Нереальная реальность. Вся трилогия в одной книге

Открытие РНК-мира разрешило многие загадки в теории эволюции. Однако, главные вопросы попросту были перенесены с одного уровня на другой.

Откуда взялась самая первая РНК?

Как она случайно самовоспроизвелась в первый раз?

Каким образом возникли рибонуклеотиды?

Попробую, если не ответить на указанные вопросы, то хотя бы обозначить всю сложность их решения.

Ключевым моментом добиологической эволюции стало соединение азотистого основания и рибозы. Согласно теории, из простейшей органики синтезировались рибонуклеотиды, строительные «кирпичики» для образования молекулы РНК.

Однако, несмотря на все старания учёных, ничего подобного не удаётся воспроизвести во время эксперимента. Это концептуальная проблема.

Дело в том, что азотистые соединения и рибоза очень живучи. Теоретически, они могут самопроизвольно образоваться даже в открытом космосе. Тем более, они могли сформироваться в условиях древней Земли. Беда в том, что столь «неприхотливые» частные элементы категорически не хотят объединяться в единую структуру при аналогичных условиях, созданных в лабораториях.

Естественным путем могут возникнуть аминокислоты. Доказано экспериментом.

Естественным путем может появиться сложная органика. Доказано экспериментом.

Но никто не смог синтезировать нуклеотиды.

Следующая проблема состоит в том, что, после своего появления, нуклеотиды должны были соединиться в полимерную цепочку, которая стала бы удлиняться.

Мы знаем, что для усложнения и роста любой структуры нужна энергия. И чем она сложнее, тем больше требуется энергии. Даже если в какой-то момент случайно образовалась устойчивая полимерная цепочка, она не смогла бы самовоспроизводиться, если нет постоянного источника энергии.

Выходом из ситуации могла стать рекомбинация. То есть, обмен между молекулами РНК своими отдельными участками. Тогда, постепенно они могли удлиняться, образуя сложные нуклеотиды без постоянного привлечения внешнего источника энергии. Правда, и в таком раскладе по-прежнему неясно, почему отбиралась именно полезная информация.

Теоретически доказано, как с помощью белкового фермента из одной молекулы РНК можно вырастить целую колонию. Поскольку сама РНК может являться ферментом, то можно допустить, что катализатором роста колонии РНК могла стать сама РНК. Получается замкнутый цикл постепенно эволюционирующей жизни. Идея хороша хотя бы тем, что объясняет, как возник метаболизм, обмен веществом, что в итоге привело к наследованию полезных свойств.

Однако, в эксперименте из одной молекулы РНК вырастить большую колонию никак не получается. Кроме того, в замкнутом цикле, где молекула РНК самовоспроизводится, потому что является ферментом этого самовоспроизводства, не может появиться механизм эволюции. В обособленном мире неоткуда взяться многообразию. Замкнутая система, которая постоянно усложняется, также нереальна, как вечный двигатель.

Есть элегантный выход из порочного круга.

Эволюция возможна, если между обособленными колониями РНК возникла «конкуренция». Существует гипотеза, что толчком к ней могли стать климатические изменения. Сухая, либо, наоборот, влажная поверхность, особый химический состав водоёма и тому подобные причины могли привести к чередованию циклов селекции и циклов воспроизведения. Такого рода «конкуренция» могла привести к обмену информацией и, как следствие, к отбору. Я думаю, на сегодня это самая адекватная гипотеза.

Ещё одной проблемой при спонтанной самосборке длинных полимеров является их природная неустойчивость. То есть, попросту говоря, РНК практически неизбежно деградирует и разрушается из-за естественных ошибок копирования. Поэтому, не исключено, что РНК-миру предшествовал древний и примитивный мир более простых соединений. Какой именно – область полного тумана, загадок и предположений.

Есть интересная идея, что первичным был не синтез белков из аминокислот, а синтез сахаров, которые сохраняют стабильность даже в очень специфических водоёмах, весьма бедных органикой.

Безусловно, РНК-мир раскрывает многие загадки теории эволюции. Но главный вопрос не разрешён.

К сожалению, по-прежнему нет удовлетворительного объяснения спонтанному возникновению самой первой РНК.

Глава 29. Генетический код

Вся известная нам жизнь структурно однотипна. Она основана на едином генетическом коде и всё указывает на её происхождение от единого общего предка.

Базой жизни является генетическая информация, закодированная в ДНК и интерпретируемая с помощью РНК-копий. Это служит основой для производства белков, управляющих всеми биохимическими процессами в клетках.

Гены – это своеобразные инструкции по работе организма, единицы наследственности, передаваемые от предыдущих поколений будущим. По отдельности они выполняют достаточно прямолинейную функцию. Но комбинация генов создаёт исключительное жизненное разнообразие.

Каждый ген является отрезком молекулы ДНК. В клетке содержится 46 цепочек ДНК. Они располагаются парами. От своих родителей мы получаем по одной копии парных молекул, 23 от отца и 23 от матери.

В каждой цепочке в одной паре есть гены, определяющие наши индивидуальные черты – от цвета глаз до длины ног. В другой паре находятся гены с абсолютно идентичными свойствами. Таким образом, каждый из нас получает по два гена-близнеца, отвечающих за большинство черт организма.

Информация о наследственности закодирована в нуклеиновой кислоте. Её хранилищем является ДНК.

Несмотря на псевдонаучные «открытия», генов отдельных болезней (за немногим исключением) не существует. Тем более, нет генов, отвечающих за определённые черты характера, вредные привычки и преступные наклонности.

Человек устроен очень сложно, а сегодня, к тому же, очень зависим от социальной среды. Наша индивидуальность определяется работой целой группы генов, именно поэтому столь сложно понять все особенности их функционирования.

В нашем теле 100 000 000 000 000 клеток. И в каждой из них имеется набор генов, определяющих характерные черты личности. Клетка в голове содержит абсолютно тот же набор генов, что в руке или ноге. При этом существует группа мастер-генов, каждый из которых отвечает за развитие отдельной части тела. Мастер-ген «инструктирует» эмбриональные клетки с одинаковым ДНК, определяет какой из них стать клеткой сердца, лёгких, крови и так далее.

Гены и белки состоят из одинаковых нуклеотидов и аминокислот. Сам генетический код универсален. Все живые существа генетически совершенно одинаковы. С точки зрения биологии можно сказать, что жизнь на Земле зародилась только один раз, и до сих пор существует всего лишь её единственная форма.

Немецкими учёными был проведен уникальный эксперимент. Ген, управляющий глазом мыши, ввели в личинку плодовой мухи. Никакой монстр в результате не родился. К удивлению учёных, ген мышиного глаза не только создал глаз у мухи, но это был именно глаз мухи, а не мыши.

Выяснилось, что два существа, эволюционно разошедшиеся 500 млн. лет назад, способны к обмену генетическим материалом словно ближайшие родственники. Получается, что жизнь создана по каким-то единым схемам, по единому базовому плану.

Нашу жизнедеятельность обеспечивают белки. Изменение ДНК автоматически приводит к изменению белков. Обычно такие перемены вызывают нарушения в функционировании живого существа, то есть ведут к болезни. Однако, некоторые изменения благотворны. И они становятся двигателями эволюции.

Организм человека содержит более 30 000 разных белков, но сконструирован всего из 20 аминокислот. Но, как я уже указывал, общее число аминокислот огромно.

У Природы практически безграничный ресурс для потенциального совершенствования жизни во Вселенной. Поэтому внеземная жизнь может быть основана на совсем других аминокислотах.

Порядок взаимосвязи двадцати аминокислот в нашем теле устанавливает ДНК. Очень интересно, что есть ещё одна, двадцать первая аминокислота, которая как бы находится в резерве. Это селеноцистеин, в котором атом селена замещает атом меди и, при необходимости, помогает ферментам защитить клетки от кислорода.

Кислород – необычайно сильный окислитель и, в принципе, это самый опасный химический элемент для живых клеток. В дальнейшем я расскажу, почему мы дышим ядом в прямом смысле этого слова. Пока же в очередной раз поразимся прозорливости Природы, которая подготовила страховку на случай, если бы с кислородным дыханием что-то пошло не так.

Что представляет собой генетический код?

Вспомните, что ДНК состоит из четырёх нуклеотидов: A, C, G, T. Если представить их в виде букв, то они формируют слова (кодоны). Кодоны, в свою очередь, определяют последовательность связи аминокислот.

Всего аминокислот 20, а букв для их определения только 4. Поэтому базовый генетический код не может быть однобуквенным. Тогда он способен определить не более четырёх аминокислот, а реально их двадцать.

Также не подойдет и двухбуквенный код типа АС. Двухбуквенных комбинаций только шестнадцать, что тоже недостаточно.

Поэтому генетический код является триплетным, основанным на трёхбуквенных словах-кодонах (ACG, AGT, CGT и т.д.). Трёхбуквенный код может определить (4х4х4) шестьдесят четыре аминокислоты, что более чем достаточно.

Удивительно, что нет никаких препятствий для использования переменного кода. Часть аминокислот вполне могла обозначаться двумя буквами (от AC до GT), и только, когда бы исчерпались все 16 вариантов, можно было перейти к трём буквам (ACG и т.д.). Но почему-то именно в этом вопросе Природа проявила несвойственную ей математическую красоту.

Мало того, триплетный код является заведомо избыточным. Из 64-х возможных вариантов кодирования задействовано лишь 20. Очень интересно, с какой целью Природа оставила столь большой резерв?

На примере упомянутого селеноцистеина (номер 21, код TGA), видно насколько гигантский потенциал является не задействованным. Поскольку все 64 кодона потенциально жизнеспособны, у Природы есть очень большой задел для творчества. Если она смогла создать homo sapiens на базе 20-и аминокислот, то что (кто?) может появиться на базе 64-х?

Конечно, для нас интереснее всего понять геном человека, который является наследственным кодом жизни. В расшифрованном виде его можно записать как текст, в котором 3 100 000 000 знаков (нуклеотидов).

Если читать запись ежедневно без сна и отдыха, то её полная расшифровка займёт 30 лет. Напомню, что столь огромный объём информации, содержится в каждой клетке нашего организма без исключения.

Генетическая программа очень стабильная. В ней чётко прописаны все жизненные процессы. Она напоминает совершенную и безошибочную компьютерную программу.

Детальное изучение генетического кода привело к ряду удивительных открытий, ставящих под сомнение наше особое положение в Природе. У человека примерно столько же генов, как у травы. У водорослей ненамного меньше, около 20 000. По структуре генов мы отличаемся от мыши процентов на 10. У нас 46 хромосом, а у папоротников больше 600. Тритон генетически богаче нас более, чем в 5 раз.

Когда учёные установили эти показательные факты, стало ясно, что сложность организма определяется не числом генов, а тем, как именно они используются. Сам по себе геном лишь говорит нам из чего мы сделаны, но абсолютно не объясняет, как мы функционируем.

Достаточно неожиданными стали и сравнительные данные генома разных людей на разных континентах. Судя по ДНК, мы все чрезвычайно близкие родственники. Совпадение генома составляет 99,9%. Это достаточно странное генетическое однообразие для нашей планеты. У других видов в ДНК встречается в десятки раз больше расхождений, чем у людей. Совершенно непонятно, почему именно люди настолько генетически идентичны.

С другой стороны, идентичность не означает одинаковость. Микроскопические 0,1% определяют индивидуальность каждого из нас. Поэтому неверно говорить о едином геноме человека. Вариантов генетического кода столько же, сколько людей на земле. Как ни парадоксально звучит, но мы все практически одинаковые, однако, между нами нет ничего общего.

Я уже упоминал о том, что подавляющая часть нашего ДНК – это «мусор». Лишь меньше 2% генома приносят реальную пользу, кодируя белки. Тем не менее, остальные 98%, которые не несут значимой информации, не отбрасываются в «мусорную корзину», а зачем-то целиком переносятся из поколения в поколение.

Это очень странно, что большая часть ресурсов и энергии организма используется для копирования вроде бы бесполезных данных. Из 100 страниц базовой книги нашей жизни, 98 представляют собой бессмысленный и нечитаемый текст.

Скорее всего, у этого «мусора» всё же есть какая-то важная функция, о которой мы пока просто не догадываемся. Возможно, некодирующие последовательности ДНК являются «складом запчастей». Если какой-то ген не работает, то именно оттуда клетка извлекает фрагменты ДНК для его ремонта.

Стоит отметить, что те 99 из 100 знаков, которые у нас одинаковые с шимпанзе, относятся и к той части текста, которая является «мусором». Все те миллионы лет, как мы эволюционно разошлись с обезьянами, эти «ненужные» тексты и у нас, и у них продолжали зачем-то копироваться.

Что находится в «мусоре»?

Во-первых, псевдогены, то есть гены, погибшие в результате мутаций.

Во-вторых, древнейшие вирусы.

Наконец, в геноме содержится огромное число повторяющихся участков.

Выяснился ещё один очень загадочный факт.

У примитивных организмов соотношение кодирующих и некодирующих областей в геноме примерно равное. Сравнив разные геномы, учёные установили, что доля кодирующих участков в расчёте на геном резко уменьшается в ходе эволюции. Она очень мала у бактерий, но очень высока у людей.

Более того, в организме тем больше некодирующей ДНК, чем более сложно он организован.

Вывод поразительный – у «венца эволюции» практически весь геном состоит из неработающих частей. В ходе эволюции геном «разбавляется» и это почему-то обеспечивает эволюционные преимущества.

Так, может быть, именно «мусор» играет заглавную, регулирующую роль? А мы лишь смотрим на буквы гениальной рукописи Природы, абсолютно не понимая смысла текста.

Генетический код одинаков для всех живых организмов на Земле. Он не менялся с зарождения жизни. Правда, абсолютно непонятно, почему он именно такой, какой есть.

Этот факт неизбежно приводит нас к вопросу: может быть генетический код был изначально, а не возник в ходе эволюции?

При данной постановке вопроса, наиболее здравый ответ будет таким: генетический код был привнесён на Землю из космоса.

Глава 30. Эволюция

Живые существа изменяются со временем. Если в популяции создадутся условия, когда определённые особи получат преимущество в выживании и размножении, то у них будет больше шансов оставить здоровое и многочисленное потомство. Происходит естественный отбор. Впервые к таким выводам пришел Чарльз Дарвин29.

В теории эволюции всего два ключевых постулата:

1.Все представители любого вида различаются между собой.

2.Существует постоянная конкуренция за ресурсы для выживания. Признак, повышающий вероятность выживания, быстро распространяется по всей популяции.

Современные научные достижения, в первую очередь, связанные с расшифровкой генетического кода и изучением структуры ДНК, в целом подтверждают выводы теории Дарвина.

Эволюционисты убеждены в том, что первая живая клетка случайно образовались из неорганического вещества в первичном «бульоне». Потомки этой клетки стали разнообразно мутировать и путём естественного отбора породили всё многообразие видов, существующих на Земле.

Теория естественного отбора распространяется не только на животных, но и на микроорганизмы и растения. Как только появилось первое живое существо, способное самовоспроизводиться, дальнейшая эволюция и всё возрастающая сложность происходила почти в автоматическом режиме.

У многих людей слово «мутация» совершенно безосновательно ассоциируется, в лучшем случае, с негативной ошибкой, а, в худшем – с ходящими по ночному городу мертвецами-зомби. Но это абсолютно не так.

Вариативность наследственной информации во многих случаях является положительным качеством. Наоборот, отсутствие изменчивости – полностью тупиковый сценарий для развития. Если бы это было нормой, на Земле до сих пор жил бы единственный вид бактерий. Впрочем, он тоже давно бы вымер, не сумев приспособиться к окружающей среде.

Именно разнообразие и даже некая противоестественная причудливость жизненных форм неоднократно спасала живое от катаклизмов. Планета страдала от падения астероидов, от плохой атмосферы, от активного вулканизма, от глобального оледенения и многих других климатических катастроф. Но всегда на Земле оставался какой-нибудь живучий мутант.

Между прочим, он – ваш прямой предок, который, пережив трудности, продолжал мутировать и самосовершенствоваться.

Ошибка в копировании ДНК часто становилась на каком-то этапе эволюции положительным фактором. Любая мутация в какой-то мере продвигала прогресс. Даже если из 1000 результатов 999 были отрицательными, Природа располагала достаточным временем, чтобы единственный правильный вариант сработал. Вспоминая о том, какое огромное количество видов вымерло, можно говорить, что эволюция – это скорее непрерывное устранение лишних неудачников, а совсем не совершенствование и многообразие всех.

Всё говорит за то, что у эволюции нет строгих законов, подобных математическим. Конечно, в целом это системный процесс, но в деталях – случайный. При этом не догматический, то есть подразумевающий, что из любого правила может быть исключение.

Главным источником мутаций являются ошибки при копировании ДНК. Но, что управляет мутационным процессом: клетка, внешний фактор или, возможно, просто случайность?

Я, пожалуй, воздержусь от ответа на этот вопрос. Хотя он может быть на удивление простым и состоять в том, что любое копировальное устройство в принципе не способно работать без ошибок.

Теория эволюции подтверждается двумя главными научными доказательствами.

Первым являются многочисленные ископаемые останки живых организмов. Они убедительно свидетельствуют о том, что жизнь возникла в глубокой древности. Кроме того, ископаемые останки являются наглядным примером того, что жизнь постоянно усложнялась и становилась многообразнее.

Второе доказательство было получено относительно недавно, в связи с прорывными изучениями молекулы ДНК. Если теория Дарвина верна, то чем дальше разошлись эволюционные пути двух организмов, тем больше различий должно быть в их ДНК. Точно установлено, что это действительно так. ДНК человека и обезьяны содержат больше одинаковых последовательностей, чем ДНК человека и рыбы. Это полностью согласуется с основными идеями теории эволюции. Общий предок человека и рыбы на сотни миллионов лет старше, чем общий предков человекообразных приматов.

Скрупулезное изучение геномов самых различных живых существ убедительно доказывает, что все обитатели Земли необычайно похожи друг на друга. Структура ДНК и стандартная технология прочтения генетического кода у всех организмов одна и та же. Это решающий аргумент в пользу существования единого предка всех нас, которого назвали LUCA (по-английски – Last Universal Cellular Ancestor). Что мы знаем о нём?

К сожалению, очень мало. Определённо можно утверждать, что внутри LUCA происходили какие-то метаболические процессы, существовали какие-то мембраны и имелась какая-то система трансляций. Безусловно, он умел синтезировать белки. Его рибосомы были достаточно сложными РНК-белковыми комплексами.

Важно понимать, что LUCA – это не первая клетка, а общий предок бактерий и архей. Однако, последние исследования показывают, что на Земле существовала более древняя жизнь. Интересно, что это мог быть мир вирусов.

Вирусы бактерий и архей абсолютно разные. Это означает, что белковый и вирусный мир взаимодействовали между собой ещё до LUCA. Кстати, в мировом океане до сих пор в 10 раз больше вирусов, чем клеточных организмов. И именно они обеспечивают обмен генами между живущими в воде бактериями. Как вам вариант того, что первым настоящим нашим предком был паразит-вирус?

Теория эволюции очень убедительна и доказана буквально на генетическом уровне. В этой связи особенно показательно, что именно в последние годы значительно увеличилось число авторитетных критиков концепции Дарвина.

Скептики приводят достаточно серьёзные и вполне научные аргументы. Многие исследователи на каком-то интуитивном уровне чувствуют, что стройность теории может быть обманчивой. Складывается впечатление, что не учитывается нечто очень важное, выпадает какое-то ключевое звено в цепочке.

Поэтому стоит более подробно поговорить о доводах оппонентов дарвинизма.

Первая проблема заключается в том, что теорию эволюции никак не удаётся подтвердить экспериментами. Белковые цепочки и клетки совершенно не хотят самособираться случайным образом, колонию РНК вырастить не удаётся, синтезировать нуклеотиды не получается.

Нет ни одного учёного на Земле, который утром зашёл в лабораторию, а к вечеру создал бы жизнь, пускай даже самую-самую примитивную.

А ведь для достижения этой цели затрачены огромные организационные и финансовые ресурсы, предпринималось огромное число попыток создать хоть что-то живое, проблемой занимаются лучшие умы человечества. Но никак не получается решить задачу даже в искусственно подстроенных благоприятных условиях.

Эти неудачи смотрятся особенно контрастно на фоне настоящих прорывов, достигнутых за последние годы теми же физиками в изучении макро- и микромира.

Я, например, практически уверен в том, что происходящее на Земле нельзя рассматривать в отрыве от того, что происходит во Вселенной в целом. Возможно, именно из-за однобокости подхода, эволюционисты продолжают ходить по заколдованному кругу экспериментальных неудач.

Также против теории Дарвина успешно работает беспристрастная статистика. Это очень точная дисциплина, поэтому её выводы сложно опровергать абстрактными размышлениями.

В этой связи важно понимать, что современная наука способна достоверно определить вероятность случайного возникновения жизни. Для этого накоплен достаточный фактический материал. Так вот, все расчёты убедительно свидетельствуют о том, что случайное возникновение жизни – практически невероятное событие, даже если бы не только Земля, а весь наблюдаемый Космос сплошь состоял из первичного «бульона».

Когда я говорю о ничтожной вероятности, вы должны понимать, что речь идёт не о долях процента и даже не о миллиардной доли от миллионной доли. Статистически корректное число обсуждаемой вероятности содержит столько нулей после запятой, что для его записи на бумаге не хватит всего времени существования Вселенной, помноженного на триллион триллионов раз. Это настолько чрезвычайно малая вероятность, что объективный учёный просто не имеет права всерьёз допускать её практическую реализацию. У Природы просто не было времени для случайного самозарождения жизни.

Ещё один принципиальный вопрос – почему стала возрастать сложность?

Биологическая масса, а также общая численность бактерий на современной Земле до сих пор значительно выше, чем у всех высокоорганизованных существ вместе взятых. Жизнь вполне комфортно развивалась на бактериальном уровне три с половиной из четырёх миллиардов лет эволюции. И вдруг, совсем недавно по космологическим меркам, появились многообразные сложные формы живого. Правда, стоит отметить, что на путь усложнения встали отнюдь не все виды. Многие так и остались в «первобытном» состоянии. Однако, в целом, эволюционная стрела строго направлена от простого к сложному. Как это объяснить?

Кроме того, неясно почему эволюция не остановилась, допустим, на уровне высокоорганизованных рептилий?

Если нужна была сложная жизнь как таковая, то с этой задачей Природа справилась уже давно. При таком подходе нет большой разницы между относительно «простым» эукариотом (мухомор) и относительно «сложным» (человек). Но на Земле есть и тот, и другой, и они нормально сосуществуют в биосфере. При этом, старое не уничтожается, а добавляется к новому.

Честно говоря, это не совсем логично в безжалостном к конкурентам биологическом мире. Мне легче абстрактно вообразить тысячу планет, населённых исключительно примитивными формами, или даже сто планет, населённых исключительно сложными, чем одну, нашу Землю, где удивительным образом биологически сложное и биологически простое сочетаются в гармоничном симбиозе. Это практически необъяснимый консенсус в прагматичной и потенциально жестокой биосфере.

Наконец, теория эволюции в какой-то мере противоречит ряду базовых философских и даже физических доктрин.

Например, только эта научная концепция подразумевает самопроизвольное и случайное возникновение сложного из простого. А ведь нигде более в космосе не возрастает уровень порядка. Наоборот, всегда и везде повышается степень хаоса. Чашка, падая со стола, разбивается на мелкие части, а не наоборот. Никогда «простые» осколки скорлупы не собираются в «сложное» яйцо.