Версия для печати

Уроки креационной науки
в старших классах средней школы

Пособие для учителей и учащихся

У Р О К 5
ВОЗМОЖНО ЛИ САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ ?

На прошлом уроке мы уже рассмотрели хромосомы в клетках, как огромные компактные хранилища генной информации, тщательно копируемой и воспроизводимой. Законы передачи информации доказывают нам, что такая система не могла возникнуть случайно, сама собою, без воздействия всемогущего Разума.

Однако вспомним, что говорится в школьном учебнике о происхождении жизни из неживой материи. Приводится гипотеза акад. Опарина о случайном синтезе сложных молекул и их собирании в первобытном океане в сгустки — коацерватные капли, которые послужили основой возникновения некой пра-клетки, начавшей поглощать другие сложные молекулы из раствора и воспроизводить саму себя.

Приводится и дата возникновения этой гипотезы — 1924 год, заставляющая задуматься. Возможно ли было объективное научное исследование в такие времена в России? Что стало бы с ученым, если бы он заявил, что жизнь не может возникнуть сама собою, а может быть только создана Творцом? Кроме того, что знали ученые о клетке в те годы, когда не было еще электронного микроскопа, когда никто не знал толком, что такое генная информация и как она конкретно передается? Как развивалась молекулярная биология в продолжение 80 лет после возникновения этой гениальной идеи и неужели наука до сих пор все еще принимает ее всерьез?

Интересный, хотя косвенный, ответ дает нам пособие для учителей по проведению уроков биологии. Приведем несколько пространную цитату, школьники ныне вправе узнать один профессиональный секрет своих педагогов:

"Принятое распределение материала по годам обучения педагогически обосновано. Ознакомление учащихся с эволюционным учением в 9-м (ныне — 10) классе... помогает установлению и развитию исторического подхода к изучению проблем, составляющих содержание курса 10 (11) класса. К изучению его сложнейших вопросов десятиклассники подходят вооруженные знаниями общей теории развития живой природы. Без такой мировоззренческой подготовки клетка с ее тончайшими структурами, саморегулированием, самовоспроизведением, биологическим синтезом белка и передачей наследственной информации показалась бы чудом и могла вызвать мистические представления. Изучение дарвинизма в 9-м классе обеспечивает понимание клетки со всей ее слаженностью и согласованностью систем, как результата естественного отбора". [4]

Не дай Бог, еще в Бога уверуют! — так можно точнее и проще выразить эту яркую мысль.

Давление идеологической установки на преподавание естественных наук, особенно биологии, заметно впрочем не только у нас в стране, но и на Западе. Фактор Божественного чуда из науки усиленно изгоняется. Спрашивается: зачем? Если клетка действительно есть результат естественного отбора, то изучи ее получше — и сам легко придешь к выводам Дарвина и Опарина. Не нужна будет предварительная материалистическая обработка сознания. Но в том-то и дело, что из современных ученых никто не возмет на себя смелость высказать принародно такую теорию, которая хорошо смотрелась 70 или 150 лет назад на фоне общего незнания тех фактов биологии, которые мы знаем сейчас.

ОШИБКИ ГИПОТЕЗЫ ОПАРИНА

Самопроизвольное возникновение сложной органической молекулы уже противоречит законам термодинамики. Всякая система стремится к минимуму своей потенциальной энергии и к наибольшему беспорядку в себе. Иногда минимум потенциальной энергии требует установки некоего порядка: так образуется красивая шестилучевая снежинка или монокристалл алмаза. При этом порядке расположение молекул или атомов в решетке наиболее энергетически выгодно. Чтобы растопить снежинку или кристалл, надо затратить энергию. Но снежинка и кристалл несут в себе очень мало информации. По ним можно разгадать лишь пространственную структуру молекулы воды или кристаллической решетки. Кстати, при абсолютном нуле упорядоченность всех атомов максимальна, никакого хаоса нет — в этом состоит третье начало термодинамики, которое не проходят в школе. Но порядок этот таков, что в нем практически нет информации, и ее невозможно передать. Это казарменный порядок, внутри которого не может быть разнообразия идей. Об этом мы говорили уже на прошлом уроке.

Совсем не так обстоит дело с любыми сложными органическими молекулами. Все они высокоэнергичны. Сжигая в топке дрова или уголь, мы легко в этом убеждаемся. На синтез любых органических веществ требуется энергия, — при их распаде она выделяется. А со снежинкой и с кристаллом все происходит наоборот: на растопку нужна энергия, при кристаллизации она выделяется.

Итак, если органическая молекула будет предоставлена сама себе она устремится к минимуму энергии — то есть к распаду. К распаду она устремится и потому, что это более беспорядочное состояние. Если снежинка устремится к минимуму энергии — возникает простенький порядок. Беспорядок и минимум энергии как бы борются между собой за структуру снежинки: чья возьмет, еще неизвестно, это зависит от подвода или отвода тепла.

Но с органической молекулой происходит не так. И стремление к беспорядку, и стремление к минимуму энергии здесь не борются, а дружными усилиями разваливают молекулу на возможно более мелкие части. Потому синтез сложной органической молекулы очень сложен: он требует и подвода энергии и своевременного вывода случайно образовавшейся молекулы из-под действия этой энергии, иначе она развалит синтезированное образование и при том с большей охотою, чем вынуждена была его строить.

Итак, главная ошибка Опарина состоит в том, что он не учел гораздо большую интенсивность реакций распада (обратных реакций) по сравнению с реакциями синтеза в условиях — обратим внимание! — самой реакции. При меньших температурах соединение может быть устойчивым, но при них оно самопроизвольно и не возникнет. А если есть какая-то вероятность, что молекула, положим, некой аминокислоты может возникнуть каким-то образом из неорганических веществ, то гораздо больше вероятность того, что эта молекула в этих же условиях распадется. Синтезировать такую молекулу природа должна по принципу: получилось — охлади, унеси, спрячь и никому не показывай, а не то рассыплется.

"Если... какой-нибудь биохимик изолирует ДНК от ее природной среды или создаст ее искусственно в лаборатории, — пишет профессор биохимии Д. Гиш, — станет ли он хранить ее, растворив в воде при комнатной температуре? Нет, конечно. Он, вероятно заключит ее в ампулу под [жидким] азотом и заморозит. Даже в таких условиях химическая цепь молекулы медленно распадается, а биологическая активность постепенно понижается". [31]

Совершенной сказкой звучат рассуждения о том, как крупные молекулы собираются в коацерватные капли и начинают взаимодействовать друг с другом по образу будущего питания. Видал ли где-нибудь кто-нибудь в лаборатории что-то подобное? К тому же для синтеза молекул предполагались задействованными разряды электричества, молнии, а для коацервации требуются спокойные условия. Как выполнить эти требования одновременно?

ПОНЯТИЕ О СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ И ЕЕ РОЛЬ В ПРОЦЕССЕ

Все приведенные выше рассуждения "на пальцах" о направлении реакции синтеза сложных органических молекул имеют и свое формальное математическое выражение в химической термодинамике. Здесь вводится понятие свободной энергии (или энергии Гельмгольца-Гиббса), которое четко определяет, пойдет ли в данных условиях самопроизвольно конкретная реакция, или нет.

В ходе любой химической реакции может изменяться внутренняя энергия реагирующей системы веществ и ее энтропия. Предположим, что в ходе реакции при постоянном объеме выделилась какая-то энергия dU и в системе понизилась энтропия на dS. Всю выделившуюся энергию можно отдать окружающей среде в виде тепла, но далеко не всю ее можно превратить в работу. По крайней мере некоторую часть придется отдать в виде тепла среде, чтобы в среде возросла энтропия и компенсировалось бы уменьшение энтропии в системе. Это минимальное тепло выражается произведением ТdS. Итак в работу можно превратить только часть энергии, которая и именуется свободной.

dG = dU – TdS.

Эта разность и выражает то, что мы назвали борьбой в системе между стремлением к минимуму энергии и максимуму беспорядка. В конечном итоге, можно показать, что система стремится к минимуму свободной энергии. Самопроизвольно идут те реакции, где свободная энергия системы убывает. Также, как энтропию и внутреннюю энергию, свободную энергию можно рассчитать и предсказать по ней направление естественного хода данной химической реакции при данной температуре, чем постоянно приходится пользоваться в химии. При минимуме свободной энергии (dG = 0) возникает химическое равновесие между продуктами реакции и исходными веществами. Изменение температуры может соответственно смещать равновесие в сторону тех концентраций, которые вновь приведут к минимуму свободную энергию.

Замерзание воды протекает с совершенно определенным снижением внутренней энергии (отрицательным dU) и таким же определенным снижением энтропии dS. Два слагаемых в правой части формулы оказываются с противоположными знаками. При Т = 273 К (и нормальном давлении) достигается ноль свободной энергии. При меньшей температуре "верх берет" слагаемое dU, система стремится к минимуму энергии и вода станет замерзать. При большей температуре "одолевает" слагаемое ТdS — лед будет таять.

Реакция эндотермическая (с поглощением теплоты, с положительным dU) и к тому же с понижением энтропии (отрицательным dS) должна была бы идти с явным повышением свободной энергии: оба слагаемых в правой части формулы будут положительны. Такая реакция самопроизвольно никогда не пойдет. Но именно таковы все реакции синтеза сложных белковых молекул. И в самой клетке они идут лишь за счет того, что параллельно идет реакция более экзотермическая и более "энтропийная" (конкретно, синтез, перенос и распад АТФ, который рассматривается в школьном учебнике), так что в сумме общая свободная энергия клетки уменьшается.

ВЕРОЯТНОСТЬ СБОРКИ СЛОЖНОЙ МОЛЕКУЛЫ

Но предположим невероятное: необходимое количество биологических аминокислот собралось в одном месте и они не распадаются, каждую секунду вступая друг с другом по сто раз в реакцию образования именно пептидной, а не какой-то иной связи. Какова вероятность того, что самопроизвольно в результате этих реакций составится простенький белок из 100 аминокислот, подобранных в строгой последовательности?

Если вспомнить пример из первого урока и повторить расчет, то мы легко получим, что вероятность этого события равняется (1/20)100, поскольку в белках используется 20 видов аминокислот, и вероятность того, что именно нужная молекула встанет на каждое конкретное место равно 1/20.

Для того, чтобы представить себе, как мала полученная вероятность, проведем следующие расчеты. Во всей видимой Вселенной приближенно насчитывают 1080 элементарных частиц. Представим себе, что это не элементарные частицы, а только биологические аминокислоты, которые вступают во взаимодействие миллиард раз в секунду на протяжении тридцати миллиардов лет (самый большой из предполагаемых возрастов Вселенной). Но и тогда произойдет только 10107 реакций. В миллиарде миллиардов таких Вселенных не произойдет при таких условиях достаточного количества реакций, чтобы их хватило на перебор нужного количества комбинаций, и то при условии, что каждая неудачно построенная сборка тотчас разбирается и возвращается в исходное положение. Что говорить тогда о капле в этом космосе — о земном океане. Сколько миллиардов миллиардов ... лет понадобилось бы ему, чтобы даже при таких фантастически удобных условиях собрать самую простейшую из биологических макромолекул? Между тем, в самой примитивной клетке этих молекул сотни и тысячи!

Впрочем, опять-таки, нам возразят: требуется не какая-то конкретная, а для начала какая- нибудь аминокислотная последовательность. Пусть так, и пусть первая цепочка соберется совершенно случайно, какая получится. Но уже другая цепочка белка, "собирающаяся" как-то "контачить" с первой, не может быть произвольной, и для нее уже наш расчет вновь полностью применим. Таков, например, белок гемоглобина, состоящий из четырех цепей, соединенных между собой сложными связями. У каждого вида животных своя последовательность этих цепочек, но в одном белке они строго соответствуют друг другу. Пусть даже первой случайно собранной цепочке гемоглобиновой молекулы подойдут целый миллиард вариантов другой его цепочки. От нашего огромного числа 10107 мы легко можем отбросить десяток порядков и подарить сторонникам Опарина такую фору — вероятность их гипотезы от этого практически не увеличится и от нуля не оторвется.

На этом, кажется, вполне можно остановиться в подсчетах вероятности и под грудой сверхастрономических цифр навсегда похоронить гипотезу Опарина. Самые условия для расчета вероятностей выбраны нами благоприятными до невозможности. Тем не менее, даже имея возможность сделать указанный простенький расчет, очень солидные ученые тратили годы и десятилетия, чтобы доказать гипотезу Опарина экспериментально.

ОПЫТЫ С. МИЛЛЕРА

Школьный учебник упоминает об экспериментах Миллера по синтезу аминокислот и белков в условиях предполагаемой первичной атмосферы земли. К сожалению, ничего не говорится о реальных результатах этого очень сложного эксперимента, а они весьма показательны.

Миллер пропустил разряды электричества в 60 киловольт через кипящую смесь воды, метана, водорода и аммиака. Как и следовало ожидать, продукты реакции тут же разлагались ее обратным ходом. Миллер использовал холодильный сепаратор, позволявший быстро удалить продукты из зоны реакции.(Где и какой слепой случай создал бы такой аппарат на первобытной земле? А без него у эксперимента не было бы вообще никакого результата).

Из продукта реакции — клейкой дегтеобразной смеси — удалось выделить две простейших аминокислоты, содержащихся в белках — глицин и аланин. Прочих 18 видов аминокислот, содержащихся в белках, так и не удалось получить. Впрочем, были получены аминокислоты, вообще не содержащиеся в белках.

Критики первого издания указали нам, что холодильный сепаратор нужен был для накопления продуктов реакции в количестве достаточном для анализа. Причем установка работала для этого днями и неделями. Это, конечно, только подтверждает полное несоответствие эксперимента куда более неблагоприятным природным условиям. Без сепаратора эксперимент абсолютно немыслим, а в природе такой агрегат сам собою, конечно, возникнуть не мог бы.

Было отмечено, что аминокислоты — соединения довольно устойчивые. Но подчеркнем: в нормальных условиях, в сепараторе, а не в реакторе. Кроме того, устойчивость аминокислот не дает нам ничего для устойчивости их пептидной связи, в которой и состоит уже какой-то маленький результат. Аминокислоты сами по себе ненамного ближе к жизни, чем мочевина или глюкоза — такие же объекты органической химии и только.

Были и другие подобные попытки, но не более удачные. В частности к середине 80-х годов химикам удалось воспроизвести цепочку из 12 нуклеотидов, состоявшую только из гуанина и аденина (двух из четырех возможных видов нуклеотидов). При этом использовались только металлические катализаторы. Однако синтез самих нуклеотидов при этом производился не из какой-либо нерганической смеси, типа Миллеровской, а из органических продуктов. Вот пока и все успехи в синтезе ДНК — четыре триплета или крошечный кусочек одного гена, да и те получены не из неорганики! [31]. Нет нужды разъяснять, что и эти кусочки легко разлагались в обычном водном растворе.

В ходе этих попыток, — свидетельствуют специалисты и наши критики, — были получены липиды и полисахариды, причем в условиях более мягких, чем у Миллера. Все равно отсюда почти так же далеко до реальной белковой молекулы.

Следует отметить, что искусственный синтез хотя бы какого-то "фрагмента живого" из неорганических веществ свидетельствовал бы о высокой точности и грамотной постановке тончайшего и сложнейшего эксперимента, а вовсе не о неизбежности случайного возникновения жизни. В книгах по креационной науке часто встречается рисунок такого экспериментатора, который, возясь с пробирками, говорит: если бы мне удалось создать здесь жизнь, я бы доказал, что для ее создания разум не нужен. Это свидетельство против своего собственного разума!

Нет нужды говорить о том, как далеки результаты этих опытов от самого простейшего белка, и как далек сам этот белок от простейшей живой клетки. Нуклеиновые же кислоты синтезировать еще сложнее, как минимум на порядок.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗОМЕРИЯ

В курсе органической химии вы ознакомились с явлением изомерии, когда два вещества могут иметь одинаковый состав молекулы, то есть в точности равное количество атомов каждого элемента, но молекулы эти различаются пространственным расположением атомов. Это явление характерно и для биологических аминокислот. Как известно, общая формула аминокислоты такова:

Н

!

NH2 — C — COOH

! R — радикал, свой особый для каждой

R аминокислоты.

Эту формулу можно переписать иначе:

Н

!

NH2 -- C — R

!

COOH

Оказывается, что это не одно и то же. Пространственное расположение аминной и карбоксильной группы влияет на свойства не только аминокислоты, но, главное, на свойства составленного из нее полимера. Если составить пространственную модель молекулы, то станет видно, что первая форма расположения является зеркальным отображением второй. Поэтому и принято различать так называемые правые и левые формы изомеров.

Возникновение правой или левой формы в процессе миллеровского синтеза равновероятно, поэтому полученная им смесь аминокислот содержит равное соотношение правых и левых форм. Но интересно то, что в живых белках встречаются только левые формы аминокислот, которые только и могут придать белкам спирально-закрученную форму. Внедрение только одной "правой" формы аминокислоты в цепочку белка на любом месте — и белок к жизни уже не способен. Какая молния или какие коацерваты сумели так тщательно разделить изомеры, химически почти неразделимые?

Подобная же изомерия наблюдается у сахарозы, входящей в состав нуклеиновых кислот, причем все биологические сахарозы — правые изомеры. Как они могли отделиться в воображаемом первобытном бульоне от своих левых изомеров — химики не могут себе даже представить, не то что воспроизвести экспериментально. Кроме того, сахарозы могли бы соединиться с азотистыми основаниями и фосфорной кислотой множеством различных способов, которые нигде в живой ДНК не встречаются. Все это полагает непреодолимую преграду самопроизвольному возникновению жизни.

В белке, выведенном из живой клетки, некоторые аминокислоты при гидролизе самопроизвольно превращаются в правые формы, так чтобы смесь имела примерно равный состав тех и других аминокислот — в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Самым любознательным предлагаем прикинуть вероятность составления какой- либо пептидной цепочки состоящей из 100 любых, но только левых аминокислот, при условии, что вероятность присоединения к ней левой и правой аминокислоты одинакова.

ПРОБЛЕМА КИСЛОРОДА

Разработчики идеи самопроизвольного возникновения жизни вслед за Опариным считают, что в первобытной атмосфере не должно было содержаться свободного кислорода, иначе он окислил бы и разложил формирующиеся белки. Окисленное состояние одновременно и энергетически выгоднее, и беспорядочнее, чем состояние сложной молекулы.

Но геологи отвергли эту идею, поскольку самые древние, какие только существуют на земле осадочные породы содержат окисленное трехвалентное железо и карбонаты, то есть вещества с высоким содержанием связанного кислорода, которые вряд ли могли возникнуть в бескислородной атмосфере.

Кроме того, если ранняя атмосфера не содержала кислорода, то она не могла иметь и защитного озонового экрана и свободно пропускала полный спектр смертоносных ультрафиолетовых лучей, к которым особенно чувствительны нуклеиновые кислоты. Это излучение должно было моментально уничтожить любые компоненты жизни при самом их зарождении. Печальный выбор стоял бы перед такими сложными молекулами: кто их уничтожит, если не кислород, то ультрафиолет, а если не ультрафиолет, значит, кислород.

Здесь критики тоже указали нам, что от ультрафиолета мог надежно спасти метровый слой воды. Однако, молнии, смоделированные в опыте Миллера блистали отнюдь не в толще вод, а все- таки в атмосфере. Проворны же оказались органические продукты этих удивительных молний: сразу же нырнули в океан на метровую глубину! Почти что как те деревья в каменноугольном лесу...

ПРОБЛЕМА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

Еще одно очень важное условие возникновения самой примитивной формы жизни — это одновременное появление на свет в одном месте и в связанном виде и белков, и нуклеиновых кислот, кодирующих эти белки. Синтез нуклеиновых кислот производится с помощью белков-ферментов, а сами белки синтезируются по программе записанной и переданной с помощью нуклеиновых кислот.

При синтезе одного белка на одной рибосоме используются кроме информационной РНК все виды транспортных РНК (своя для каждого вида аминокислоты), а сама рибосома состоит из 3 разных молекул РНК и 55 своих белковых молекул. К этому прибавьте тот участок ДНК, с которого снята информация, плюс все энергетическое обеспечение процесса за счет синтеза и распада АТФ. Все это (и это еще не все) должно присутствовать в клетке одновременно, чтобы синтезировать только одну белковую молекулу! По сути дела, как отмечают специалисты, почти вся клетка участвует в синтезе одного (то есть каждого) белка.

Что же касается синтеза ДНК, то в этом процессе одновременно должно быть задействовано не менее 20 различных ферментов. Кроме того, в живой клетке всегда присутствуют исключающие друг друга белки. Если убрать некоторые препятствия, эти вещества тотчас взаимно уничтожат друг друга. Далее, клеточная мембрана обеспечивает условия внутри клетки, дающие возможность синтеза белка, но сама эта мембрана также состоит из белков.

Подобные примеры можно продолжить, но уже и так совершенно ясно одно: ни один из элементов живой клетки не мог возникнуть раньше других, ни один не мог улучшиться или развиться сам по себе, независимо от других. Все молекулы, составляющие клетку, должны "шагать" в ногу на всем пути своей воображаемой эволюции. Вероятность же такого развития еще более ничтожна, чем возникновение белковой молекулы.

Не поможет и стремление видеть первоначальную жизнь в виде вируса. Вне живой клетки вирус мертв, не размножается, не проявляет никакой активности. Никто уже всерьез не рассматривает вирусы, как первичную доклеточную форму жизни. Скорее, это последствие дегенерации клетки.

Короче сказать, самопроизвольное возникновение жизни настолько невероятно, настолько противоречит законам природы и любым предполагаемым условиям на земле, что серьезные ученые давно уже в это не верят, предоставив, впрочем, педагогам забивать юные головы баснями про коацерватные капли. Но и признать сотворение жизни Единым Всесильным Творцом решаются немногие. Большинство же или вовсе не говорит на эту тему, как Дарвин в свое время, или сочиняют новые басни о наличии в космосе повсюду неких семян жизни, или о принесении жизни на землю какими-то пришельцами из космоса. Но как могли возникнуть эти семена где бы то ни было? — Все приведенные против этого возражения остаются в силе.

Удивительно, как много интеллектуальных и материальных жертв принесло и приносит человечество различным своимм атеистическим химерам. Сколько лет нужно было трудиться над заведомо безнадежным экспериментом Миллера, (а ведь подобным поиском занималась не одна лаборатория). Сколько сил тратится на поиск космического разума с орбитальных радиотелескопов, чрезвычайно дорогостоящих! Поистине, алхимики средневековья, пытавшиеся из смолы и грязных тряпок "сварить" живого человечка, не так уж глупо смотрятся на фоне современных ученых-материалистов, синтезирующих клетку в пробирке!

Интересно единственное критическое замечание атеиста на все доводы этого пункта. "Клетку в пробирке никто и не пытается синтезировать. Клетка не химический, а биологический объект. Синтезировать ее химическими методами нельзя по определению". Если так, то кто придумал слово "абиогенез", означающее самопроизвольный переход от нежизни к жизни? Кто твердит в учебнике о химической эволюции, якобы предваряющей биологическую? Или же приведенное высказывание означает просто капитуляцию материализма? Это и есть та самая распространенная фраза биологов, что законы биологии не сводятся к химии. Правильно, но если жизнь не химия и даже возникает против всех мыслимых законов химии, против законов всей неживой материи, то откуда же она взялась в таком случае?

ПОДДЕРЖАНИЕ УПОРЯДОЧЕННОСТИ ЖИВОГО ОРГАНИЗМА

Достойно удивления не только возникновение живой клетки, которое должно было бы произойти не иначе как с нарушением законов термодинамики. Не менее парадоксально то, что живые организмы, похоже, игнорируют до какой-то степени этот закон в своей деятельности. Если, конечно, так можно выразиться.

Когда физики впервые дерзнули взглянуть на живое глазами своей науки, они сразу же обратили внимание на то, как компактно хранится наследственная информация в хромосомах и что с точки зрения статистической термодинамики так не может быть!

Еще не зная, что такое ДНК, из каких нуклеотидов она состоит, как она удваивается, как передает свою информацию для синтеза белка на рибосомах, (всего, что входит в нынешний школьный учебник биологии) в 40-х годах ХХ века один из главных создателей квантовой механики Э. Шредингер сравнил размер атома с размером участка хромосомы, влияние на который может вызывать мутации. Проще сказать, сравнил размер гена и атома и, оценив, что первый только в тысячу раз по объему больше второго, указал, что обычное тепловое движение непременно должно бы вызывать случайные изменения во всех наших генах достаточно часто для того, чтобы смертоносные мутации появлялись у всех живых организмов буквально в каждом поколении!

Физики знают ряд явлений, в основе которых лежит хаотическое тепловое движение частиц, и которые подчиняются определенным закономерностям. Таковы, например, процессы теплопроводности или диффузии, описываемые довольно точными уравнениями, в которые не вторгается случайность, хотя они описывают именно случайное поведение молекул. Но вместе с тем, физикам известно важнейшее условие возможности возникновения и поддержания такого "порядка из беспорядка". Условие просто: частиц должно быть очень много, и они должны быть очень малыми в сравнении с размерами исследуемого объекта. Молекул в пробирке вполне достаточно, чтобы, скажем, растворение кристалла соли и выравнивание концентрации происходило всегда за строго определенное время при постоянной температуре. "Ошибки движения" отдельных молекул не портят общую закономерность, потому что молекул в пробирке слишком много, а размеры молекулы слишком ничтожны по сравнению с размерами сосуда.

Атом же оказался слишком велик по сравнению с геном, чтобы порядок генов можно было считать следствием каких-то статистических закономерностей. Шредингер вместе с другими физиками приходит к выводу: строжайший и точнейший порядок частиц в живом организме рождается не от беспорядка (как некое статистическое обобщение оного), а от прежде установленного порядка.

Из вышеприведенных соображений Шредингер заранее предсказал, что в основе хромосомы, несущей наследственность, лежит совершенно неизвестная доселе науке одна молекула. С точки зрения квантовой теории между кристаллом и молекулой в сущности нет разницы, и, указывая на это обстоятельство, создатель квантовой теории именует эту молекулу апериодическим кристаллом, который сохраняет свои свойства почти не поддаваясь влиянию теплового движения частиц. Теперь мы знаем, что молекула ДНК и представляет собою по сути именно это. (Если кому-то неловко называть кристаллом довольно гибкую хромосому, то пусть представит себе медную проволоку, скрученную в спираль, — указывает Шредингер, косвенно угадывая даже спиральную структуру ДНК — линейного непериодического кристалла- молекулы.)

Вот, кстати, интересный пример, как верная посылка (жизнь — порядок, возникающий из порядка) дает и верное предсказание. У Опарина была противоположная посылка: жизнь — порядок, самопроизвольно возникающий из беспорядка. Сравнить результаты предоставляем читателю.

ОРГАНИЗМ КАК ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Сказав, что живые существа "игнорируют" в некоторой мере законы термодинамики, мы должны отдавать себе отчет, что в целом организм и каждая его клетка во взаимодействии со внешней средой, конечно же, их соблюдает. С точки зрения термодинамики любое животное является образцом тепловой машины, принципы которой изложены еще С. Карно и изучаются в школьном курсе физики.

Первичную энергию, необходимую для жизнедеятельности, животное получает вместе с пищей. Роль паровозной топки исполняет желудок. Обратим внимание, что животные могут употреблять в пищу лишь органические вещества — высококалорийные продукты. Мы уже говорили, что все "живые молекулы" довольно энергоемки — при их разложении выделяется энергия.

Эта энергия первосортная, упорядоченная, нетепловая. Другими словами, наша пища содержит много свободной энергии, понятие о которой мы уже ввели. Благодаря равновесному процессу пищеварения практически весь избыток этой химической энергии пищи, по сравнению с продуктами ее распада, организмом усваивается. Это усвоение значительно эффективнее, чем если бы мы то же тепло передали какому-то рабочему телу в топке путем сжигания. Можно сказать, КПД желудка значительно выше КПД парового котла.

Итак, энергия нагревателя животным получена. Она разделяется, как положено, на полезную работу и "тепло холодильника", сбрасываемое в окружающую среду. В этом месте у любой тепловой машины должны быть принципиально неустранимые энергетические потери, которые невозможно понижать сколь угодно. Основная причина, почему КПД тепловой машины не может даже в идеале приближаться к единице, состоит в необходимости особого теплового сброса в окружающую среду. Когда мы работаем в поте лица, то легко замечаем как полезную работу, так и это "тепло холодильника" — нам становится жарко. Энергия пищи равняется сумме полезной механической работы и выделенного организмом тепла — так требует первое начало термодинамики. Вся энергия, выделенная при усвоении пищи, будучи тепловою, не может целиком перейти в полезную работу; часть энергии выделяется в виде тепла, — вот требование второго начала термодинамики. Оба закона организмом животного выполняются.

Каков же тогда общий смысл его жизнедеятельности? И энергетический, и материальный баланс взрослым организмом поддерживаются в обычных условиях неизменно. Сколько животное получает массы и энергии, столько же в среднем отдает в окружающую среду. Конечно, животному нужна совершаемая им механическая работа: нужно бегать, плавать, вить гнездо или копать нору. Но главное значение жизнедеятельности, как подчеркивает Шредингер, не в этом. Животное питается, главным образом, той упорядоченностью частиц, которая содержится в продуктах питания и эта упорядоченность позволяет организму постоянно противодействовать самопроизвольно нарастающему в нем хаосу.

Потребляемые продукты не просто содержат больше утилизуемой энергии, чем выделения, они содержат больше структуры и порядка; и наш организм научен извлекать этот порядок для себя, чтобы компенсировать беспорядок, рождающийся сам собою только в силу того, что наше тело состоит из частиц, участвующих в тепловом движении. По сути дела ту же мысль мы и выразим, если скажем, что организм питается свободной энергией потребляемых продуктов, которую он превращает в механическую работу (см. выше о свободной энергии).

В сущности, в растениях происходит то же самое. Только вместо высокоупорядоченных и высококалорийных молекул пищи растения используют солнечный свет — значительную по количеству и ценную по качеству энергию. Часть этой энергии растения запасают в связанном виде (ткани листьев, плодов и т. д.), перерабатывая выделения животных: углекислый газ, воду и прочее, а часть ее вынуждены выделять в окружающую среду.

В строгом соответствии со вторым началом термодинамики никакая жизнь невозможна в замкнутой системе. И Земля в целом, как планета населенная, поддерживая массовый и энергетический баланс (пока нет еще глобального нагревания или охлаждения всей планеты), "питается", образно говоря, упорядоченностью солнечной энергии, сбрасывая равное количество неупорядоченной энергии в виде своего теплового излучения.

В сущности, именно в этом заключается главное и определяющее свойство жизни с точки зрения термодинамики. Здесь лежит резкая пропасть между жизнью и нежизнью. Жизнь способна забирать из окружающей среды порядок, нежизнь на это неспособна. Вот и вся разница. Потому-то и переход от мертвого к живому есть барьер качественный и непреодолимый для материи самой по себе.

НЕМНОГО О ПРОБЛЕМЕ САМООРГАНИЗАЦИИ

Впрочем, и здесь нужно некоторое уточнение. Как мы уже говорили, второе начало термодинамики требует, чтобы в целом энтропия мира росла, чтобы энергия в целом превращалась в менее организованную, чтобы она рассеивалась. Оказывается, при некоторых существенно неравновесных условиях, например, при очень резком перепаде температур между двумя поверхностями, между которыми заключена какая-то жидкость, процесс рассеивания энергии идет лучше, если при этом возникает некоторая упорядоченность или некоторая, как ее называют, диссипативная структура в этой среде. При снятии резко неравновесных условий структура тотчас исчезает.

Возникновение такой неравновесной структуры не противоречит второму началу, потому что в целом энтропия среды при этом растет, хотя локально, в структуре, она может снижаться. Возникновение таких структур назвали самоорганизацией, а область науки, занимающейся этими исследованиями получила название синергетики. "Заинтересованные лица" обнадежились: оказывается, порядок, хотя бы локальный, может возникнуть из хаоса. Может быть, и что-то живое удастся получить из неживого, не входя в противоречие со вторым началом термодинамики?

Однако и эта отрасль науки к жизни нас почти не приблизила. Хотя слово самоорганизация в просторечии стало восприниматься, почти как синоним самозарождения жизни, корифеи синергетики весьма осторожны в своих суждениях по этому поводу. Вот суждения ведущего из них, Ильи Пригожина, который неоднократно предостерегает читателей своих работ о недопустимости распространения его результатов "на вечные вопросы". Он пишет: "Ничтожно мала возможность того, что при обычных температурах гигантское количество молекул расположилось так, чтобы дать начало высокоорганизованным структурам и взаимосогласованным функциям, характерным для живых организмов. Поэтому идея самопроизвольного зарождения жизни в ее нынешнем виде в высшей степени неубедительна". И еще: "Возможность преодолеть порог между живым и неживым создается не просто какой-то одной неустойчивостью (то есть проще говоря, какой-то одной из структур, полученных синергетиками. — с. Т.). Здесь замешана скорее целая цепь неустойчивостей, в которой мы только начинаем различать отдельные звенья" [ цит. по 71].

Синергетика наука очень сложная, использующая серьезный математический аппарат. И все же, отдавая себе отчет в трудности задачи, постараемся пояснить "на пальцах" сказанное. Неустойчивость в синергетике служит для быстрейшего и лучшего рассеивания энергии. Цель жизни состоит в другом — в поддержании и воспроизводстве жизни. Потому неустойчивость упорядоченна лишь термодинамически, а жизнь упорядоченна еще и информационно. Неустойчивость может рождаться из хаоса, потому что она не несет той информации, которую несет жизнь. Жизнь — структура иерархическая, несущая такую сложную многоуровневую информацию, которая из хаоса родиться не может (ср.: "целая цепь неустойчивостей"). В главе об информации мы немного сказали об этом, чтобы теперь стало ясно, для чего.

Кстати, корифеи науки с мировым именем вообще очень осторожны в своих мировоззренческих высказываниях. Если они гласно прославят Творца, то их с официальной научной трибуны обзовут обскурантами, но если они выскажут открыто атеистическую идею, которая в сущности не может не быть глупой, то их умные коллеги и ученики перестанут их всерьез уважать. Отвернувшись, они незаметно покрутят пальцем у виска и шепнут: "Сказал ученый в сердце своем: нет Бога" (ср. Пс. 13).

КАК ЖЕ "НАРУШАЕТСЯ" ВТОРОЕ НАЧАЛО В ОРГАНИЗМЕ?

Итак, организмы в целом в своем взаимодействии со средой вполне подчиняются законам термодинамики и могут рассматриваться как открытые тепловые системы. Но, заглянув внутрь клетки мы увидим настоящие чудеса, явления, которым пока нет разумного объяснения в рамках современных достижений физики, особенно с учетом второго начала и хаотического движения частиц. Еще Шредингер отмечал, что у живого должны быть свои особенные физические законы, но с тех пор наука, похоже, только удалилась от их понимания.

Все было бы просто, если бы ДНК была всего лишь апериодическим кристаллом, эдаким золотым ключиком, очень устойчивым от любых повреждений при хаотическом движении частиц, который просто отец передает сыну и этим все ограничивается. На самом деле при каждом делении клетки (митозе) из одного "ключика" получается два и они должны быть совершенно одинаковы. С ДНК постоянно списывается часть информации для синтеза того или иного белка. Этот белок синтезируется на рибосомах методом ускоренной конвейерной сборки, так что скорость соединения аминокислот в пептидную цепочку в десять раз превышает скорость пулеметной ленты! (Любопытно, хотя и не всем биологам нравится обращать на это внимание, что аминокислоты вне организмов проще соединяются не в пептидные связи, то есть не при помощи аминной и карбоксильной групп, а при помощи своих радикалов, но в живой клетке такое абсолютно исключается.) Любые ошибки удвоения ДНК или синтеза белка почти мгновенно исправляются "бригадой контролеров" — таких же белков, которые синтезируются в той же клетке и тоже под контролем. Попробуйте разобрать, который из белков был первым и кто контролировал его синтез?

В этом потрясающем многоконвейерном заводе — клетке — буквально нет ни одного лишнего движения его "рабочих". И все это происходит не при абсолютном нуле, а при комнатных температурах. Но где же тепловое движение, почему оно почти не совершает своих "диверсий"? Идет точнейшая сборка, нитка вставляется в игольное ушко, причем толщина и нитки, и ушка намного меньше, чем обычные тепловые колебания той и другого. Попробуйте попасть с первого раза! Ведь это только на картинках в учебнике молекулы изображают сцепленными неподвижными шариками. В нормальном веществе при обычных температурах все эти шарики в бусинках должны трястись крупной дрожью. Но этими трясущимися нитками и иголками шьются невообразимо сложнейшие узоры и с невероятно малыми погрешностями.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Для сравнения вспомним, что в обычных химических реакциях так никогда не бывает. Представьте себе какой-либо реактор, хотя бы просто камеру сгорания двигателя, куда подаются реагенты. Даже если реакция протекает необратимо, а перемешивание продуктов полное, все равно на выходе мы получим не чистый интересующий нас продукт, а смесь его с остатками исходных веществ и какими-то побочными или промежуточными соединениями. Например, в ходе даже такой резко необратимой реакции, как горение метана в чистом кислороде, среди продуктов будет не только углекислый газ и вода, но и какая-то примесь угарного газа, самого метана и кислорода, а может быть, и что-то еще. После собственно реакторной камеры основная часть любого химического производства бывает задействована на выделение искомого продукта из реакторной смеси. Неиспользованные исходные продукты обычно вновь возвращаются в реактор. Вспомните из курса химии производство серной кислоты или аммиака и убедитесь, что реактор — лишь довольно малая часть всего производственного цикла.

Обычно ситуация осложняется еще тем, что реакция протекает обратимо, и тогда на выходе получается самая невообразимая смесь, и еще хорошо, если искомый продукт составит в ней 10–20%. Более того, реакция вообще может идти только в том случае, если продукт или энергетически устойчивее, или "беспорядочнее" исходных веществ. Мы уже говорили об этом, обсуждая опыт Миллера и понятие свободной энергии. Равновесие реакции достигается при ее минимуме. Можно не сомневаться, что заветные аминокислоты, которые получил-таки Миллер составляли в общей массе конечного продукта весьма незначительную долю.

Такова химия, основанная на статистической механике. Столкновение двух молекул, приводящее к реакции — сугубо вероятностный процесс. Всегда есть вероятность, что не все до единой молекулы распределятся по парам и эти пары не все прореагируют, и при этом почти наверняка найдутся такие молекулы продукта, которые за то же время вновь распадутся на исходные вещества. Потому абсолютно необратимых реакций, строго говоря, не бывает.

Если бы жизнедеятельность клетки протекала по таким законам, то эта клетка на 99% состояла бы из "химического мусора". Клетка не может позволить себе такую роскошь, как реакции, подчиненные вероятностным законам! Ее деятельность потрясающе направлена и упорядочена до самых ничтожных мелочей.

Ограничимся таким объяснением "на пальцах" и приведем лишь такое наблюдение современных биофизиков (Р. Кунафин, Дж. Карери и др.); в момент образования пептидной связи тепловые движения атомов непонятным образом "замораживаются", что и обеспечивает стопроцентное "попадание". Это относится не только к синтезу белка, но и вообще ко всем клеточным реакциям подобной же сложности.

Сказанное выше можно подытожить так. Трудность создания жизни из нежизни состоит не только в том, чтобы каким-то образом собрать упорядоченную молекулярную структуру неимоверной сложности. Случайным образом это совершенно невозможно, а сознательной деятельностью в рамках нынешних законов молекулярной физики — пока неосуществимо. Но даже не это главное. Собранную упорядоченную молекулярную структуру нужно "научить" функционировать по законам другой химической кинетики, в которой практически нет места случайным соединениям атомов. Иначе собранная структура будет не более чем трупом, и чем выше уровень сложности структуры, тем более свежим будет этот труп выглядеть. Но живым он при этом не станет!

Воистину в живой клетке какая-то совершенно своя, иная внутренняя термодинамика! И это при том, что для внешней среды макропроцессы организма и каждой отдельной клетки вполне вписываются в обычную термодинамику. Понимаем ли мы, что такое жизнь? Задумываемся ли, откуда она могла взяться? Ценим ли ее, как должно?