Проблемы, связанные с химической эволюцией

Этот раздел может показаться вам несколько перенасыщенным технической терминологией, но он очень важен и потому стоит того, чтобы приложить некоторые усилия к его восприятию. Возможно, вам не удастся понять его во всех тонкостях, но усвоить основные моменты будет вполне по силам каждому.

Где был этот бульон? Эволюционистам крайне необходим «теплый органический бульон», и чем больше, тем лучше. Живые организмы столь замысловато устроены и шансы на их самоорганизацию столь малы, что такого бульона должно быть действительно много; чем больше этого бульона, тем больше шансов, что где-нибудь самопроизвольно возникнет жизнь. Постулируемый бульон должен напоминать что-то вроде консоме или мясного супа размером с мировой океан. Проблема в том, что если такой бульон существовал на первобытной Земле в течение многих миллионов лет (а иначе он не смог бы аккумулировать необходимые молекулы), то в древнейших отложениях должна была остаться масса следов его пребывания. Они должны быть перенасыщены всякого рода органическими остатками, но на самом деле ничего подобного не наблюдается¹³. Концепция первобытного «супа» весьма популярна и зачастую преподносится как факт¹⁴. Так что, как указывает молекулярный биолог Майкл Дентон, «для нас становится своего рода шоком, когда мы приходим к осознанию, что нет абсолютно никаких свидетельств в пользу его существования»¹⁵.

Наличие нужных разновидностей молекул. В результате экспериментов по получению первых молекул жизни возникает множество других разновидностей молекул, которые для жизни совершенно бесполезны. Например, в ходе эксперимента Миллера было получено гораздо больше разновидностей аминокислот, совершенно не нужных для построения белков, чем те двадцать, которые необходимы тем или иным формам жизни¹⁶. Процесс зарождения жизни должен был отсортировать этот «мусор», прежде чем сформировать первые полезные для жизни белковые соединения. Трудно представить, как подобное могло произойти само по себе. Кроме того, в результате такого типа экспериментов возникают помимо прочего молекулы цианида и формальдегида, которые крайне губительны для жизни¹⁷.

Органические молекулы недолговечны. Чтобы возникли первобытные формы жизни, необходима крайне высокая концентрация органических молекул. Однако органические молекулы легко уничтожаются, особенно под воздействием ультрафиолетовых лучей, которые, как предполагают ученые, были источником энергии для их образования. Химик Дональд Халл¹⁸, сотрудничающий с Калифорнийской исследовательской корпорацией, высчитал, какова вероятность выживания простейшей аминокислоты глицина (NH₂CH₂COOH) в условиях первобытной Земли. Он пришел к выводу, что 97 процентов ее распались бы еще в первобытной атмосфере, а оставшиеся 3 процента погибли бы, уже достигнув поверхности океана. Чем сложнее аминокислота и чем хрупче, тем меньше у нее шансов на выживание. Так что ученые едва ли могут рассчитывать на высокое содержание в первобытном бульоне органических молекул, необходимых для самозарождения жизни¹⁹.

Оптические изомеры. Ваши правая и левая руки очень похожи, но их составные части расположены так, что представляют собой как бы зеркальное изображение друг друга. Органические молекулы — тоже сложные трехмерные соединения, которые могут существовать в различных формах, даже при наличии одних и тех же атомов и базовой химической структуры. Эти различные формы схожих молекул называются изомерами, и, подобно двум рукам, они могут быть зеркальными изображениями друг друга (Рис. 3.3)²⁰. Отличить две молекулы, являющиеся зеркальными отображениями друг друга, можно по тому, в какую сторону они вращают плоскость поляризованного света. Если влево, то это L- форма (левовращающая), если вправо — то D-форма (правовращающая). Когда ученые синтезируют подобные органические молекулы в лаборатории, то половина из них оказывается L-формой, а другая половина D-формой, за одним исключением — аминокислота глицин устроена так просто, что зеркальных форм не имеет. Именно такой результат давали эксперименты Миллера, и так оно по идее и должно было происходить в первобытном бульоне²¹. Но если мы посмотрим на живые организмы, то подавляющее большинство аминокислотных молекул, из которых они состоят, принадлежит к L-форме. И заменить их на другую форму будет затруднительно. Всего лишь одной аминокислоты D-типа в белковой молекуле будет достаточно, чтобы помешать ее правильному формированию и функционированию²². И тут возникает непростой для эволюционной теории вопрос: каким образом первые формы жизни, образовавшиеся в первобытном бульоне, усвоили для своих белков аминокислоты только L-типа из смеси, содержавшей равное количество D- и L-молекул? Да и в случае с молекулами сахара в ДНК и РНК возникают те же проблемы, за той лишь разницей, что эти сахара сплошь D-типа.

За минувшие годы эволюционисты предложили множество механизмов, таких, как поляризованный свет, магнетизм, воздействие ветра и т. д., в попытке разрешить загадку, почему в живых организмах встречаются аминокислоты одного лишь L-типа²³. Но ни один из этих механизмов проблему не решает, поэтому выдвигаются все новые идеи. Ученые хватаются за любой лучик надежды, подаваемый им четко выверенными лабораторными экспериментами, которые могут лишь весьма приблизительно воссоздать те природные условия, что существовали на Земле на самом деле. До сей поры этому феномену так и не дано более или менее реалистичное объяснение.

Образование больших молекул. Аминокислоты, нуклеотидные основания, сахара и пр. — все это сравнительно простые молекулы по сравнению с теми, что образуются при построении белков, ДНК и РНК. Мы научились получать множество простых молекул, но как быть с огромными молекулами — неужели они сформировались сами собой? Типичный белок состоит примерно из сотни аминокислот, а вот ДНК Escherichia coli представляет собой гигантскую молекулу, насчитывающую более четырех миллионов оснований. Напомню: даже простейшие виды известных нам самостоятельных организмов насчитывают полмиллиона оснований в своих ДНК, кодирующих почти пятьсот различных белков²⁴.

Каким образом самоорганизовались первичные формы жизни? Организмам нужны белки, чтобы выстроить ДНК, и у них должны быть ДНК, чтобы собрать белки. Неужели эта система стала результатом совершенно случайных взаимодействий между атомами, повинующимися законам физики? Ученые попытались высчитать вероятность образования одного из видов белковой молекулы, и оказалось, что она невероятно мала. По некоторым данным она не превышает одного шанса из 10¹⁹⁰ (4,9 х 10^-191). Это чрезвычайно малая величина; каждый последующий из 190 нулей снижает вероятность этого события в десять раз по сравнению с предыдущим. Так неужели у самопроизвольного зарождения жизни помимо разумного замысла не остается никаких шансов? Некоторые математики определяют вероятность ниже одного шанса на 10⁵⁰ как не существующую вовсе, однако мы все-таки можем с определенной натяжкой допустить, что хотя бы одной «правильной» молекуле появиться-таки удалось. И все же одной белковой молекулы будет явно недостаточно; нам нужны по крайней мере сотни их разновидностей для простейшей формы жизни²⁶. А затем нам потребуются молекулы ДНК или РНК, которые могут оказаться посложнее, чем белки, да и без углеводов и жиров (липидов) нам будет не обойтись.

Если вы собираетесь опираться на случайность и неуправляемые естественные законы, то вам и целой Вселенной со всей ее материей будет мало! Насколько велика вероятность самоорганизации молекул в живое существо попробовал выяснить ученый-биолог Бернд-Олаф Кюпперс. Он отмечает, что «даже если бы вся космическая материя состояла из молекул ДНК со структурной сложностью бактериального генома [т.е. микробных ДНК] и со случайными последовательностями, то вероятность обнаружить среди них бактериальный геном или что-то его напоминающее по-прежнему была бы совершенно ничтожной»²⁷. Целый ряд эволюционистов признают наличие этой проблемы, но при этом они не предлагают никаких правдоподобных решений. А ведь есть еще ДНК человека, которая в тысячу раз больше, чем ДНК микроба²⁸. Нельзя не учитывать также, что биологическая информация, заключенная в ДНК, должна быть очень точной. Замена всего лишь одной аминокислоты в белке может привести к большой беде, как в случае с больными серповидноклеточной анемией. Итак, если говорить о самопроизвольном зарождении жизни, то здравый смысл требует, чтобы мы искали какие-то другие варианты помимо случайности. Вероятность самозарождения столь мала, что мы с тем же успехом могли бы поверить и в чудо.

Генетический код. У детей есть такая забава — они любят создавать тайные шифры и, заменив буквы и цифры своими символами, получают новый язык, доступный лишь узкому кругу избранных, которые посвящены в тайну кода. Военные пользуются очень сложными шифрами и постоянно их меняют, чтобы защитить ценные сведения от врага, который изо всех сил старается их взломать. Несколько десятилетий назад с не меньшими усилиями был расшифрован генетический код²⁹. Его расшифровку считают одним из величайших триумфов науки.

Ранее мы уже говорили о том, как основания А, Т, Г и Ц, располагающиеся вдоль молекулы ДНК, управляют производством белков, передавая информацию к РНК и аминокислотам (Рис. 3.2). А каким образом информация передается от ДНК к аминокислотам? Ведь между ними нет прямой связи; это как если бы мы с вами пытались наладить общение с земляным червем с помощью дымовых сигналов. Эта информация переходит от ДНК при посредстве особых молекул, которые используют язык генетического кода. Говорить о жизни в ее ныне существующем виде совершенно бессмысленно помимо этого генетического кода, так что он должен был существовать прежде, чем появилась жизнь. Как вы помните, в генетическом коде для кодирования одной аминокислоты требуется комбинация (кодон) из трех оснований (Таб. 3.2). Откуда взялся этот зашифрованный язык — вот над чем ломают головы эволюционисты. Первичный бульон — это ведь не алфавит! Вряд ли можно рассчитывать, что множество оснований ДНК выстроятся в значимом закодированном порядке в результате каких-то случайных изменений. Более того, от этого кода не было бы никакой пользы и он не обладал бы никакой ценностью для выживания в ходе эволюции до появления системы, которая подгоняет аминокислоты под этот код.

С другой стороны, многие эволюционисты считают, что само существование почти универсального генетического кода служит веским свидетельством того, что все организмы связаны друг с другом и эволюционировали от одного общего предка. Как сказано в одном известном учебнике биологии: «Универсальность генетического кода является одним из самых веских свидетельств в пользу того, что все живые существа происходят от одного эволюционного корня»³⁰. Аргумент от подобия, например, подобия клеток, генов, строения конечностей и пр., широко используется в поддержку эволюционной теории, но по некотором размышлении он не так уж и убедителен. Его легко опровергнуть тем, что все эти сходства могут служить не менее веским свидетельством в пользу одного Творца, Бога, Который использовал одну и ту же удачную конструкцию при сотворении различных организмов. Было бы довольно странно, если бы Бог стал придумывать множество разнообразных генетических кодов для разных организмов, когда уже существует хорошо зарекомендовавший себя рабочий образец. И потому на упомянутый выше аргумент от подобия нельзя опираться в поиске истины о происхождении жизни.

У живых существ нет ни одной системы, которую можно было бы назвать простой, и тем более генетический код. Ранее мы уже упоминали о том, что при построении белков особые молекулы (аминоацил-тРНК-синтетазы) совмещают соответствующий вид аминокислоты с конкретным видом транспортной РНК, обладающей необходимым для этой аминокислоты генетическим кодом. Затем комбинация из аминокислоты и закодированной транспортной РНК приводится в соответствие с закодированной информацией на матричной РНК. Эта информация изначально поступает от ДНК и результатом ее становится правильная последовательность аминокислот, образующих белковую молекулу в рибосоме (Рис. 3.2). Если коды в ДНК и коды, используемые транспортной РНК, не совместятся, то нужного белка не получится. Здесь можно провести простую аналогию с человеческим языком. Чтобы общение между двумя людьми было осмысленным, и говорящий, и слушающий должны говорить на одном языке. То же самое и с генетическим кодом. Более того, любая попытка привнести в него какие-то изменения приведет к мгновенной гибели живого организма.

Такие «языки», как генетический код, едва ли могут появиться самопроизвольно в живой или неживой природе. Их разработка требует немалого мастерства. Если взять эволюционный сценарий с его постепенным эволюционным развитием, то возникает вопрос, что возникло прежде — сложный код в ДНК или способность прочесть его и подогнать под него соответствующие аминокислоты. Ни то, ни другое не имело бы никакой ценности с точки зрения эволюционного выживания, функционируй они по отдельности. Требуется хотя бы один отдельный трехбуквенный ДНК-код для каждой из 20 аминокислот. Этот код нужно согласовать с аминокислотами с помощью 20 особых молекул (аминоацил-тРНК-синтетазы), которые прикрепляют нужные аминокислоты к 20 видам транспортных РНК. Затем эти транспортные РНК считывают информацию с матричных РНК, первоисточником которой служит ДНК в ядре клетки. Это сложная система, и она должна работать правильно и четко, иначе получатся не те белки. На самом деле она еще сложнее, чем описано выше. В ней очень много взаимозависимых составляющих, которые не могут работать по отдельности, так что здесь едва ли обошлось без некоего разума, который и код создал, и сложный процесс производства белков запустил.

Биохимические пути и контроль над ними. Обычно при получении всего лишь одного необходимого вида молекул в живом организме должен произойти целый ряд химических преобразований. Эти преобразования происходят ступенчато, по определенному порядку, вплоть до получения конечного продукта. Эта последовательность называется биохимическим путем, а для осуществления каждой его ступени необходима своя белковая молекула, называемая ферментом (Рис. 3.4). Этих конвейероподобных биохимических путей великое множество в живых организмах. Они ставят перед эволюционной теорией те же проблемы, что и перед постепенным развитием генетического кода. Трудно предположить, что столь сложный путь появился вдруг, по воле случая, сразу же приобретя определенную ценность для выживания. Но в том-то и дело, что произойти это должно было сразу, потому что при постепенном развитии столь сложная система не имела бы смысла, так как все ее компоненты имеют ценность лишь в конечном ее варианте. Только тогда она способна выдавать необходимые молекулы.

Эволюционисты борются с этой проблемой, и в качестве стандартного выхода из положения в учебниках приводится гипотеза о том, что все необходимые молекулы во всем их разнообразии вместе с промежуточными формами уже существовали в окружающей среде. Эволюционный процесс шел биохимическим путем как бы в обратном направлении. Когда необходимая молекула сошла на нет (напр. Молекула G на Рис. 3.4), стал развиваться фермент (фермент F), который превратил прежнюю промежуточную молекулу (молекула F) в более продвинутую (молекула G). Этот процесс шел вспять до тех пор, пока не развились все разнообразные ферменты³¹. Предположение вполне разумное, но необходимые промежуточные молекулы, за очень редким исключением, не встречаются в естественной среде, поэтому процесс этот вряд ли имел место³². Более того, крайне маловероятно, что нужный вид фермента был закодирован на ДНК в нужное время и в нужном месте, так, чтобы составить рабочую систему.

А что если бы биохимические пути не знали конца? Это привело бы к настоящему хаосу. К счастью, обычно у них есть замысловатый сдерживающий механизм, который регулирует производство необходимых молекул. Такие контрольные системы могут реагировать по-разному в зависимости от того, определят или нет чувствительные сенсоры необходимость в конечной молекуле биохимического пути. Без этих механизмов управления жизнь была бы невозможна. Ферменты производили бы все больше молекул, и, как в горящем доме, начался бы совершеннейший беспорядок. Здесь возникает еще одна проблема для химической эволюции. Что возникло прежде — биохимический путь или система контроля? Если первым появился биохимический путь, то в чем заключался необходимый механизм контроля? Если это была система контроля, то зачем она вообще возникла, если ей нечего было поначалу контролировать? Строение живых существ требует, чтобы очень многие их системы возникали одновременно.

Как образовались клетки? Между простыми дезорганизованными молекулами, возникающими в ходе экспериментов по типу миллеровского, и живой клеткой с ее многочисленными системами пролегает огромных размеров пропасть. К сожалению, о ней нечасто прочтешь в учебниках биологии. Как советует философ Майкл Рус: «Если в ваших знаниях зияет неприятный пробел, то лучше всего молчать, и молчать упорно!»³³

Мельчайшие микробы, о которых мы ведем речь, представляют собой клетки, более простые, чем клетки большинства знакомых нам живых существ. Клетки живых организмов, от амебы до человека и от лишайника до гигантских секвой, по размерам крупнее и достигают одной сотой миллиметра. В этих крупных клетках есть ядро, которое вмещает в себя большинство ДНК, определяющих вид клетки — от железистой до нервной. Все эти клеточные разновидности тоже нуждаются в объяснении в свете происхождения жизни.

Мы упомянули белки, ДНК, РНК, ферменты и пр., но у вас не получится даже мельчайшего микроба, если не будет клеточной мембраны, которая окаймляет эти особые молекулы и тем облегчает их взаимодействие и контроль. Именно эту жизненно важную функцию осуществляет клеточная мембрана. Нам известно, что она имеет очень сложное строение. Она включает в себя особые элементы, которые контролируют и «накачивают» то, что входит в клетку и выходит из нее. Каким образом эта мембрана развилась в первой живой клетке?

Есть предположения, высказанные сторонниками химической эволюции, что скопления больших органических молекул или даже аминокислот могли сформироваться в сферические массы, которые и образовали протоклетки³⁴. У этих сфер нет ни действующей клеточной мембраны, ни внутренней организации ни каких других особых свойств, необходимых для жизни. Уильям Дэй, по-прежнему высказывающийся в пользу той или иной формы биологической эволюции, говорит об этом так: «Каких бы взглядов вы ни придерживались, это все равно научный нонсенс»³⁵. Кроме того, жизнь — это не просто кучка химикалий в пакете. Очень скоро они придут в состояние, которое принято называть химическим равновесием, а это состояние мертвеца. В такой клетке не будет многочисленных метаболических превращений, характерных для живого существа. Как указывает биохимик Джордж Джейвор, чтобы получить жизнь, необходимо запустить в действие множество взаимозависимых биохимических путей³⁶. У вас может быть весь набор необходимых химических элементов, как, скажем, в курином супе, но жизнь в нем едва ли появится самопроизвольно.

В клетках можно встретить все виды специализированных структур (Рис. 3.5). Здесь следует перечислить: центриоли, способствующие делению клеток; митохондрии, снабжающие их энергией; эндоплазматический ретикулум, где рибосомы производят белковые молекулы; пузырьки Гольджи, собирающие продукты синтеза; лизосомы, усваивающие клеточные продукты; ворсинки, защищающие клеточную структуру; и микротрубочки, которые наряду со специальными молекулами переносят клеточные составляющие туда, где они необходимы. А ведь мы только в самом начале открытий в этом микроскопическом и невероятно сложном мире.

Какова вероятность случайного возникновения живой клетки? Некоторые исследователи задались этим вопросом и выяснили, что она крайне мала. Сэр Фред Хойл³⁷ подсчитал, что вероятность одновременного возникновения 2000 ферментов (белковых молекул), необходимых для того, чтобы началась жизнь, составляет один шанс из 10⁴⁰⁰⁰⁰. То есть эта вероятность непостижимо мала. Попробуйте записать все эти 40 тысяч нулей на бумаге — у вас уйдет на это более 13 страниц! И не забывайте, что каждый ноль снижает эту вероятность в десять раз. Как оказалось, прикидки Хойла еще довольно оптимистичны. Используя термодинамику (энергетические взаимосвязи атомов и молекул), физический химик Гарольд Дж. Моровитц, сторонник эволюционного зарождения жизни, подсчитал, что вероятность самопроизвольного возникновения мельчайших микробов (микоплазмы) составляет один шанс из 10^{5 000 000 000} (10^-5х10(9)). Космолог Чандра Виграмасингх, выступающий за внеземной источник жизни, описывает эту дилемму более выразительно: «Шансов на случайное возникновение жизни у Земли не больше, чем у смерча, промчавшегося по свалке, соорудить Боинг-747»³⁹.

Размножение. Одной живой клетки, плавающей в первобытном бульоне, еще недостаточно, чтобы жизнь закрепилась на Земле. Прежде чем погибнуть, она должна была воспроизвести себя, причем неоднократно. Размножение — это одна из ключевых характеристик жизни. При размножении должны быть реплицированы все элементы клетки до мельчайших подробностей, иначе жизнь прекратится. Каким образом это происходит, во многом остается только догадываться, но наука уже открыла нам немало удивительных деталей этого процесса.

Самый важный элемент, который должен быть в точности воспроизведен, — это ДНК. Вдоль ДНК тянется цепочка, состоящая примерно из тридцати белковых молекул и называемая ДНК-полимеразой. Этот механизм и дуплицирует ДНК. Когда клетка начинает делиться, ДНК, которая у людей достигает около метра в длину в каждой клетке, сжимается в 46 микроскопических хромосом. Происходит это путем многократного свертывания и складывания, пока не получатся парные хромосомы, которые будут отобраны для каждой новой клетки, так что каждая получит полный комплект ДНК. Далее хромосомы выстраиваются посередине между двумя новообразующимися клетками, а микротрубочки цепляются за них и тянут их к центриолям, располагающимся на противоположных концах (Рис. 3.6). Далее хромосомы «разматываются» в новых дочерних клетках, где направляют клеточную активность. Еще более поражает процесс копирования 1,6-миллиметровой петельки ДНК в Escherichia coli, которая свернута в клетке до одной восьмисотой ее реальной длины. Происходит это без образования сжатых хромосом, как у других более развитых организмов, и без их переплетения. Процесс этот занимает около сорока двух минут, а это значит, что эти два механизма белковой ДНК-полимеразы, двигающейся вдоль ДНК, копируют основания генетического кода со скоростью около одной тысячи пар в секунду. Что тут скажешь: микробы таят в себе еще не мало чудес.

Этот крайне сложный процесс описан нами лишь в общих чертах. Мы о нем порядком знаем, но узнать нам предстоит еще больше. А есть еще и другие клеточные «запчасти», такие, как клеточная мембрана и множество волокон, которые тоже нужно воспроизводить. Неужели столь сложные и взаимосвязанные процессы могли начаться сами собой? Многие клеточные органы взаимозависимы; отсутствие одного из них свело бы на нет ценность всех остальных. К примеру, какая польза была бы от ДНК, не будь механизма белковой полимеразы, который ее копирует? И какая польза была бы от полимеразы, не будь ДНК, которую она копирует? Одно было бы бессмысленно без другого, а без них обоих не было бы новых организмов. И то же самое можно сказать о большинстве органов живых существ. Жизнь немыслима без обширного перечня взаимозависимых частей. Биохимик Майкл Бехе провел исследование целого ряда организмов и их систем, которые оказались бы нерабочими без взаимодействия составляющих их элементов. Он отмечает «предельную сложность»⁴⁰ этих систем; пожалуй, более точного определения не подыскать.

Происхождение систем исправления ошибок. В процессе деления клетке необходимо воспроизвести от сотен тысяч до сотен миллионов оснований, которые образуют генетический код в ДНК. Ошибки, случающиеся во время копирования, могут быть безвредны, а в редких случаях и полезны, но гораздо чаще они оказываются пагубными и даже смертельными. К счастью, живые существа наделены целым рядом систем, которые проверяют скопированный код и исправляют вкравшиеся в него ошибки⁴¹. Подавляя мутации, подобные системы сдерживают эволюцию. Без процесса выявления и исправления ошибок, осуществляемого белками, скорость воспроизведения ошибок достигала бы одного процента, а это совершенно несовместимо с жизнью. Подавление активности этой системы коррекции в клетках становится причиной некоторых форм рака. Замысловатые корректирующие системы могут повысить точность копирования в миллионы раз; за счет этого жизнь сохраняет свои позиции по мере многократного деления клеток, с большой точностью воспроизводящих свои ДНК. Отсюда еще один вопрос, который встает перед моделью самопроизвольного зарождения жизни: каким образом возникли и развились сложные системы исправления ошибок в клетке, которая была столь неустойчива в воспроизведении самое себя до их появления? Один ученый назвал это затруднение «нерешенной проблемой в теоретической биологии»⁴².