Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - Розділ 9. КОНЦЕПЦІЇ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ

Зараз уже прочитано тисячі послідовностей білків та генів, що їх кодують, і стає ясно: гени – не що інше, як випадкові послідовності з чотирьох нуклеотидів, які чергуються в різних комбінаціях. Лише в незначній частині ці послідовності "відредаговані" природним добором для кращого виконання своїх функцій. Таке коригування не приховує явних слідів випадкового, стохастичного виникнення послідовності вихідної. Але чи міг ген, скажімо, гемоглобіну або цитохрома С виникнути випадково?

Узагалі ця проблема аж ніяк не нова. Філософи ще в давнину цікавилися питанням: чи можливо виникнення достатньо складної структури в результаті випадкових, стохастичних процесів? І всі давали негативну відповідь. Ще Ціцерон вважав, що з випадково кинутих знаків алфавіту не можуть скластися "Аннали" Ен-нія. Тепер цю проблему називають "парадоксом мільйона мавп": за скільки років мільйон мавп, посаджених за друкарські машинки, надрукують повне зібрання творів Шекспіра або хоча б одного "Гамлета"? "Мавпячий парадокс" переходить з одного філософського трактату в інший: чи може мільйон людей, які ніколи про Шекспіра не чули, написати "Гамлета"? Звідси недалеко до питання: а чи міг "Гамлета" написати сам Шекспір, якщо навіть мільйонові людей це не під силу? І чи застосовна взагалі теорія імовірностей до цієї категорії явищ?

Я к бачите, почавиш з питання про випадковість сполучень знаків у нуклеотидних послідовностях, ми прийшли до проблеми філософської, що торкається корінних таємниць світобудови (Б. М. Мєдников). Ще в 1936 p. М. К. Кольцов писав, що імовірність випадкового виникнення поліпептиду з 17 амінокислотних залишків (гепта-кайдекапептид) дорівнює одній трильйонній, і зробив з цього абсолютно правильний висновок: гени синтезуються не заново, а матричним шляхом. Але як виникла перша матриця? Чи вистачає часу на виникнення першого гена – протогена – випадковим шляхом, стохастичним перебором нуклеотидів?

Згадаймо, що Сонячна система – Сонце з усіма планетами – сформувалася, за останніми оцінками, 4,6 млрд років тому (плюс-мінус 0,1 млрд). Перші сліди життя на Землі мають вік більше 3,8 млрд років. У період становлення – а це значний термін – наша планета явно не годилася для виникнення життя.

Подібні міркування воскрешають гіпотезу про позаземне, космічне походження життя.

Гіпотеза панспермії ще в XIX ст. була висунута Сванте Арреніусом, і суть її можна виразити так: у вічному і нескінченному Всесвіті життя так само вічне і нескінченне; спори, мікроорганізми – ці зародки життя – можуть залишити рідну планету і тиском світла транспортуються куди завгодно – від планети до планети, від зірки до зірки. У нас до ідеї панспермії схилявся В. І. Вернадський.

Однак гіпотеза досить слабка. Нехай у Всесвіті, хоча б в одній нашій Галактиці, мільйони планет. Зникаюче малу імовірність виникнення життя (тобто протогена) на одній з них потрібно помножити на таку ж малу величину – імовірність благополучного міжзоряного перельоту. Це тільки видимість вирішення проблеми. Крім того, схоже, що і всього Всесвіту не вистачає для виникнення життя. Манфред Ейген підрахував, що імовірність виникнення одного лише білка – цитохрома С, що складається приблизно зі ста амінокислотних залишків, – 10^-130, а у всьому Всесвіті вистачить місця лише для 10⁷⁴ молекул (за умови, що всі планети, зірки і галактики складаються з варіантів молекул цитохрому). Як бачимо, становище все більше драматизується. Виходить, що всі ми живемо всупереч теорії імовірностей. Нас не повинно бути взагалі!

Вихід із цього становища спробував знайти Френсіс Крік. У 1982 р. він разом з Л. Орджелом видав книгу "Життя як воно є, його походження і природа". Спочатку Крік драматизує становище. Він виходить з того, що первинний поліпептид, кодований протогеном, мав 200 амінокислотних залишків, а не 100, як у Ейгена. Тоді ймовірність його виникнення 10²⁶⁰ (це десятковий дріб з двомастами шістдесятьма нулями після коми). Далі він нагадує, що і Всесвіт у тому вигляді, у якому він є, не вічний. Більшість космологів зараз вважають, що вона продукт "Big Bang" – "Великого вибуху", який розметав усі планети, зірки і галактики, колись стиснуті в гранично малому (атомних розмірів!) об'ємі.

Коли відбувся Великий вибух? Колишні розрахунки за швидкістю розбігання галактик та енергії реліктового радіовипромінювання давали неточні й завищені величини віку Всесвіту. Тепер вона уточнена – за співвідношенням у зірках радіоактивного торію (період напіврозпаду 14 млрд років) і стабільного ніобію. Виявилося, що вік найстаріших зірок – не вище 11 млрд років. Виходить, для виникнення життя не вистачає не тільки простору, але й часу. Адже Всесвіт лише приблизно вдвічі старший Сонячної системи.

Крік також схиляється до земного походження життя. Але він фізик і тому розуміє слабкості гіпотези панспермії. Звичайно, тиск сонячного світла може надати спорі мікроорганізму третю космічну швидкість, але він же буде відштовхувати від зірки "чужі" мікрочастинки. За мільйоннолітні мандри гени неминуче зруйнуються космічним випромінюванням. Зрозуміло, спори можуть бути екрановані від нього, наприклад у метеоритах, але метеорит через велику масу не одержить потрібного прискорення тиском світла. Та й імовірність того, що спора, прискорена навмання, долетить до зірки з придатними планетами, надто вже мала. Імовірність, що постріл наосліп зі стратосферного лайнера вразить, наприклад, білку в око, набагато вища.

Звичайно, за великий проміжок часу може відбутися і малоймовірна подія. Але часу якраз і не вистачає. І Крік висуває гіпотезу спрямованої, керованої панспермії. Припустімо, пише він, на якійсь із численних планет у Всесвіті мільярди років тому виникла якась надцивілізація. Її носії, переконавшися в тому, що життя – штука рідкісна, можливо, унікальна, захочуть розповсюдити її якомога ширше. З цією метою надцивілізація починає розсилати в усіх напрямках, у свою і чужі галактики, автоматичні ракетні кораблі. Рухаючись зі швидкістю хоча б 0,0015% швидкості світла (близько 3 миль/сек), вони в середньому за 1000 років досягнуть найближчих систем з планетами і розсіють у їхню атмосферу пакети з "пасажирами". Такими пасажирами можуть бути лише заморожені і висушені мікроорганізми. Вони стійкі до випромінювань і перенесуть надтривалий космічний переліт. Стійкі вони і до величезних прискорень, так що ці гіпотетичні кораблі можуть набирати швидкість найекономічнішим шляхом – вибуховим прискоренням у сотні разів. Якщо умови на поверхні нової планети виявляться придатними, почнеться стрімке розмноження – і подальша еволюція, аж до появи людини.

А що значить придатні умови? Ми знаємо мікроорганізми, що живуть без кисню, у гарячій сірчаній кислоті, що використовують як джерело енергії сірку і відновлені метали. Багато земних бактерій, схоже, прекрасно виживуть на Марсі або хоча б на полюсах Венери. І Крік згадує стару суперечку між великими фізи-ками-атомниками Енріко Фермі та Лео Сцилардом. Сцилард був палким прихильником надцивілізацій, розсіяних по космосу, і скептик Фермі запитав: "Якщо їх багато, чому ми їх не бачимо і не чуємо? Де ж вони?" І Крік гадає, що знайшов відповідь: "Вони – це ми, вірніше, ми – їх надвіддалені нащадки. У майбутньому ми, можливо, підхопимо цю естафету". (Крік підраховує, що навіть наші сучасні космічні кораблі долетять до туманності Андромеда за 4 млрд років, коші від нашої цивілізації не залишиться навіть пороху).

Однак докази космічного походження життя, висунуті Кріком і Орджелом, нечисленні і непереконливі. Перший з них – підвищений у порівнянні із середньою концентрацією для загальної маси Землі вміст молібдену в живих організмах. Молібден входить до складу ряду ферментів, наприклад нітрогенази мікроорганізмів, що зв'язують атмосферний азот. Це ключовий фермент, що робить життя на Землі можливим. І Крік з Орджелом роблять висновок: ми всі емігранти з багатої молібденом планети. Але Морісабуро Егамі показав, що відносні одиниці кількості (кларки) для живої природи і морської води за молібденом збігаються. Так що молібденовий слід веде не в космос, а в земний океан.

Другий довід Кріка – раптове виникнення мікроорганізмів 3,8 млрд років тому. На жаль, цей довід рівною мірою годиться для всіх форм життя, включаючи людину. Раптовість – артефакт, обумовлений специфікою палеонтологічного літопису. Вона завжди констатує широке розповсюдження форми ("торжествуючу щоденність"), а не процес її становлення. Принцип телебачення і перші успішні спроби його застосування відомі з 20-х pp. XX ст., але археологи майбутнього знайдуть перші уламки телевізорів швидше за все у шарах 50-х і ними датують його раптове виникнення. А на ділі ніякої раптовості не було. Але головне не в цьому. Найприкріше, що красива гіпотеза Кріка не допомагає. Навіть закликавши на допомогу всі планети Всесвіту, ми лише незначною мірою підвищимо надкоротку імовірність виникнення протогена. Із зникаюче малого дробу (10^-260) зріжеться якихось п'ятдесят нулів після коми – ні часу, ні місця, як і раніше, не вистачає. Отож, якщо перефразувати відомий вислів Н. Бора, ця гіпотеза недостатньо божевільна, щоб бути правильною.

Мабуть, до кінця пішов у цьому питанні лише астроном і математик Налін Чандра Вікрамасингх (Шрі-Ланка). Його вихідні положення ті ж: життя не може виникнути випадковим шляхом. Для життя потрібно виникнення близько 2 000 ферментів – число пробних комбінацій 10^-40000 (сорок тисяч нулів після коми!). Висновок Вікрамасингха: "Скоріше ураган, що проноситься по цвинтарі старих літаків, збере новісінький суперлайнер зі шматків брухту, ніж у результаті випадкових процесів виникне зі своїх компонентів життя". Але ж походження життя якось треба пояснити? І Вікрамасингх пояснює (чи думає, що пояснює, хоча це не те саме): "Свої власні філософські переваги я віддаю вічному і безмежному Всесвітові, у якому якимось природним шляхом виник творець життя – розум, що значно перевершує наш".

У нас є вибір. Можна, звичайно, погодитися з астрофізиком зі Шрі-Ланки і на цьому покінчити з розгадкою походження життя. А можна розглянути таку проблему: усі статистичні викладки, що приводять до дивовижної кількості варіантів і, отже, до мізерно малих імовірностей спонтанного виникнення протогена, правильні. От тільки чи можна їх застосувати? Думаємо, що повторити створення "Гамлета" не під силу не тільки мільйону мавп, але й мільйону людей з друкарськими машинками. Але – останнє риторичне питання: чи міг існувати театр, якби "Гамлет" не був написаний? Адже в бурхливе єлизаветинське століття Шекспір міг би потрапити не в "Глобус", а, скажімо, в екіпаж до Френсіса Дрейка і скласти свою буйну голову в навколосвітніх мандрах "Золотої лані". Ясно, що ми мали б театр без шекспірівських п'єс і не переживали б з приводу їхньої відсутності. Тому що не можна сумувати за тим, що не з'явилося на світ. І М. Ейген зі своїм прикладом – цитохромом С, і Ф. Крік з гіпотетичним ферментом, і Н. Ч. Вікрамасингх у розрахунках виходять з того, що є тільки один придатний варіант цитохрома С, по єдиному варіанту кожного ферменту і так далі – тобто не будь "Гамлета", і театру не було б.

Але ж це не так. Якщо варіантів безліч (а їх практично нескінченність), то й поліпептидів, придатних для роботи, наприклад як фермент, так само мас бути практично нескінченне число. Це твердження допускає експериментальну перевірку. Якщо ми маємо рацію, то поліпептиди, у яких амінокислотні залишки чергуються випадковим чином (стохастичні полімери), повинні виявляти біологічну активність. Як тільки стохастичний полімер зміг виявити ферментну активність при синтезі своєї ж матриці – протогена, виникнення життя можна було б вважати завершеним. Нехай ці полімери працювали гірше сучасних ферментів – не так ефективно і специфічно. Але на те і добір, щоб коригувати їх послідовності, удосконалюючи функції.

Ось хороший приклад: є ціла група ферментів – серинові протеази, які розщеплюють білки за амідними зв'язками. Установлено, що активність їх визначається наявністю в послідовності трійки: серин-гістидин-аспартат – тільки тоді білок прискорює розщеплення (реакцію протеолізу) у 10 мільярдів разів проти контролю. Якщо ж ми будемо забирати з послідовності спочатку серин, потім гістидин, потім аспартат, активність відповідно буде знижуватися в 2x106, 2x106 ? 3x104 разів. Але й без магічної трійки вона не зникне, не буде нульовою. Звідси випливає, що з досить великій і різноманітній сукупності випадково синтезованих полімерів можна знайти такі, котрі зможуть виконувати функцію будь-якого білка, наприклад ферменту.

Такі досліди вже було поставлено. Американський дослідник X. С. Фокс змішував сухі амінокислоти і нагрівав їх до 200° С; у результаті виходили поліпептиди – ланцюжки з амінокислотних залишків, які практично не відрізняються від білків малої молекулярної маси. Мономери в цих полімерах були розподілені абсолютно випадково, і в цій суміші навряд чи можна було знайти дві однакові молекули. Очевидно, такі сполуки – протеїноїди – легко виникали на початковому етапі існування Землі, наприклад на схилах вулканів. X. С. Фокс і його співробітник Л. Бахадур перевірили, чи може суміш протеїноїдів працювати як фермент. З'ясувалося, що вона виявляла активність, яка імітує функцію ферментів пірофосфатази, каталази, АТФази.

Інші дослідники, багаторазово перевіривши досвіди Фокса, прийшли до висновку, що подібна суміш може імітувати функцію практично будь-якого ферменту. Можливо, що протеїноїди каталізували синтез перших генів – матриць, на яких синтезувалися вже справжні білки, але теж з випадковими послідовностями. Як тільки серед них знайшлася одна, здатна прискорити синтез і реплікацію своєї матриці – нуклеїнової кислоти, надзвичайно важка проблема походження життя була вирішена. Для цього не було потрібно надастрономічного числа Всесвітів і втручання надрозуму. У дослідах Фокса брало участь не 10²³⁰ молекул, а істотно менше – 10²³, – тобто менше одного моля, як говорять хіміки. Для виникнення життя цілком вистачило б випадкових хімічних реакцій у досить великій брудній калюжі, подібній до тієї, котру оспівав М. В. Гоголь у "Миргороді".

Спростувати цю концепцію можна, відвідавши кілька планет земного типу з інших зоряних систем. Цілком можливо знайти на деяких з них, хоча б на одній, життя. От якщо тамтешні гени і кодовані ними білки будуть гомологічні генам і білкам земних організмів, можна прийняти ідею Творця. Поки що це не загрожує: ми знаємо, що й на Землі той самий ген не виникав двічі, як не було написано двічі будь-який літературний твір, той же "Гамлет".