Юрий Назаренко - Сознание вне мозга, или Многомерность живого
И сегодня, как и во времена Платона, люди делятся на тех, кто допускает существование Творца, и тех, кто считает, что все произошло само собой без вмешательства разумной силы. Официальная наука сейчас на стороне последних. Предполагается, что вначале была химическая эволюция, которая привела к созданию первого живого существа, а затем началась биологическая эволюция, которая привела к созданию всего нынешнего многообразия жизни. В основе биологической эволюции лежит принцип естественного отбора, то есть стремление живых существ к выживанию приводило к появлению все новых и новых видов. В основу химической эволюции можно заложить только действие физических или химических законов, в результате которого возникают сложные химические соединения, которые становятся все сложнее, и, наконец, приобретают свойства живого.
Но если мы сегодня сравниваем сложность неорганических химических элементов и тех, которые находятся в живых организмах, то видим, что между ними есть очень существенная разница. Первые довольно просты по структуре, а вторые могут содержать молекулы с очень сложной структурой. Доля живой материи очень мала на поверхности планеты, и только она содержит химическую сложность молекул и биологическую сложность живых структур. Остальная неорганическая материя очень проста в химическом плане, и, в сущности, не подвергалась никаким значительным изменениям в сторону усложнения за время своего появления из недр на поверхность. Ведь в срезах твердой породы довольно четко различаются геологические временные слои, которые отложились сотни миллионов лет назад, и с тех пор их химический состав заметно не менялся. Океан и атмосфера также существуют очень долгое время и их химический состав (за исключением живого, конечно) тоже очень прост. Хотя в этих средах, в отличие от твердой породы, постоянно происходит энергичное перемешивание, ведущее к столкновениям атомов и молекул, которое необходимо для образования сложных составных молекул.
Однако, несмотря на частые столкновения, ни в атмосфере, ни в океане сложных молекул не образуется. Почему же мы должны ожидать, что когда-то давно они, все-таки, смогли появиться в так называемом «первичном бульоне»? Сейчас более модно говорить о «мире РНК», но суть гипотезы осталось той же. На это обычно возражают, что они появляются, но уже существующие живые бактерии используют их в пищу. Это возражение, конечно, очень слабое. Ведь могли бы накапливаться необязательно органические вещества, но и какие-то сложные по химическому составу вещества, которые не годятся в пищу. Но такого не происходит, кроме различных простых солей и песчинок, которые появляются в результате размытия твердых пород водой, ничего в океане не образуется.
Несмотря на отсутствие каких-либо данных о возможности образования сложных химических соединений вследствие действия природных стихийных сил, эта гипотеза остается основной в современной науке. Ставились даже специальные опыты для подтверждения возможности образования сложных органических соединения в условиях близких к природным. Широко известен эксперимент Миллера-Юри, проведенный еще в 1953 году. Схема эксперимента показана на рисунке.
Рис. Схема эксперимента Миллера-Юри (из «Википедии», 2014)
Собранный аппарат представлял собой две колбы, соединённые стеклянными трубками в замкнутую цепь. Заполнявший систему газ представлял собой смесь из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода (CO). Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась, далее водяные пары попадали в верхнюю колбу, куда с помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию. После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что 10 %–15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Были также обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.
Так как в опыте Миллера-Юри использовался высоковольтный разряд в газе, имитирующий молнии в атмосфере, то в месте разряда молекулы газа разбивались на отдельные ионы, которые при выходе из зоны разряда могли соединяться в произвольном порядке, образуя новые химические соединения. Неудивительно, что больше всего из аминокислот было обнаружено именно молекул глицина, так как это простейшая из них, содержащая всего десяток атомов в своем составе (NH2 – CH2 – COOH). Другие молекулы аминокислот могут содержать до двадцати и более атомов, поэтому, очевидно, вероятность их появления должна уменьшаться по мере роста числа атомов в составе.
Удивительно другое, почему за прошедшие полвека эти опыты всего лишь повторялись в том же или несколько ином виде. А почему бы было не расширить эти опыты? Например, снять временную зависимость, отметив на графике, как изменяется количество аминокислот во времени (через час, через день, через неделю и т. д.). Вполне возможно, что начиная с какого-то момента времени, содержание аминокислот больше и не росло, а вышло бы «на полку», то есть реакция пришла бы в состояние равновесия. А это очень вероятно, ведь электрическому полю в газовом разряде без разницы какое вещество разбивать на ионы – простой трехатомный газ или сложную многоатомную аминокислоту. Все-таки, довольно очевидно, что газовый разряд – это не место для объединения простых атомов в сложные, а место, где, наоборот, связи между атомами рвутся под воздействием разогнанных электрическим полем ионов и электронов.
С другой стороны, если убрать разряд из схемы опыта Миллера-Юри, то время ожидания появления хотя бы одной молекулы аминокислоты в результате только кипячения и перемешивания увеличится до совершенно неприемлемых величин: даже не сотен или тысяч лет, а гораздо больше. Это связано с соотношением величин тепловой энергии при кипячении и энергии связи в молекуле газа. Энергия связи в молекуле газа составляет обычно несколько единиц электрон-вольта (1 эВ = 11600°K), а тепловая энергия молекул при кипячении составляет всего одну тридцатую долю от электрон-вольта, то есть примерно в сотню раз меньше энергии связи. А это значит, что даже в самой дальней части «максвелловского хвоста» распределения по энергиям, где находятся самые быстрые молекулы воды, нет молекул воды с энергией достаточной, чтобы ионизовать хотя бы один атом газа. Другими словами, энергии кипячения воды просто недостаточно для того, чтобы образовалась хотя бы одна молекула аминокислоты. Но в принципе, за много лет она может и возникнет из-за действия каких-либо других причин, например, жесткого космического излучения.
Понятно, что при более тщательном проведении опыты типа эксперимента Миллера-Юри, скорее всего, продемонстрируют невозможность возникновения сложных органических молекул под действием только природных стихийных сил, то есть смысл их интерпретации будет обратный тому, который существует сейчас.
Для иллюстрации «творческих возможностей» фактора случайности проведем следующий мысленный эксперимент, являющийся как бы продолжением опыта Миллера-Юри. Предположим, у нас уже есть в наличии необходимый исходный набор аминокислот. И в качестве следующего этапа их нужно объединить в упорядоченную линейную цепочку аминокислот для какого-то белка, то есть сделать то, что в живой клетке выполняет рибосома. Обычный белок может содержать в цепочке тысячи аминокислот, но для простоты, мы ограничимся случаем, когда их число в районе одной сотни. Предположим, далее, что мы помещаем эту сотню аминокислот, уже готовую для объединения, в некий электрический разряд как в опыте Миллера-Юри. Но, конечно, не в реальный разряд, который может и разрушать уже существующие аминокислоты, а некий вымышленный, специально предназначенный для наших целей. Этот разряд нужным нам образом точно ионизует аминокислоты с двух сторон и таким образом идеально подготавливает их к последующему взаимному объединению в цепочку из сотни аминокислот.
Однако, после такого идеализированного разряда в дело вступает фактор случайности. Ведь эта сотня аминокислот может объединиться в любом порядке, а нам нужно получить конкретный белок, то есть порядок должен быть вполне определенный. Ясно, что с первого раза нужный порядок может и не получиться. Так как опыт у нас идеализированный, то предположим, что в случае неудачи, мы можем в другом специальном разряде разделить полученную цепочку снова на исходную сотню аминокислот, а затем повторить все заново, и так до тех пор, пока не получим нужный порядок. Попробуем оценить, сколько в среднем времени потребуется, чтобы получить нужную нам линейную цепочку аминокислот в этом идеализированном эксперименте.
