19.2. Наука о возникновении жизни
Как и раньше, при анализе физических, космологических и психологических проблем, обратимся вначале к тому материалу, который дает современная наука. Биологи в этом отношении являют отрадный контраст на фоне других, только что названных, отраслей знания. В их сообществе ни одна парадигма не захватывала надолго монопольного права “держать и не пущать” конкурентов. Поэтому свежесть подходов при решении задач и смелость при освещении встречающихся тупиков и неразрешимых парадоксов впечатляют.
В биологии, как и в космологии, наступило время подводить итоги, предложить новое осмысление огромному наблюдательному материалу. Биологи к этому оказались готовы в гораздо большей степени, чем другие.
В этой главе будут существенно использоваться данные из книги Ю.Чайковского [68], имеющей обобщающий характер и содержащей обширную библиографию. (Эта же тематика освещена им в серии статей на тему эволюции в комплекте изданий "Биология" издательского дома "Первое сентября").
При объяснении происхождения жизни из неживого вещества встают точно те же трудности, что и в космологии при объяснении происхождения Вселенной. Там это выражается в невероятной согласованности значений мировых констант (Приложение C). При малейшем ее нарушении вся Вселенная имела бы совершенно иной облик, в частности, жизнь на Земле была бы невозможна. Для объяснения феномена был выдвинут “антропный принцип”, за который физики с готовностью ухватились. Но, по-существу, он является нелепым суррогатом религии.
Так вот, даже в самой простой живой клетке все удивительно подогнано друг к другу. В не меньшей степени согласованы друг с другом разные части многоклеточного организма. Не менее удивительна взаимоподогнанность отдельных компонентов единой биосферы. Не случайно во многих культурных традициях издавна утверждалось, что мир был создан специально для человека.
Так что биологи уже давно живут в тесном соседстве с религиозным “антропным принципом” и выработали определенный к нему иммунитет. Вот уже 140 лет они предпочитают искать объяснение жизни в рамках идеи естественной эволюции. На этом пути они обнаружили целый ряд неустранимых проблем и постарались сформулировать их с максимальной четкостью. Именно это важно для Концепции.
Долгое время, вплоть до 60-х годов двадцатого века, биологи, как и космологи, полагали, что в основе Мироздания лежит неупорядоченный хаос. В их случае он представлялся огромным резервуаром воды, где растворены всяческие химические элементы и их соединения. Они предполагали, что в результате миллиардов химических реакций каким-то образом, случайно и постепено, сформировались устойчивые молекулы белка, а потом и клетки. Когда была расшифрована генная структура хромосом, к этому добавились ожидания, что так же случайно, неторопясь, возникли и спиральные молекулы ДНК.
Одним из наивысших достижений биологов, надеящихся на зарождение жизни в “первичном бульоне”, были опыты А.Опарина с коацерватами (микроскопическими плавающими в воде коллоидными каплями, содержащими полимеры). Коацерваты напоминали клетки. Они оказались способными окружать себя простыми оболочками. В них были получены некоторые важные для жизни реакции (например, синтез крахмала). Достигнув предельного размера, капля распадалась на несколько дочерних, которые тоже росли. Однако для всего этого в коацерват приходилось извне вводить ферменты. Без них эта симуляция жизни тут же прекращалась. Но в природе условия для возникновения ферментов всегда оказываются губительны для капель, и наоборот. Так что в “первичном бульоне” им не встретиться никак.
Математические подсчеты показывают, что в резервуаре размером с мировой океан самопроизвольного образования одной-единственной молекулы ДНК пришлось бы ждать триллионы лет. Для справки: геологический возраст Земли оценивается всего в 4,5 миллиарда лет. Причем, по общему мнению, молодая Земля была очень горячей. До температуры в 1000С градусов она остыла только 4 миллиарда лет назад. И уже через каких-то 200 миллионов лет на ней кишели микробы! Они, правда, еще не имели выраженного ядра. Температура океана при этом была выше 900С - почти кипяток! Столь же высокой она оставалась еще 800 миллионов лет. А вот на происхождение клеток, имеющих ядро, ушло еще 2 миллиарда лет.
Таким образом, жизнь на Земле возникла не в виде одиноких молекул или даже клеток, а в виде огромной массы живых существ - биоценоза. Причем очень быстро. Это явно требовало коренного пересмотра исходных теоретических посылок.
В 1960-е гг. Л. Силлен и М. Руттен отвергли концепцию "первичного бульона" как химически невероятную. Они предложили не уповать на последовательность исчезающе редких удач, а выяснить, при каких условиях могут протекать нужные реакции и были ли такие условия на молодой Земле. Так вот, этим условиям удовлетворил не "бульон", а поток. В нем может идти любой синтез, если его продукт уносится и тем самым предохраняется от распада. (В “бульоне” этот продукт остается на месте и подвергается гораздо более вероятным разрушающим воздействиям, чем те, в результате которых он мог бы сам возникнуть).
Рассмотрением процессов в потоках, а шире, в неравновесной среде, занимается синергетика [45]. В ней выяснено, что на фоне явлений, сопряженных с большими затратами энергии, могут протекать процессы самоорганизации, которые в равновесных условиях термодинамически невозможны. Это так называемые диссипативные системы.
Чего хватало на молодой, остывающей Земле, так это высокоэнергетичных процессов! Многие из них имели циклический характер. Это извержения вулканов и огромное количество гейзеров. Это водные потоки, размывающие континенты и уносящие породу в океан. Это дожди и ветры, также усиливающие эрозию. В то время поверхность Земли представляла собой почти сплошную прибрежную низменность с редко торчащими отвесными скалами (континенты были размыты, а из-за этого океан сильно обмелел). Было где разгуляться приливам и отливам. В результате, на огромных пространствах осуществлялся тесный и динамичный контакт трех фаз вещества - твердой, жидкой и газообразной. (Не забудем добавить сюда еще и четвертое состояние вещества - плазму, возникающую при частых грозовых разрядах. В атмосфере, состоящей из влажной смеси метана, аммиака и углекислого газа, они приводили к образованию аминокислот - первичных кубиков для строительства белка. - прим. Ле Мар).
Современные взгляды на происхождение жизни сводятся к тому, что она возникла сразу в форме примитивного биоценоза (обширного сообщества), лишь позднее разделившегося на отдельные особи и виды. Сперва на планете существовали только геохимические круговороты веществ (еще без всякой жизни). Затем возникали одна за другой те реакции, которые мы теперь именуем метаболическими (это уже преджизнь). Будучи более эффективными, они встраивались в прежние круговороты и частично их замещали. И только позже возникли отдельные особи, наследственность и размножение.
Наглядный пример включения органического звена в геохимический круговорот дает круговорот серы. Он существует и вне жизни, но основной поток серы из морских вод в горные породы ныне осуществляют бактерии Desulphovibrio, которые восстанавливают сульфаты в сульфиды.
Двумя главными для нынешней жизни химическими процессами являются расщепление воды с выделением свободного кислорода и, наоборот, окисление различных субстратов свободным кислородом. Первую реакцию в неживой природе реализует ультрафиолет, а в живой - фотосинтез. Вторая в неживой природе всем известна (например, железо ржавеет), а в живой означает дыхание. Первичным катализатором этих реакций в неживой природе выступала всем известная глина. Химическая эволюция привела к появлению целого спектра уже органических катализаторов (предшественников ферментов). Названные реакции суть тот базис, на который опиралась возникающая жизнь.
В наше время на поверхности планеты уже нет мест, похожих на те, что были на молодой Земле. Но на дне океана и сейчас встречаются так называемые гидротермали. Это выбросы горячих газов, растворов и взвесей из разломов океанического дна. Температура выбросов намного превышает сто градусов, но вода в них не кипит из-за огромного давления.
Существует выброс всего 50-100 лет, и всё это время он окружен биоценозом совершенно необычных организмов. Известны бактерии, живущие в устьях гидротермалей и имеющих оптимум роста при 110 градусах - как в скороварке. Они восстанавливают углекислый газ и серу, окисляя водород и выделяя наружу метан и сероводород, чем обеспечивают включение основных химических элементов в биологические круговороты. Ученые полагают, что эти организмы мало изменились со времени своего возникновения.
Среди гидротермальных сообществ есть такие, которые не получают нужных им веществ ниоткуда, кроме как из недр. По-видимому, они являют собой биоценозы, способные жить без остальной биосферы. Но своими отходами они создают базу для существования более сложной и разнообразной жизни. Это так называемые литотрофные бактерии. Они играют роль первичных продуцентов, т.е. вводят в биологический круговорот вещества, прежде принадлежавшие неорганической природе, и служат пищей огромной массе других организмов.
Но в такой экосистеме поедание крупными организмами мелких играет подчиненную роль: вместо этого крупные животные предпочитают разводить внутри себя бактерий, служащих им пищей. Некоторые даже не имеют никакой пищеварительной системы. Таковы рифтии - похожие на кольчатых червей существа, до полутора метров длины. Вместо органов пищеварения они имеют трофосому - полость наполненную бактериями, усваивающими углекислый газ. Они играют здесь роль растений, т.е. вторичных продуцентов, с той разницей, что вместо света источником энергии им служит сероводород, произведенный в устье гидротермали литотрофами.
Итак, получается, что это не бактерии, живущие в горячих гейзерах, приспособились к жизни в кипятке, а мы приспособились к холоду. То же самое касается тесного симбиоза, например, гриба и водоросли, как в лишайнике. Мы считаем это чем-то удивительным, тогда как в начале жизни симбиоз был неизбежной нормой. Только когда жизнь широко распространилась и наполнила органикой поверхностные слои океана, она смогла позволить себе такую роскошь, как животных, самостоятельно ищущих свою пищу. До этого искать было нечего, и каждое животное, словно космонавт на чужой планете, носило свою среду обитания с собой [68].
При всей удовлетворительности изложенной схемы, она все же не устраняет пропасти между живым и неживым. Хотя та сильно сузилась благодаря усилиям исследователей, приближающихся к ней с двух сторон, со стороны живого и со стороны неживого. Но для совершения качественного скачка все еще не хватает какого-то “жизненного порыва”, по выражению Бергсона. Получить самосборкой живое из неживого никак не удается. Ю.Чайковский отмечает, что долгое время эволюционисты пытались эту трудность не замечать. Немногих замечавших упрекали в ненаучности. Но теперь, когда контуры проблемы обозначены довольно четко, дальше так продолжаться не может.
Кроме того, остается необъясненной устойчивость и тонкая самонастройка биосферы на всех этапах ее развития, от возникновения до наших дней.
Уже подчеркивалось, насколько важно было появление обширных прибрежных пространств взаимодействия трех фаз вещества, так называемой эквилибросферы. А ведь это ничем не гарантировано. Так, на Марсе в наше время нет открытой воды, а на Юпитере нет суши. На Земле же эквилибросфера возникла быстро и никогда с тех пор не исчезала. Секрет этого кроется в постоянном обновлении океанического дна, происходящего благодаря циркуляции вещества внутри Земли. Новые его толщи непрерывно поступают из недр в срединные области океана и расползаются в стороны. А старая океаническая кора все время задвигается под кору континентов. Если бы не этот круговорот донных толщ, на Земле давно не было бы океана (он был бы полностью забит осадочными породами всего за 50 миллионов лет). Как следствие, не было бы дождей, а вернее всего не было бы и жизни.
Не менее важным, чем круговорот воды в природе, для поддержания жизни являются круговороты всех необходимых для нее элементов - например, фосфора и серы, о которой уже упоминалось. Эти элементы вымываются или добываются из горных пород в виде солей, включаются в жизненные процессы, затем сносятся в моря и океаны, где оседают на дно с телами отмерших организмов и в океанах задвигаются под континенты. Круговорот замыкается только через медленные геологические процессы (когда захороненные осадочные породы возвращаются на поверхность), и без горообразования на континентах жизнь долго не протянет. Гораздо менее дефицитный углерод, и тот постоянно поступает из вулканов в форме углекислого газа. О важности гейзеров и гидротермалей уже говорилось.
Все это привело ученых к формулировке "геохимического принципа сохранения жизни": планета может быть обитаема, пока активны ее недра. Эта активность важна не меньше, чем активность Солнца. Чтобы на Земле продолжалась жизнь, Земля сама должна быть живой в указанном смысле.
Примечание: Не последнюю роль в жизненной активности Земли как планеты играет, по-видимому, резонанс между периодом ее обращения вокруг оси и фундаментальной частотой эфирных волн, о чем говорится в Разделе 18.5.
Здесь уже просматривается идея, что живое может рождаться только от живого, и первичный носитель жизни - сама планета Земля. Эта точка зрения близка Концепции, так как при создании “аварийного природного порядка” многомерные существа, сотворенные до людей, были вынуждены привнести свою жизнь сюда, в трехмерное пространство, хотя и в очень “уплощенной” форме. Это и было тем самым “проклятьем”, которое легло на всю предыдущую Сферу творения из-за человека.
Последовательным проводником идеи живой Земли выступает Лавлок. Он именует это планетарное существо Геей. (Lovelock J.E. Gaia: A new look of life on Earth. Oxford, 1979). Вместе с ним целый ряд ученых всерьез считают Землю организмом. При этом, наука должна понять не столько появление первой живой клетки на Земле, сколько появление первой биосферы. Предполагается, что феномен высокой организованности биосферы - не результат случайных совпадений, а проявление собственной активности Геи.
"Гипотеза Геи постулирует, что физические условия на поверхности Земли, в атмосфере и океане активно созданы жизнью самой для себя”... Гея - более, чем биосфера: "Мы верим, что Гея - сложное единство, включающее атмосферу, биосферу, океаны и почву".
Однако, ученое сообщество оказалось не готово принять столь радикальную мысль. Под воздействием критики Лавлок ослабил предполагаемые возможности Геи, сведя их к способности поддерживать собственный гомеостаз. Теперь организмом считается не планета в целом, а только биосфера. Нервной системой этому организму служит царство животных. Кроме того, разумный статус Геи теперь снижен с уровня человека до улитки.
Однако, биосфера уже 3 млрд лет поддерживает свои основные параметры (состав атмосферы, вод и т.д.). Более того, в кризисные моменты, когда она была готова замерзнуть, почему-то "во-время" повышалась активность вулканов, увеличивавшая парниковый эффект и спасавшая жизнь.
О том, что только циркуляция вещества в толще Земли обеспечивает длительное существование эквилибросферы и круговорот элементов, уже говорилось.
Так набирается очень много “счастливых случайностей”. Считать, что нам просто постоянно везет, значит исповедовать пресловутый “антропный принцип”, иными словами, пребывать в познавательном тупике. Но если не так, значит Гея сама умеет поддерживать в себе необходимые состояния. Что же тогда считать организмом - всю планету или только ее биосферу?
К этому уместно присовокупить еще высказывание Н.Горовица: "Я считаю самовоспроизведение и обмен веществ важными, но недостаточными критериями наличия жизни; система должна быть наделена еще импульсом к развитию”... (Сборник: Возникновение жизни на Земле. М., 1959, с. 109).
Живая Гея, а также “импульс к развитию” - не последние примеры, на которых мы будем убеждаться, что исследователи постоянно ощущают нехватку некоего “мотора”, который мог бы привести их научные построения в согласие с реальностью.
Привнося новые идеи и стараясь при этом преодолеть отторжение со стороны научной парадигмы, исследователи используют старые термины в новом смысле. Таково понятие “жизненного поля” или родственные ему. Наибольший успех в этом отношении выпал на долю Р.Шелдрейка. Опубликованная им в 1981 г. книга "Новая наука о жизни. Гипотеза созидательной причинности" [70], вызвала бурную реакцию в диапазоне от восторга до предложений публичного сожжения книги.
Шелдрейк распространил понятие морфогенетического поля, введенное Гурвичем при описании развития зародыша, на все биологические процессы. Поэтому он говорит о морфическом (формообразующем) поле.
Что касается происхождения жизни, то теперь предлагается примерно такой сценарий: первые биоценозы возникли до первых организмов и сформировали первую биосферу, поля которой с тех пор и управляют эволюцией появившихся позже организмов. Здесь важно слово “поле”. В качестве аналога Ю.Чайковский упоминает, например, о поле, возникающем в растворах аминокислот и организующем в нем синтез полимеров. Это поле сопоставляется с морфическим полем Р.Шелдрейка, которое благодаря резонансу действует как "созидательная причинность". Но сам Р.Шелдрейк источником поля видит не молекулы в данном растворе, а “вселенскую сеть морфического резонанса среди галактик, звезд и атомов”. Она действует также между “молекулами, кристаллами и формами жизни" (Sheldrake R. The presence of the past. Morphic resonance and the habits of nature. L., 1994).
Одним словом, пропасть между живым и неживым преодолевается с помощью внешнего агента, имеющего полевую природу. Это как нельзя лучше соответствует Концепции, в чем можно будет убедиться в одном из следующих разделов.