Одной из самых серьезных групп фактов, которые свидетельствуют в пользу теории разумного замысла (в любом из его вариантов), и одновременно серьёзно обесценивают дарвинизм, является знаменитая проблема происхождения жизни. Положение в этой области настолько печально, насколько это вообще возможно. А именно, результат 70-летней эпопеи с попытками «самозародить» жизнь в «грязной луже» – строго нулевой. Причём результат нулевой не только в целом (собственно, жизнь так никто и не «самозародил»), но даже попытки демонстрации хотя бы одного конкретного этапа самозарождения жизни тоже получились отрицательными во всех случаях. В принципе, можно, конечно, написать подробный обзор, с перечислением всех причин, почему естественное возникновение жизни невозможно, но мы ограничимся небольшим списком таких фактов.
Итак, гипотеза «мира РНК». Сегодня это самый популярный сценарий первоначального этапа зарождения жизни. Суть этой гипотезы заключается в следующем: вначале не существовало ни ДНК, ни белков, а были лишь короткие цепи РНК. Некоторые из них приобрели способность катализировать реакцию собственного воспроизведения. Из-за ошибок репликации возникали новые РНК, катализирующие другие реакции. Молекулы РНК окружили себя липидной мембраной и сформировали свой маленький мир – мир «рибоорганизмов», с которого и началась жизнь. Давайте посмотрим насколько реалистичен этот сценарий.
Образование азотистых оснований и сахаров
Для образования РНК нужны прежде всего азотистые основания: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и урацил), а также сахар – рибоза.
Первая проблема, с которой мы сталкиваемся – это проблема получения этих соединений в естественных условиях. Например, аденин можно получить из цианистого водорода (HCN) – побочного продукта опытов Миллера и Юри – при облучении электронами, полученными от линейного ускорителя, газовой смеси, состоящей из метана, аммиака и воды. Однако при чрезвычайно высоких концентрациях HCN (порядка 0,01 М) выход аденина составляет, по некоторым оценкам, всего 0,04%, причём ни в одной реакции не удалось получить чистый аденин, лишь его производные [Поннамперума 1977, Ferris 1978, Shapiro 1995].
Другое основание – цитозин – при искровом разряде не образуется, а образуются только его предшественники: цианоацетилен и цианоацетальдегид. Однако если в растворе присутствуют, к примеру, аминокислоты, то они охотнее будут реагировать с ними, чем образовывать цитозин. Следовательно, прежде чем начнут накапливаться предшественники нуклеиновых кислот, исчезнут предшественники белков и другие важные соединения. (Кроме этого, цианоацетилен с большим «удовольствием» прореагирует с аммиаком и циановодородом, которые в больших количествах присутствуют в колбах Миллера-Юри). Под действием УФ-излучения цитозин быстро разрушается с образованием фотогидратов и фотодимеров циклобутана [Shapiro 1999].
Выделить из конечных продуктов экспериментов, моделирующих первичную атмосферу, другие пурины, кроме аденина, не удалось. Не увенчались успехом и попытки обнаружения пиримидинов [Поннамперума 1977, Orgel 2004, Spirin, 2007].
Что касается сахаров, то в опытах, аналогичных таковым Миллера и Юри, не удалось обнаружить даже намёков на их образование [Поннамперума 1977]. Однако был найден формальдегид, потому в качестве возможного способа получения сахаров, в частности рибозы, была предложена реакция конденсации формальдегида. Эта знаменитая реакция Бутлерова (синтез сахаров в слабощелочных водных растворах в присутствии ионов металлов) очень сложная1 и практически непредсказуемая. Каждый раз получаются самые разные сахара. На практике при непомерно высокой концентрации формальдегида – 0,15 М и выше – выход рибозы составляет менее 1% [Shapiro 1988]. Причём немедленно начинаются побочные реакции с другими сахарами. Из них образуется либо карамель, либо метиловый спирт и мочевина [Мухин 2009].
Устойчивость азотистых оснований и сахаров
Следующая проблема – крайняя неустойчивость всех этих соединений. В горячей воде рибоза (и другие сахара) распадаются всего за несколько минут. В тёплой воде они исчезнут в период от нескольких дней до нескольких месяцев (в зависимости от температуры воды)2.
Азотистые основания тоже недостаточно устойчивы, чтобы участвовать в образовании нуклеотидов естественным способом. Особенно неустойчив в этом отношении цитозин. В горячей или теплой воде он будет распадаться за считанные дни, месяцы, или годы (в зависимости от условий). Это делает накопление цитозина в воображаемых «первичных океанах» древней Земли принципиально невозможным3.
Таким образом, даже первичный материал для образования всех необходимых нуклеотидов просто неоткуда было взять4.
Образование нуклеотидов
Следующий этап и, соответственно, проблема – синтез нуклеотидов, т. е. соединений рибозы, азотистых оснований и фосфора.
Нуклеотиды слишком сложные вещества, чтобы самостоятельно образовываться в неживой природе. Реалистичные условия, в которых могли бы одновременно появляться все нужные нуклеотиды, не найдены до сих пор (несмотря на постоянный научный поиск в этом направлении). То есть до сих пор не найдено такой среды, в которой образовывались бы и пуриновые, и пиримидиновые нуклеотиды, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот.
В 2009 г. в журнале Nature химик Джон Сазерленд (John Sutherland) и его коллеги из Манчестерского университета (Великобритания) сообщили, что нашли способ, позволяющий синтезировать рибонуклеотиды, причём пиримидиновые. До этого из пиримидиновых оснований не удавалось получить даже нуклеозидов (соединений рибозы и азотистых оснований), а в этих опытах получены сразу нуклеотиды. Весь секрет заключался в том, что учёные соединили не готовые «блоки» – рибозу и пиримидиновое основание, а использовали более простые органические молекулы (цианоацетилен, цианамид, гликольальдегид и глицеральдегид), соединив их вместе в присутствии неорганического фосфата. В итоге им удалось синтезировать цитидинфосфат, а из него и уридинфосфат (рисунок 1) [Powner 2009].
Рисунок 1. Пути предбиологического синтеза рибонуклеотидов. Синими стрелками показан классический путь (до сих пор не осуществлён в искусственных условиях), зелёными – способ, предложенный Дж. Сазерлендом. Рисунок из статьи [Powner 2009]
Эта публикация вызвала довольно большой отклик среди сторонников идеи самозарождения жизни. Открытию даже предрекали Нобелевскую премию. Однако ликование вскоре утихло. Целый ряд специалистов раскритиковал эту работу: новый путь синтеза нельзя назвать геохимически возможным.
Во-первых, чтобы продемонстрировать этот этап абиогенеза полностью (этап синтеза нуклеотидов), нужно найти среду, в которой одновременно образуются сразу все необходимые нуклеотиды (входящие в состав хотя бы РНК). Например, без пуриновых нуклеотидов, польза от одних только пиримидиновых нуклеотидов – строго нулевая. И наоборот. То есть, даже если какие-то отдельные нуклеотиды (например, пиримидиновые) имеются в наличии – это всё равно бессмысленно без других нуклеотидов (в рамках вопроса о возможности происхождения жизни). Поэтому необходимо подобрать такие условия, в которых будут синтезироваться не только пиримидиновые, но ещё и пуриновые рибонуклеотиды. Причём с достаточной скоростью и достаточным выходом продукта. Кроме того, необходимо, чтобы эти условия были реалистичными (могли существовать на ранней Земле в принципе). Такие химические условия до сих пор не найдены. И уже понятно, что и не будут найдены. Потому что нуклеотиды, необходимые для синтеза РНК, во-первых, слишком сложны, чтобы самостоятельно образовываться в неживой природе, а во-вторых, синтез разных нуклеотидов требует разных условий.
Во-вторых, пиримидиновые нуклеотиды недостаточно устойчивы и довольно быстро разрушаются. Особенно низкой устойчивостью обладают производные цитозина (его нуклеозид и нуклеотид), впрочем как и сам цитозин. Разрушающим фактором здесь может служить, например, просто тёплая вода, подщелачивание водного раствора, и даже тот самый ультрафиолет (примерно с такой же длиной волны), который был предложен авторами обсуждаемой работы для синтеза второго (необходимого) пиримидинового нуклеотида – уридинфосфата (из цитидинфосфата). Таким образом, в соответствии с замыслом авторов, пиримидиновые нуклеотиды должны находиться под воздействием ультрафиолетового излучения [Powner 2009]. Но если держать их под ультрафиолетом, то вскоре от этих нуклеотидов ничего не останется. Сначала разрушится всё, что содержит цитозин, а потом за ним последует и уридин.
Неудивительно, что сам Сазерленд по поводу полученных им самим результатов пишет следующее: «Данный путь, каким он был осуществлен в лаборатории, состоял из нескольких стадий, и условия на этих стадиях были различными. Кроме того, между определёнными стадиями выполнялась предварительная очистка, чтобы упростить анализ химического механизма. Очевидно, что эти вопросы должны быть решены до того как можно будет считать данный синтез геохимически возможным» [Sutherland 2010]. То есть, сам Сазерленд избегает считать предложенный путь синтеза (двух из четырёх) необходимых нуклеотидов геохимически возможным.
Но почему Сазерленд так осторожен в своих оценках5? Потому что опыт, в котором был бы реально показан геохимически возможный путь синтеза хотя бы одного из нуклеотидов, должен выглядеть примерно так. Например, у нас есть вода с конкретной температурой и конкретный pH (или с реалистичными колебаниями этих параметров), с конкретным набором растворенных веществ (неорганических или простейших органических). И ещё с какими-нибудь дополнительными (конкретными) условиями среды... Или, например, атмосфера с таким-то (конкретным) составом газов, с такой-то температурой, и еще с такими-то реалистичными условиями (например, под постоянным воздействием ультрафиолета). А далее мы наблюдаем, что в этой среде в итоге получаются нуклеотиды. Такого эксперимента ещё не было продемонстрировано ни для одного из существующих нуклеотидов6.
Например, цианоацетилен, одно из основных веществ, использованное для получения пиримидиновых нуклеотидов в обсуждаемой работе [Powner 2009], на самом деле, вряд ли мог достигать сколько-нибудь значительных концентраций в условиях древней Земли. Потому что, например, аммиак и сероводород препятствуют образованию цианоацетилена. При добавлении аммиака и сероводорода в состав газовой смеси, цианоацетилен с готовностью реагирует как с исходными веществами, так и с побочными продуктами, образующимися в экспериментах газового разряда. Например, цианоацетилен реагирует с аммиаком, аминами, тиолами, циановодородом и др. [Shapiro 1999]. Следует ли напоминать, что аммиак использовался в составе исходной газовой смеси в знаменитом эксперименте Миллера-Юри, призванном показать синтез первичной органики из неорганики. Кроме того, в этом же эксперименте был использован ещё и метан в очень больших количествах (для синтеза цианоацетилена метан тоже необходим). Однако атмосфера с высоким содержанием метана является крайне сомнительной в земных условиях7 [Shapiro 1999].
В общем, подбор таких естественных условий, в которых бы реально осуществлялась непрерывная цепочка всех химических реакций от неорганических веществ до нуклеотидов – представляет собой весьма непростую задачу. Эта задача не решена до сих пор ни для одного из необходимых нуклеотидов. А потому, как пишет академик РАН А. С. Спирин, «заключение, которое можно сделать из всех имеющихся данных, не утешительно: несмотря на все ухищрения и моделирование различных условий первобытной Земли, к настоящему времени не удаётся воспроизвести полный абиогенный синтез ни одного из нуклеотидов, являющихся компонентами (мономерами) РНК» [Spirin 2007].
В нашумевшей работе по получению пиримидиновых нуклеотидов [Powner 2009], исследователи разумеется не смогли обойтись без того, чтобы в ходе синтеза не менять условия среды, и не очищать промежуточные продукты. Причём промежуточная очистка часто сопровождается ещё и искусственным повышением концентрации необходимого вещества (до приемлемого уровня).
Именно поэтому в обзоре (посвященном этой проблеме) открытие Сазерленда оценивается следующим образом [Schwartz 2013]: «Полученные результаты, хотя и представляющие впечатляющее химическое "чудо мастерства", сделали мало для решения проблемы пребиотического синтеза нуклеотидов, так как возникает масса новых затруднений, которые должны быть приняты во внимание для оценки правдоподобности данного химического пути в пребиотических условиях. Каждый из необходимых реактантов является реактивным химическим соединением, которое, в отсутствие избирательных условий, вступит в реакцию и образует набор нежелательных продуктов. Хотя цепь представленных Сазерлендом реакций и минует беспокоящую проблему синтеза рибозы, она в свою очередь поднимает другие вопросы. Как указал [сам] Сазерленд (2010) "встраивание нового химического пути синтеза в правдоподобный геохимический сценарий остаётся трудной задачей"» [Schwartz 2013].
И уж тем более трудно добиться, чтобы в таких естественных условиях, где непрерывно бы синтезировались все необходимые химические соединения (от исходных неорганических веществ до нуклеотидов)… при этом шло бы ещё и естественное образование РНК из этих нуклеотидов! Да ещё и осуществлялось бы успешное копирование этих молекул РНК. Так, чтобы все эти вещества не мешали друг другу. Понятно, что такая фантастика ещё не была показана никем, и никогда не будет показана. Потому что химических чудес на свете не бывает (во всяком случае, без вмешательства разумного замысла).
Сноски:
1 Для того чтобы в знаменитой реакции Бутлерова образовался какой-нибудь сахар, необходимо наличие формальдегида в слабощелочном растворе в присутствии ионов металлов. В свою очередь, формальдегид сегодня получают промышленным способом за счёт окисления метанола. В свою очередь, метанол получают из угарного газа и водорода на медь-цинковом оксидном катализаторе при температуре 250°С и давлении 70 атмосфер. Естественно, возникает вопрос – как же повлияют только что озвученные условия, необходимые для синтеза исходного метанола, на конечный продукт того, что мы хотим получить, то есть, на сахар? Разумеется, они попросту его разрушат.
2 Период полураспада рибозы в воде при 100°С и рH 7 составляет 73 минуты; при 25°С – 300 дней; при 0°С – 44 года. В кислой и щелочной среде рибоза ещё менее устойчива. Другие альдопентозы и альдогексозы имеют периоды полураспада на порядок меньше этих значений, как и 2-дезоксирибоза, рибозо-5-фосфат и рибозо-2,4-бисфосфат. В связи с этим авторы работы [Larralde 1995] делают вывод, что основа первого генетического материала не могла содержать рибозу или другие сахара из-за их нестабильности.
3 При 100°С период полураспада аденина и гуанина составляет 1 год, урацила – 12 лет, цитозина – 19 дней [Larralde 1995, Shapiro 1995, Shapiro 1999, Levy 1998]. При понижении температуры устойчивость возрастает, однако остаётся низкой для предбиотического использования. Авторы работы [Levy 1998] приходят к выводу, что нестабильность азотистых оснований является очень серьёзной проблемой для гипотезы естественного происхождения жизни.
4 Особенно эта проблема актуальна при высоких температурах окружающей среды, что сводит на нет все гипотезы происхождения жизни в геотермальных источниках. А также другие гипотезы, в которых предполагаются высокие температуры среды. С другой стороны, и при низких температурах скорость распада сахаров и цитозина всё ещё остаётся слишком большой. В то время как низкая температура замедляет вообще любые химические реакции (как реакции распада, так и реакции синтеза).
5 Правда, после этого признания Сазерленд далее начинает теоретически рассуждать, каким образом эта проблема могла бы (теоретически) преодолеваться в условиях древней Земли [Sutherland 2010].
6 Как видим, даже в нашумевших опытах Сазерленда, на самом деле: 1) на разных стадиях эксперимента одни условия искусственно заменялись другими, 2) при этом промежуточные вещества очищались.
7 Кроме того, опыт Миллера-Юри имеет и другие методические недостатки. В этом опыте небольшой объём изолированной газовой смеси, циркулируя по кругу, в течение недели подвергался непрерывному воздействию электрических разрядов. Видимо, имитируя природную молнию, бьющую в одно и то же место тысячу раз подряд? В результате, и без того очень сомнительная (для земных условий) смесь газов (метан, аммиак, водород и пары воды) быстро превратилась в совсем уже нереалистичную искусственную смесь, с высоким содержанием циановодорода и формальдегида. И уже из этих веществ потом образовалось небольшое количество аминокислот (которые и наделали столько шума среди научной общественности). При этом основной аминокислотой, полученной в эксперименте, оказался глицин. То есть самая простая из всех аминокислот (всего два атома углерода в составе молекулы), а также аланин (три атома углерода). Более сложные вещества образовывались в подобных экспериментах уже в следовых количествах. Но даже если взять именно глицин, то есть, именно ту аминокислоту, которой в эксперименте получилось больше всего, и вылить весь этот «продукт действия тысяч молний»… нет, не в древний океан, а всего лишь в ёмкость, содержащую один кубический метр воды, то в результате разбавления мы получим практически дистиллированную воду.
. Несмотря на то что спойлер назвал личными размышлениями, как вы поняли что информация не моя а контактёрская полученная за последние 10 лет от одних и тех же источников, и человек ничего сам нового придумать не может – он только анализирует и делает то что ранее видел и слышал, увы, не более.