1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ВЗГЛЯДОВ
НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
1.1 Теории быстрого самозарождения
Начиная ещё с древних времён в мире было весьма широко распространено представление о том, что различные формы жизни постоянно самозарождаются из неживой материи. «Таковы факты, – писал Аристотель, – живое может возникать в результате не только спаривания животных, но и разложения почвы… Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием сил природы, возникая из разлагающейся земли, отбросов или из определённых частей растений».
Множество описаний спонтанного возникновения живых организмов мы находим у авторов времён позднего Рима, а также в работах, относящихся к Средневековью, в творениях выдающихся богословов и философов, в частности, Василия Великого и Альберта Великого. Василий Великий в своём «Шестодневе» утверждает, что насекомые, лягушки, угри и мыши возникают самопроизвольно, прямо из Земли, в жаркую влажную погоду: «…она [земля] производит кузнечиков в дождливое время, и тысячи других пород пернатых, носящихся по воздуху, из которых большая часть, по малости своей, не имеют и имени, но из себя же даёт мышей и жаб. Около Египетских Фив, когда в жару идёт много дождя, вся страна наполняется вдруг полевыми мышами. Видим, что угри не иначе образуются, как из тины. Они размножаются не из яйца и не другим каким-либо способом, но из земли получают своё происхождение» (Василий Великий, 2010).
В большинстве описаний спонтанного зарождения речь идет о животных, но Альберт Великий описывает также самопроизвольное зарождение различных грибов, кустарников и даже деревьев.
В XVI и XVII вв. в изучении природы произошёл резкий перелом – от философских рассуждений и непосредственного наблюдения к обдуманным систематическим исследованиям в лаборатории. Такое развитие экспериментального подхода на первых порах ничуть не поколебало представлений о спонтанном зарождении живого. Более того, помимо сообщений о случаях спонтанного зарождения, наблюдавшихся в природе, «научная» литература обогатилась прописями, иногда весьма детальными, искусственного получения различного рода живых организмов. Так, голландский учёный Ян ван Гельмонт (1579—1644) демонстрировал простой и надёжный способ получения мышей. Для этого он набивал кувшин потным бельём, добавлял туда немного пшеницы и приблизительно через три недели получал живых мышей.
Другой натуралист — Гриндель фон Ах – стал очевидцем удивительного явления самозарождения лягушки: «Хочу описать появление на свет лягушки, которое мне удалось наблюдать при помощи микроскопа. Однажды я взял каплю майской росы и, тщательно наблюдая за ней под микроскопом, заметил, что у меня сформировывается какое-то существо. Прилежно наблюдая на второй день, я заметил, что появилось уже туловище, но голова ещё казалась не ясно сформированной; продолжая свои наблюдения на третий день, я убедился, что наблюдаемое мною существо есть не что иное, как лягушка с головой и ногами. Прилагаемый рисунок всё поясняет».
Ряд сочинений XVI и XVII веков подробно описывает превращение воды, камней и других неодушевлённых предметов в пресмыкающихся, птиц и зверей.
По мнению учёных того времени, зарождение жизни происходило под действием «активного начала», или «жизненной силы» (лат. «vis vitalis»), присутствующей в воздухе, солнечном свете, речном иле и т. д. Ван Гельмонт, поясняя свои опыты по получению мышей, говорил, что активное начало содержится в человеческом поте, который проходит через пшеничную шелуху и превращает зёрна в животных1.
Против теории самозарождения в XVII в. выступил итальянский биолог и врач Франческо Реди (1626—1697). В 1688 году он доказал, что «черви» (личинки мух) не могут зарождаться в мясе, как считали ранее. «В середине июля, – писал Реди, – я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них змею, в другой – немного рыбы, в третий – угрей, в четвертый – кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поместил то же самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми… Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах зачервивели; можно было видеть, как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много дней, после того как в них была положена мёртвая рыба».
Опыты Реди серьёзно поколебали господствовавшую идею самозарождения, однако к полному отказу от неё не привели. После открытия в 1676 г. А. ван Левенгуком микроорганизмов именно они стали основным объектом спора о зарождении жизни, поскольку логичным представлялось, что в первую очередь к самозарождению способны наиболее примитивно устроенные живые существа.
Разрешить этот вопрос попытался английский натуралист Джон Нидхем (1713—1781). В стеклянных колбах он готовил различные бульоны, затем кипятил их в течение нескольких минут и плотно закрывал пробками. Вскоре во всех сосудах появлялись микроорганизмы. Это привело его к заключению, что микроорганизмы способны спонтанно возникать из неживого органического вещества.
Опыты Нидхема повторил итальянский естествоиспытатель Ладзаро Спалланцани (1729—1799). Его опыты внешне не отличались от таковых Нидхема, за исключением того, что Спалланцани закрывал сосуд пробкой не после, а до кипячения, а само кипячение длилось не несколько минут, а значительно дольше – от 30 мин. до 1 ч. В таких сосудах после выдерживания в течение нескольких дней не было обнаружено никаких микроорганизмов. Спалланцани сделал вывод, что эксперименты Нидхема были недостоверными. Микроорганизмы в его настои могли попасть из воздуха (поскольку сосуды закрывали пробками после кипячения), либо погибали не все первоначально содержавшиеся клетки из-за недостаточно длительного кипячения. Спалланцани под микроскопом удалось наблюдать деление микроба на две одинаковые дочерние клетки, каждая из которых также делилась надвое. Всё сказанное позволило итальянскому учёному утверждать, что микроорганизмы возникают не в результате самозарождения, а происходят от себе подобных. Выводы Спалланцани, однако, не поколебали веры Нидхема и его сторонников в самозарождение. Нидхем объяснил отрицательные результаты, полученные Спалланцани, тем, что тот подвергал свои настои слишком жесткой обработке, в результате которой разрушалась их «жизненная сила» (Кеньон, 1972).
1.2 Крах теории быстрого самозарождения
Принимая во внимание огромный интерес к проблеме самозарождения, Французская академия наук в 1859 г. назначила специальную премию за её решение. В 1862 г. эту премию получил французский учёный Луи Пастер (1822—1895). Серией четко поставленных опытов он доказал, что микроорганизмы не возникают самопроизвольно. Особенно изящными были его опыты, проведённые в колбах с S-образными горлами. В такие колбы наливали подсахаренную дрожжевую воду. Если колбы прокипятить, а затем осторожно охладить, то они остаются стерильными неопределённо долгое время, несмотря на то, что не закрыты пробками. Если же удалить S-образный участок горла, то спустя несколько дней в такой колбе будет наблюдаться бурное развитие микроорганизмов. Через S-образное горло воздух может легко поступать в колбу, но содержащиеся в воздухе микроорганизмы задерживаются в изгибах горла, оседая на его стенках. После удаления S-образной части горла микроорганизмы прямо попадают в колбу и начинают быстро развиваться. Этим простым опытом Пастер опроверг возражение о разрушении при нагревании таинственной «жизненной силы», содержащейся в питательной среде и в обычном (непрогретом) воздухе. Он доказал, что «самозарождение» в большинстве опытов происходит в результате попадания в стерилизованные питательные среды микроорганизмов из воздуха. В присущем ему пышном стиле Пастер провозгласил: «Доктрина о самозарождении жизни никогда не оправится от смертельного удара, нанесённого этим простым экспериментом!».
Опыты Пастера произвели огромное впечатление на научную общественность того времени. Стало ясно, что живые организмы, какими бы простыми они ни были, не могут возникнуть путём самозарождения. Для многих это открытие стало своего рода доказательством существования Высшего разума. Однако поиски источника жизни на этом не прекратились2.
В 1865 г. немецкий учёный Герман Рихтер предпринял попытку возродить идею космического посева, высказанную ещё в V в. до н. э. греческим философом Анаксагором. Согласно этой гипотезе, жизнь существует вечно и рассеяна в космическом пространстве в виде спор. Попадая на планеты, пригодные для жизни, они начинают прорастать и развиваться. На нашу планету семена жизни могли попасть с частичками пыли или метеоритами. Теория Рихтера получила название панспермии (греч. «pan» – всюду, «sperma» – семя) и, несмотря на то, что по сути не отвечала на вопрос первоначального происхождения жизни, сразу же завоевала большую популярность, особенно в атеистической среде.
1.3 Теория постепенного самозарождения (абиогенеза)
Примерно в это же время английский естествоиспытатель Томас Гексли (1825—1895) выдвинул другую теорию появления жизни на Земле. По Гексли, существование жизни зависит от определённых молекул, таких как молекулы углекислоты, воды и соединений азота. Эти вещества, являющиеся строительными блоками жизни, сами по себе мертвы, однако, если их собрать воедино, они дают начало протоплазме. Такое событие могло произойти в далёком прошлом, «когда Земля находилась в таких физических и химических условиях, которые нельзя увидеть снова». Теория Гексли получила название абиогенеза (греч. «a» – отрицательная приставка, «bios» – жизнь, «genesis» – происхождение).
Первоначально этой теории придерживались лишь немногие учёные3. Однако на неё обратил внимание Ч. Дарвин. В 1871 г. он писал: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если даже представить себе (а это весьма большое „если“! ), что в каком-нибудь небольшом тёплом водоёме, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества образовался бы химическим путём белок, готовый претерпеть ещё более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».
В 1924 г. к теории абиогенеза обратился советский учёный Александр Опарин (1894—1980), который в своей небольшой брошюре под названием «Происхождение жизни» высказал предположение, что необходимые для жизни органические вещества могли синтезироваться в первичной атмосфере Земли из составляющих её газов под действием электрических разрядов, тепловых и ультрафиолетовых лучей и накопиться в первичном океане, превратив его в «органический бульон». В дальнейшем из этих веществ могли образоваться основные компоненты живых клеток – биополимеры (белки и нуклеиновые кислоты) и, в конечном итоге, – примитивные живые организмы. Работа Опарина по абиогенному происхождению жизни по сути мало чем отличалась от таковой Т. Гексли и не привлекла особого внимания. Весьма слабый отклик получила и аналогичная работа английского биохимика и генетика Джона Холдейна (1892—1964), опубликованная в журнале Rationalist Annual в 1929 году (Майр, 1981).
Настоящий успех гипотезы Опарина (или Опарина—Холдейна, как её ещё называют) пришёл в 1953 г., когда американские биохимики Стенли Миллер (1930—2007) и Гарольд Юри (1893—1981) сообщили о том, что в лабораторных условиях при моделировании процессов, происходивших на древней Земле, им удалось получить ряд биологически важных соединений. Суть их опыта заключалась в следующем: в реакционной колбе через смесь, содержащую метан, аммиак, молекулярный водород и пары воды (полагали, что именно таким был газовый состав первичной атмосферы), в течение недели пропускали искровые разряды напряжением 60000 В. Содержащуюся в другой колбе воду поддерживали в состоянии кипения. Пары воды проходили через реакционную колбу и конденсировались в холодильнике. В процессе циркуляции они захватывали из реакционной колбы продукты реакции и переносили их к колбе с кипящей водой. В результате эксперимента образовалась тёмная жидкость, в которой были обнаружены некоторые низкомолекулярные компоненты живого вещества: органические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная) и аминокислоты (глицин, α-аланин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты).
Новость о синтезе «молекул жизни» моментально разнеслась по всему миру и стала настоящей сенсацией. Вслед за биохимиками Чикагского университета опыты по абиогенному синтезу органических веществ начали проводить во многих лабораториях мира. Искровые разряды заменяли ультрафиолетом, ионизирующей радиацией; в смесь газов добавляли сероводород, формальдегид, метан заменяли этаном или углекислым газом, добавляли различные катализаторы и т. д. В результате были получены многие аминокислоты, жирные кислоты, сахара и азотистые основания, в том числе и характерные для живой природы. Теория абиогенеза приобрела небывалую популярность. В 1957 г. в Москве состоялся первый Международный симпозиум по вопросам происхождения жизни.
К тому времени Опарин значительно расширил свою гипотезу. Он показал, что биополимеры, которые должны были образоваться из низкомолекулярных соединений, в водном растворе при определённых условиях способны концентрироваться и образовывать коллоидные капли — коацерваты (лат. «coacervus» – сгусток). Экспериментально доказано, что капельки коацерватов могут поглощать из окружающей среды различные вещества, увеличиваться в размерах и делиться на несколько дочерних (при встряхивании или самостоятельно). При введении внутрь коацерватов ферментов происходил синтез ряда соединений (например, крахмала), как в химической пробирке. Такие процессы могли происходить и в первичном океане. По мнению Опарина, со временем появлялись коацерваты, внутри которых проходили более сложные реакции, придававшие им устойчивость (срок жизни коацерватов, полученных Опариным, длился от нескольких минут до нескольких часов, в редких случаях до нескольких суток). Коацерваты окружали себя липидным слоем, игравшим роль биологической мембраны. На каком-то этапе появились нуклеиновые кислоты, способные к самоудвоению. Нуклеиновые кислоты стали играть роль матриц для образования белков и передавать информацию другим коацерватам при делении. Благодаря этому возникло главное свойство, характерное для живого, – способность к воспроизведению подобных себе молекул.
Так в общих чертах выглядит модель происхождения жизни Опарина, получившая название коацерватной. С её появлением теория абиогенеза приобрела приемлемый вид и в конечном итоге широкое признание. Её включили в образовательную программу как единственную, научно обоснованную, теорию происхождения жизни. Это был своего рода триумф научной мысли: загадка происхождения жизни, так долго мучавшая учёных многих поколений, казалось, была разгадана…