Джонджо МакФадден - Жизнь на грани
Проблема «гадости»
Три самые большие загадки в науке — это происхождение Вселенной, происхождение жизни и происхождение сознания. Квантовая механика тесно участвует в первой, и мы уже обсуждали ее возможную связь с третьей загадкой; как мы скоро выясним, она может также помочь объяснить и вторую загадку. Но мы должны сначала изучить вопрос о том, способны ли неквантовые объяснения представить полный отчет о происхождении жизни.
Ученые, философы и теологи, которые веками размышляли о происхождении жизни, придумали множество разнообразных теорий, начиная от Божественного творения до привнесения на нашу планету жизни из космоса (так называемая теория панспермии). Более строгий научный подход был инициирован в XIX веке учеными, такими как Чарльз Дарвин, который предположил, что химические процессы, происходящие в каком-то «небольшом теплом пруду», возможно, привели к созданию живой материи. Официальная научная теория, которая построена на предположениях Дарвина, была выдвинута независимо друг от друга русским ученым Александром Опариным и англичанином Дж. Б. С. Холдейном в начале XX века и в настоящее время широко известна как гипотеза Опарина — Холдейна. Оба предположили, что атмосфера ранней Земли была богата водородом, метаном и водяным паром, которые под воздействием молний, солнечной радиации или вулканического тепла могли образовывать смеси простых органических соединений. Они предположили, что эти соединения затем накапливаются в первичном океане, образуя теплый разбавленный органический «бульон», который существовал в течение миллионов лет, возможно омывая грязевые вулканы Исуа, пока какое-то случайное сочетание его составных частей в конечном счете не дало новые молекулы с необычным свойством: способностью копировать самих себя.
Холдейн и Опарин предположили, что появление первичного репликатора было ключевым событием, которое привело к возникновению жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Ее последующий успех будет обеспечиваться дарвиновским естественным отбором. Будучи простым объектом, репликатор порождал множество ошибок или мутаций в репликации. Эти мутантные репликаторы тогда конкурировали с немутировавшими формами за химические материалы, из которых можно построить больше репликаторов. Те, которые оказывались наиболее успешными, оставили наибольшее количество потомков, и молекулярный процесс дарвиновского естественного отбора способствовал выживанию репликаторов большей эффективности и большей сложности. Репликаторы, захватившие дополнительные молекулы, например пептиды, которые ферментативно катализируют их репликацию, получили преимущество, и некоторые из них оказались даже заключенными в пузырьках (крошечных, заполненных жидкостью или воздухом мешочках), ограниченных жирными мембранами, подобно современным живым клеткам, что защищало их от воздействия внешней среды. После того как возникла оболочка, внутренняя часть клетки стала способна поддерживать биохимические превращения — метаболизм — и создавать свои собственные биомолекулы, не допуская их утечки. Благодаря способности сохранять и поддерживать свое внутреннее состояние, оставаясь при этом изолированной от внешней среды, и родилась первая живая клетка.
Гипотеза Опарина — Холдейна научно описывает, как могла возникнуть жизнь на Земле. Тем не менее в течение нескольких десятилетий теорию никто не проверял, пока интерес к ней не проявили два американских химика.
К 1950 году Гарольд Юри был выдающимся, но весьма противоречивым ученым. Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году за открытие дейтерия, изотопа водорода, который, как вы помните из главы 3, был использован для изучения кинетического изотопного эффекта в ферментах, продемонстрировав, что их деятельность связана с квантовым туннелированием. Опыт Юри в очистке изотопов привел его к назначению в 1941 году главой части Манхэттенского проекта по обогащению урана (Манхэттенский проект — проект по созданию атомной бомбы). Тем не менее Юри со временем разочаровался в целях Манхэттенского проекта и его секретности и попытался отговорить президента США Гарри Трумэна сбрасывать бомбу на Японию. После Хиросимы и Нагасаки Юри написал статью для популярного журнала Collier’s под названием «Я испуганный человек», где предупреждал об опасности, исходящей от атомного оружия. На своей должности в Университете Чикаго он также активно выступал против антикоммунистической «охоты на ведьм» Маккарти в 1950-е годы, писал письма президенту Трумэну в поддержку Юлиуса и Этель Розенберг, которые предстали перед судом за шпионаж и в конце концов были казнены за передачу атомных секретов в СССР.
Стэнли Миллер, другой американский химик, участвовавший в проверке гипотезы Опарина — Халдейна, поступил в Университет Чикаго в качестве аспиранта в 1951 году, где занимался в первую очередь проблемами нуклеосинтеза элементов внутри звезд под руководством ученого Эдварда Теллера, известного как «отец водородной бомбы». Жизнь Миллера изменилась, когда в октябре 1951 года он посетил лекцию Гарольда Юри о происхождении жизни, в которой Юри обсуждал возможность реализации сценария Опарина — Холдейна и предполагал, что кто-то должен провести эксперименты. Очарованный идеей, Миллер перевелся из лаборатории Теллера в лабораторию Юри и принялся убеждать того стать его научным руководителем и позволить ему проводить эксперименты. Юри изначально скептически относился к полным энтузиазма студенческим планам Миллера по проверке теории Опарина — Халдейна: он прикидывал, что неорганическим химическим реакциям понадобились миллионы лет для генерации достаточного количества органических молекул, в то время как у Миллера будет всего три года, чтобы защитить кандидатскую! Тем не менее Юри был готов дать ему место и ресурсы, необходимые тому, на полгода-год. Таким образом, если эксперименты не дадут результатов, у Миллера еще будет время, чтобы перейти к более безопасному научно-исследовательскому проекту.
В своей попытке повторить условия, в которых возникла жизнь на Земле, Миллер имитировал первичную атмосферу, просто заполнив бутылку водой для имитации океана, добавил газы, которые, по его мнению, присутствовали в атмосфере: метан, водород, аммиак и водяной пар. Затем он смоделировал молнию, прокаливая смесь, которая начинала искрить. К собственному удивлению и ко всеобщему удивлению научного мира, Миллер обнаружил, что после всего недели действия искусственных молний на воссозданную первичную атмосферу в бутылке уже содержалось значительное количество аминокислот, строительных блоков для белков. Статья с описанием этого эксперимента была опубликована в журнале Science в 1953 году[169] — с Миллером в качестве единственного автора. Гарольд Юри занял очень необычную позицию, настаивая, чтобы честь открытия досталась целиком и полностью его аспиранту.
Эксперимент Миллера — Юри — как его обычно называют сегодня, несмотря на благородный жест Юри — был провозглашен первым шагом на пути создания жизни в лаборатории и остается очень важным событием в биологии. Несмотря на то что самовоспроизводящиеся молекулы не были получены в «первичном бульоне» Миллера, считалось, что аминокислоты полимеризовались бы с образованием пептидов и сложных белков и в конечном счете получились бы репликаторы Опарина — Холдейна, если бы было достаточно много времени и имелся достаточно большой объем.
С 1950-х годов десятки ученых повторяли эксперимент Миллера — Юри множеством способов с использованием различных смесей химических веществ, газов и разных источников энергии, чтобы получить не только аминокислоты, но и сахара и даже небольшие количества нуклеиновых кислот. И все же до сих пор (а прошло уже более полувека) ни одной лаборатории не удалось воссоздать «первичный бульон», который дал бы первичный репликатор Опарина — Халдейна. Чтобы понять почему, нам нужно более внимательно изучить эксперименты Миллера.
Первый момент — это сложность химической смеси, созданной Миллером. Большая часть полученного органического материала представляла собой сложные смолы наподобие тех, что хорошо знакомы химикам-органикам. Они часто видят такие вещества, когда их процедуры сложного химического синтеза нестрого контролируются и получаются побочные продукты. На самом деле легко приготовить аналогичную смолу на вашей собственной кухне, просто передержав ужин: та черновато-коричневая гадость, которую потом так трудно отмыть от дна кастрюли, довольно близка по составу к смоле Миллера. Проблема с такими химическими смесями в том, что они, как известно, не производят ничего больше, кроме такой же смолоподобной «гадости». С химической точки зрения их не назовешь «продуктивными» — они настолько сложны, что какие-то конкретные химические вещества, например аминокислоты, начинают взаимодействовать с таким количеством других различных соединений, что просто теряются в «лесу» непоследовательных химических реакций. Миллионы поваров, а также тысячи студентов-химиков производили подобные органические маслянистые смолы в течение многих столетий, однако результатом становилось лишь сложное мытье посуды.
