Рассказ предка. Путешествие к заре жизни. - Ричард Докинз

Мы также окисляем углеродосодержащее горючее, чтобы выработать тепло, но не доводим его до воспламенения, потому что производим окисление управляемым способом, шаг за шагом, направляя энергию в полезные каналы вместо того, чтобы рассеять ее как неконтролируемое тепло. Такая управляемая химия, или метаболизм, является столь же универсальной особенностью жизни, как наследственность. Теории происхождения жизни должны объяснять и наследственность, и метаболизм, но некоторые авторы ставили ошибочные приоритетные задачи. Они стремились создать теорию самозарождения метаболизма, и почему-то надеялись, что из этого будет логически вытекать наследственность, как и другие полезные устройства. Но наследственности, как мы увидим, нельзя представить как полезное устройство. Наследственность должна быть первой на сцене, потому что до наследственности сама полезность не имела никакого значения. Без наследственности, и, следовательно, естественного отбора, не было бы ничего, что могло бы быть полезным. Само понятие полезности не может возникнуть, пока не появится естественный отбор наследственной информации.

Самыми ранними теориями происхождения жизни, к которым сегодня относятся серьезно, являются теории A. И. Oпарина в России и Д. Б. С. Холдейна (J. B. S. Haldane) в Англии, написанные в 1920-ых годах, не зная друг о друге. Обе придавали особое значение метаболизму, а не наследственности. Обе натолкнулись на важный факт, что атмосфера Земли до жизни должна была быть «восстановительной», чтобы жизнь могла возникнуть. Этот довольно бесполезный технический термин означает, что в атмосфере отсутствовал свободный кислород. Органические соединения (соединения углерода) при наличии вокруг свободного кислорода уязвимы для сгорания или иного окисления в углекислый газ. Нам, умирающим без кислорода в течение минут, это кажется странным, но жизнь не могла произойти на какой-либо планете со свободным кислородом в атмосфере. Как я уже объяснял, кислород был смертельным ядом для наших самым ранних предков. Все, что мы знаем о других планетах, оставляет мало сомнений в том, что первоначальная атмосфера Земли была восстановительной. Свободный кислород возник позже. Он представлял собой загрязнение окружающей среды продуктами жизнедеятельности зеленых бактерий, сначала свободно плавающих, а позже включенных в клетки растений. В некоторый момент наши предки развили способность справляться с кислородом, а позже пришли к тому, что стали от него зависеть.

Между прочим, упоминание, что кислород произведен зелеными растениями и водорослями, является упрощением. Верно, что растения выделяют кислород. Но когда растение умирает, химические реакции его разложения, эквивалентные сгоранию всех его углеродистых материалов, израсходовали бы количество кислорода, равное всему кислороду, выпущенному этим растением за всю его жизнь. Поэтому не было бы никакой чистой прибавки атмосферного кислорода, если бы не одна деталь. Не все мертвые растения разлагаются. Некоторые из них откладываются в виде угля (или его аналогов), где они изымаются из кругооборота. Если бы все ископаемое топливо в мире было сожжено человечеством, то большая часть кислорода в атмосфере была бы заменена углекислым газом, восстанавливая древнее статус-кво. Это вряд ли случится в ближайшем будущем. Но мы не должны забывать, что единственная причина, по которой у нас есть кислород для дыхания, состоит в том, что большая часть углерода в мире связана под землей. Мы сжигаем все это на свой страх и риск.

Атомы кислорода всегда присутствовали в ранней атмосфере, но не высвобождались в виде газа. Они были связаны в соединениях, таких как углекислый газ и вода. Сейчас углерод главным образом заключен в живых телах или – в намного большем количестве – в горных породах, таких как мел, известняк и уголь, которые происходят из останков некогда живых тел. Во времена Кентербери эти же атомы углерода главным образом содержались бы в атмосфере в виде составных газов, таких как углекислый газ и метан. Азот, ныне основной атмосферный газ, был бы в восстановительной атмосфере соединен с водородом в виде аммиака.

Опарин и Холдейн поняли, что восстановительная атмосфера благоприятна для самопроизвольного синтеза простых органических соединений. Вот собственные слова Холдейна, которые я цитирую из его знаменитой заключительной фразы:

Теперь, когда ультрафиолетовые лучи оказали действие на смесь воды, углекислого газа, и аммиака, получено многообразие органических веществ, включая сахар и, очевидно, некоторые из материалов, из которых построены белки. Этот факт был продемонстрирован Бэйли (E. C. C. Baly) и его коллегами в лаборатории в Ливерпуле. В нынешнем мире такие вещества разлагаются – то есть разрушаются микроорганизмами. Но до возникновения жизни они должны были накапливаться, пока примитивные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного бульона.

Это было написано в 1929 году, больше чем за 20 лет до часто упоминаемого эксперимента Миллера и Юри (H. C. Urey), который, как можно было бы понять из сообщения Холдейна, был своего рода повторением эксперимента Бэйли. Однако Э. Ч. Бэйли не изучал происхождение жизни. Его интересовал фотосинтез, и его целью было синтезировать сахар с помощью ультрафиолетовых лучей, направленных в воду, содержащую растворенный углекислый газ, в присутствии катализатора, такого как железо или никель. Именно Холдейн, а не сам Бэйли с его отличительным блеском (Сэр Питер Медавар описал Хэдлайна как самого умного человека, которого он когда-либо знал.) ожидал чего-то замечательного, вроде эксперимента Миллера-Юри, и считал его возвращением к работе Бэйли.

Миллер под руководством Юри взял две колбы, одна выше другой, связанных двумя трубками. Нижняя колба содержала нагретую воду, представляя первобытный океан. Верхняя колба содержала модель первобытной атмосферы (метан, аммиак, водяной пар и водород). Через одну из этих двух трубок пар поднимался от нагретого «океана» в нижней колбе и попадал в «атмосферу» в верхней колбе. Другая трубка шла обратно вниз, из «атмосферы» в «океан». По пути она проходила через искровую камеру («молнии») и камеру охлаждения, где пар конденсировался, формируя «дождь», который пополнял «океан».

Всего через неделю этого подобия рециркуляции океан стал желто-коричневым, и Миллер проанализировал его содержание. Как предсказал Холдейн, он стал бульоном из органических соединений, включая не менее чем семь аминокислот, непременных строительных блоков белков. Среди этих семи были три – глицин, аспарагиновая кислота и аланин – из списка 20, обнаруженных в живых существах. Более поздние эксперименты по этой теме, но с заменой углекислого или угарного газа на метан, достигли похожих результатов. Мы можем сделать разумный вывод, что биологически важные маленькие молекулы, включая аминокислоты, сахара и, в немалой степени, стандартные блоки ДНК и РНК, способны самопроизвольно образовываться при лабораторном моделировании различных версий первобытной Земли Опарина/Холдейна.

До Опарина и Холдейна мыслители, рассуждающие о происхождении жизни, предполагали, что первые организмы должны были являться какой-либо разновидностью растений, возможно, зеленых бактерии. Люди привыкли к идее, что жизнь зависит от фотосинтеза, производства органических соединений, запускаемого солнечным светом, сопровождаемого выделением кислорода. Опарин и Холдейн со своей восстановительной атмосферой подумали о том, что растения вышли на сцену позже. Ранняя жизнь возникла в море существовавших ранее органических соединений. Для еды был бульон, и не было потребности в фотосинтезе – по крайней мере, пока бульон не закончился.

Для Опарина жизненно важным шагом было возникновение первой клетки. И, разумеется, у клеток, как и организмов, есть важное свойство: они никогда не возникают самопроизвольно, а всегда от других клеток. Было простительно отождествлять с появлением жизни возникновение первой «клетки» (метаболизатора), а не первого «гена» (репликатора), как буду делать я. Среди более современных теоретиков с тем же уклоном выдающийся теоретический физик Фримен Дайсон (Freeman Dyson) осознавал и отстаивал это. Большинство современных теоретиков, включая Лесли Оргела (Leslie Orgel) в Калифорнии, Манфреда Эйгена (Manfred Eigen) и его коллег в Германии, и Грэма Кэрнс-Смита в Шотландии – более одинокие индивидуалисты, но это ни в коем случае не перечеркивает первостепенное значение самокопирования, и хронологически, и в отношении его центральности: по- моему, это справедливо.

На что была бы похожа наследственность без клетки? Разве это не проблема курицы-и-яйца? Конечно, да, если мы соглашаемся с тем, что для наследственности требуется ДНК, ДНК не может быть реплицирована без многочисленных вспомогательных молекул, включая белки, которые могут быть созданы только с помощью закодированной информации ДНК. Но только из того, что ДНК – основная самореплицирующая молекула, которую мы знаем, не следует, что она является единственной, которую можно себе представить, или единственной, которая когда-либо существовала в природе. Грэм Кэрнс-Смит аргументировано доказал, что первоначальные репликаторы были неорганическими минеральными кристаллами, с более поздней узурпацией ДНК, вступившей в главную роль, когда жизнь эволюционировала до пункта, где такой переход под генетический контроль стал возможным. Я не буду приводить здесь его доводы, частично потому что я уже сделал свою лучшую попытку в «Слепом часовщике», но также и по более веской причине. Кэрнс-Смит приводит наиболее ясные из прочитанных мною доводов, что самовоспроизведение имело первостепенное значение, и ДНК должна была иметь какого-либо предшественника, природа которого неизвестна, с оговоркой, что тот демонстрировал истинную наследственность. Я считаю позором, что эта неопровержимая часть его аргументов стала связанной в общественном сознании с его более спорными и спекулятивными доводами в пользу минеральных кристаллов в качестве предшественников.