Принцип Реди и большой взрыв

Вопросы, о которых только что говорилось, не новы. Окружающий нас мир очень стар, а человечество молодо, и со свойственной молодости любознательностью на протяжении всей истории эти вопросы в том или ином ракурсе обсуждались учеными и мыслителями. Уже в IV веке до нашей эры философ античной Греции Демокрит заложил основы атомистической теории и выдвинул идею множественности миров. Через 350 лет Лукреций Кар великолепно изложил эти мысли в своей бессмертной поэме «О природе вещей»:

 Видим мы прежде всего, что повсюду, во всех 
 направленьях 
 С той и с другой стороны, и вверху и внизу 
 у Вселенной 
 Нет предела, как я доказал, как сама очевидность Громко гласит и как ясно из самой природы 
 пространства. 
 А потому уж никак невозможно считать вероятным, Чтоб, когда всюду кругом бесконечно пространство 
 зияет 
 И когда всячески тут семена в этой бездне несутся 
 В неисчислимом числе, гонимые вечным движеньем, 
 Чтоб лишь наша земля создалась и одно наше небо, 
 И чтобы столько материи тел оставалось без дела, 
 Если к тому же этот мир природою создан, и если 
 Сами собою вещей семена в столкновеньях 
 случайных, Всячески втуне, вотще, понапрасну сходяся друг 
 с другом, 
 Слились затем, наконец, в сочетанья такие, что сразу 
 Всяких великих вещей постоянно рождают зачатки: 
 Моря, земли и небес, и племени тварей живущих... 
 Если к тому же семян количество столь 
 изобильно, Что и всей жизни никак не хватило б для их 
 исчисленья, 
 Если вещей семена неизменно способна природа 
 Вместе повсюду сбивать, собирая их тем же 
 порядком,
 Как они сплочены здесь, - остается признать
 неизбежно,
 Что во Вселенной еще и другие имеются земли, 
 Да и людей племена и также различные звери. 
 Надо добавить еще, что нет ни одной во 
 Вселенной Вещи, какая б могла возникать и расти одиноко 
 И не являлась одной из многих вещей однородных 
 Той же природы. Взгляни, например, на созданья 
 живые, 
 И ты увидишь, что так нарождаются горные звери, 
 Так поколенья людей возникают и так же немое 
 Племя чешуйчатых рыб и все особи птиц 
 окрыленных. 
 Следственно, надо признать, что подобным же
 образом небо, 
 Солнце, луна и земля, и моря, и все прочие вещи 
 Не одиноки, но их даже больше, чем можно 
 исчислить.

Принцип Реди и большой взрыв

Из этой цитаты видно, что уже два тысячелетия назад проблема происхождения Вселенной и жизни интересовала человечество не меньше, чем сегодня.

За 600 лет до нашей эры Анаксимандр из Милета высказал мысль о возникновении жизни из морского ила и о последующей ее эволюции. Его можно считать родоначальником идеи самозарождения жизни. Заметим, что такие великие ученые, как И. Ньютон и В. Гарвей, поддерживали эту мысль (хотя Гарвей и провозгласил принцип Omne animal ex ovo - всякое животное происходит из яйца).

Принцип Реди и большой взрыв-2

В XVI веке придворный врач семейства Медичи флорентиец Ф. Реди нанес первый удар по теории самозарождения жизни. Будучи не только членом Флорентийской ученой академии (Academia del Cimento), но и членом литературной академии (Academia del la Cruska), Реди писал научные статьи на итальянском языке. Потом его работы переводились на латынь - язык ученых. Всесторонне образованный человек, философ-эпикуреец, поэт, воспевший тосканские вина, он был серьезным естествоиспытателем и блестящим экспериментатором.

Реди, по-видимому, впервые сделал то, что сегодня в химии и биологии называется контрольным опытом. Положив два куска мяса в различные сосуды, один он закрыл марлей, другой оставил открытым.

Сторонники самозарождения жизни утверждали, что личинки и черви появляются как бы из ничего. Реди ясно показал, что «черви» появились только в сосуде, который был открыт для контакта с флорентийскими мухами.

Так был установлен знаменитый принцип Реди - Omne vivum e vivo - все живое из живого. Но тогда живое вечно, поскольку вечен окружающий нас мир. И жизнь не имеет ни начала, ни конца.

Окончательный удар по теории самозарождения жизни нанесли эксперименты аббата Спалланцани показавшего, что в стерилизованном питательном бульоне бактерии не развиваются. Таким, образом уже в XVIII веке в естествознании сформировались два течения - сторонники принципа Реди и сторонники так называемого абиогенеза.

Абиогенез - естественный путь химического превращения простых органических соединений в сложные с последующим возникновением из этих сложных молекул живых клеток. Сторонники абиогенеза утверждают, например, что жизнь и сейчас может возникать на Земле. Существующая форма жизни (например, микрофлора) сразу же уничтожает новую жизнь.

Длительная борьба идей, накопление новых научных данных и радикальное изменение во взглядах на многие казавшиеся ранее очевидными явления окружающего нас мира предстали перед человечеством в совершенно ином свете.

Интерес к происхождению жизни вспыхнул с новой силой в конце XIX - начале XX века. Принцип Реди был возрожден знаменитым шведским физикохимиком С. Аррениусом. В основе его работ лежало представление о вечном и повсеместном распространении зародышей жизни во Вселенной, которые могут время от времени попадать на небесные тела (планеты), где природные условия благоприятны для дальнейшей эволюции.

Аррениус назвал такой путь возникновения и развития жизни на планетах панспермией.

Но в этой гипотезе нет ответа на вопрос о генезисе самих зародышей. И в самом деле, мы собираемся разобраться в том, как может возникнуть живое из неживого. Вместо этого гипотеза Аррениуса уводит нас в сторону чистой биологии, предлагая решать вопрос, как из вируса или микроорганизма получился человек.

Без преувеличения можно сказать, что настоящий переворот во взглядах на происхождение живой материи произошел после появления работы А. Опарина.

В чем же заключалась новизна идей, выдвинутых в 1924 году молодым биохимиком? Небольшая книга, вышедшая в издании «Московского рабочего» и оказавшая столь сильное влияние на развитие современной науки, состоит из пяти частей.

Первые две части посвящены истории проблемы происхождения жизни.

В третьей главе «Мир живого и неживого» Опарин впервые высказывает мысль о том, что жизнь тесно связана и, более того, схожа с коллоидным и студнеобразным состоянием вещества. Именно это положение нашло затем дальнейшее развитие в изучении знаменитых коацерватных капель.

Здесь же Опарин вводит несколько критериев, отличающих живое от неживого: обмен веществ, воспроизведение себе подобных и раздражимость. В конце главы автор делает нетривиальный для его времени вывод, состоящий в том, что «жизнь характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной специфической комбинацией этих свойств».

Но основной вклад Опарина в науку о происхождении жизни сделан в двух последних разделах книги: «От разрозненных элементов к органическим соединениям» и «От органического вещества к живому существу». Именно в этих главах впервые была сделана попытка объяснить возникновение органических соединений на изначально «стерильной», безжизненной Земле естественным путем, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой при высокой температуре поверхности ранней Земли.

Ясно, что эта конкретная схема Опарина претерпела за последующие десятилетия значительные изменения. Но сама идея непрерывного усложнения органических соединений, приведшего в конце концов к возникновению жизни, послужила основой современной науки о происхождении жизни. Эта идея получила название принципа непрерывности.

В последней главе Опарин предлагает считать первыми живыми организмами (с некоторыми оговорками) маленькие обособленные кусочки органического геля. Здесь также важна мысль о структурной и пространственной обособленности первых живых систем.

Проблемы передачи наследственной информации в работах Опарина затронуты не были.

Рассматривая первые работы, посвященные проблеме происхождения жизни, нельзя не упомянуть о знаменитом английском биохимике Д. Холдейне. Человек поразительного ума и широчайшего кругозора, блистательный полемист в 1929 году опубликовал коротенькую статью «Возникновение жизни». В этой статье, кстати говоря совершенно не понятой современниками (знаменитый английский кристаллофизик и философ Д. Бернал говорил о том, что ее читали, да и то в очень узких кругах, лишь благодаря обаянию личности Холдейна и красоте и ясности стиля изложения), ученый обрисовал все важнейшие аспекты проблемы происхождения жизни.

Холдейн впервые подчеркнул важность задачи переноса генетической информации при рассмотрении вопроса о происхождении жизни. Впервые также он указал на ультрафиолетовое излучение Солнца как источник образования органических соединений из атмосферных газов. С работой Опарина Холдейн не был знаком, и поэтому его также с полным основанием можно считать «крестным отцом» принципа непрерывности.

Десятки лет спустя после появления работ Опарина и Холдейна Бернал возродил идею Анаксимандра о роли ила, заметив, что на поверхности глин могут быстро идти процессы усложнения органических молекул. Новое - хорошо забытое старое, и сторонники абиогенеза получили в свои руки новую теорию, которая за 50 с лишним лет сильно расширила наши представления о возникновении жизни. Идею Опарина проверил опытным путем ученик известного американского ученого Г. Юри - С. Миллер. Он пропустил электрическую искру через смесь аммиака, метана, водорода и паров воды и получил аминокислоты - основные строительные «блоки», из которых состоит белок.

Результаты Миллера были сенсационны. Десятки экспериментаторов лихорадочно начали варить опаринский бульон. Были получены органические кислоты, все 20 природных аминокислот, основания нуклеиновых кислот, наконец, коацерватные капли Опарина и протеиноидные микросферы - предшественники первых клеток. Казалось, еще один шаг, и в пробирке возникнет жизнь. Но этот шаг не был сделан. Более того, по нашему глубокому убеждению, он будет сделан не скоро.

В чем же дело? Ведь получены аминокислоты - строите белок. Есть нуклеиновые основания, фосфаты, сахара - делайте ДНК- Коацерваты и микросферы есть. Монтируйте все вместе и получайте жизнь. Дело оказалось гораздо более сложным.

27 лет назад Д. Уотсон и Ф. Крик открыли структуру ДНК. Затем Ф. Крик, М. Ниренберг и С. Очоа объяснили, как устроен генетический код. А потом выяснилась поразительная вещь: генетический код одинаков и у бактерии, и у дерева, и у человека. Универсальность кода означает, что в течение 3,5 миллиарда лет существования жизни на Земле основы генетического механизма, управляющего воспроизведением всех живых систем, остались неизменны.

Другими словами, 3,5 миллиарда лет назад на нашей планете уже существовали клетки, которые умели делать две вещи: во-первых, строить по заложенной в них генетической программе любую необходимую для них молекулу с заданными свойствами. Например, клетке нужно построить белковую молекулу, в которой жестко задана последовательность 100 аминокислот. Так вот, клетка, имея механизм кодового считывания, почти никогда не ошибается при создании этой молекулы. Если из этих аминокислот такую же белковую молекулу начнет делать химик-органик, порядок аминокислот в этой молекуле будет самый разный. Чтобы синтезировать один-единственный нужный вариант белка, химику не хватит времени существования Вселенной. Во-вторых, клетка способна размножаться, создавая свои точные копии.

Сегодня ученые, занимающиеся проблемой происхождения жизни, далеки от того, чтобы получить в пробирке (in vitro) из смеси простых молекул (например, аминокислот) биологический полимер с заранее заданными свойствами (белок). О том, чтобы создать искусственным путем клетку, содержащую генетический аппарат, пока приходится только мечтать. Более того, сейчас мы не в состоянии объяснить, каким образом произошел генетический код. Трудности на этом пути столь велики, что Ф. Крик и Л. Оргел вновь предложили ученым обратиться к теории панспермии. Они назвали свою гипотезу гипотезой «направленной панспермии», утверждая, что все живое на Земле возникло от одного клона микроорганизмов, сознательно занесенного на нашу Землю высокоразвитой цивилизацией. Ясно, что эта гипотеза - развитие идей Аррениуса и принципа Реди.

Однако принцип Реди противоречит нынешним взглядам на происхождение Вселенной. Вспомним, что принцип Реди «живое из живого» неявно утверждает, что жизнь вечна. Теория абиогенеза постулирует, что живое происходит из неживого. Вот почему мне придется все время в этой книге идти «параллельными курсами»: следить за развитием неорганического мира и мира живого.

Жизнь не могла существовать на ранних стадиях развития мира. Поэтому вопрос о начале жизни на Земле, поставленный еще на рубеже XVIII и XIX веков, остается в силе и сейчас. А чтобы утверждение о несправедливости принципа Реди не выглядело слишком легковесным, вернемся к эволюции неорганического мира и посмотрим, как развивались наши представления о неживой природе.

Только в XVIII веке исследования строения Вселенной встали на экспериментальную основу. Это случилось вскоре после того, как девятнадцатилетний немецкий органист В. Гершель в 1757 году в поисках удачи переселился из Ганновера в Англию. Все свое свободное время, а он был «штатным» органистом Октагональной капеллы города Бат, Гершель отдал изучению астрономии и изготовлению телескопов. 13 марта 1781 года Гершель увидел в телескопе объект и подумал, что это «или любопытная туманная звезда, или комета». Позднее выяснилось, что это планета Уран.

Король Георг III пожаловал Гершелю звание придворного астронома и 200 фунтов стерлингов в год, что дало ему возможность оставить музыку и открыть впоследствии около 2500 туманностей и звездных скоплений. «Я проник в пространство глубже, чем какое-либо человеческое существо до меня; я наблюдал звезды, свет от которых, как можно доказать, идет два миллиона лет, прежде чем он достигнет Земли», - говорил Гершель. На надгробном памятнике отца современной астрономии высечена надпись: «Caelorum perrupil clauslra» - «Он проник сквозь преграды небес».

Сегодня, спустя почти 200 лет после великого открытия Гершеля, мы знаем, что число звезд в нашей Галактике оценивается величиной , или сто миллиардов. Астрономы классифицируют звезды по температуре: горячие, голубые, называются звездами класса О, В, А менее горячие, желтые, звезды - F, G, красные звезды - К, М. Это так называемая Гарвардская классификация.

Английские студенты, чтобы особенно не напрягаться при запоминании порядка букв, обозначающих различные классы звезд, придумали мнемоническое правило: О, bе a fine giri, kiss me. (Будь хорошей девочкой, поцелуй меня.)

Нетрудно видеть, что первые буквы слов в этой фразе (которую, по всей видимости, каждый студент может произнести достаточно уверенно) соответствуют Гарвардской классификации.

Я завел разговор о звездах - этих огромных газовых шарах, раскаленных до миллионов градусов, потому что среди тысячи миллиардов звезд нашей Галактики в одном из ее спиральных рукавов есть желтая звезда класса G2 - Солнце. Ни по температуре, ни по размерам она не отличается от сотен тысяч других звезд этого класса. Солнце имеет несколько спутников, обращающихся вокруг него по эллиптическим орбитам. Эти спутники называются планетами.

Можно ли считать, что планетная система - большая редкость во Вселенной? Вряд ли. Исследования моделей образования планет, проведенные на электронно-вычислительных машинах в США, в Принстоне, и в СССР, в Институте прикладной математики, показали, что планетные системы должны быть обычным явлением в жизни Галактики.

Принцип Реди и большой взрыв-3

Современные астрономические средства наблюдения не позволяют увидеть планеты даже у самых близких к Солнцу звезд. Почему же мы акцентируем внимание читателя на планетных системах? Дело в том, что солнечная планетная система имеет одну удивительную особенность. На третьей от Солнца планете - Земле есть разумная жизнь, есть технологически развитая цивилизация.

Сегодня человечество не знает, одиноко ли оно во Вселенной, или, быть может, в эту минуту на расстоянии тысяч световых лет где-нибудь в глубинах Космоса стартуют с неизвестной планеты звездолеты другой цивилизации. «Мы не одиноки во Вселенной», - говорит член-

корреспондент Академии наук СССР Н. Кардашев. «Жизнь - уникальное явление, мы одиноки», - утверждает его учитель член-корреспондент Академии наук СССР И. Шкловский.

Такие полярные точки зрения в науке не уникальны. Известно немало примеров ожесточенных споров между выдающимися умами человечества. Так, А. Эйнштейн не признавал многие положения квантовой механики и полемизировал по этому поводу с родоначальником нового направления в физике Н. Бором.

Великий Эйнштейн заблуждался. Квантовая теория - мощный инструмент современной физики, подкрепленный большим числом экспериментальных фактов. Но дискуссия с Бором стимулировала развитие теоретической физики.

А как же быть в нашем случае?

Ведь, прежде чем говорить об уникальности земной жизни или, наоборот, о внеземном разуме, необходимо попытаться понять, что такое жизнь, случайно или закономерно возникла она в нашей солнечной системе. Наконец, как она возникла?

В свое время известный астроном X. Шепли, упоминая об ограниченности наших знаний, о Вселенной, сформулировал три основных вопроса, на которые человечеству предстоит дать ответ:

Что такое Вселенная?

Как она устроена?

Почему она существует?

Шепли говорил, что первый вопрос представляется самым простым и на него можно дать «бойкий», хотя и неполный, ответ. Относительно второго вопроса также можно кое-что сказать. А вот в ответ на третий «...мы можем лишь воскликнуть: один бог знает!».

Поставим те же вопросы применительно к жизни и сразу же увидим, что не можем дать полного ответа ни на один из них.

Что такое жизнь?

Как она устроена?

Почему она существует (как она возникла?)?

Интерес к проблеме жизни в целом настолько велик, что он привлекал и привлекает внимание самых выдающихся мыслителей. Напомним, что в той или иной мере этой проблемой были увлечены Аристотель и Платон, Эйнштейн и Бор, Крик и Бернал и многие другие выдающиеся ученые. По всей видимости, для человечества не существует более значительной проблемы, чем проблема возникновения и функционирования живой материи.

Но прежде чем перейти к подробному анализу идей и гипотез о происхождении жизни, необходимо ознакомиться хотя бы вкратце с современными представлениями об эволюции звезд и планет. Ведь бессмысленно строить схемы возникновения жизни в отрыве от конкретных физических условий. Кроме того, как мы видели, даже сейчас высказываются мысли о вечном существовании жизни во Вселенной. Подобная платформа вообще снимает проблему происхождения жизни с повестки дня, переводя ее в сферу теологии. Поэтому полезно совершить короткую экскурсию всего на 15 миллиардов лет назад и взглянуть на рождение нашего мира, или, как его назвал знаменитый английский астроном Д. Джине, Великой Вселенной.

Итак, 15 миллиардов лет назад произошел Большой Взрыв - родилась Вселенная.

Общепринята сегодня теория горячей Вселенной. Эта теория утверждает, что на самом раннем этапе была космическая протокапля, состоявшая из фотонов, протонов, электронов и нейтрино. Она была сжата до чудовищных плотностей. Некоторые ученые считают, что плотность первичной капли достигала величины 109| граммов в кубическом сантиметре. Тогда радиус Вселенной в начальный момент был всего... 1СН2 сантиметра. Но ведь известно, что приблизительно таков радиус электрона!

При подобных плотностях и линейных размерах обычные понятия и законы физики, в том числе и общая теория относительности, полностью неприменимы. Естественно, что ни о какой жизни не может идти речи. Понятие «время» также лишено смысла.

Если вести отсчеты от момента Взрыва, то уже через 0,01 секунды температура капли составляла приблизительно тысячу миллиардов градусов. Ни на Земле, ни на Солнце мы не можем даже представить себе подобных температур. Через 30 секунд температура снизилась «всего» до нескольких миллиардов градусов, и началось образование гелия. Конечно, говорить о какой-либо жизни при подобных температурах бессмысленно, да и где она могла существовать? Ведь тогда не было даже звезд (не говоря уже о планетах), а из элементов существовали только водород и гелий.

Поэтому забудем пока о Большом Взрыве и посмотрим на наш молодой мир, когда после Взрыва прошел приблизительно миллиард лет. Если считать по человеческим меркам, Вселенная была годовалого возраста. За этот промежуток времени от чудовищной протокапли не осталось и следа. Горячий мир стал остывать. Появились пылевые облака. Часть этих облаков сжималась, начали вспыхивать звезды. В них происходили сложные процессы синтеза элементов.

Но где же в Космосе те места, те объекты, на которых могла возникнуть жизнь? Мы знаем, что есть звезды, есть газопылевые облака, планеты, метеориты, кометы.' Кому же из них отдать предпочтение?