Проблемы возникновения белково-полинуклеотидной формы жизни из неживой материи
Вторая половина ХХ века началась с бурного прогресса в молекулярной биологии, который катализировало открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком (1953). Одновременно открылась гигантская пропасть между живыми существами и неживой материей, о которой и не подозревал Опарин. По этой причине, к концу ХХ века теория биохимической эволюции стремительно утратила свой авторитет. Основные положения случайного возникновения жизни по теории биохимической эволюции вступили в противоречие не только с новыми данными молекулярной биологи, но и со здравым смыслом. Все 5 этапов встречают серьезные возражения.
1. Возникновение подходящей планеты с первичной атмосферой из СО2, Н2О, СН4, NН3. Случайное возникновение такой планеты весьма проблематично. Используя формулу Дрейка для подсчета числа цивилизаций в галактике, академик Шкловский И. С. (1977) заключает, что вероятность второй (подобной нашей по молекулярной основе) цивилизации практически равна 0. Главной уменьшающей вероятность составляющей этого подсчета является отсутствие достаточного количества планет для жизни, без которой нет и цивилизации.
2. Концентрирование в океанах органического бульона, состоящего из относительно простых органических молекул аминокислот и нуклеотидов, фосфолипидов, АТФ и др.
Это положение оспаривается тем, что энергия солнечных космических излучений, послужившая для синтеза органических мономеров, должна сразу же разрушать эти сложные молекулы. Их концентрация определяется динамическим равновесием и не имеет тенденции к увеличению, если их не удалять из зоны реакции.
3. Образование сложных биополимеров – белков, полинуклеотидов. Допустим, что аминокислоты каким-то образом добрались из атмосферы в океаны и скрылись от губительного излучения в толщу воды. Но, тогда они потеряют источник энергии для дальнейшей полимеризации и синтеза белков и полинуклеотидов не будет. Более того, условия водной среды способствуют не полимеризации (усложнению), а деполимеризации (растворению). Распад идет гораздо быстрее, чем синтез. Даже на этом этапе вероятность случайного возникновения биополимеров равна 0.
Вероятность того, что, бросая игральный кубик (кость), один раз выпадет шестерка, равна 1/6. Вероятность того, что, бросая два кубика один раз, выпадут две шестерки, равна 1/6.1/6=1/36. Вероятность того, что, бросая три кубика один раз, выпадут три шестерки, равна 1/6.1/6.1/6=1/216. Вероятность того, что в первичном бульоне случайно образуется простая молекула белка, равна 1/10113. Однако, любое событие, вероятность которого снижается до 1/1050, уже отклоняется математиками, как неосуществимое в реальном мире.
4. Соединение компонентов жизни под общей мембраной. Вспомнив сложное строение клеточных органоидов, трудно представить себе, что все эти сложные молекулярные комплексы случайно соберутся вместе. Для осуществления жизненных процессов требуется не 1, а около 2000 белков. Но этого мало, для химических реакций первая клетка должна доставлять энергию в точки взаимодействия молекул. Случайное возникновение этих сложных ферментативных механизмов делает вероятность биохимической эволюции исчезающе призрачной.
5. Развитие самовоспроизводящегося генетического кода. Проводя анализ возникновения генетического кода, видно, что если бы все указанные выше этапы произошли, то и это не привело бы к возникновению жизни. Её фундаментальным свойством является способность к воспроизведению. Это означает, что одновременно и случайно, должны возникнуть строго соответствующие друг другу белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), кодирующих все белки и последовательности их сборки. Микрококк простейшая самодостаточная форма жизни состоит из 10 000 сложных молекул, но он погибнет от голода без других форм жизни, способных усваивать солнечную энергию.
Серьезным возражением в пользу возможности случайного возникновения жизни кажется утверждение о длительном времени (миллиарды лет), отведенном на этот процесс. Но известно, что даже за 30 миллиардов лет (1018 секунд), в которые с большим запасом оценивается возраст вселенной (Земле, по подсчетам сторонников случайного биогенеза 5 миллиардов лет) произойдет всего 1080 .109.1018=10107 реакций. Здесь 1080 – число электронов, позитронов и аналогичных им частиц, а 109 (миллиард) – число реакций одной частицы в секунду. Для случайного возникновения коротенькой (100 аминокислот) белковой молекулы (из 20 видов аминокислот генетического кода) вероятность много ниже 1/1050. Тогда в даже в 1 000 000 000 000 000 000 000 (миллиард триллионов) вселенных заполненных первичным бульоном вероятность образования одной такой молекулы равна 1%. Что тогда говорить о скромной планете с тонкой пленкой воды? Возникновение живого в результате описанных случайных взаимодействий молекул "столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой может привести к сборке Боинга-747" (Фред Хойл). Самое простое живое существо - микрококк имеет вероятность случайного возникновения (по очень щедрым расчетам) 10-40000.
По мере накопления конкретных знаний наряду с представлением о разнообразии организмов возникла идея о единстве всего живого. Особенно велико значение этой идеи для медицины, так как это указывает на универсальность биологических закономерностей для всего органического мира, включая человека. В известном смысле история современной биологии как науки о жизни представляет собой цепь крупных открытий и обобщений, подтверждающих справедливость этой идеи и раскрывающих ее содержание.
Важнейшим научным доказательством единства всего живого послужила клеточная теория Т. Шванна и М. Шлейдена (1839). Открытие клеточного строения растительных и животных организмов, уяснение того, что все клетки (несмотря на имеющиеся различия в форме, размерах, некоторых деталях химической организации) построены и функционируют в целом одинаковым образом, дали толчок исключительно плодотворному изучению закономерностей, лежащих в основе морфологии, физиологии, индивидуального развития живых существ.
Открытием фундаментальных законов наследственности биология обязана Г. Менделю (1865), Г. де Фризу, К. Корренсу и К. Чермаку (1900), Т. Моргану (1910-1916), Дж. Уотсону и Ф. Крику (1953). Эти законы раскрывают всеобщий механизм передачи наследственной информации от клетки к клетке, а через клетки - от особи к особи и перераспределения ее в пределах биологического вида. Законы наследственности важны в обосновании идеи единства органического мира; благодаря им становится понятной роль таких важнейших биологических явлений, как половое размножение, индивидуальное развитие - онтогенез, смена поколений.
Представления о единстве всего живого получили основательное подтверждение в результатах исследований биохимических (обменных, метаболических) и биофизических механизмов жизнедеятельности клеток. Хотя начало таких исследований относится ко второй половине XIX в., наиболее убедительны достижения молекулярной биологии, ставшей самостоятельным направлением биологической науки в 50-е гг. XX столетия, что связано с описанием Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) строения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). На современном этапе развития молекулярной биологии и генетики возникло новое научно-практическое направление - геномика, имеющая в качестве главной задачи прочтение ДНК-текстов геномов человека и других организмов. На основе доступа к личной биологической информации, возможно ее целенаправленное изменение, в том числе путем введения генов от других видов. Такая возможность представляет собой важнейшее доказательство единства и универсальности базисных механизмов жизнедеятельности.
Молекулярная биология уделяет главное внимание изучению в процессах жизнедеятельности роли биологических макромолекул (нуклеиновые кислоты, белки), закономерностей хранения, передачи и использования клетками наследственной информации. Молекулярно-биологические исследования раскрыли универсальные физико-химические механизмы, от которых зависят такие всеобщие свойства живого, как наследственность, изменчивость, специфичность биологических структур и функций, воспроизведение в ряду поколений клеток и организмов определенного строения.
Клеточная теория, законы наследственности, достижения биохимии, биофизики и молекулярной биологии свидетельствуют в пользу единства органического мира в его современном состоянии. То, что живое на планете представляет собой единое целое в историческом плане, удобно обосновывается гипотезой эволюции. Основы названной гипотезы заложены Ч. Дарвином (1858). Свое дальнейшее развитие, связанное с эволюционным толкованием достижений генетики и популяционной биологии, она получила в трудах А. Н. Северцова, Н. И. Вавилова, Р. Фишера, С. С. Четверикова, Ф, Р. Добжанского, Н. В. Тимофеева-Ресовского, С. Райта, И. И. Шмальгаузена, чья плодотворная научная деятельность относятся к XX столетию.
Эволюционная гипотеза объясняет единство мира живых существ общностью их происхождения. Она называет пути, способы и механизмы, которые за несколько миллиардов лет привели к наблюдаемому ныне разнообразию живых форм, в одинаковой мере приспособленных к среде обитания, но различающихся по уровню морфофизиологической организации. Общий вывод, к которому приходит гипотеза эволюции, состоит в утверждении, что живые формы связаны друг с другом генетическим родством, степень которого для представителей разных групп различается. Свое конкретное выражение это родство находит в преемственности в ряду поколений фундаментальных молекулярных, клеточных и системных механизмов развития и жизнеобеспечения. Такая преемственность сочетается с изменчивостью, позволяющей на основе этих механизмов достичь более высокого уровня приспособленности биологической организации.
Первоначально люди классифицировали организмы в зависимости от их практического значения. К. Линней (1735) ввел бинарную классификацию, согласно которой для определения положения организмов в системе живой природы указывается их принадлежность к конкретному роду и виду. Бинарный принцип сохранен в современной систематике. Биологи до создания гипотезы эволюции относили живые существа к соответствующему роду и виду по их подобию друг другу, прежде всего близости строения. Эволюционная гипотеза, объясняющая сходство между организмами их генетическим родством, составила естественнонаучную основу биологической классификации. Приобретя в эволюционной гипотезе такую основу, современная классификация органического мира непротиворечиво отражает, с одной стороны, факт разнообразия живых форм, а с другой - единство всего живого.
Сторонники гипотезы эволюции в начале XXI века имеют мощный идеологический аппарат для распространения своей точки зрения. При этом они игнорируют вопиющие противоречия эволюционной гипотезы с фундаментальными законами физики и математики (теории вероятностей). Эта гипотеза является единственным обоснованием материализма в биологии.
Идея единства мира живых существ находит свое подтверждение также в экологических исследованиях, относящихся главным образом к XX в. Представления о биоценозе (В. Н. Сукачев) или экологической системе (А. Тенсли) раскрывают универсальный механизм обеспечения важнейшего свойства живого - постоянно происходящего в природе обмена веществ и энергии. Названный обмен возможен только в случае сосуществования на одной территории и постоянного взаимодействия организмов разного плана строения (продуцентов, консументов, деструкторов) и уровня организации. Учение о биосфере и ноосфере (В. И. Вернадский) раскрывает место и планетарную роль живых форм, включая человека, в природе, так же как и возможные последствия ее преобразования людьми.
Каждый крупный шаг на пути познания фундаментальных законов жизни неизменно оказывал влияние на состояние медицины, приводил к пересмотру содержания и понимания механизмов патологических процессов. Соответственно пересматривались принципы организации лечебной и профилактической медицины, методы диагностики и лечения.
Так, исходя из клеточной теории и разрабатывая ее дальше, Р. Вирхов создал концепцию клеточной патологии (1858), которая на долгое время определила главные пути развития медицины. Эта концепция, придавая особое значение в течении патологических состояний структурно-химическим изменениям на клеточном уровне, способствовала возникновению в практическом здравоохранении патологоанатомической, прозекторской службы.
Применив генетико-биохимический подход в изучении болезней человека, А. Гаррод заложил основы молекулярной патологии (1908). Этим он дал ключ к пониманию практической медициной таких явлений, как различная восприимчивость людей к болезням, индивидуальный характер реакции на лекарственные препараты.
Успехи общей и экспериментальной генетики 20-30-х годов стимулировали исследования по генетике человека. В результате возник новый раздел патологии - наследственные заболевания, появилась особая служба практического здравоохранения - медико-генетические консультации.
Геномика и современные молекулярно-генетические технологии открывают доступ к диагностике на уровне нуклеотидных последовательностей ДНК не только собственно генных болезней, но также предрасположенности к ряду тяжелых соматических патологических состояний (астма, диабет и др.). Доступный уровень генодиагностики создает предпосылки для осознанного манипулирования с наследственным материалом людей в целях генотерапии и генопрофилактики заболеваний. Достижения в названных областях науки привели к появлению целой отрасли производства, работающей на здравоохранение - медицинской биотехнологии.
Зависимость состояния здоровья людей от качества среды и образа жизни уже не вызывает сомнений ни у практикующих врачей, ни у организаторов здравоохранения. Закономерным следствием этого является наблюдаемая в настоящее время экологизация медицины.
Этапы развития молекулярной биологии до завершения программы "Геном человека" в начале XXI века