ФОРМУЛЫ ПРОПУЩЕНЫ, BOЗМOЖНЫ OШИБКИ, СВЕРЯЙТЕ С ОРИГИНАЛОМ
ОТ РЕДАКЦИИ
Выбор статей определялся намерением осветить с позиций физики и химии основы и наиболее характерные проявления жизни, начиная с процесса происхождения жизни и кончая столь сложной сферой, как деятельность человеческого мозга. Разумеется, в таком небольшом сборнике невозможно было затронуть все важные проблемы современной биологии. В нем отсутствуют, например, специальные статьи по механизмам роста и развития (мимоходом этих вопросов касается Уоддингтон), статьи, в которых рассматривались бы механизмы корреляций, жизнедеятельность организма как целого и т. д. И все же проблемы, освещенные в сборнике, хорошо отражают те «точки роста», в которых развитие биологической науки особенно сильно зависит от результатов совместных усилий биологов, физиков и химиков и где исследования последних лет достигли особенно разительных успехов. В большинстве случаев сложные научные проблемы излагаются в занимательной и доступной форме, благодаря чему книга представляет интерес для самых широких кругов биологов, химиков и физиков. Однако при чтении книги надо иметь в виду, что авторы адресовали ее американскому читателю. Поэтому они опираются главным образом на американские работы и в меньшей степени используют результаты исследований, проведенных учеными других стран.
Рассматривая основные жизненные явления с позиций физики и химии, авторы не всегда свободны от механистических толкований биологических проблем, особенно в вопросах наследственности.
В сборнике собраны статьи, публиковавшиеся в журнале на протяжении ряда лет, поэтому, естественно, что не всегда они отражают последнее слово науки в той или иной области. Некоторые из проблем гораздо шире и методологически правильнее освещены в работах советских исследователей (например, в книге акад. А. И. Опарина «Возникновение жизни на Земле», в работах акад. В. А. Энгельгардта по механохимии и энергетике мышечных сокращений и движений и т. д.).
Однако и в настоящем виде сборник представляет значительный интерес, в основном отражая тенденции развития биологических исследований в тех наиболее сложных и трудных областях, где открываются глубокие и интимные основы жизненных явлений и где особенно большие успехи в исследовательской работе сулит сочетание методов биологии, физики и химии.
Происхождение жизни
Дж. Уолд ПРОИСХОЖДЕНИЕ жизни
Примерно сто лет назад вопрос о происхождении жизни, всегда интересовавший людей, зашел в тупик. Издавна на этот вопрос предлагалось два различных ответа. Одни полагали, что жизнь была некогда сотворена на Земле какой-то силой, другие считали, что живое непрерывно возникает из неживой материи. Первое объяснение ненаучно, и принимать его в расчет нельзя. Когда же несостоятельным оказалось и второе, ученые почувствовали некоторую неловкость, оставшись без всякого ответа на этот важный вопрос. В конце концов они вообще перестали задавать себе его.
Недавно, однако, снова были найдены пути научного объяснения происхождения жизни как естественного процесса. Отчасти это стало возможным благодаря накоплению новых сведений. Однако теория никогда не возникает сама собой, как бы многочисленны и достоверны ни были известные нам факты. Теория должна быть создана. Наши современные представления в этой области впервые были объединены в ясную и правдоподобную теорию советским биохимиком А. И. Опариным в его книге «Возникновение жизни на Земле», опубликованной в 1936 г. Теория Опарина представляет собой основу, на которую опираемся все мы, работающие в этом направлении.
Всякая попытка понять, как возникла жизнь, порождает множество различных научных вопросов. Это заставляет нас углубляться в различные области науки, что со временем несомненно поможет пролить свет на многие ныне неясные проблемы. При этом нас воодушевляет надежда, что мы не только сумеем объяснить величайшее событие прошлого (что само по себе очень важно), но и докажем, что найденное нами объяснение правильно. Если мы действительно сумеем понять, как может живой организм возникнуть из неживой материи, то мы сможем создать хотя бы самый простой организм — самый простой, но несомненно живой. Это сможет быть осуществлено столь не скоро, что трудно решиться даже поверить в такую возможность. И тем не менее именно так оно и будет.
Один из ответов на вопрос «как возникла жизнь?» заключается в признании акта творения. Это вполне понятное отождествление природы с производством. Люди привыкли создавать вещи, и поэтому у них легко возникает мысль: «если это не создано человеком, то, очевидно, создано божественным существом». У большинства народов существуют легенды о божественном сотворении жизни. Есть такой рассказ и в библии, в первых главах книги Бытия. В нем повествуется о том, как бог создал живые существа — сначала растения, затем рыб и птиц, затем наземных животных и, наконец, человека.
Однако люди с более рационалистическим складом ума издавна склонялись к другой точке зрения. Казалось, стоит только довериться свидетельству собственных органов чувств, чтобы убедиться, что жизнь постоянно возникает из неживого: червяки — из тины, белые черви — из гниющего мяса, мыши — из различных отбросов. Эта точка зрения получила со временем название теории самопроизвольного зарождения. Мало кто из ученых отвергал ее. И Аристотель, и Ньютон, и Гарвей, и Декарт, и Ван-Гельмонт — все они допускали возможность самопроизвольного зарождения, не вдаваясь в критическое рассмотрение этой теории. Даже богословы соглашались с ней, как это делал, например, английский иезуит Дж. Нидхэм. Ведь книга Бытия учит нас, что бог не сам создал растения и большую часть животных, а приказал воде и тверди порождать их. Поскольку это приказание никогда не отменялось, не было ничего еретического в убеждении, что этот процесс продолжается и поныне.
Но шаг за шагом, в жестоких спорах, продолжавшихся более двух столетий, эта теория была в конце концов разгромлена окончательно. Первый удар был нанесен еще в семнадцатом столетии, когда итальянец Франческо Реди показал, что если мясо накрыть сеткой, чтобы мухи не могли откладывать на него яйца, то в нем никогда не разовьются личинки. В следующем столетии итальянский священник Лаззаро Спалланцани установил, что если прокипятить питательный бульон в закупоренной бутылке, то в нем никогда не развиваются микробы и он не загнивает. Нидхэм, оспаривая выводы Спалланцани, заявлял, что слишком сильное нагревание бульона и особенно воздуха над ним делает и бульон и воздух непригодными для жизни. Спалланцани удалось «реабилитировать» свой бульон: когда он откупоривал сосуды, давая доступ свежему воздуху, бульон быстро начинал портиться. Но ему не удалось доказать, что воздух в закупоренном сосуде оставался пригодным для жизни. Этот вопрос в конце концов решил Луи Пастер, который в 1860 г. повторил опыт Спалланцани, слегка видоизменив его. Пастер также кипятил бульон, но вместо того, чтобы закупорить сосуд, он вытянул горлышко сосуда в длинную S-образную трубку с открытым концом. Молекулы воздуха могли свободно входить в такой сосуд и выходить из него, но более тяжелые частицы пыли, бактерии и споры плесени, находящиеся в атмосфере, оседали на стенках изогнутого горлышка сосуда и только изредка попадали в бульон. В таком сосуде бульон редко загрязнялся; обычно он очень долго оставался чистым и стерильным.
Это был лишь один из опытов Пастера. Нелегко было бороться с таким укоренившимся представлением, как теория самопроизвольного зарождения. В подобном деле ничто не может быть для ученого столь полезным, как упорный и энергичный противник, а такой у Пастера был. Это был естествоиспытатель Феликс Пуше, возражения которого, выдвигаемые им перед Французской академией наук, заставляли Пасгера проделывать все более убедительные опыты. Когда он их наконец окончил, от теории самопроизвольного зарождения не осталось ничего.
Обычно, рассказывая эту историю лицам, приступающим к изучению биологии, мы приводим ее как пример торжества разума над мистицизмом. В действительности, однако, дело обстояло скорее наоборот. Разумнее было бы поверить в самопроизвольное зарождение, ибо иначе нам остается поверить в изначальный акт божественного творения. Третьего выхода нет. Поэтому многие ученые в прошлом столетии рассматривали теорию самопроизвольного зарождения как «философскую необходимость». Большинство современных биологов, отмечая с удовлетворением падение гипотезы о самопроизвольном зарождении, не хотят признать вторую гипотезу — о сотворении жизни — и остаются ни с чем.
Мы полагаем, что у ученого, желающего понять происхождение жизни, нет другого выхода, как допустить возможность самопроизвольного зарождения. Опыты Реди, Спалланцани и Пастера опровергли лишь одно — убеждение, что живые организмы могут возникать самопроизвольно в современных условиях. Нам теперь предстоит решить другой вопрос: «Каким образом могли организмы зародиться самопроизвольно в другое, отдаленное время, если они не могут зарождаться теперь?»
Для того чтобы создать организмы, нужны определенные вещества, соединенные в определенных соотношениях и в определенном порядке. Мы не считаем, что тут может потребоваться что-либо еще, но и это само по себе отнюдь не мало.
Необходимые вещества — это вода, некоторые соли (которые,, кстати, имеются в морской воде) и углеродные соединения. Последние называют еще органическими, так как почти все они являются продуктами жизнедеятельности организмов.
Органические вещества состоят в основном из четырех видов атомов: углерода, кислорода, азота и водорода. Эти атомы в целом составляют 99% живой материи, в которую входит и вода, состоящая из кислорода и водорода. Органические вещества, содержащиеся в организмах, подразделяются на четыре крупных класса: углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. Фиг. 1 — 4
дают представление о строении и степени сложности этих веществ. Самые простые из них — жиры. Они состоят из трех жирных кислот, связанных со спиртом глицерином. Крахмал и гликоген состоят из углеводных остатков, связанных между собой в длинные прямые или разветвленные цепочки. Как правило, в данном виде крахмала или гликогена имеются углеводные остатки одного типа. Молекулы полисахаридов велики, но имеют относительно простое строение. Углеводы и жиры служат для организма «топливом», т. е. источником энергии.
Нуклеиновые кислоты построены гораздо сложнее. Их молекулы очень велики и состоят из более простых единиц — нуклеотидов, соединенных в самых разнообразных пропорциях и в различной последовательности. Число возможных видов нуклеиновых кислот почти бесконечно, и считается, что специфические различия между ними имеют исключительно важное значение. Многие полагают, что эти структуры являются основной составной частью генов — носителей наследственных признаков.
Однако разнообразие и специфичность еще более присущи белкам, которые состоят из самых больших и сложных молекул. В состав молекулы белка входят остатки свыше 20 различных аминокислот. Аминокислотные остатки соединяются между собой в цепочки из сотен и тысяч единиц в разных пропорциях и в самой различной последовательности. Эти цепочки разветвляются и свертываются самыми разнообразными способами. Число возможных видов белка поистине бесконечно. Организмы используют, по-видимому, это обстоятельство, так как у разных видов живых организмов — животных или растений — белки различны.
Фиг. 3.-Нуклеиновые кислоты — третий тип углеродных соединений, участвующих в жизненных процессах.
На фигуре представлена часть молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, остовом которой являются молекулы пятиуглеродного сахара, чередующиеся с молекулами фосфорной кислоты. Буква R означает любое из четырех азотсодержащих оснований — двух пуринов и двух пиримидинов.
Таким образом, органические молекулы образуют целый ряд самых разнообразных и исключительно сложных структур. Однако все они необходимы организму. Трудность заключается именно в том, что, для того чтобы понять, как возникли живые существа, мы должны объяснить, как могли возникнуть такие сложные молекулы. Но и это всего лишь начало. Чтобы создать организм, нужно не только огромное число различных веществ в определенных количествах и соотношениях, но и строго определенное их расположение. Строение в данном случае так же важно, как и состав, и притом какое сложное строение Самая сложная машина из всех, какие когда-либо создавал человек — ну, скажем, «электронный мозг», — не более чем детская игра в сравнении с самым простым из живых существ. И что особенно затрудняет дело — это ничтожно малые размеры всех этих сложных живых структур. Вся сложность состоит в точной подгонке одной молекулы к другой, столь точной, что никакому химику не под силу ее осуществить.
Стоит только задуматься над сложностью всей задачи, и начинает казаться, что самозарождение невозможно. Но, между прочим, сами-то мы существуем, и, как я полагаю, именно в результате самозарождения. Полезно немного отклониться от нашей темы, чтобы
Фиг. 4. Белок — четвертый из основных типов углеродных соединений, участвующих в жизненных процессах.
Белок состоит из полипептидных цепей, одна из которых здесь представлена. Структурной единицей цепи является амидная группа (выделена жирными линиями справа). Эта группа может повторяться вдоль всей цепи или чередоваться с другими группами.
разобрать, что, собственно, подразумевается обычно под словом «невозможно».
Каждому событию можно сопоставить некоторую вероятность — возможность его наступления. Она представляет собой всегда некоторую дробь — относительное число наступлений данного события в длинной цепи испытаний. Иногда эту вероятность можно определить и без испытаний. Монета имеет две стороны, поэтому вероятность выпадения каждой из них равна -j-. У игральной кости шесть сторон; вероятность выпадения, скажем, двойки равна -g-.
Если вероятность заранее определить нельзя, то ее можно установить, подсчитывая число положительных результатов при большом числе испытаний.
Наши обычные представления о невозможном, возможном и неизбежном определяются нашим опытом.
Число испытаний, из которого мы исходим, ограничено продолжительностью человеческой жизни или — в лучшем случае — всей известной историей человечества. Я допускаю, что в таком «разговорном», обычном смысле самопроизвольное зарождение жизни невозможно. Оно невозможно, если мы будем подходить к явлениям с точки зрения нашего человеческого опыта.
Но мы сейчас увидим, что такое представление мало обоснованно. Прежде всего время, о котором должна идти речь, это геологическое время, а вся история человечества составляет лишь ничтожную часть его. Мы еще остановимся на этом ниже. Но даже в пределах нашего, человеческого, времени в наших методах оценки того, что есть «возможно», имеется серьезный изъян. Если мы скажем, что данное явление не наблюдалось за всю историю человечества, то это, несомненно, прозвучит внушительно. Мы будем склонны рассматривать такое явление по крайней мере как практически невозможное, какова бы ни была вероятность, приписываемая ему на основе абстрактных умозаключений. Однако, когда мы разберем наше утверждение поглубже, окажется, что оно не имеет почти никакого смысла. Дело в том, что люди склонны относиться скептически к сообщениям о событиях, которые представляются им весьма маловероятными. Люди с трезвым складом ума считают, что не поверить человеку, якобы наблюдавшему то или иное явление, будет, так сказать, «вернее». Так в высшей степени маловероятное превращается в невозможное.
Приведу пример. Как известно каждому физику, вероятность того, что стол, за которым я пишу, неожиданно сам поднимется вверх, чрезвычайно мала, хотя ее и легко рассчитать. Для такого события требуется, чтобы молекулы, из которых состоит стол и которые обычно движутся во всех направлениях, случайно начали все вместе двигаться в одном направлении. Любой физик допускает эту возможность, но попробуйте сказать одному из них, что вы это сами видели. Недавно я спросил своего друга, физика и лауреата Нобелевской премии: «Что бы ты мне сказал, если бы я заявил тебе, что видел это своими глазами»? Он засмеялся и ответил, что в этом случае ему пришлось бы сравнивать вероятности двух событий: вероятность того, что я ошибся, и вероятность того, что это чудо действительно произошло. Сравнение было бы явно не в мою пользу.
Итак, в маловероятные события нередко просто не верят. «Молчаливая договоренность» отрицать подобные события существует не только среди ученых, но и вообще среди всех здравомыслящих людей, которые научились относиться скептически к тому, о чем они слышат, и даже к тому, что они сами видят. Наиболее скептически настроены, пожалуй, юристы, которым как никому другому известна вся ненадежность свидетельских показаний. Ученые менее подвержены скепсису, ибо при всей своей недоверчивости они очень хорошо знают, какие удивительные явления происходят на свете.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
