Первобытный бульон» Стэнли Миллера. Ошибки и заблуждения

В 1953 году сотрудник Чикагского университета Стэнли Миллер опубликовал результаты своих экспериментов, в которых он попытался сварить такой «первобытный бульон», воспроизведя в лаборатории условия, которые должны были сопутствовать возникновению жизни. Учёный подверг воздействию электрических разрядов смесь из метана, воды, водорода и аммиака. Действительно, в этих и подобных им экспериментах удалось получить аминокислоты и азотистые основания. Напомним, что первые (аминокислоты) являются молекулярными кирпичиками, из которых построены белки, а вторые (азотистые основания) наряду с сахарами рибозой и дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты входят в состав нуклеиновых кислот.

Однако, детальный анализ продуктов спонтанного синтеза, протекающего в лабораторном «первобытном бульоне», вызвал немало вопросов.

1. Во-первых, в ходе этих экспериментов образовывались в равном количестве L- и D- изомеры аминокислот (эти формы являются зеркальным отображением друг друга). Но белки живых организмов состоят только из L- аминокислот. Возникает закономерный вопрос: каким образом возникли белки, состоящие исключительно из L- аминокислот?

2. Во-вторых, факты говорят о том, что концентрации аминокислот в «первобытном бульоне» должны были бы быть слишком маленькими.

Химик Дональд Халл подсчитал, что концентрация самой простой аминокислоты, встречающейся в живых организмах – глицина, – не должна была быть больше 10-12 моля. Он пишет:

«Даже максимально вероятное содержание аминокислоты является безнадёжно низким, чтобы служить отправной точкой для самопроизвольного зарождения жизни» [5].

Такие низкие концентрации ставят под сомнение идею самопроизвольного образования даже самых простых белковых молекул. Вероятность же самосборки сложных белков, состоящих из сотен L- аминокислот, соединённых между собой в определённой последовательности, – ещё меньше. Чтобы понять, какова она, приведём один весьма наглядный пример.

Предположим, мы хотим получить белковую молекулу из ста аминокислот в результате хаотичного, самопроизвольного возникновения в «первобытном бульоне». Сколько времени для этого необходимо? Как известно, природные белки состоят из двадцати аминокислот. Вероятность того, что мы случайно отберём из двадцати аминокислот строго определённую – один шанс из двадцати (или 0,05). Если мы хотим получить белок, аналогичный природному, то все аминокислоты, входящие в него, должны быть L-изомерами. Вероятность того, что отобранная аминокислота будет именно L-изомером – один шанс из двух (0,5). Присоединение аминокислот к растущей пептидной цепочке возможно с двух её концов, следовательно, вероятность присоединения аминокислоты с «нужного» конца – один шанс из двух (0,5).

Таким образом, для того, чтобы найти вероятность появления одной определённой L-изомерной формы аминокислоты в нужном месте белка, нам необходимо просто перемножить все найденные нами три вероятности. Искомое число будет один шанс из восьмидесяти (0,0125). Вероятность того, что две L-формы конкретных аминокислот расположатся в нужной последовательности в белке – один шанс из шести тысяч четырехсот (или 0,000156; чтобы получить эту величину необходимо умножить 0,0125 на 0,0125). Для ста аминокислот вероятность их случайного попадания в строго определённое место белка составляет один шанс из 4,9 x 10 в -191 степени.[6]

Но предположим на минуту, что формирование аминокислот (исключительно левосторонних) было возможным. Какова тогда вероятность случайной сборки этих элементарных блоков в сложную систему? От самозарождения кирпича до самостроительства кирпичных девятиэтажек - большое расстояние. Двое известных ученых-эволюционистов легко подсчитывают вероятность самосборки ДНК: она составляет 1/(1020)2000 = 10 в ‑40000 степени (2000 ферментов, 20 аминокислот на каждый фермент)[7]. Математики рассматривают события, вероятность которых ниже 10 в ‑50 степени, как полностью невероятные на практике. В 30 миллиардах лет содержится 1018 сек. Если бы каждую секунду появлялось по миллиарду миллиардов новых комбинаций из нужных двадцати аминокислот, и так на протяжении 30 миллиардов лет, появление хотя бы одной правильной ДНК остается событием статистически невероятным (10‑40000+(18+9+9) = 10 в ‑39964 степени).

И это подсчеты для самосборки лишь центральной части клетки – полимерной молекулы ДНК. Что же касается вероятности самосборки целой клетки, то она значительно меньше. Доктор Моровиц оценивает ее путем сравнения совокупной энергии химических связей в клетке с совокупной энергией химических связей в ее составляющих: она составляет 10 в -100000000000 степени. От макромолекулы до целой клетки – еще одна пропасть.

Дело ещё больше усложняется, если мы попытаемся обсудить вероятность самопроизвольного возникновения нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).

3. Условия, которые должны были бы сопутствовать появлению в «первобытном бульоне» сахаров (сахара рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот) и аминокислот (компонентов белков) различны. Аминокислоты образуются в кислой среде, которая непригодна для образования сахаров.

4. Переход от простого набора биополимеров к функционирующему живому организму, пускай даже очень простому, представляется ещё более сложной проблемой, чем спонтанный синтез белков и нуклеиновых кислот. Об этом говорят биохимики-эволюционисты Дэвид Грин и Роберт Гольдберг:

«Переход от макромолекул к клетке является скачком фантастических масштабов, который лежит за пределами поддающейся проверке гипотезы. В этой области всё является предположением. Доступные факты не дают основания постулировать, что на этой планете возникли клетки» [8].

Гарольд Моровиц подсчитал, что вероятность самоорганизации биополимеров с образованием кишечной палочки (Escherichia coli) равна одному шансу из 10 в -110 степени, для микоплазмы – один шанс из 10 в -450 степени.[9]

5. Компоненты живой клетки, функционируя как единое целое, находятся в сложном взаимодействии друг с другом. В клетках белковые молекулы образуются в результате реакций матричного синтеза, которые протекают в соответствии с информацией, заложенной в молекуле ДНК. В этом сложном процессе может участвовать несколько сот специфических белков, и отсутствие одного из них делает матричный синтез просто невозможным. В свою очередь, белки участвуют в процессах биосинтеза нуклеиновых кислот. Таким образом, для синтеза белков в клетках нужны нуклеиновые кислоты, а для биосинтеза нуклеиновых кислот – белки. Как разрешить это противоречие?

Высказывались предположения, что первыми могли возникнуть самовоспроизводящиеся РНК. Но никаких экспериментальных подтверждений получено до сих пор не было. Нобелевский лауреат биохимик Христиан де Дюв говорит по этому поводу следующее:

«Попытки создать при тщательной разработке и технической поддержке, которой не мог похвастаться первичный мир, молекулу РНК, способную катализировать самовоспроизведение, пока не увенчались успехом» [10].

Крупный российский биохимик Александр Спирин утверждает:

«Я глубоко убеждён, что «перебором», путём эволюции невозможно получить сложный прибор... Это таинственное, я бы сказал, «божественное» соединение – РНК, центральное звено живой материи, не могло появиться в результате эволюции. Она либо есть, либо её нет. Она настолько совершенна, что должна была быть создана некой системой, способной изобретать».

6. А существовал ли первобытный бульон? Ряд довольно крупных учёных считают, что нет. Австралийский биолог Майкл Дентон убеждён, что гипотеза о первобытном бульоне – это хорошо устоявшийся научный миф:

«Учитывая, что на пребиотический бульон ссылаются во множестве дискуссий о происхождении жизни как на уже установленную реальность, понимание того, что нет абсолютно никаких положительных доказательств его существования, оказывается чем-то вроде шока» [11].

Такого же мнения придерживается английский астроном Фред Хойл, профессор Кембриджского университета:

«Вероятность образования жизни из неодушевлённой материи равна отношению единицы к числу с 40000 нулей после неё. Оно достаточно велико, чтобы похоронить Дарвина и всю теорию эволюции. Никакого первичного бульона не существовало ни на нашей, ни на какой-либо другой планете, а если происхождение жизни было не случайным, то, следовательно, оно было продуктом преднамеренного акта, направляемого разумом» [12].

7. Вернемся к синтезу протеиновой цепочки. Самопроизвольная сборка аминокислот в белковую молекулу встречает ряд трудностей. Прежде всего, отметим, что аминокислотные звенья должны соединяться не любым способом из многих возможных, а только особой связью, так называемой пептидной, и только линейно, без разветвлений. В «первобытном бульоне» образование ее просто невозможно. Во–первых, реакция сдвигается в сторону распада полипептида до аминокислот, во–вторых, сами аминокислоты — вещества химически высокоактивные и реагировать будут предпочтительнее с другими соединениями, а не друг с другом. В химической лаборатории чтобы получить полипептид, в аминокислоте блокируют активные группы, которые не участвуют в образовании пептидной связи. Кто же их блокировал в «первобытном бульоне»?

8. Выше отмечалось, что «древняя» атмосфера Земли содержала кислород (следы его обнаружены во всех осадочных слоях). Уже это делает невозможным накопление аминокислот из–за химической агрессивности кислорода: аминокислоты просто бы разрушались. Атмосферный кислород (точнее, его озоновая форма) совершенно необходим для защиты от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Но даже если предположить, что кислорода в атмосфере не было, то в отсутствие озонового щита биологические молекулы были бы разрушены ультрафиолетом. Ни в той, ни в другой атмосфере биомолекулы бы не «выжили».