Химическая (предбиологическая) эволюция

Представления о возможной химической (предбиологической, молекулярной) эволюции как новой предметной области химии зародились на рубеже XIX—XX вв. в связи с логической необходимостью объяснить связанность между физическими космогоническими и биологическими эволюционными учениями, т.е. с теориями-гипотезами Канта—Лапласа и Ламарка, Дарвина.

Таким образом, в XIX в. в результате взаимосвязи физического, космогонического и биологического эволюционного знаний в химии была обозначена новая предметная область: проблемы эволюции вещества как этапа в истории Вселенной от неорганических космических тел до возникновения жизни.

Эволюционные идеи в химии впервые возникли под влиянием космогонических гипотез в несколько большей степени, чем под влиянием эволюционного учения в биологии. Поэтому в первую очередь в химии (и геохимии) прозвучали идеи о неорганической эволюции и образовании химических элементов в космических условиях. В частности, такие идеи в 70-е гг. XIX в. выдвинул Локьер. Позднее, в 80-е гг. Крукс высказал мысль об эволюции химических элементов в речи “О происхождении химических элементов” (1886). Собственно термин “химическая эволюция”, обозначающий именно эволюцию атомно-молекулярных систем в естественноисторических условиях, был введен Муром в 1913 г.

В результате в естествознании обозначились следующие варианты объяснения перехода от простых атомно-молекулярных образований до саморегулирующихся предбиологических систем:

1) возникновение простейших живых организмов в результате чистой случайности;

2) возникновение живых организмов в результате связи необходимости и случайности (т.е. усложнение молекулярных систем) может происходить только до определенного предбиологического уровня, но переход к живому организму происходит скачком при благоприятном стечении обстоятельств;

3) возникновение жизни в результате последовательных процессов самоорганизации в молекулярных открытых термодинамических системах вплоть до образования живых организмов (истоками этого направления в конкретных формулировках являются работы И.Р. Пригожина и его школы);

4) возникновение жизни на предбиологическом этапе в результате механизма естественного отбора для физико-химических макромолекулярных образований, коллоидных систем и т.п.;

5) возникновение жизни из простейших атомно-молекулярных систем в результате конструктивной деятельности некого Высшего Начала, Мирового Разума, Бога.

Начнем с анализа самых крайних вариантов, при принятии которых этап химической (предбиологической) эволюции вообще исключается. Отметим сразу, что библейский вариант сотворения Мира не входит в область научного рассмотрения. Религиозные учения по своему происхождению и месту в духовной общечеловеческой культуре отличаются от научных, поэтому попытки опровержения или обоснования религиозного мировоззрения внутри института науки имеют значение только для института науки, отсюда и слабость “научного атеизма” (некорректного и искусственного в самой его постановке). Теолог всегда может сказать, что откровения, изложенные в Библии, в частности, описание сотворения Мира, — это метафорические откровения на человеческом языке, они вполне вписываются в моральное учение о первородном грехе и т.п. Наука является только частью духовной культуры и имеет монопольное право не на Истину в общем метафизическом смысле этого понятия, а на научную истину с ее специфическими критериями.

Другой крайний вариант — возникновение живых организмов в результате чистой случайности. Скажем сразу, событие случайной встречи всех необходимых молекулярных компонентов в естественных условиях оценивается как непредставимо маловероятное. Вероятность его примерно такова, как и вероятность случайного возникновения дома из груды камня при воздействии природных стихий: ураганов, землетрясений, извержений, вулканов и т.п.

К примеру, вероятность случайного возникновения молекулы ДНК (“голого” гена) за всю историю Земли оценивается величиной 10 в минус 800-й степени [Блюменфельд, 1977, с.16]. Конечно, численное значение вероятности может сильно варьироваться в силу многофакторности задачи, но то, что такая вероятность непредставима мала – это для всех понятно. Также чрезвычайно мала и вероятность спонтанного образования белковой молекулы или любой другой полимерной биомолекулы.

К этим вычислениям надо добавить, что спонтанное образование молекулы ДНК или белка — далеко не полное условие возникновения самоорганизующейся и самовоспроизводящейся живой системы, так как ДНК может передавать наследственную информацию и “руководить” процессами живого организма только при наличии целого комплекса конструктивных материалов и специфических белковых молекул — ферментов. Совершенно очевидно, что условная вероятность спонтанного образования даже простейшей биологической системы (“полуживого” организма) непредставимо мала.

Для представления ничтожности вероятности такого события можно привести образное сравнение: для того, чтобы совпало 40 первых букв “Гамлета” (т.е. любой заданной последовательности из 40 букв) у одной из обезьян, беспорядочно нажимающих на клавиши пишущей машинки, нужно около 10 в 80-й степени обезьян на пишущих машинках, что приблизительно равно числу всех атомов во Вселенной по современным представлениям.

В связи с этим известные позиции Ж.Моно и А.Ленинджера, предполагающих возможность возникновения жизни в результате простого случая, или гипотеза Г. Миллера о том, что жизнь могла возникнуть из “голого” гена, достаточно аргументированно критикуются и не выдерживают количественных оценок вероятности такого события (см., напр., [Дубинин, 1981]). Ричард Докинс, автор известной книги «Эгоистический ген» (The Selfish Gene), считает, что в первичной бескислородной атмосфере случайно образовывались аминокислоты, которые конденсировались в молекулы подобные белкам. Затем случайно возникла молекула гена, что повысило вероятность образования самовоспроизводящнйся системы. Такого типа реконструкции естественной истории страдают явным недостатком, который по сути проистекает из механистической позиции авторов. Типичная методика таких гипотез такова: выделяются компоненты живого организма (биомолекулы, мембраны, клеточные органоиды), а в этих компонентах свои компоненты (например аминокислоты, входящие в состов естественных белков) и далее в обратном порядке описывается возможная (точнее невозможная) естественная история.

Мала и вероятность подтверждения гипотезы панспермии, которой придерживался, например, известный физико-химик С.Аррениус, а в наше время Ф.Крик и Л.Оргелл. Даже в случае ее подтверждения проблема химической эволюции просто переносится с земных исторических условий на некоторые другие космические объекты. Современные аргументы в пользу панспермии весьма косвенные. Например, гипотеза “направленной панспермии” Ф.Крика и Л.Оргелла обосновывается тем, что “химический состав живых организмов в какой-то степени отражает состав среды, в которой он развивался. Поэтому присутствие в земных организмах элементов, на нашей планете крайне редких (например, молибдена, играющего важную роль в ферментативных процессах, но содержание которого на Земле составляет 0,02%. — В.К.), может означать, что жизнь имеет внеземное происхождение” [Крик, 1974, с.78]. Другое основание авторы видят в универсальности генетического кода, что, по их мнению, естественно вытекает из теории внеземного происхождения жизни. Заметим, что приводимые обоснования панспермии (в части обоснования невозможности возникновения первых живых организмов на Земле) равным образом можно относить и к обоснованию любых учений о внеземной природе жизни, в том числе и к креационизму.

Вообще говоря, само по себе обсуждение проблемы внеземного происхождения жизни проистекает из трудностей обоснования происхождения жизни из неживой природы в процессе естественной эволюции на Земле.

Именно эти трудности привели, видимо, В.И.Вернадского к обоснованию учения о вечности жизни во Вселенной.

Разнообразные варианты объяснения внеземной природы живого выражают при их различии общие “слабости” эволюционных теорий в сфере решения проблем предбиологической эволюции.

Рассмотрим проблемы предбиологической (химической, молекулярной) эволюции более детально. В результате проведенного анализа можно выделить для рассмотрения варианты гипотез предбиологической (химической) эволюции, обозначенные нами выше пунктами 2, 3 и 4. При этом сразу исключим вариант 4, поскольку имеется достаточно оснований для утверждения о том, что естественный отбор не может функционировать как фактор эволюции в неживых системах, пусть самоорганизующихся, но не самовоспроизводящихся (см., напр., [Дубинин, 1981, с.87—88]). Концепция естественного отбора может как-то (но не без серьезных трудностей) применяться к предбиологическим системам высокого уровня организации (гетерофазные образования с мембранным слоем, обменом веществ с внешней средой и т.п.), т.е. к объектам не столько химическим, сколько уже биологическим.

Если в современных эволюционных учениях о живой Природе доминирующей является теория (гипотеза) Дарвина, то в отношении химической (предбиологической) эволюции более приемлема концепция Ламарка. При этом нужно, конечно, учитывать, что Ламарк не разрабатывал проблему химической эволюции. Его эволюционное учение относится исключительно к эволюции живых организмов. Аргументом в пользу “молекулярного ламаркизма” в противоположность предположению о возникновении жизни по чистой случайности является то, что истории Земли не хватает для того, чтобы и предбиологическая эволюция шла по Дарвину, т.е. с фактором случайности мутаций и наследованием приобретенных таким случайным образом признаков. В связи с этой проблемой отмечается, что “...главный козырь ламарковского механизма на доклеточном этапе эволюции — быстрота, ведь времени на случайную изменчивость (по оценке автора, это около 100 млн лет. — В.К.) и отбор нужных вариантов катастрофически не хватает” [Богоцкий, 1990, с.18].

На этом основании, в свою очередь, делается предположение о “механизмах стыковки” предбиологического и биологического этапов естественной эволюции: “Таким образом, можно выделить два скачка в формировании жизни: первый — появление полимерных глобул, способных к самоуплотнению и “ламарковской” эволюции, второй — возникновение “свободы” мутаций и прогрессивной эволюции путем естественного отбора. Этот второй скачок мы и можем считать появлением жизни” [Богоцкий, 1990, с.22]. Но если даже будем считать доказанным, что на этапах предбиологической эволюции “молекулярный ламаркизм” имел место, остаются конкретные вопросы о природе (движущих силах) предбиологической эволюции на этапах от простейших химических соединений до самовоспроизводящихся органических систем. Ниже рассмотрим некоторые подходы, в которых делаются попытки научного обоснования химической эволюции с привлечением различных интердисциплинарных знаний.

Так, с позиции философского учения о противоречиях и единстве противоположностей как диалектическом факторе развития возможность химической эволюции обосновывает Ю.А.Жданов указанием на наличие противоречивых, противоположных свойств у одних и тех же химических соединений. Например, указывается на свойства аминокислот, которые проявляют и кислотные, и основные свойства (благодаря наличию карбоксильной и аминогрупп), а также содержат атомы углерода в окисленном и восстановленном состояниях. В связи с этим приводятся слова Гегеля: “Нечто жизненно, только если оно содержит в себе противоречие и есть именно та сила, которая в состоянии вмещать в себя это противоречие и выдерживать его” (см.: [Гегель, 1970б, с.66]). Далее, условия для возможности химической эволюции в естественных условиях усматриваются в факте обнаружения органических веществ на космических телах [Жданов, 1980]. Это усиливается интересной гипотезой о возможных процессах синтеза высокомолекулярных соединений в зернах межзвездной пыли при сверхнизких температурах в результате квантово-механического туннелирования химических реакций — гипотеза “холодной” химической эволюции [Гольданский, 1978].

В других работах центральным благоприятствующим фактором химической эволюции считается явление катализа. Поскольку скорость химических процессов может регулироваться присутствием катализаторов, влияющих также на соотношение продуктов и специфичность химических процессов, значительная роль в химической эволюции отводится естественным каталитическим процессам. При этом выделяется особенное их значение в автокаталитических реакциях самоорганизующихся систем.

Есть работы, где необходимые предпосылки для обоснования возможности предбиологической молекулярной эволюции связываются с существенной ролью в процессах естественного развития от простого к сложному химических процессов комплексообразования.

Словом, в настоящее время в естествознании осуществлена переборка множества вариантов необходимых условий для химической эволюции.

Помимо усилий по выявлению необходимых благоприятных условий для химической эволюции, создаются теории, в которых объясняются варианты химической эволюции при возможных неблагоприятных условиях. Так, например, на первичных стадиях химической эволюции образованию органических макромолекул препятствовали бы процессы их окислительной деструкции. Однако есть научные основания считать, что на ранних этапах истории Земли ее атмосфера была восстановительной и состояла она из аммиака, воды, диоксида углерода. Свободный кислород, который разрушал бы органические соединения быстрее, чем они синтезировались бы, накопился в атмосфере только после появления на Земле жизни, а именно в результате деятельности фотосинтетических организмов. Таким образом, снимается еще один “запрет” — предположение о невозможности молекулярной органической эволюции в связи с активными окислительными процессами в атмосфере Земли.

Можно сказать, что в современной биосфере имеются два фактора, препятствующие началу нового эволюционного процесса от молекулярного уровня: химический (окислительный) и биологический (обусловленный активной минерализацией органического вещества в природе живыми организмами). Второй фактор относится только к частной проблеме — обоснованию невозможности повторного начала эволюционного пути при наличии в окружающей среде живых организмов.

Конечно, в наибольшей степени возможность образования в истории Земли живых организмов без вмешательства извне выводится из предположения, что главным событием в ускорении эволюционного процесса было образование высокомолекулярных соединений, которые имеют большие возможности по сравнению с малыми молекулами сохранить свою индивидуальность в различных природных превращениях. Основными объектами рассмотрения здесь, естественно, выступают биополимеры типа белков и нуклеиновых кислот.

Надо заметить, что современные исследования белков находятся в состоянии взаимообогащения знаний с эволюционными представлениями в пограничных областях химии, физики и биологии. О роли структурных исследований белков в этом плане сообщается, например, следующее: “Сравнение первичных структур белков, выполняющих одинаковые функции в разных организмах, приводит к следующим интересным выводам. Во-первых, различие первичных структур в целом тем больше, чем дальше отстоят эволюционно организмы-хозяева; для белков, выполняющих эволюционно новые функции, различия больше, чем для старых. Во-вторых, даже в пределах одного вида существуют индивидуальные различия первичных структур белков; некоторые из них практически не отражаются на процессе функционирования, другие отражаются заметно” [Шамин, 1986, с. 293].

Взаимосвязь эволюционных, временных изменений в белковых компонентах живых организмов с их структурой позволяет обогатить методологический арсенал современной эволюционной теории. Так, “фактическое число аминокислотных различий между двумя видами может служить мерой времени, прошедшего после дивергенции их от общего предка” [Рис, 1988, с.55].

Характерный пример попытки объяснить эволюционный процесс, начиная хотя бы с макромолекул, — представления М.Эйгена об объединении самовоспроизводящихся молекулярных образований ограниченных размеров в новую более сложную устойчивую систему, способную к эволюционным изменениям на новом уровне. Такой принцип прогрессивной самоорганизации Эйген назвал “гиперцикл” [Эйген, 1982]. В данном случае мы имеем дело с гипотезой, в которой делается попытка объяснить один из этапов предбиологической эволюции постулированием “все той же” самоорганизации. “Все той же” в том смысле, что слово “самоорганизация”, относимое к естественным природным процессам, означает не более чем слово “эволюция”, т.е. констатирует нечто и мало что объясняет.

В связи с дальнейшими исследованиями информационных процессов в живых системах с участием ДНК и РНК обсуждаются возможности происхождения жизни с участием первичных ДНК с их саморепликацией и дарвиновским естественным отбором. Однако и для таких более поздних этапов химической эволюции, когда необходимо предположить функционирование предбиологических систем с участием макромолекул типа биокатализаторов и информационно-регуляционных макромолекул типа нуклеиновых кислот, всегда вставала проблема малой вероятности образования таких систем. Для решения этой проблемы М.Кальвин, Ф.Крик, Л.Оргелл и М.Эйген стали выдвигать новые гипотезы о том, что “жизнь началась с простых автокаталитических, т.е. самовоспроизводящихся молекул” и что “именно нуклеиновые кислоты, а не белки способны выполнять эту роль” (см.: [Шульц, 1982, с. 9—12]). Эти подходы в последнее время нашли дополнительные научные основания, поскольку совсем недавно было показано, что биокатализаторами могут быть не только белки-ферменты, но и интронные участки РНК (в процессе перевода РНК в активную форму происходят вырезание интронных участков и сшивка содержащих генетическую информацию экзонных участков).

Однако и здесь важно повторить замечание, что во всех гипотезах мы встречаем дополнительные основания к возможности химической эволюции, но никак не достоверные обоснования ее необходимости. Так же обстоит дело и с приложением к решению проблемы предбиологической (химической, молекулярной) эволюции термодинамических знаний. Принципиальный термодинамический запрет, вытекающий из второго начала равновесной термодинамики, был преодолен благодаря исследованиям в области термодинамики неравновесных процессов. В работах И.Р.Пригожина и его школы сформировалось новое научное направление — “синергетика”, основанное на нелинейной неравновесной термодинамике. В сфере неравновесной термодинамики теоретически и экспериментально была обоснована возможность существования при некоторых условиях естественных процессов, в результате которых образуются высокоорганизованные системы (см. также раздел о пределах познания).

До этого в экспериментальных работах показывалась только возможность образования в естественных системах биомолекул — характерных химических соединений, входящих в состав живых организмов. Такие биомолекулы, по существовавшим представлениям, в естественных условиях могли образовываться только случайно, что и подтверждалось в физико-химических экспериментах, например, по образованию аминокислот при облучении простейших соединений УФ-светом.

При заметном продвижении естествознания в области исследования неравновесных систем и самоорганизации проблема научного описания прогрессивной естественной эволюции в ее необходимости и всеобщности (“глобальный эволюционизм”) остается практически такой же неразрешимой. Принципиальным остается вопрос: Почему в природе возникает неравновесность, или организующее начало, вопреки всеобщему закону возрастания энтропии? Единственным объяснением на этот счет может быть только влияние внешнего фактора. Но какого?

Например, наиболее замечательная в этом отношении осциллирующая химическая реакция Белоусова—Жаботинского (возникновение упорядоченности в реакционной среде при явлении самопроизвольного циклического взаимоперехода продуктов реакции в реагенты, и наоборот) без вмешательства извне происходит в пробирке ограниченное время (около 30 мин), а затем “умирает”, окончательно возвращаясь к состоянию равновесия и однородному распределению вещества [Томпсон, 1985, с.126].

Это происходит вследствие того, что пробирка является в известном смысле замкнутой системой. Таким образом, “реакция Белоусова—Жаботинского” возможна только при условии, что в ее предыстории пробирка (реакционный объем) была более открытой системой и, что самое важное, в “запуске” реакции участвовали Б.П.Белоусов и А.М.Жаботинский.

Другими словами, в природе процесс самоорганизации такого типа может произойти только при случайном стечении обстоятельств (“стечении” в одном месте соответствующих веществ). Однако, если даже такое событие произойдет в естественных условиях, вновь возникшая “сложность” умрет сама по себе, не породив, конечно, новую “сложность” еще более высокого уровня организации. Итак, мы приходим к тем же вопросам эволюционных теорий-гипотез: Каким образом закономерно, необходимо и долговременно может происходить прогрессивное усложнение природных образований вплоть до образования “биологических сложностей”?

Сложности могут возникать в отдельных областях Мира, но сам Мир (Универсум, Вселенная, Природа) без внешнего организующего Начала не может самоорганизовываться в большую сложность. Это было бы что-то вроде постоянного “творения из ничто”. Совершенно очевидно, что процесс так называемой самоорганизации, наблюдаемый в открытых термодинамических системах (локальных и с весьма ограниченным временем существования), происходит за счет процессов дезорганизации в окружающей среде. Или, другими словами, самоорганизующаяся система — это диссипативная система, которая повышает или сохраняет свою внутреннюю организацию за счет дезорганизации окружающей среды.

Существенно отметить, что, как и все научные теории, теория самоорганизации (синергетика) в своих основах не может избежать опоры на метафизические понятия (об этом подробнее см. разделы, посвященные постнеклассической науке и пределам познания).

Если основываться на совокупности современного научного экспериментально-теоретического знания, то нисколько не менее научным будет предположение о существовании Высшего внешнего ко Вселенной организующего Начала. Важно подчеркнуть, что такое предположение вполне научно: мы знаем, например, что высшие животные более сложны, чем простейшие одноклеточные, что человек более высокоорганизован, чем другие млекопитающие. Так почему же ненаучно допустить существование еще более высокоорганизованного, чем человек, “Начала Природы”, деятельность которого и объясняет наблюдаемую в Природе целесообразность?

Принципиальные трудности при обосновании возможности самопроизвольного образования жизни на Земле из неживой природы ясно охарактеризованы В.И.Вернадским. Возможность появления жизни ученый связывает с необходимым для этого условием — наличием “жизненной среды биосферы”, которая не может быть создана каким-то исходным “морфологически единым организмом” (не важно: занесенным из космоса или возникшим в результате какой-либо самоорганизации). В связи с этим Вернадский подвергает сомнению (если не отрицает) возможность происхождения жизни эволюционным путем. Он пишет: “Неизбежно допустить, что, может быть, и менее сложная жизненная среда сразу создалась на нашей планете как нечто целое в догеологический период. Создался целый монолит жизни (жизненная среда), а не отдельный вид живых организмов, к какому нас ложно приводит экстраполяция, исходящая из существования эволюционного процесса”. Далее Вернадский высказывает скептическое отношение к возможности абиогенеза (в наших терминах это химическая, предбиологическая или молекулярная эволюция, что одно и то же) живых организмов вообще:

“Этот последний вывод, мне кажется, чрезвычайно затрудняет возможность допущения когда-то происшедшего на нашей планете абиогенеза или, вернее, археогенеза организмов в масштабе, необходимом для создания на ней жизни. Абиогенез отдельного вида, если бы даже мог быть совершен, не объясняет создания жизненной среды, как не может ее создать пришедшая из других планет колония одноклеточных организмов всегда одной геохимической функции. Необходимо допустить одновременное создание ряда организмов разной геохимической функции, тесно связанных между собою, т.е. допустить абиогенез монолита жизни — задача экспериментально немыслимая” [Вернадский, 1989, с.137].

Все перечисленные направления в научных подходах к проблеме эволюции материи на предбиологическом этапе связаны с химическим знанием, что определяет интенсивное взаимодействие химии и смежных с ней наук в этом интердисциплинарном направлении.

Еще раз подчеркну, что все известные подходы к научной реконструкции химической эволюции вскрывают только дополнительные возможности для ее протекания, снимают абсолютные естественнонаучные запреты, но ни один из подходов не раскрывает достоверно и убедительно путей и движущих факторов химической эволюции в ее естественноисторической необходимости.

В этом смысле учение о химической эволюции, так же как эволюционные учения в космологии и биологии, продолжает оставаться правдоподобным гипотетико-теоретическим знанием с ограниченным экспериментальным материалом.