ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Земля, как теперь известно, образовалась 4,6 млрд. лет назад, но в течении первых нескольких сот миллионов лет ее поверхность пребывала в постоянном хаосе из-за непрерывной бомбардировки обломками вещества, которые все еще кружились вокруг Солнца по земной орбите, периодически сталкиваясь с Землей и Луной.

Около 4 млрд. лет назад Земля наконец осталась в покое, приобретя более или менее современный свой вид, и была готова стать обитаемым миром. Через полмиллиарда лет здесь зародилась первая примитивная жизнь. В течение последующих 3,5 млрд. лет (три четверти всего существования) Земля постоянно заселена разнообразными формами живых организмов.

Каким образом впервые образовалась жизнь?

Единственно возможный научный ответ (не связанный со сверхъестественным бездоказательным актом) состоит в том, что беспорядочные комбинации простых молекул, существовавших в земной атмосфере и океане, постепенно создавали все более сложные молекулы, и эти молекулы, с течением времени став чрезвычайно сложными, в процессе эволюции сформировали в себе такие свойства, которые мы ассоциируем с жизнью.

Разумеется, процесс эволюции мы не можем наблюдать непосредственно ни здесь, на Земле (от этого события мы отделены миллиардами лет), ни в других мирах (ближайший возможно обитаемый мир удален от нас на расстояние многих световых лет пространства). И все же мы можем получить косвенные свидетельства.

Прежде всего нужно установить, какие именно простые молекулы могли существовать на первозданной Земле. Это были молекулы, из которых формировался лед, и среди ученых в этом есть полное согласие. (Хотя имеется спорный пункт относительно их точного строения.) Вода присутствовала безусловно, так же как и молекулы, содержащие азот, углерод и другие элементы.

На Юпитере и других внешних планетах Солнечной системы углерод и азот присутствуют в соединении с водородом. Это соответственно метан и аммиак. На Венере и Марсе углерод находится в соединении с кислородом (углекислый газ), а азот существует в виде молекул в парах атмосферы.

Одни ученые считают, что первичная атмосфера Земли состояла из аммиака, метана и водяных паров, причем аммиак в большом количестве был растворен в океане. Другие полагают, что нашей первозданной атмосферой были углекислый газ, азот и водяной пар, причем в океане была растворена значительная доля углекислого газа. Возможно, что эта атмосфера, изначально состоявшая из аммиака, метана и водяного пара (атмосфера-1), затем в ходе естественных процессов, не связанных с жизнью, обратилась в углекислый газ, азот и водяной пар (атмосфера-2).

Выбор между этими двумя атмосферами не является категорическим. В каждой из них имеются атомы водорода, углерода, азота и кислорода (которые составляют 99 %. атомов, входящих в мягкие ткани любого организма). Атомы, из которых состоят ископаемые остатки этих тканей, включая атомы, делающие ткани твердыми, должны присутствовать в виде раствора в первозданном океане.

Какие процессы при наличии данных простых молекул (какими бы они ни были) должны были произойти, чтобы из них сформировались молекулы более сложного порядка? Простые столкновения и хаотический взаимообмен для этого были бы уже недостаточны. Превращение простых молекул в более сложные — это изменение, требующее затраты энергии. Иначе говоря, чтобы сделать такое превращение возможным, к системе должна поступать энергия.

Сотворенная Земля имела многочисленные источники энергии — тепло от вулканической деятельности, электрическую энергию молний, поскольку вполне вероятно, что первоначально Земля была более бурным местом, чем теперь (извержения вулканов и грозы следовали, видимо, непрерывно).

Кроме того, конечно, была энергия радиоактивности, и в начале, надо помнить, интенсивность ее была гораздо значительнее, чем теперь, так как за те миллиарды лет, что прошли с момента образования Земли, значительная часть первоначального запаса радиоактивных атомов распалась.

Наконец, был ультрафиолетовый свет Солнца. В наши дни лишь немногие ультрафиолетовые лучи, летящие от Солнца, достигают земной поверхности, потому что кислород атмосферы (его молекулы состоят из двух атомов) высоко над Землей превращается в озон (состоящий из молекул, имеющих по три атома кислорода). Озоновый слой, висящий на высоте около 25 км над Землей, непрозрачен для большинства ультрафиолетовых лучей, поэтому лишь небольшая их часть достигает земной поверхности.

Кислород, однако, не является одной из естественных, данных от века составляющих атмосферы. Он чересчур активен и легко соединяется со многими другими веществами. Поэтому кислород очень быстро должен исчезнуть из атмосферы. Единственная причина, по которой он не исчезает, — это зеленые растения, которые постоянно вырабатывают кислород, компенсируя его убыль. Растения, используя энергию солнечного света, соединяют в себе углекислый газ и воду, идущие на образование листвы и побегов, а кислород возникает и выливается в атмосферу как побочный продукт этого процесса.

На только что сотворенной, первозданной Земле, до того как появилась жизнь, зеленых растений не было, как и не было кислородообразующих процессов. Поэтому кислорода в атмосфере не было, а в ее верхних слоях не было озона. Это означало, что ультрафиолетовое излучение Солнца могло свободно проникать до самой поверхности Земли.

В 1952 г. американский химик Стэнли Миллер (р. 1930 г.) сделал следующий опыт. Он тщательно очистил и стерилизовал воду и добавил в нее «атмосферу» из водорода, аммиака и метана, копируя таким образом состав атмосферы-1. Смесь, которую Миллер пропускал через свою аппаратуру, подвергалась воздействию электрических разрядов, которые должны были имитировать эффект грозовых разрядов. Так продолжалось в течение недели. Когда затем он разделил компоненты своего водного раствора, он обнаружил вновь образованные простые органические соединения, в том числе несколько аминокислот, являющихся кирпичиками, из которых состоят белки — важнейшие компоненты живой ткани.

Другие повторили этот же эксперимент, но с ультрафиолетовыми лучами в качестве источника энергии, и получили во многом сходный результат. Брали и варианты атмосферы-2 и тоже получали органические сложные молекулы.

Американский биохимик шриланкийского происхождения Сирил Поннамперума (р. 1923 г.) был наиболее настойчив в проведении этих опытов. Он добился образования нуклеотидов из простых соединений (эти нуклеотиды служат строительным материалом для нуклеиновых кислот — другого важнейшего компонента живой ткани). Он получил также аденозинтрифосфат (АТФ), который в энергетическом отношении является ключевым веществом живой ткани.

Все соединения получены абиогенетически (т. е. без вмешательства жизни, за исключением, конечно, самого экспериментатора) из образцов тех материалов, которые могли составлять первичную атмосферу; эти соединения и были, очевидно, началом пути, приведшего к образованию живой ткани и жизни.

Американский химик Сидней Фокс (р. 1912 г.) шел в другом направлении: составляя смеси аминокислот и подвергая их нагреву, получал протеиноподобные вещества. Последние, будучи растворены в воде, образовывали крошечные шарики, обнаруживающие свойства, присущие живым клеткам.

Конечно, эксперименты эти никоим образом не приблизили нас к системе, которую можно было бы рассматривать как живую, пусть даже в самой простейшей форме. С другой стороны, в условиях лаборатории, когда работа велась на малых количествах веществ в ограниченных промежутках времени, эти результаты можно назвать поразительными; во всяком случае, это уже заметный, большой шаг в направлении к жизни.

Давайте вообразим себе целый океан простых соединений, которые подвергаются воздействию различных видов энергии в течение сотен миллионов лет! Тогда мы легко представим себе и поймем период химической эволюции, который кончился с появлением первых живых клеток 3,5 млрд. лет назад.

РАЗВИТИЕ ВИДОВ

Сколько же раз в течение времени возникала жизнь? Вышли ли синезеленые водоросли из одной тропы химической эволюции, а бактерии из другой? Вышел ли каждый вид синезеленой водоросли и бактерии из своей отдельной эволюционной тропы? Существовал ли еще какой-то, более сложный набор путей химической эволюции, каждый из которых кончался отдельным видом трилобита? Отдельным видом динозавра? Человеческим существом?

Это звучит крайне неправдоподобно. Если бы существовали миллионы разных, отдельно взятых троп химической эволюции, по одной для каждого типа животного, растения или микроорганизма, даже для тех, что возникли совсем недавно, то тогда существовали бы соединения, которые проходили свою химическую эволюцию прямо теперь, у нас на глазах. Однако ничего похожего не происходит.

И если еще можно понять химическую эволюцию, происходящую на планете с первозданной атмосферой при полнейшем отсутствии жизни, то предполагать ее развитие в атмосфере кислорода и в мире, изобилующем жизнью, было бы просто нелепо. Активный кислород вступил бы в немедленную реакцию со сложными соединениями, «беременными жизнью», и разрушил их. (Сегодня такие сложные соединения в живых организмах защищены от кислорода множеством хитроумных способов.) К тому же, если уж жизнь в самом деле возникла, любое соединение, развившееся до формы преджизни, стало бы пригодным в пищу для «более живых» существ и было бы тут же съедено.

Следовательно, есть все основания полагать, что жизнь зародилась единожды в первозданные времена или, возможно, зарождалась несколько раз, но такие попытки не увенчались успехом. Как только отдельная форма жизни зародилась, выжила и размножилась, это означало конец химической эволюции.

Если это так, то почему с момента зарождения и доныне на Земле существует не одна-единственная форма жизни? Как получилось, что было так много различных форм жизни в прошлом (судя по ископаемым) и так много в настоящем?

При изучении ископаемых можно заметить, что между различными формами жизни в большей или меньшей степени есть заметная связь. Древние формы организмов в отдельных своих признаках напоминают некоторые современные, и часто между этими двумя формами имеется ряд других, претерпевших изменения (наподобие моста они вели от древних форм организмов к современным). Тому существует и множество других доказательств, и биохимических и тех, что можно наблюдать непосредственно.

По мере того как родители, давая жизнь молодым, воспроизводят себе подобных, дети, став взрослыми, воспроизводят новое поколение. Постепенно виды изменяются. Одни из них вымирают. Другие постепенно превращаются в биоформы, настолько отличные от предыдущих, что становятся другими видами. Иные дают начало двум (а иногда и более) разным потомственным видам. В результате более двух миллионов живущих сегодня видов (включая человека — гомо сапиенс) являются потомками более ранних видов, которые, в свою очередь, были потомками еще более ранних видов, и так далее назад до простейших форм жизни, существовавших 3,5 млрд. лет назад, и через них к начальной форме упрочившейся жизни, вышедшей в итоге из еще более раннего периода химической эволюции. Это медленное развитие жизни от простейших первоначальных форм к огромному множеству видов, живых и вымерших, получило название биологической эволюции.

Прежним ученым было трудно принять идею биологической эволюции по двум мотивам.

Во-первых, религия Запада держалась буквально слов Библии, где говорилось, что не только Земля создана была всего несколько тысяч лет назад, но и что каждый вид был специально создан божественным промыслом, поэтому все виды существовали и отличались друг от друга с самого начала. Проповедовать биологическую эволюцию, считали ученые, означало бы подрывать устои веры, а ведь большинство ученых было искренне верующими и не хотело колебать эти устои. Тогдашние ученые, будь они даже безбожниками, предпочтя разумные рассуждения слепой вере, могли натолкнуться на гневную отповедь общества.

Во-вторых, даже если ученые были твердо уверены в эволюции, то они не могли объяснить, как она совершалась. Кошки приносят котят, у собак появляются щенки, у людей рождаются дети, но между поколениями, как ни смотри, не видно никаких признаков изменения, которые указывали бы на непрерывную эволюцию.

Первым ученым, подсказавшим механизм эволюции, был французский натуралист Жан Батист Ламарк (1744–1829). В 1809 г. он высказал идею, что всякий организм в процессе жизни больше использует одни части тела и недогружает другие. Те части тела, которые активно используются, развиваются, а недогруженные — сокращаются, атрофируются. И развитие, и атрофия передаются потомкам, которые могут продвинуть этот процесс, передавая результат новым потомкам, и т. д.

Так, например, антилопа должна постоянно тянуться вверх, чтобы достать листья повыше. В течение многих лет из-за постоянного вытягивания ее шея стала немного длиннее, удлинились и ее ноги. Эти более длинные ноги и шею наследовали ее дети, которые тоже все тянулись да тянулись… со временем, через много поколений, антилопа превратилась в жирафа. Разумеется, такое превращение проследить невозможно в течение одной человеческой жизни, может быть, для этого не хватило бы всей истории человека.

Однако идея эволюции путем наследования приобретенных характеристик была ошибкой.

Во-первых, приобретенные характеристики не наследовались, и это было подтверждено следующим экспериментом. В 80-х годах прошлого века немецкий биолог Август Вейсман (1834–1914) в серии опытов обрезал хвосты у 1592 новорожденных мышей на протяжении 22 поколений. Оказалось, что все они продолжали производить на свет мышей с нормальными хвостами.

Во-вторых, многие характеристики менялись, если они относились к частям тела животного, которым оно не находило сознательного применения. Например, эволюция подарила животным окраску тела, которая помогала им слиться с окружающим фоном и тем самым уберечься от врагов. (Непостижима, однако, способность хамелеона «сознательно» менять свой цвет и, следовательно, передавать потомкам более эффективный механизм.)

В 1859 г. английский натуралист Чарлз Роберт Дарвин (1809–1882), потратив четырнадцать лет на собирание доказательств, выдвинул свою теорию. Он высказал мысль, что в каждом поколении данный вид включает особи, несколько отличающиеся друг от друга по разным признакам (быстрее — медленнее, выше — ниже, сильнее-слабее, краснее — голубее и т. д.). Многие незначительные изменения происходят случайно, и индивидуумы, обладающие тем или иным измененным признаком, могут (в среднем) успешнее бороться за выживание.

Те, кто выживет, передадут свои особенности потомкам, среди которых опять будут особи (в среднем) более сильные или слабые, быстрые или медленные, высокие или низкие, более красные или более голубые и т. д. Лучшие из приспособившихся выживут и оставят потомство. Таким образом, данный вид со временем становился гораздо медленнее или быстрее, выше или ниже, слабее или сильнее, краснее или голубее. В разных местах и обстоятельствах получают преобладание разные особи, так что вид обнаруживает два (или более) устойчивых отклонения, которые в конце концов превращаются в два (или более) разных самостоятельных вида.

В некоторых случаях не преобладает ни одна из особей, так как ни одна из них не приспособлена к жизни так хорошо, как приспособлен какой-то другой вид в целом, и тогда первый вид вымирает.

Природа, в некотором смысле, выбирает отклонения, которые получаются случайно; это и есть биологическая эволюция путем естественного отбора. Возобладала именно эта точка зрения на эволюцию. За столетие с четвертью, что прошли после смерти Дарвина, в его теорию внесено много новшеств и улучшений, но до сих пор продолжаются споры вокруг той или иной ее детали. Хотя биологи и спорят о деталях механизма эволюции, тем не менее среди них нет никого, кто бы оспаривал сам факт эволюции. (Например, группа людей может рассуждать о том, как работают часы, но никому не придет в голову оспаривать тот факт, что они показывают время.)

ГЕНЕТИКА

Одним из пунктов, оставшимся у Дарвина неясным, был вопрос о том, как естественные изменения особей одного вида могут быть связаны с эволюционным развитием. Положим, что некоторые особи вида в самом деле чуть быстрее, чем другие, и эта скорость является ценным качеством, способствующим лучшему выживанию. Но разве не могли эти более быстрые особи спариться с медлительными (организм не всегда проверяет свою пару на соответствие) и вывести малышей, унаследовавших какую-то промежуточную скорость? Вообще, скрещивание между собой организмов (оно, кажется, происходит достаточно бессистемно) не сглаживает ли, не выравнивает ли все крайности качеств и не порождает ли широкую серую середину, не оставляя ничего, за что мог бы ухватиться естественный отбор?

Оказывается, это не так. В 1865 г. австрийский ботаник Грегор Иоганн Мендель (1822–1884) провел скрещивание гороха и наблюдал, как в этой связи изменились характеристики растений. В частности, он скрестил горох с длинными стеблями с горохом, имеющим короткие стебли, и обнаружил, что все растения, полученные в результате, имеют длинные стебли. Стеблей средней длины между ними не было.

Когда он скрестил между собой эти гибриды, оказалось, что в новом поколении одни растения имеют длинные стебли, другие — короткие, в отношении 3: 1.

Мендель предположил, что каждое растение имеет два фактора, управляющие длиной стеблей. Растения с длинными стеблями имеют два фактора, способствующие удлинению стебля, и такие растения могут быть отнесены к группе LL. Растения с короткими стеблями имеют похожие, но не идентичные факторы, вызывающие укорочение стебля, и мы отметим их маленькими буквами ll.

При скрещивании длинностеблевых с короткостеблевыми каждое растение вносит один фактор в каждый отпрыск, причем этот фактор выбирается наугад. Какой бы фактор растение LL ни вносило, этим фактором обязательно должен быть L. Фактор, вносимый растением ll, должен быть l. Вся молодая поросль должна иметь один из этих факторов и стать Ll или lL. В этом случае фактор L является «доминантой» и признак, который она контролирует, обнаруживается. Все растения и имеют поэтому длинные стебли, как если бы все они принадлежали к одной группе.

Однако фактор не исчез, и его влияние продолжает проявляться. Если растения Ll и lL скрещивают между собой, то каждое наугад передает L одной половине молодых, а l — другой половине. Появляются поэтому четыре типа отпрысков: LL, Ll, lL и ll. Из них первые три имеют длинные стебли, последний — короткие, и вот опять наша пропорция 3: 1.

Мендель показал, что и другие наборы признаков работают таким же образом. Он аккуратно вывел это в своих схемах, которые мы знаем теперь как законы наследственности Менделя. Они говорят о том, что крайние признаки (экстремумы) не пропадают при беспорядочном скрещивании, но стремятся выжить и проявляются вновь и вновь в дальнейших поколениях.

К несчастью, Мендель как ботаник был малоизвестен, к тому же его работы опередили время. Несмотря на опубликованные им эксперименты и выводы, их игнорировали до 1900 г., когда три других ботаника независимо друг от друга вывели те же законы. Они-то и обнаружили, что Мендель опередил их на целое поколение, и каждый из них, тоже независимо, отдал ему должное.

Итак, наиболее уязвимое место в теории Дарвина — предполагаемая тенденция к сглаживанию крайних признаков — было защищено.

И все же, в чем заключается биологическая и химическая природа факторов с точки зрения законов Менделя?

В 1882 г. немецкий анатом Вальтер Флемминг (1843–1905) сообщил о своих исследованиях в области клетки. Он разработал технику воздействия на клетку некоторыми из новых искусственных красителей, недавно полученных химиками. Отдельные краски легко смешивались с одними элементами клетки, но совершенно не реагировали с другими. Одна из красок активнее других окрашивала часть материала внутри ядра. Флемминг назвал этот материал хроматином (от греч. chroma — цвет).

Было известно, что при делении клетки существенным элементом является ее ядро; клетка, из которой удалено ядро, не делится. Флемминг окрасил срез ткани с активно делящимися в ней клетками, и хроматин в каждой из них приобрел окраску. Это окрашивание убило клетки, однако каждая клетка застыла на определенной стадии деления, и в результате получилась как бы серия фотографических стоп-кадров хроматина на разных стадиях процесса. Когда они были поставлены в определенную последовательность, Флемминг получил представление о последовательности событий в этом процессе.

Судя по всему, в ходе деления клетки хроматин собирался в группу маленьких усеченных палочек, соединенных в пары, так что имелось по две от каждого сорта палочек. Эти палочки Флемминг назвал хромосомами (от хромо и греч. soma — окрашенное тело). Хромосомы располагались вдоль центральной оси клетки и раздваивались, и каждая хромосома порождала другую — точную свою копию. И теперь на месте одной хромосомы было уже две пары, т. е. целых четыре.

Затем хромосомы делились так: две из четырех хромосом каждой группы двигались в один конец клетки, а две другие — в другой конец. После этого клетка вытягивалась, делилась на две новые, и каждая из них имела полный набор хромосом, собранных в пары.

В 1887 г. бельгийский биолог Эдуард Джозеф ван Бенеден (1846–1910) сделал еще один шаг в изучении хромосом. Он показал, что отдельные виды имеют определенное число хромосом в клетке. Например, в каждой целой человеческой клетке, как мы теперь знаем, имеется сорок шесть хромосом, собранных в двадцать три пары. В яйцеклетке или сперматозоиде имеется лишь половина набора хромосом, по одной от каждой пары, т. е. яйцеклетка и сперматозоид человека имеют по двадцать три хромосомы.

Когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, оплодотворенная яйцеклетка во второй раз получает полный комплект хромосом — по одной от каждой пары отцовских и от каждой пары материнских, т. е. оплодотворенная яйцеклетка человека имеет двадцать три пары хромосом.

В 1902 г., вскоре после того, как были открыты забытые работы Менделя, американский биолог Вальтер Стэнбероу Саттон (1877–1916) показал, что хромосомы ведут себя точно так же, как факторы Менделя, и, по существу, ими и являются. Наследственностью управляют хромосомы.

Конечно, если каждую хромосому рассматривать как несущую в себе только один какой-либо признак, то для объяснения всех унаследованных признаков хромосом просто не хватит.

Поэтому каждую хромосому следует рассматривать в виде цепочки, состоящей из множества молекул, каждая из которых управляет какой-то одной характеристикой. В 1909 г. датский биолог Вильгельм Людвиг Иохансен (1857–1927) предложил эти молекулы называть генами (от греч. genos — дающий рождение). Наука, изучающая гены, стала называться генетикой.

ГЛАВА 10

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: