время нам пришлось заниматься ещё одной работой — происхождением нефти. Для этого понадобилось знать термодинамические константы для разных углеводородов. К тому времени данные константы были рассчитаны только для самых простых соединений, потому что такие расчеты довольно трудоемки. Нужно было найти метод попроще и мне удалось его отыскать. Тогда, можно сказать, я принялся для смеха вычислять константы самых разных биологических молекул. И после сопоставления их с измеренным, оказалось, что имеется хорошая корреляция между ними и изотопным составом… Вижу, что вы никак не поражены этим обстоятельством.

— А почему это меня должно поразить?

— Ведь это в самом деле является абсолютно невозможным явлением — чтобы присутствовала подобная корреляция между наблюдением и равновесными константами! Ведь организм в нашем понимании — это нечто совершенно удаленное от такого равновесия! Только когда организм погибнет и превратится в совокупность газов — в этом случае можно считать это равновесием!

— Равновесие, насколько мне помнится из курса химии, это совпадение скоростей прямой и обратной реакции. Сколько продуктов образовалось, столько же должно и расходоваться. Мне казалось, что в организме, где проходят многочисленные реакции, рядом с этим пунктом все и вертится. Каждый пункт в отдельности должен быть близок к равновесию, а в целом — конечно, потихоньку набирается необратимость.

— Если вы так думаете, вы изначально становитесь моим союзником.

— Хорошо, только я по-прежнему не понимаю, какое отношение это дело имеет к упорядочению и, собственно, к происхож­дению жизни.

— Мне стало понятно, что химия живого — довольно проста. Это множество неравновесных реакций, которые в сумме недалеки от равновесия. Что происходит с живыми системами? Они производят обмен с внешней средой. Вы постоянно добавляете в реакцию вещество, и реакция будет идти. И если вы будете добавлять вещество поне­многу, система будет постоянно оставаться близкой к состоянию равновесия. Подобные процессы называются стационарными. Как раз в них и происходит упорядочение.

— За счет чего?

— Это происходит за счет сопряжения с внешней средой. Существует теорема Пригожина, гласящая, что подобные системы производят минимум энтропии. Все происходит именно так, как в жизни: сис­тема выбрасывает наружу высокоэнтропийный продукт, и упорядочение в данной системе увеличивается за счет разупорядочения среды. На данный процесс обязательно требуется энергия. На любое появление вещества система ответит внутри себя производством низкоэнтропийного продукта. Именно это и будет той самой машиной, которая обязательно должна произвести упорядочение.

— Невероятно! А как в реальности это выглядит? Как это происходило на ранней Земле?

— Во-первых, необходима энергия, процесс упорядочения системы должен сопрягаться с внешней средой. Самой подходящей средой для подобного процесса будет молекула АТФ, аденозинтрифосфат. Так что мы получили через четыре с половиной миллиарда лет после начала процесса? Во-первых, молекулы АТФ полностью обслуживают энергетику организма, по другому они как раз сочетают ферментативные реакции с расходом питательных веществ. Во-вто­рых, аденин находится в составе нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. В связи с чем мне кажется, что АТФ — является наиважнейшей молекулой для процесса зарождения жизни. Она появилась из простых веществ — метана, воды, азота, еще в ранние эпохи на Земле.

— Пусть так, появилась, что дальше? Путь от достаточно простой АТФ до клетки — как от Москвы до иной галактики.

— Далее моя концепция придерживается мнения, что эволюция совершенно подчинена процессу упорядочения. Никакой цели вы здесь не обнаружите. Может появиться вопрос: в таком случае зачем вообще происходит какой-то направленный процесс? И надо сказать, что жизнь связана с особенностями углеродистых соединений. С тем, что Вселенная с самого своего зарождения несет огромное количество ограничений. Упорядочение может происходить во множестве случаев: звезды, кристаллы, кремниевые цепочки… Но в этом всего два-три шага: кристалл кристаллизуется — и все, нет у него путей эволюции. Однако, углерод является уникальным элементом в нашей Вселенной. Он умеет создавать цепочки, двойные связи. Для процесса также нужен водород, который дает водородные связи, связывающие цепочки ДНК в двойную спираль… Вообще-то природа не имела так уж много вариантов. Предположим, кремний умеет создавать цепочки, но не делает двойных связей. Идем дальше. После появления углеродных соединений — аминокислот, нуклеотидов, коротких цепочек. Машина продолжает свою работу. Чтобы уменьшать степени свободы, нужен катализ, который ограничивает выбор вариантов химических реакций. И лучших катализаторов, чем белки, в природе не существует. Даже короткая цепочка, которая состоит из нескольких аминокислот может обеспечить достаточно высокую селективность. Однако, у пептидного упорядочения имеется предел — они не умеют передавать по наследству свою упорядоченность. Зато существуют иные соединения — нуклеиновые кислоты. И лучше них, на свете не реплицируется ничего.

— Насколько я понимаю, это является одним из наиболее сложных моментов: каким образом установить соответствие между пептидами и, предположим, РНК.

— Если бы вы меня спросили, каким образом это произошло, ответить конкретно я бы, пожалуй, затруднился. Но в связи с тем, что машина упорядочения работает, она постоянно изыскивает возможности упорядочивать далее. Каким способом легче всего создавать низкоэнтропийный продукт? Вполне естественно - из двух предшественников — низкоэнтропийных продуктов. Жизнь довольно-таки консервативна, она создает из того, что уже было создано. И дальнейшая возможность — установление соответствия между механизмом запоминания и механизмом катализа. Другими словами, создание генетического кода. И когда такая система появилась, она семимильными шагами пошла дальше до самого создания клетки. Теперь представьте себе лабиринт с массой тупиков и одной дорожкой вперед. Упорядочение — как раз и будет вашей возможностью тыкаться вперед. Попробуйте в этот лабиринт залить воду — она же найдет дорогу! Наша дорога состояла в том, что пептиды научились воспроизводить себя через другие молекулы.

— Все, что вы рассказали, довольно-таки прекрасно звучит в теории, однако, молекулярная биология является очень конкретной наукой: молекула в одну сторону, фермент в другую… Пока опытных результатов не получите, вам никто не поверит.

— Мне кажется, точных экспериментов на лабораторном столе воспроизвести не получится. Есть процессы, для воспроизведения которых потребуются миллионы лет. По гео­логическим меркам это достаточно быстро, а вот в лаборатории даже при создании идеальных условий может понадобиться не менее тысячи лет.

— А нельзя частями? Или нет?

— Смысла не будет. В настоящее время ведь также возможно воссоздать живое из неорганических молекул: подобрать нужные катализаторы, синтезировать пептиды, нуклеиновые кислоты, а затем отобрать те из них, про которые заранее известно, что они полностью соответствуют друг другу. Это ничего не даст еще и потому, что вы все будете делать своими руками, а для точного доказательства необходимо, чтобы такой процесс шел сам. И потому, мне кажется, нужна правильная математическая модель и как раз над этим мы работаем. Не стану врать, что абсолютно удовлетворен результатом, однако, он есть. В чем этот результат состоит? Мы задаем определенные условия компьютеру и глядим, отыщет ли машина, что иного пути, кроме как установить соответствие между аминокислотами и основаниями, не имеется. Если отыщет, это и будет означать, что генетический код вполне мог возникнуть сам собой. Пока что нам этого не удалось. Получается только с подсказками.А нужно, чтобы машина сама изобрела такой алгоритм.