Произход на живота абиогенеза и панспермия (страница 1 от 6)

4. Произход на живота: абиогенеза и панспермия. Хиперцикъл. Геохимичен подход към проблема.

След като завършихме раздела за еволюцията на самата Земя, сега започваме да изучаваме еволюцията на живота на нея. Веднага ще направя резервация: няма да навлизам в джунглата на определенията за това какво е „живот“ или да обсъждам чисто химическите аспекти на това явление - това би ни отнело твърде далеч от темата на специалния курс [07]. Нашият подход към проблема с живота на Земята ще бъде чисто функционален и в неговите рамки трябва да приемем едно аксиоматично твърдение: еволюцията на биосферата и съставляващите я екосистеми върви като цяло към появата на все по-съвършени, т.е. стабилна и икономична, циркулация на материя и енергия. Подобряването на циклите има за цел да сведе до минимум необратимите загуби на биологични системи: екосистемата се стреми да предотврати извличането на микроелементи и погребването на неокислен въглерод, да прехвърли водата от повърхностния отток в подземния и т.н. Следователно от обща планетарна гледна точка животът трябва да се разглежда като начин за стабилизиране на геохимичните цикли, съществуващи на планетата.

Що се отнася до произхода на живота на Земята, този проблем от времето на Е. Хекел (1866) обикновено се свежда до чисто химичен проблем: как да се синтезират сложни органични макромолекули (предимно протеини и нуклеинови киселини) от прости ( метан, амоняк, сероводород и др.), които съставлявали първичната атмосфера на Земята. Трябва честно да се признае, че дори този, общо взето технически проблем, е далеч от решението. През двадесетте години А.И. Oparin и J. Haldane експериментално показаха, че в разтвори на органични съединения с високо молекулно тегло могат да се появят зони с повишена концентрация - коацерватни капки, които в известен смисъл се държат като живи обекти: те спонтанно растат, разделят и обменят материя с заобикаляща течност през уплътнения интерфейс. След това през 1953 г. С. Милър възпроизвежда в колба газообразния състав на първичната атмосфера на Земята (въз основа на състава на съвременните вулканични газове) и с помощта на електрически разряди, симулиращи гръмотевични бури, синтезира в нея редица органични съединения, включително аминокиселини. След известно време S. Fox успя да комбинира последните в къси неправилни вериги - безматричен синтез на полипептиди; Впоследствие подобни полипептидни вериги в действителност са открити, наред с други прости органични вещества, в метеоритно вещество. Това всъщност изчерпва реалните успехи, постигнати в рамките на концепцията за абиогенеза - с изключение на факта, че поне едно основно ограничение на възможността за синтезиране на „живи“ (т.е. биологично активни) макромолекули от по-прости органични „тухли“.

Факт е, че много органични съединения са смес от два така наречени оптични изомера - вещества, които имат абсолютно еднакви химични свойства, но се различават по така наречената оптична активност. Те по различен начин отклоняват лъч поляризирана светлина, преминаващ през техните кристали или разтвори, и в съответствие с посоката на това отклонение се наричат ​​десен или левогират; само чисти изомери притежават това свойство, докато техните смеси са оптически неактивни. Това явление е свързано с наличието в молекулата на такива вещества на така наречения асиметричен въглероден атом, към четирите валентности на които могат да бъдат прикрепени четири различни съответни радикала в различен ред (Фигура 13). И така, тези химически идентични вещества, както Л. Пастьор установява през 1848 г., изобщо не са такива за живи същества: плесенната гъба penicillium, развиваща се в среда на гроздова киселина, „изяжда“ само нейния правомерно изомерен изомер и в среда на млечна киселина - левовъртяща се (между другото, един от методите за разделяне на оптичните изомери се основава на това), човек може лесно да вкуси изомерите на млечната киселина.

ФИГУРА 13. (пропусната) "Лява" и "дясна" аланинови молекули.

Сега е известно, че всички протеини на нашата планета са изградени само от лево-въртящи се аминокиселини, а нуклеиновите киселини - от дясно-въртящи се захари; това свойство, наречено хирална чистота, се счита за една от основните характеристики на живите същества. И тъй като при всеки абиогенен синтез (например в апарата на Милър) образуваните аминокиселини ще се състоят от приблизително еднакви (според теорията на вероятностите) пропорции на десния и левогиратния изомери, то в бъдеще, когато се синтезират протеини от този „суровина“, ще се изправим пред задачата: как химически да се отдели смес от вещества, които са химически идентични по дефиниция? (Не напразно само естествените захари имат оптична активност - и нито една от синтетичните, а гореспоменатите полипептиди от метеоритното вещество се състоят от равни пропорции на дясната и левогиратната аминокиселини.)

Междувременно дори успешният синтез на „живи“ макромолекули (преди които, както се казва, „седем мили - и всичко в гората“) сам по себе си не решава проблема. За да работят макромолекулите, те трябва да бъдат организирани в клетка - освен това изглежда не се виждат възможности за „междинно кацане“ по време на тази немислима сложност на „полета“: всички така наречени предклетъчни форми на живот - вируси - са задължителни (т.е. задължителни) вътреклетъчни паразити и следователно трудно могат да бъдат предшествениците на клетките. Пропастта, разделяща пълния набор от аминокиселини и нуклеотиди от най-простата бактериална клетка в светлината на съвременните познания, започна да изглежда дори по-непреодолима, отколкото изглеждаше през миналия век.

Има такава аналогия: вероятността от случайно възникване на значима аминокиселинно-нуклеотидна последователност съответства на вероятността няколко килограма от типографски тип, хвърлени от покрива на небостъргач, да се добавят към 105-ата страница на романа " Война и мир". Абиогенезата (в класическия си вид) току-що е приела такова „пускане на шрифта“ - веднъж, 10 пъти, 10 100 пъти - толкова пъти, колкото е необходимо, докато се сгъне в необходимата страница. Сега всички разбират, че това просто не е сериозно: времето, необходимо за това (напълно е възможно да се изчисли), е с много порядъци по-голямо от живота на цялата ни Вселена (не повече от 20 милиарда години). В резултат на това сме изправени пред неизбежната необходимост да разпознаем пряката намеса на Бог в този случаен процес (тук можете да мислите за някои евфемизми, но същността няма да се промени от това); и ако е така, тогава този проблем, както се досещате, изобщо не принадлежи към сферата на науката. Така се оказва, че поне в рамките на чисто химичен подход проблемът за произхода на живота е коренно неразрешим.

Алтернатива на абиогенезата беше концепцията за панспермия, свързана с имената на такива изключителни учени като Г. Хелмхолц, У. Томпсън (лорд Келвин), С. Арениус, В.И. Вернадски. Тези изследователи вярвали, че животът е вечен и повсеместен като материята и неговите ембриони непрекъснато пътуват през космоса; По-специално Арениус доказа чрез изчисления основната възможност за пренасяне на бактериални спори от планета на планета под въздействието на светлинно налягане; също така се предполагаше, че веществото на Земята по време на образуването си от газопрахов облак вече е било „заразено“ от „ембрионите на живота“, които са били част от последния.

Понятието панспермия обикновено се критикува, че не дава фундаментален отговор на въпроса за начините на произход на живота и само отлага решението на този проблем за неопределено време. В същото време мълчаливо се подразбира, че животът е трябвало да се осъществи в определена точка (или няколко точки) на Вселената и след това да се разпръсне в космическото пространство - точно както новопоявили се видове животни и растения се разпръскват по Земята от регион на техния произход; в тази интерпретация хипотезата за панспермия наистина изглежда като просто отклонение от задачата. Истинската същност на тази концепция обаче не се крие изобщо в романтичните междупланетни скитания на "ембрионите на живота", а във факта, че животът като такъв е просто едно от основните свойства на материята и въпросът за "произхода" на живота "е в същия ред като например въпроса за„ произхода на гравитацията ".

Лесно е да се види, че от двете изходни точки на концепцията за панспермия - вечността на живота и повсеместното разпространение на неговото разпространение - само втората е фалшифицирана (т.е. проверяема - виж допълнителна глава 1-а). Всички опити за намиране на живи същества (или техните фосилни останки) извън Земята и преди всичко - в състава на метеоритна материя, не са дали положителен резултат. Повтарящите се доклади за находките от следи от живот върху метеорити се основават или на погрешната интерпретация на някои подобни на бактерии неорганични включвания, или на замърсяването на „небесни камъни“ от земни микроорганизми. Оказа се, че метеоритното вещество е доста богато на органични вещества, но всичко, както вече споменахме, не притежава хирална чистота; това последно обстоятелство е много силен аргумент срещу основната възможност за съществуването на „междузвезден живот“. По този начин поне не е потвърдена разпоредбата относно повсеместното разпространение на живота във Вселената. Това води до тъжното заключение, че панспермията, подобно на абиогенезата, не дава задоволителен отговор на въпроса за произхода на живота на Земята [08].

Истински пробив в тази област стана очевиден едва през последните 20-25 години и той беше свързан с прилагането на теорията на самоорганизиращите се системи към проблема за произхода на живота. Самоорганизиращата се система е система, която има способността да коригира поведението си въз основа на предишен опит (самият термин е въведен през 1947 г. от един от основателите на кибернетиката, физиологът У. Ашби). Трябва незабавно да се уточни, че беше категорично показано, че разглеждането на процесите на развитие (включително биологични системи от пребиологични) е фундаментално невъзможно в рамките на класическата термодинамика. Създателят на алтернативна, неравновесна, термодинамика И. Пригожин направи научна революция в същия мащаб като Нютон или Айнщайн по тяхно време и тази революция в никакъв случай не е завършена (за повече подробности за всичко това вижте допълнителна глава 4- а). Междувременно всички красиви модели от последните години са разрушаването на огледалната симетрия с появата на хирална чистота V.I. Gol'danskiy (1986) или хиперциклите на M. Eigen (1982), разгледани по-подробно по-долу, работят само в рамките на термодинамиката на Prigogine. Ето защо всички те нямат нищо общо с класическата абиогенеза: ако Хекел и Опарин свеждат биологията до химия, тогава физикът Айген, както ще видим, в известен смисъл свежда химията до биология.