Вероятность зарождения жизни
Ян Масгрэйв
Время от времени, некоторые утверждают, что «случайное формирование фермента почти невозможно, а потому, и абиогенез невозможен». Часто, они приводят впечатляющие вычисления астрофизика Фрэда Хойла (Fred Hoyle) или выставляют на показ что-то под названием «Закон Бореля» (Borel), чтобы доказать что жизнь статистически невозможна. Эти люди, включая Фрэда, совершили одну или несколько следующих ошибок.
Проблемы с креационистскими «это так невероятно» вычислениями:
Я попытаюсь провести вас через эти разнообразные ошибки и покажу, почему не возможно произвести какое бы то ни было вразумительное вычисление «вероятности абиогенеза».
Доисторическая протоплазматическая капля
Во первых, формирование биологических полимеров из мономеров это функция законов химии и биохимии и эти законы решительно не случайны.
Во вторых, изначальная предпосылка неправильна, потому что в современной теории абиогенеза первые «живущие объекты» были бы гораздо проще, даже не протобактерия или препротобактерия (то, что Опарин называл протобионтом [8] и Уос (Woese) называл протогеномом [4]), а одна или несколько простых молекул длинной, скорее всего, не больше чем 30-40 субединиц. Эти простые молекулы медленно развились сначала в более организованные самовоспроизводящиеся системы, а затем в простые организмы [2, 5, 10, 15, 28]. Иллюстрация, сравнивающая гипотетический протобионт с современной бактерией приведена ниже.
Первым «живущим объектом» могла бы быть одиночная самовоспроизводящаяся молекула подобная «самовоспроизводящемуся» пептиду из группы Гадири (Ghadiri) [7, 17], или самовоспроизводящемуся гексануклеотиду [10], или полимераза РНК, которая действует сама на себя [12].
Ещё одна точка зрения это, что первыми самовоспроизводителями были группы катализаторов, либо белковые ферменты, либо рибозимы РНК, которые регенерировали себя как каталитический цикл [3, 5, 15, 26, 28]. Примером может служить Sun Y самовоспроизводитель из трех субединиц [24]. Эти каталитические циклы могут быть ограничены в маленьком пруду или лагуне, или быть каталитическим комплексом, впитанным либо глиной, либо липидными веществами на глине. Принимая во внимание, что существует много каталитических последовательностей в группе случайных пептидов или поленуклеотидов (см. ниже), вероятно, что мог образоваться небольшой каталитический комплекс.
Эти две модели не взаимоисключающие. Пептид Гадири может мутировать и образовать каталитический цикл [9].
Не зависимо от того были ли первые самовоспроизводители одиночными молекулами или комлексами маленьких молекул, это модель не имеет ничего общего с Хойловским «тайфуном на свалке производящим Боинг 747». Чтобы ещё раз подчеркнуть мою мысль я приведу здесь простое сравнение теории, которую критикуют криационисты, и теории абиогенеза.
Обратите внимание, что настоящая теория абиогенеза состоит из несколько маленьких шагов. На самом деле я опустил некоторые шаги (особенно между гиперциклом и протобионтом) для простоты. Каждый шаг связан с ростом организации и сложности, и химические компоненты двигаются под «крышу организма» постепенно, а не делают это одним большим скачком.
Откуда креационисты взяли идею, что современные организмы сформировались спонтанно, не очень понятно. Первая современная формулировка абиогенеза, гипотеза Опарина/Халдина сделанная в 20-х, начинается с простых белков/белкоидов медленно развивающихся в клетки. Даже идеи циркулирующее в 1850-х не были теориями «спонтанности». Самое близкое, что я могу найти это оригинальные идеи Ламарка в 1803! [8]
Принимая во внимание, что креационисты критикуют теорию, которая устарела на 150 лет и которой не придерживается ни один современный эволюционный биолог, зачем же нам продолжать? Потому, что в их ошибочных «опровержениях» проявляются некоторые фундаментальные проблемы со статистикой и биохимией.
Миф о «последовательности жизни»
Ещё одно утверждение, которое можно часто услышать, это что существует «последовательность жизни» из 400 белков и аминокислотные последовательности этих белков не могут быть изменены, если мы хотим, чтобы организмы оставались в живых.
Однако, это ерунда. Похоже, что история с 400-ми белками произошла от гена кодирования белков бактерии Mycobacterium genetalium, которая обладает самым маленьким генетическим набором среди всех известных сегодня организмов [20]. Тем не менее, при ближайшем рассмотрении оказывается, что этот генетический набор может быть уменьшен до 256 белков [20]. Снова обратите внимание, что это современный организм. Первый протобионт/протогеном был бы еще меньше [4], с предшественниками, которые представляли собой еще более простые химические системы [3, 10, 11, 15].
Подбрасывание монетки для начинающих и макромолекулярная сборка
Всё же давайте поиграем в игру креационистов и посмотрим на формирование пептида путём случайного добавления аминокислот. Конечно, пептиды совершенно не так возникли на ранней Земле, но это будет поучительным упражнением.
Для примера, я буду использовать, упомянутый ранее, самовоспроизводящийся пептид из группы Гадири [7]. Я мог бы выбрать другие примеры: самовоспроизводящийся гексонуклеотид (hexanucleotide) [10], самовоспроизводитель Sun Y [24] или полимераза РНК, описанная группой Экланда (Eckland) [12], но для исторической последовательности с креационными утверждениями маленький пептид идеален. Этот пептид длинной в 32 аминокислоты с последовательностью RMKQLEEKVYELLSKVACLEYEVARLKKVGE, также является ферментом, пептидовой лигазой (ligase), который копирует самого себя из двух субединиц длиной в 16 аминокислот. Он также по размеру и составу идеально подходит для возникновения путём абиотичного пептидового синтеза. Тот факт, что он является самовоспроизводителем, придаёт этому примеру дополнительную ироничность.
Однако, существует другая сторона оценки вероятностей, и она сводится к тому, что многие из нас не совсем понимают статистику. Когда нам говорят, что вероятность происхождения события только один шанс из миллиона, многие из нас думают, что нам придется предпринять миллион попыток, прежде чем упомянутое событие произойдёт, но это не верно.
Следующий эксперимент вы можете проделать сами: возьмите монетку, подбросьте её четыре раза, запишите результаты и повторите всё сначала. Сколько раз, вы думаете, вам придется повторить эту процедуру до тех пор, пока у вас не выпадет 4 решки подряд?
1 шанс из 4,29*10 40 это все равно ужасно, умопомрачительно маловероятно, такое число тяжело «переварить». Даже при выше приведенном аргументе (может выпасть на первой попытке), многие скажут: «конечно, это все равно, займет больше времени, чем возраст Земли, чтобы создать этот воспроизводитель случайными методами». Не совсем. В предыдущих примерах мы рассматривали последовательные попытки, как будто только один белок/ДНК/прото-воспроизводитель собирался за каждую попытку. На самом же деле, миллиарды одновременных попыток происходили бы над миллиардами составляющих молекул взаимодействующих в океане, или на тысячах километров береговой линии, которая предоставляла каталитические поверхности или шаблоны [2, 15].
Давайте вернемся к нашему примеру с монетками. Предположим, что подбрасывание четырех монет у нас займет одну минуту, а чтобы выбросить РРРР в среднем займет 8 минут. Теперь приведите 16 друзей, каждый со своей монетой, чтобы подбрасывать монетку одновременно 4 раза. Среднее время, чтобы выбросить РРРР теперь стало равно одной минуте. Теперь попробуйте выбросить 6 решек подряд, вероятность этого (1/2) 6 или 1 из 64. В среднем у вас это займет полчаса, но пойдите и наймите 64 человека и вы сможете достигнуть желаемого результата за одну минуту. Если вам захочется выбросить последовательность с шансами одного к миллиарду, то наймите население Китая, чтобы подкидывать для вас монетки, и вы выбросите вашу комбинацию в считанные минуты.
Следовательно, если на нашей предбиологической Земле одновременно росли миллиарды пептидов, то время необходимое для создания воспроизводителя существенно уменьшается.
Да. Один килограмм аминокислоты аргинина содержит 2,85*10 24 молекул (это гораздо больше чем миллиард миллиардов). Тонна аргинина содержит 2,85*10 27 молекул. Если вы возьмете грузовик, загруженный аминокислотами и вытряхнете его груз в озеро среднего размера, то у вас будет достаточно молекул, чтобы создать наш воспроизводитель за несколько десятков лет, учитывая, что белки длиной в 55 аминокислот создаются за одну, две недели [14, 16].
Допустим, что последовательность может быть сгенерированна за неделю [14, 16]. Тогда лигаза Гадири может тоже быть сгенерирована за неделю и любая последовательность цитохрома С (cytochrome C) за срок чуть более одного миллиона лет.
Хотя, я использовал лигазу Гадири для примера, как я уже упоминал, я мог произвести такие же вычисления для самовоспроизводителя Sun Y или для полимераза РНК Экленда. Я оставлю эти упражнения читателю, но главное заключение (они могут появляться довольно быстро) будет таким же для этих олигонуклеотидов (oligonucleotides).
Поисковые пространства или сколько иголок в стоге сена
Таким образом, я продемонстрировал, что создание отдельно взятого небольшого фермента это не так уж умопомрачительно сложно, как креационисты (и Фрэд Хоил) нас пытаются убедить. Некоторое непонимание происходит потому, что людям кажется, что множество ферментов/рибозимов, не говоря уже о рибозимных полимеразах РНК или любой форме самовоспроизводителей, представляют собой очень маловероятные конфигурации и что шансы формирования даже одного фермента/рибозима, не говоря уже о нескольких, из случайных аминокислот/нуклеотидов очень малы.
Точно также, из 1*10 130 возможных 100-компонентных белков, 3,8*10 61 представляют собой цитохром С (cytochrome C)! [29] Существует множество функциональных ферментов в пептидноом/нуклеотидном поисковом пространстве, поэтому кажется возможным, что рабочие сборки ферментов вполне могли «приготовиться» в предбиологическом супе ранней Земли.
Таким образом, даже при более реалистичных (хотя и умопомрачительных) цифрах, случайная сборка аминокислот в «жизненные» системы (берете ли вы белковые ферменты, основанные на гиперцикле [10], системы из мира РНК [18], или сосуществующие рибозимно-белковые ферменты РНК [11, 25]) выглядит совершенно реальной, даже с пессимистичными цифрами концентрации исходного мономера [23] и времени синтеза.
Заключения
Даже сама предпосылка креациониских вычислений вероятности неправильна, так как они целятся в неправильную теорию. Более того, этот аргумент часто утопает в статистических и биологических ошибках.
На сегодняшний день, так как мы не знаем, какова вероятность жизни, практически невозможно приписать какие бы то ни было осмысленные вероятности шагам возникновения жизни, за исключением первых двух (мономеры в полимеры р=1.0, формирование каталитических полимеров р=1.0). Вероятность перехода из воспроизводящихся полимеров в гиперцикл вполне может быть равна 1.0, при условии правоты Кауфмана (Kauffman) о каталитическом закрытие и моделях фазовых переходов. Но для подтверждения этого нужна настоящая химия и более подробное моделирование. Для перехода из гиперцикла в протобионт вероятность зависит от теоретических концепций, которые все еще находятся в стадии разработки и пока неизвестны.
И наконец, возможность возникновения жизни зависит от химии и биохимии, которые мы все еще постигаем, а не от подбрасывания монеток.
Терминология
Абиогенез – возникновение живого из неживого, т. е. исходная гипотеза современной теории происхождения жизни.
Ацил трансфераза (Acyl transferase) – Фермент или рибозим, который синтезирует пептиды.
Лигаза (Ligase) – Фермент или рибозим, который добавляет мономер к полимеру или соединяет короткие полимеры.
Мономер – Любая субединица полимера. Аминокислота это мономер пептида или белка, нуклеотид это мономер олигонуклеотида или полинуклеотида.
Нуклеотид – Аденин, Гуанин, Цитозин и Урацил. Это мономеры из которых состоят олиго- или полинуклеотиды такие как РНК.
Олигонуклеотид – Короткий полимер, состоящий из нуклеотидных субединиц.
Полимераза – Фермент или рибозим создающий полимер из мономеров. На пример, полимераза РНК производит РНК из отдельных нуклеотидов.
Рибозим – Биологический катализатор, произведенный из РНК.
Самовоспроизводитель – Молекула, которая может создавать идентичные или почти идентичные копии самой себя из меньших подединиц. Нам известны, по крайней мере, четыре самовоспроизводителя.
Литература:
[1] Unrau PJ, and Bartel DP, RNA-catalysed nucleotide synthesis. Nature, 395: 260-3, 1998
[4] Woese C, The universal ancestor. Proc Natl Acad Sci USA, 95: 6854-6859.
[6] Wiegand TW, Janssen RC, and Eaton BE, Selection of RNA amide synthases. Chem Biol, 4: 675-83, 1997
[7] Severin K, Lee DH, Kennan AJ, and Ghadiri MR, A synthetic peptide ligase. Nature, 389: 706-9, 1997
[14] Ferris JP, Hill AR Jr, Liu R, and Orgel LE, Synthesis of long prebiotic oligomers on mineral surfaces [see comments]. Nature, 381: 59-61, 1996
[17] Lee DH, Granja JR, Martinez JA, Severin K, and Ghadri MR, A self-replicating peptide. Nature, 382: 525-8, 1996
[22] Breaker RR, and Joyce GF, Emergence of a replicating species from an in vitro RNA evolution reaction. Proc Natl Acad Sci U S A, 91: 6093-7, 1994
[27] Eigen M, Gardiner W, Schuster P, and Winkler-Oswatitsch R, The origin of genetic information. Sci Am, 244: 88-92, 96, et passim, 1981
[28] Eigen M, and Schuster P, The hypercycle. A principle of natural self-organization. Springer-Verlag, isbn 3-540-09293, 1979
[29] Yockey HP, On the information content of cytochrome c. J Theor Biol, 67: 345-76, 1977
Вероятность зарождения жизни
Борис Штерн, Александр Марков, Армен Мулкиджанян, Евгений Кунин, Михаил Никитин
«Троицкий вариант — Наука» №6(275), 26 марта 2019 года
Предисловие Бориса Штерна
Мы давно планировали провести дискуссию, связанную с вечным вопросом о месте человека во Вселенной. Это, конечно, про внеземную жизнь и планеты у других звезд. В настоящий момент известно чуть меньше 6 тыс. экзопланет, из которых две с лишним тысячи ждут независимого подтверждения. Но для статистических исследований можно использовать все 6 тысяч.
Методы наблюдений постепенно прогрессируют. С помощью усовершенствованного инструмента HARPS будут обнаружены новые близкие землеподобные планеты. В следующем десятилетии с помощью таких инструментов, как исполинский Чрезвычайно большой телескоп (ELT) и космический телескоп «Джеймс Вебб», мы узнаем кое-что об атмосферах некоторых планет земного типа. И не исключено, что в спектре поглощения атмосферы какой-то транзитной планеты (проходящей по диску звезды) проявится кислород. Если звезда не чрезмерно активна и достаточно стара, кислород может быть только биогенным. Так может быть обнаружена внеземная жизнь.
Реально ли это? Если жизнь возникает в любом углу как только для нее появляются условия — почему бы и нет? Но так ли это? Часто приводится аргумент, что жизнь на Земле появилась очень быстро, значит, дело обстоит именно так — достаточно немногих сотен миллионов лет, чтобы она появилась в каком-нибудь бульоне. Но есть и контраргумент — подходящий «бульон» может существовать только на молодой планете — жизнь возникает либо быстро, либо никогда.
И, конечно, есть противоположная точка зрения: жизнь — редчайший феномен, основанный на совершенно невероятном совпадении. Наиболее обстоятельная точка зрения на этот счет, профессиональная и с количественными оценками высказана Евгением Куниным. Жизнь основана на копировании длинных молекул, изначально это были молекулы РНК. Копирование производится неким устройством, называемом «репликазой» (эти строки написаны физиком, потому терминология с точки зрения биолога несколько неуклюжая). Репликаза ниоткуда не возьмется, если она не запрограммирована в той же копируемой РНК.
По оценке Кунина, для того, чтобы стартовало самовоспроизведение РНК, а с ним и эволюция, «как минимум, необходимо спонтанное появление следующего.
Никакого противоречия в том, что результат у нас перед глазами, нет: согласно теории инфляции, Вселенная огромна, на десятки порядков больше ее видимой части, и если понимать под вселенной замкнутое пространство, то и вселенных с таким же, как у нас вакуумом, гигантское множество. Самая ничтожная вероятность где-то реализуется, породив удивленного созерцателя.
Эти две крайности много значат с точки зрения нашего места во Вселенной. В любом случае мы одиноки. Но если жизнь существует в десятках световых лет от нас — это технологическое одиночество, преодолеваемое развитием и тысячелетним терпением. Если справедлива оценка Кунина — это фундаментальное одиночество, не преодолеваемое ничем. Тогда мы и земная жизнь — единственный в своем роде феномен в причинно-связанном объеме Вселенной. Единственный и ценнейший. Это важно для будущей стратегии человечества. В первом случае основа стратегии — поиск. Во втором случае — посев (есть даже такой термин «направленная панспермия»), который тоже включает в себя поиск подходящей почвы.
Всё это заслуживает дискуссии. Нет ли лазеек сквозь аргументацию Кунина? Не просматриваются ли какие-либо механизмы в обход «неупрощаемой сложности» репликатора РНК? Правда ли она такая уж неупрощаемая? И т. д.
Мы обратились к нескольким биологам с просьбой высказать свое мнение.
Александр Марков, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН, заведующий кафедрой биологической эволюции биофака МГУ:
Оценка Евгения Кунина, из которой следует, что мы безнадежно одиноки во Вселенной, основана на одном ключевом допущении. Кунин полагал, что для того, чтобы стартовал процесс репликации РНК (а с ним и дарвиновская эволюция; этот момент логично считать собственно моментом зарождения жизни), было необходимо, чтобы чисто случайно — в результате случайного комбинирования полимеризующихся (например, на минеральных матрицах) рибонуклеотидов — появился рибозим с РНК-полимеразной активностью, т. е. длинная молекула РНК, обладающая вполне определенной (а не какой попало) последовательностью нуклеотидов и благодаря этому способная эффективно катализировать репликацию РНК.
Если другого пути, другого «входа» в мир живых из мира неживой материи не существует, то Кунин прав, и нам следует оставить надежду найти во Вселенной какую-либо жизнь, кроме земной. Можно предполагать, что всё начиналось не с одной-единственной высокоэффективной полимеразы, а, например, с некого содружества небольших, малоэффективных полимераз и лигаз (рибозимов, умеющих сшивать короткие молекулы РНК в более длинные): возможно, это сделает оценку чуть-чуть более оптимистичной, но принципиально ситуацию не изменит. Потому что всё равно первый репликатор был весьма сложным, а появиться он должен был без помощи дарвиновской эволюции — по сути случайно.
Однако есть надежда, что все-таки удастся найти некие правдоподобные условия (которые в принципе могли бы существовать на каких-то планетах), когда НР РНК идет достаточно быстро и точно. Может быть, для этого нужен какой-то относительно простой катализатор, способный синтезироваться абиогенным путем. Возможно, в роли таких катализаторов могут выступать простые абиогенные пептиды с несколькими отрицательно заряженными остатками аспарагиновой кислоты, удерживавшие ионы магния: похожие активные центры есть у белковых РНК-полимераз, и такая возможность сейчас прорабатывается.
Вопрос о возможности эффективной НР РНК имеет принципиальное значение для оценки вероятности зарождения жизни. Если НР РНК возможна, то живых планет в обозримой Вселенной может оказаться не так уж мало. Принципиальные различия между двумя сценариями — с возможной и невозможной НР РНК — отражены в таблице. Если НР возможна, то дарвиновская эволюция могла начаться практически сразу после появления первых коротких молекул РНК. Селективное преимущество должны были получить те молекулы РНК, которые эффективнее размножались посредством НР. Это могли быть, например, молекулы с палиндромными повторами, которые могли сами себе служить праймерами — «затравками» для репликации; палиндромы могут сворачиваться в трехмерные структуры — «шпильки», что повышает вероятность появления у молекулы РНК каталитических свойств. Так или иначе, после того, как дарвиновская эволюция стартовала, дальнейшее развитие жизни определялось уже не только случайностью, но и закономерностью.
Таблица. Почему неферментативная репликация (НР) крайне важна для оценки вероятности абиогенеза
Оценки вероятности (частоты) зарождения жизни при этих двух сценариях должны различаться на огромное число порядков (хотя точные цифры, конечно, никто не назовет). Важно еще отметить, что если жизнь зародилась «по Кунину», т. е. благодаря случайной сборке эффективного рибозима-полимеразы, то принцип комплементарности (специфического спаривания нуклеотидов), на котором основана способность РНК к размножению и эволюции, оказывается неким «роялем в кустах», не имевшим никакого отношения к тому факту, что на планетах накопилось настолько огромное количество молекул РНК, что на одной из планет случайно появился эффективный рибозим с РНК-полимеразной активностью. Если же жизнь зародилась «по Шостаку» (нобелевский лауреат Джек Шостак сейчас активно изучает НР РНК и верит, что именно этот процесс является ключом к тайне происхождения жизни), то комплементарность не была «роялем в кустах», а работала с самого начала. Это делает весь сценарий происхождения жизни намного более убедительным и логичным. Я бы поставил на Шостака.
Таким образом, сейчас всё зависит от успехов специалистов в области пребиотической химии. Если они найдут реалистичные условия, в которых хорошо идет НР РНК, то у нас есть шанс обнаружить жизнь на других планетах. А если нет, то. надо искать дальше.
Армен Мулкиджанян, доктор биологических наук, Оснабрюкский университет (Германия), ведущий научный сотрудник МГУ:
Трудно спорить с тем, что жизнь возникла давно и на молодой Земле. Земля сложена из хондритных пород, как и метеориты. Разогрев этих пород при образовании Земли вызывал таяние принесенной с хондритами воды. Взаимодействие воды с разогретой, восстановленной породой должно было приводить к высвобождению электронов, образованию водорода и восстановлению двуокиси углерода (СО2) до различных органических соединений. Подобные процессы всё еще идут в зонах геотермальной активности, например на геотермальных полях, однако с малой интенсивностью. Так что образование органики в больших количествах можно ожидать и на молодых планетах других звезд. Вероятность того, что при этом может возникать жизнь, можно оценить, рассмотрев эволюцию земной жизни.
Первые два миллиарда лет на Земле жили только микробы. Так продолжалась бы и дальше, но где-то 2,5 млрд лет назад фотосинтезирующие бактерии научились использовать энергию света для разложения воды. Фотосинтез исходно возник как замена затухавшим геохимическим процессам «сброса» избыточных электронов. При фотосинтезе энергия света используется для окисления различных соединений, т. е. для «отбирания» у них электронов, фотоактивации этих электронов и восстановления ими в конечном счете СО2 до органических соединений. Система разложения воды возникла в результате постепенной эволюции более простых фотосинтетических ферментов, сохранившихся у некоторых бактерий. Есть несколько весьма правдоподобных сценариев того, как такие ферменты, используя свет и хлорофилл, сперва окисляли сероводород (да и сейчас у кое-кого окисляют), потом, по мере исчерпания сероводорода в среде, стали отбирать электроны у ионов двухвалентного железа, потом — у ионов марганца. В итоге они как-то научились разлагать воду. При этом отбиравшиеся у воды электроны шли на синтез органики, а как побочный продукт высвобождался кислород. Кислород — очень сильный окислитель. Пришлось от него защищаться. Возникновение многоклеточности, теплокровности и в конце концов разума — это всё разные этапы защиты от окисления атмосферным кислородом.
Разложение воды осуществляется в уникальном каталитическом центре, содержащем кластер из четырех атомов марганца и одного атома кальция. В этой реакции, требующей четырех квантов света, разлагается сразу две молекулы воды (2H2O) с образованием одной молекулы кислорода (О2). Для этого нужна энергия четырех квантов света. На атомах марганца в ответ на поглощение трех квантов света последовательно накапливаются три электронные вакансии («дырки»), и только при поглощении четвертого кванта света обе молекулы воды окисляются, дырки заполняются электронами и образуется молекула кислорода. Хотя структуру марганцевого кластера недавно определили с высокой точностью, как работает это четырехтактное устройство до конца не понятно. Неясно также, как и почему в каталитическом центре, где у первобытных фотосинтезирующих бактерий, по-видимому, окислялись ионы марганца, четыре его атома объединились с атомом кальция в кластер, способный разлагать воду. Термодинамика участия хлорофилла в окислении воды тоже загадочна. Теоретически, хлорофилл при освещении может окислять и сероводород, и железо, и марганец, но только не воду. Однако окисляет. В общем, это как про шмеля: «По законам аэродинамики шмель летать не может, но он об этом не знает и летает только поэтому».
Оценить вероятность возникновения системы разложения воды очень сложно. Но эта вероятность весьма мала, так как за 4,5 млрд лет такая система возникла лишь однажды. Никакой особой нужды в ней не было, и без нее микробы процветали бы на Земле, будучи включенными в геохимические циклы. Более того, после появления кислорода в атмосфере большая часть микробной биосферы должна была погибнуть или, точнее, сгореть — взаимодействие органики с кислородом и есть горение. Выжили только микробы, научившиеся дышать, т. е. быстро восстанавливать кислород обратно до воды прямо на своей внешней оболочке, не допуская его внутрь, а также обитатели немногих оставшихся бескислородных экологических ниш.
Эта история может служить примером относительно недавнего (каких-то 2,5 млрд лет назад) и относительно понятного события, приведшего к резкому увеличению сложности живых систем. При этом всё началось с постепенных изменений фотосинтетических ферментов. Потом имело место разовое и очень нетривиальное эволюционное изобретение (марганцево-кальциевый кластер), которого могло бы и не быть. Последующие грандиозные изменения были реакцией на появление в атмосфере «ядовитого» кислорода: на полную мощность включился дарвиновский отбор, пришлось учиться дышать глубже и шевелить мозгами.
Итого имеем процесс, проходящий в три стадии: (1) постепенные изменения — (2) разовое маловероятное событие — (3) дальнейшая эволюция, но уже на другом уровне или в других условиях. Можно рассматривать эту схему как молекулярный аналог классической схемы ароморфозов Северцова.
Если посмотреть на посткислородную эволюцию, можно идентифицировать еще несколько таких маловероятных разовых событий, менявших ход эволюции. Это и «сборка» сложной эукариотической клетки, и появление сосудистых растений, и разнообразные «прорывы» в эволюции животных, о которых, собственно, Северцов и писал.
Возникновение жизни, которое в рамках гипотезы «мира РНК» понимается как появление самовоспроизводящихся ансамблей молекул РНК (репликаторов), также можно представить как трехстадийный процесс.
Недостаток этой гипотетической схемы в том, что не известны ни молекулярные детали возникновения РНК-репликаторов, ни природные факторы, способствовавшие их отбору. Надежду дает то, что в случае следующего по значимости (и по очереди) эволюционного события, а именно возникновения рибосом, машин для синтеза белка, молекулярные детали реконструировать удалось. Это было сделано различными методами в четырех лабораториях; результаты реконструкций очень похожи. Говоря кратко, предком современных очень сложных рибосом был конструкт из двух петель РНК по 50–60 рибонуклеотидов каждая, способный объединять две аминокислоты пептидной связью. Промежуточные стадии на пути от этой двухпетлевой структуры до современных рибосом детально отслежены Константином Боковым и Сергеем Стадлером (Университет Монреаля), нобелевским лауреатом Адой Йонат и коллегами (Вейцмановский институт), Джорджем Фоксом и коллегами (Университет Хьюстона) и Антоном Петровым с коллегами (Университет Джорджии).
Рибосома, имевшая сперва одну каталитическую РНК-субъединицу, постепенно усложнялась и увеличивалась в размерах, всё это время синтезируя белковые последовательности из случайного набора аминокислот. Только на последних стадиях ее эволюции произошло объединение с другой молекулой РНК, ставшей малой субъединицей рибосомы, и начался кодируемый синтез белка. Таким образом, возникновение генетического кода — это отдельное от возникновения рибосомального синтеза белка маловероятное эволюционное событие.
Скорее всего, дальнейшие исследования позволят реконструировать и возникновение репликаторов, и другие маловероятные события, например, связанные с возникновением первых клеток, обменом генами между первыми клетками и вирусами и т. д.
Возвращаясь к поставленным вопросам о вероятностях: наше детальное рассмотрение показывает, что эволюция земной жизни — это не одно «совершенно невероятное совпадение», а много последовательных чрезвычайно маловероятных событий.
Мощная генерация органики шла, скорее всего, и на других молодых планетах. Но это не обязательно могло приводить к возникновению жизни. Если бы самовоспроизводящийся РНК-ансамбль не собрался бы на Земле, никакой жизни и не было бы. Производство органики постепенно бы затухло, и стала бы Земля похожа на Марс или Венеру.
Но даже в случае возникновения жизни на других планетах эта жизнь могла «застрять» на любой начальной стадии, причем вероятность навсегда остаться на примитивном уровне развития была несравненно выше вероятности вскарабкаться на следующую ступеньку и продвинуться дальше.
Поэтому вероятность встретить на другой планете мудрых инопланетян неизмеримо ниже шанса вляпаться там в немудреную, но живую слизь (и это если очень повезет). Вероятность того, что где-то есть кислородная жизнь, тоже неизмеримо мала: разложение воды с образованием кислорода — это очень нетривиальная четырехэлектронная реакция.
Так что строить какую-либо стратегию в надежде найти инопланетный разум как раз не очень разумно. То, что на Земле есть (пока) разумные существа, — это очень большая удача. Поэтому гораздо осмысленнее инвестировать в создание «запасных аэродромов» для уже имеющейся разумной жизни на тот случай, если подведет природа или сами носители разума. Значит, нужна запасная Земля, а еще лучше несколько.
Евгений Кунин, ведущий научный сотрудник Национального центра биотехнологической информации, член Национальной академии наук США:
Я могу ограничиться очень краткими замечаниями, поскольку вполне согласен со всем, сказанным Александром Марковым. кроме, конечно, выводов. Действительно, лимитирующая стадия в возникновении жизни — спонтанное образование популяции молекул рибозима-полимеразы с достаточно высокой скоростью и точностью самокопирования. Вероятность такого события исчезающе мала. Чтобы ее существенно повысить, нужен некий процесс, создающий возможность эволюции без участия таких рибозимов, в гораздо более простой системе. Неферментативная репликация, обсуждаемая Александром, — хороший кандидат на роль такого процесса. Беда только в том, что на основе всего, что мне известно из химии и термодинамики, нет никаких шансов довести эти реакции до уровня достаточно точной репликации длинных молекул. Репликация совсем коротких олигонуклеотидов была бы очень интересна как возможная промежуточная стадия, но вероятности существенно не повысит. Таким образом, мой вывод остается прежним: возникновение жизни требует исключительно маловероятных событий, и, следовательно, мы одни в нашей Вселенной (вопрос о множественных вселенных здесь обсуждать необязательно). Не только мы — разумные существа, но шире — живые существа вообще.
Тут важно заметить следующее: исключительно низкая вероятность возникновения жизни никак не означает, что это всё произошло чудом. Напротив, всё это серии нормальных химических реакций, только включающие стадии с очень низкой вероятностью. Следовательно, изучать механизмы, которые как-то облегчают возникновение жизни, не только не бессмысленное, а исключительно важное и интересное дело. Просто не видно (пока), чтобы это могло существенно повысить вероятность, но созданию сценария событий вполне может помочь.
Ну, и закончу квазифилософским, но, по-моему, имеющим отношение к делу соображением. Сверхнизкая вероятность возникновения жизни нарушает принцип посредственности (mediocrity principle): события, произошедшие на нашей планете, исключительны, даже уникальны во Вселенной. Принцип посредственности в данном случае проигрывает антропному принципу: как бы невероятно возникновение жизни ни было a priori, при условии существования разумных существ, да и просто клеток его вероятность в точности равна 1.
Михаил Никитин, научный сотрудник отдела эволюционной биохимии НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ:
Мне кажется, что жизнь бактериального уровня сложности широко распространена во Вселенной, а вот развитие до многоклеточных животных и потенциально разумных существ гораздо менее вероятно.
Почему я считаю, что возникновение бактериальной жизни высоко вероятно?
Почему я считаю, что эволюция жизни от простых клеток к многоклеточным животным может быть очень маловероятной? Здесь есть два соображения, одно скорее геологическое, другое — чисто биологическое. Начнем с первого.
В палеонтологии надежно установлено, что эволюция организмов происходит очень неравномерно. Кризисы и революции чередуются с периодами стазиса, иногда очень долгими. Самый долгий период стазиса получил название «скучный миллиард» и продолжался большую часть протерозоя — примерно с 2 до 0,8 млрд лет назад. Ему предшествовало появление кислорода в атмосфере, возникновение эукариотных клеток и глобальное Гуронское оледенение, а закончился он крупнейшим в истории Земли Стертским оледенением, ростом содержания кислорода до почти современных значений и появлением многоклеточных животных. Так же относительно медленно шла эволюция в архейском эоне между 3,5 и 2,5 млрд лет назад по сравнению как с предшествующим катархейским эоном (временем появления жизни и поздней метеоритной бомбардировки), так и с последующей кислородной революцией. Причины такой неравномерности до конца неизвестны. Мне лично кажется убедительным, что «кислородная революция» (массовое распространение выделяющих кислород цианобактерий) была связана с исчерпанием запасов восстановленного (закисного) железа в океанской воде. Пока железа в океане хватало, там процветали микробы, использующие более простой и безопасный железо-окисляющий фотосинтез. В нем выделяется не кислород, а соединения окисного железа — магнетиты и гематиты, которые на протяжении всего архея откладывались на морском дне. Поступление нового железа в море (в основном из гидротермальных источников на дне) снижалось по мере затухания геологической активности планеты, и наконец ресурсный кризис вынудил фотосинтезирующих микробов перейти на более сложную «технологию» кислородного фотосинтеза. Аналогично, причиной «скучного миллиарда» могло быть постоянное потребление кислорода на окисление различных минералов на суше, не позволяющее поднять содержание кислорода выше 1–2%. В протерозойских морских осадках есть много следов шедшего на суше окисления сульфидных руд, из-за которого реки несли в океан сульфаты, мышьяк, сурьму, медь, хром, молибден, уран и другие элементы, которых почти не было в архейском океане. Позднепротерозойский кризис с глобальными оледенениями, быстрым ростом содержания кислорода и появлением многоклеточных животных, возможно, был вызван исчерпанием на суше легкоокисляемых минералов.
Таким образом, время наступления двух ключевых революций (кислородный фотосинтез и многоклеточные животные), вероятно, определялось балансом биологических (фотосинтез) и геологических (выделение закисного железа и других окисляемых веществ гидротермами и наземными вулканами) процессов. Вполне возможно, что на других планетах эти революции наступают гораздо позже. Например, более массивная планета (суперземля) будет медленнее терять геологическую активность, дольше выделять железо в океан и может оттянуть кислородную революцию на миллиарды лет. Планеты в зоне обитаемости красных карликов будут получать мало видимого света, пригодного для фотосинтеза, и их биосферы тоже рискуют застрять на бескислородной стадии. Количество воды на планете тоже важно. Если вся планета покрыта глубоким океаном, то в нем будет дефицит фосфора, поступающего в основном из сухопутных вулканов, а если воды мало, то мала будет и площадь океана, доступная фотосинтезирующим микробам (до появления многоклеточных растений продуктивность наземных экосистем была пренебрежимо малой по сравнению с морями). То есть полно причин, по которым биосфера может застрять на бескислородной микробной стадии и не развиться до животных. Время на развитие, кстати, ограничено: светимость звезд со временем растет, и Земля через 1,5–2 млрд лет станет необратимо разогреваться, ее океаны — испаряться, и нарастающий парниковый эффект превратит ее во вторую Венеру. У красных карликов светимость растет медленнее, но их планеты могут стать непригодными для жизни из-за исчезновения магнитного поля и последующей потери воды в космос, как это произошло на Марсе.
Второе соображение относится к появлению эукариот — клеток с ядром. Эукариотные клетки намного крупнее и сложнее клеток бактерий и архей и появились позже, скорее всего, во времена «кислородной революции». Эукариотная клетка появилась как химера из архейной клетки, поселившейся внутри нее симбиотической бактерии и, возможно, заразившего их вируса (а то и не одного). Устройство генома эукариот однозначно показывает, что их ранняя эволюция происходила не благодаря естественному отбору, а во многом вопреки. В малочисленных популяциях отбор не очень эффективен, и слегка вредные признаки могут закрепляться благодаря генному дрейфу и другим чисто случайным процессам. Это подробно изложено в соответствующей главе «Логики случая» Кунина и наводит на мысль, что появление эукариот может быть очень маловероятно даже в подходящей обстановке (бактериальная биосфера, вступающая в кислородную революцию). Как минимум, случаи внутриклеточного симбиоза между бактериями и археями практически неизвестны — хотя внутри эукариотных клеток бактерии селятся легко.
Подводя итоги: я думаю, что сочетание описанных факторов должно приводить к тому, что в нашей Галактике будут миллионы планет с бактериальной жизнью и намного меньше (возможно, единицы) — с жизнью эукариотного и многоклеточного уровня сложности.
Постскриптум Бориса Штерна
Пару слов в завершение дискуссии. Вполне возможно, что Евгений Кунин сильно занизил вероятность происхождения жизни в подходящих условиях. И всё равно к этой оценке надо отнестись со всей серьезностью. Если он ошибся на 900 порядков величины — это ничего не меняет: мы всё равно одни-одинешеньки в пределах горизонта Вселенной, где всего лишь порядка 10 20 –10 21 подходящих планет. Даже если правы остальные участники дискуссии и всякие уловки Природы вроде неферментативной репликации могут сделать зарождение жизни более-менее вероятным, то это будет очень примитивная жизнь, в подавляющем большинстве случаев не способная перескочить на более высокий уровень развития. Об этом черным по белому написали два участника дискуссии. Вот вам и весь парадокс Ферми.
Отсюда следуют, по крайней мере, два важных оргвывода. Первый: Развитая жизнь — редчайший и ценнейший феномен во Вселенной. Поэтому см. последний абзац заметки Армена Мулкиджаняна: у человечества есть благородная тотальная цель — распространение этого феномена. О возможностях и методах достижения этой цели поговорим отдельно.
Второй оргвывод: уничтожение этой жизни станет невосполнимой потерей галактического или даже космологического масштаба. Это следует учитывать в собственной оценке «ястребов» и политиков, готовых прибегнуть к ядерному шантажу ради надувания собственного «величия». То же самое относится к цивилизации безудержного потребления.
