Почему эксперимент Миллера-Юри свидетельствует против абиогенеза

Автор: Др. Джерри Бергман (англ. Jerry Bergman)
Источник: creation.com
Перевод: Алена Недоступ 
Редактура: Елена Бондаренко, Владимир Силенок

Аннотация

Стэнли Миллер и Гарольд Юри

Абиогенез —  это теория, согласно которой при определенных условиях жизнь может самопроизвольно возникать из неживых молекул. Одним из наиболее широко цитируемых исследований, используемых для подтверждения этого вывода, является знаменитый эксперимент Миллера-Юри. Обзоры учебников показывают, что исследование Миллера-Юри является основным (или единственным) исследованием, которое приводится для доказательства абиогенеза. Хотя популярная пресса в течение многих десятилетий широко провозглашала «доказательство» того, что жизнь зародилась на ранней Земле исключительно в естественных условиях, теперь мы понимаем, что эксперимент фактически предоставил убедительные доказательства противоположного вывода. В настоящее время признано, что эта серия экспериментов сделала больше для того, чтобы показать, что абиогенез на Земле невозможен, чем для того, чтобы показать, как он мог бы произойти. В данной статье рассматриваются некоторые из многочисленных проблем, связанных с этим исследованием, в котором была предпринята попытка продемонстрировать возможный метод абиогенеза на ранней Земле.

Современные исследования не смогли дать жизнеспособного объяснения того, как абиогенез мог произойти на Земле. Проблема абиогенеза сейчас настолько серьезна, что большинство эволюционистов сегодня склонны избегать всей этой области, потому что они «боятся публично заявлять, что происхождение жизни — это тайна, даже если за закрытыми дверями они открыто признают, что сбиты с толку», потому что «это открывает дверь религиозным фундаменталистам и их псевдо-объяснениям бога пробелов», и они беспокоятся, что «откровенное признание своего невежества подорвет финансирование их проэктов».^[1]

Раньше абиогенез обычно называли «химической эволюцией»,^[2] но сегодня эволюционисты пытаются дистанцировать эволюционную теорию от происхождения жизни. Это одна из причин, по которой большинство эволюционных пропагандистов теперь называют его «абиогенезом». Химическая эволюция фактически является частью «общей теории эволюции», определяемой эволюционистом Джеральдом А. Керкутом  (Kerkut)  как «теория, согласно которой все живые формы в мире возникли из единого источника, который сам произошел из неорганической формы».^[3]

Существует еще одна причина для преувеличения утверждений об абиогенезе — это область, которая имеет решающее значение для доказательства эволюционного натурализма.^[4] Если абиогенез невозможен или крайне маловероятен, то таков же и натурализм.^{[5],[6],[7],[8]}

Дарвин понимал, насколько критична проблема абиогенеза для его теории. Он даже допускал, что вся существующая земная жизнь должна была произойти от какой-то примитивной формы жизни, которая была первоначально оживлена  «Творцом».^[9] Но признать, как это сделал Дарвин, возможность одного или нескольких актов творения  — значит открыть дверь для возможности многих других! Если бы Бог создал один тип жизни, Он также мог бы создать много тысяч различных типов. Дарвин, очевидно, позже пожалел об этой уступке и также предположил, что жизнь могла зародиться в каком-нибудь «теплом маленьком пруду» на древней Земле.

Теория «первичного бульона»

Хотя в последние годы гипотеза первичного бульона была серьезно оспорена, среди дарвинистов она все еще остается самой распространенной теорией абиогенеза. Наиболее полно она была развита русским атеистом Александром Ивановичем Опариным (1894-1980) в его книге «Происхождение жизни», всемирном бестселлере, впервые опубликованном в 1924 году (последнее издание вышло в 1965 году).^[10] Опарин «постулировал, что жизнь, возможно, развивалась исключительно в результате случайных процессов» в том, что он называл биохимическим «бульоном», который, как он полагал, когда-то существовал в океанах. Согласно этой теории, жизнь развивалась тогда, когда органические молекулы, которые первоначально попадали в первобытные океаны из атмосферы, получали энергию от таких сил, как молния, ультрафиолетовый свет, метеориты, глубоководные гидротермальные источники, горячие источники, вулканы, землетрясения или электрические разряды. Если бы только присутствовала правильная смесь химических веществ и энергии, жизнь возникла бы спонтанно. На доказательство этой идеи было потрачено почти полвека исследований и миллионы долларов — до сих пор с небольшим количеством положительных результатов и большим количеством обратных доказательств.^[11]

В какой последовательности?

Опарин пришел к выводу, что сначала развиваются клетки, затем ферменты и, наконец, гены.^[12] Сегодня мы признаем, что гены нуждаются в ферментах для того, чтобы осуществлять свои функции, но гены необходимы для производства ферментов. Ни гены, ни клетки не могут функционировать без многих сложных структур, таких как рибосомы, полимеразы, геликазы, гиразы, одноцепочечный ДНК-связывающий белок и множества других белков. Фримен Да́йсон (Dyson) пришел к выводу, что теория Опарина была «общепринятой биологами в течение полувека», но что она «была популярна не потому, что были какие-то доказательства в ее поддержку, а скорее потому, что она казалась единственной альтернативой библейскому креационизму».^[13]

Эксперимент Миллера-Юри

Джон Хо́лдейн (Haldane),^[15] Джон Бернал (Bernal),^[14] Ме́лвин Ка́лвин (Calvin)^[16] и Га́рольд Ю́ри (Urey)^[17] — все они опубликовали исследования в попытке поддержать эту модель — и каждое из них имело мало успеха, если вообще имело. Затем, в 1953 году, произошло то, что некоторые тогда считали критическим прорывом, совершенным Гарольдом Юри (1893-1981) из Чикагского университета и его 23-летнего аспирантом Стэнли Миллером (Stanley Miller, 1930 -). Юри пришел к выводу, что заключение, сделанное «многими» исследователями происхождения жизни о том, что ранняя атмосфера была окислительной, должно быть, было неверным; вместо этого он утверждал, что все было наоборот, а именно — восстановительная атмосфера с большим количеством метана.^[18]

Их «прорыв» привел к появлению статей на первых полосах газет по всему миру, которые обычно сенсационно заявляли, что они «сделали первый шаг к созданию жизни в пробирке».^[19] Карл Саган заключил: «Эксперимент Миллера-Юри теперь признан единственным наиболее значительным шагом в убеждении многих ученых в том, что жизнь, вероятно, будет обильна в космосе».^[20] Этот эксперимент даже положил начало новой научной области, названной «пребиотической» химией (химической эволюцией).^[21] В настоящее время это наиболее часто приводимое доказательство (и часто единственное приводимое доказательство) абиогенеза в учебниках естествознания.^[22]

Эксперимент Миллера

Эксперименты Миллера-Юри включали заполнение герметичного стеклянного аппарата газами, которые, по предположению Опарина, были необходимы для образования жизни, а именно метаном, аммиаком и водородом (чтобы имитировать условия, которые, по их мнению, были в ранней атмосфере) и водяным паром (чтобы имитировать океан). Затем, пока нагревательный змеевик поддерживал кипение воды, по газам в колбе производились удары  высоковольтным (60 000 вольт) вольфрамовым искроразрядным устройством для имитации молнии. Под ним находился конденсатор с водяным охлаждением, который охлаждал и конденсировал получившуюся смесь, что позволяло ей попадать в сифон внизу.^[23]

В течение нескольких дней смесь воды и газа образовала розовое пятно на боковых сторонах колбы-ловушки. По мере того как эксперимент продвигался и химические продукты накапливались, пятно становилось темно-красным, а затем мутным.^[24] Через неделю исследователи проанализировали вещества в U-образной водяной ловушке, используемой для сбора продуктов реакции.^[25] Первичными веществами в газовой фазе были монооксид углерода (CO) и азот (N₂).^[21] Доминирующим твердым материалом была нерастворимая токсичная канцерогенная смесь, называемая «деготь» или «смола», распространенный продукт органических реакций, включая таких как сжигание табака. Эта смола была проанализирована при помощи новейших доступных хроматографических методов, что показало, что был получен ряд веществ. Во время этой первой попытки не было обнаружено никаких аминокислот, поэтому Миллер изменил эксперимент и повторил попытку.^[20],[26]

Со временем образовались ничтожные количества нескольких простейших биологически полезных аминокислот — в основном глицина и аланина.^[20] Выход глицина составлял всего лишь 1,05%, аланина — всего 0,75% , а следующая наиболее распространенная аминокислота составляла всего лишь 0,026% от общего количества — настолько мало, что в значительной степени несущественно. По словам Миллера, «общий выход был невелик для затраченной энергии».^[27] Боковая группа для глицина — это атом водорода, а для аланина — простая метильная (- CH₃) группа. После сотен повторений и модификаций с использованием методов, аналогичных тем, которые использовались в первоначальных экспериментах Миллера-Юри, ученые смогли получить лишь небольшое количество менее половины из 20 аминокислот, необходимых для жизни. Остальные требуют гораздо более сложных условий синтеза.

Кислород: враг химической эволюции

Исследователи использовали бескислородную среду главным образом потому, что предполагаемая первобытная атмосфера Земли тогда «по общим представлениям считалась не содержащей на своей ранней стадии значительных количеств кислорода». В это верили, потому что «лабораторные эксперименты показывают, что химическая эволюция, как это объясняют современные модели, будет в значительной степени подавляться кислородом».^[28] Вот один из многих примеров того, как  априорная вера в «факт» химической эволюции используется в качестве «доказательства» одной из предпосылок — аноксической атмосферы. Конечно, оценки уровня О₂ в ранней атмосфере Земли сильно зависят от предположений. Дело в том, что «мы до сих пор не знаем, как возникла богатая кислородом атмосфера».^[29]

Считалось, что результаты эксперимента были значительными, поскольку некоторые из полученных органических соединений были строительными блоками гораздо более сложных жизненных единиц, называемых белками — основной структурой всей жизни.^[30] Хотя пресса широко провозглашала «доказательство» того, что жизнь могла зародиться на ранней Земле в естественных условиях (то есть без разума), теперь мы понимаем, что эксперимент фактически предоставил убедительные доказательства прямо противоположного вывода. Например, без всех 20 аминокислот как набора большинство известных типов белка не могут быть произведены, так что этот критический шаг в абиогенезе никогда не мог бы произойти.

Кроме того, по методу Миллера-Юри последовательно производились равные количества как правосторонних, так и левосторонних органических молекул (так называемая рацемическая смесь). В жизни же почти все аминокислоты, которые могут быть использованы в белках, должны быть левосторонними, а почти все углеводы и полимеры — правосторонними. Противоположные типы не только бесполезны, но и могут быть токсичными (даже смертельными) для жизни.^[31],[32]

Была ли там метано-аммиачная атмосфера?

По мнению многих современных исследователей, еще более серьезной проблемой является тот факт, что атмосфера ранней Земли сильно отличалась от того, что предполагал Миллер. «Исследования с тех пор поставили гипотетическую атмосферу Миллера под сомнение, заставив многих ученых усомниться в значимости его находок».^[33] Проблема была сформулирована следующим образом:

«…общепринятая картина ранней атмосферы Земли изменилась: она, вероятно, была богата О₂ с некоторым содержанием азота, менее реакционной смесью, чем у Миллера, или же она могла состоять в основном из двуокиси углерода, что значительно сдерживало бы развитие органических соединений».^[34]

Основным источником газов считались вулканы, и поскольку современные вулканы выделяют CO, CO₂, N₂ и водяной пар, считалось вероятным, что эти газы были очень распространены в ранней атмосфере. С другой стороны, в настоящее время считается, что Н₂, СН₄ и NH₃, вероятно, не были основными компонентами ранней атмосферы. Кроме того, многие ученые теперь считают, что ранняя атмосфера, вероятно, не играла большой роли в химических реакциях, ведущих к жизни.^[20]

Хотя в настоящее время считается, что состав атмосферы ранней Земли состоял из большого количества углекислого газа, этот вывод все еще вызывает много спекуляций. Также большинство исследователей теперь считают, что некоторое количество О₂ присутствовало на ранней Земле, потому что содержалось много водяного пара, а фотодиссоциация воды в верхних слоях атмосферы производит кислород.^[35] Другая причина заключается в том, что в докембрийских геологических слоях существует большое количество окисленных материалов.^[36]

Еще одна причина, по которой можно заключить, что свободный кислород существовал на ранней Земле, заключается в том, что широко распространено мнение, будто фотосинтетические организмы появились вскоре после образования Земли, а это трудно объяснить теориями химической эволюции. В статье 2004 года на основе геохимии урана утверждается, что 3,7 млрд лет назад существовали окислительные условия, а значит, и фотосинтез.^[37] Но согласно униформистской датировке, Земля подвергалась бомбардировке метеоритами до 3,8 млрд лет назад. Таким образом, даже если допустить эволюционные предпосылки, это последнее исследование показывает, что жизнь существовала почти сразу же, как только Земля смогла ее поддерживать, а не «миллиарды и миллиарды лет» спустя. Даже если бы кислород был получен путем фотодиссоциации водяного пара, а не фотосинтеза, это все равно было бы разрушительным для таких размышлений как у Миллера.

Проблема разбавления

Юри также предположил, что океаны на древней Земле должны были состоять примерно из 10% раствора органических соединений, которые были бы очень благоприятны для возникновения жизни.^[38] Такая концентрация органического вещества примерно в 100 раз выше, чем в канализационной воде современного американского города. Общее количество органических соединений, существующих сегодня на Земле не может дать даже малой доли того, что необходимо для достижения такой высокой концентрации в океанах.

Ранние надежды не оправдались

Современные примеры воссоздания эксперимента Миллера-Юри с использованием широкого спектра рецептур, включая низкие уровни О₂, дают еще более низкие количества органических соединений, чем в исходном эксперименте.^[39] Чтобы решить эту проблему, некоторые исследователи предположили, что небольшие изолированные водоёмы достигли необходимого уровня концентрации. Остается та же проблема: не существует никакого реального метода для объяснения источника этих веществ. Некоторые даже предполагают, что «затопленные вулканы и глубоководные жерла-разрывы в земной коре, где горячая вода и минералы устремляются в глубокие океаны,— возможно, обеспечили первоначальные химические ресурсы».^[40]

Чтобы повторить то, что могло произойти в первичном бульоне миллиарды лет назад, ученым нужно было бы смешать химические вещества, которые в настоящее время, как полагают, обычно встречаются на ранней Земле, подвергнуть их воздействию вероятных источников энергии (обычно предполагалось, что это тепло или излучение), и посмотреть, что произойдет. Никто не проводил этот эксперимент, потому что теперь мы знаем, что таким способом невозможно получить соответствующие биохимические соединения. На эксперимент Миллера-Юри материалисты возлагали большие надежды, которые теперь уступили место пессимизму:

«Вскоре после эксперимента Миллера-Юри многие ученые пришли к убеждению, что основные препятствия в проблеме происхождения жизни будут преодолены в обозримом будущем. Но по мере того, как продолжали появляться новые попытки в этой молодой научной области, становилось все более очевидным, что проблема происхождения жизни отнюдь не тривиальна. Постепенно, учение, работающие в этой области столкнулись с различными фундаментальными проблемами, возникли новые вопросы  … Несмотря на интенсивные исследования, большинство этих проблем так и осталось нерешенными.

Действительно, на протяжении долгой истории поисков происхождения жизни, споры, вероятно, являются наиболее характерным атрибутом этой междисциплинарной области. В этой дисциплине едва ли найдется модель, сценарий или форма, которые не вызывали бы споров».^[41]

Сейчас мы рассмотрим некоторые из этих основных проблем.

Функциональные белки могут существовать только в очень узких условиях

Чтобы производить даже нефункциональные аминокислоты и белки, исследователи должны тщательно контролировать эксперимент различными способами, потому что сами условия, предполагаемые для создания аминокислот, также быстро разрушают белки. Примеры включают термическую денатурацию белков путем разрыва их водородных связей и нарушения гидрофобного притяжения между неполярными боковыми группами.^[42] Очень немногие белки остаются биологически активными выше 50 °С или ниже примерно 30 °С, и большинство из них требуют очень узких условий среды. Приготовление пищи является хорошим примером использования тепла для денатурации белка, а охлаждение — использования холода для замедления биологической активности. Как известно любому молекулярному биологу из повседневной работы в лаборатории, уровень pH также должен строго регулироваться. Слишком большое количество кислоты или основания отрицательно влияет на водородную связь между полярными R-группами, а также разрушает ионные связи, образуемые солевыми мостиками в белке.

Перекрестные реакции

Миллеру пришлось иметь дело с тем фактом, что обычные перекрестные реакции продуктов биохимических реакций вызывают разрушение или препятствуют производству аминокислот. Все соединения, которые мешают реакциям связывания, должны быть изолированы, иначе они разрушат белки. Поэтому Миллеру пришлось удалить многие загрязнения и примеси, чтобы получить чистые соединения, которые обычно не встречаются в жизни. В противном случае его аппарат произвел бы множество деструктивных перекрестных реакций.

Это совсем не маленькая проблема. Многие органические соединения, такие как этанол и изопропиловый спирт, действуют как дезинфицирующие средства, образуя свои собственные водородные связи с белком и, как следствие, нарушая гидрофобные взаимодействия белков.^[41] Спиртовые тампоны используются для очищения ран или подготовки кожи к инъекциям, поскольку спирт проходит через клеточные стенки и коагулирует белки внутри бактерий и других клеток. Кроме того, ионы тяжелых металлов, такие как Ag⁺, Pb²⁺ и Hg²⁺, должны быть изолированы от белков, поскольку они нарушают дисульфидные связи белка, вызывая его денатурацию. Например, разбавленный (1%) раствор AgNO₃ капают в глаза новорожденным, чтобы уничтожить бактерии, вызывающие гонорею. Многие ионы тяжелых металлов очень токсичны при попадании внутрь, потому что они серьезно нарушают структуру белков, особенно ферментов.

Ещё одна проблема заключается в том, что многие другие соединения, необходимые для жизни, такие как сахар, также сильно реагируют с аминокислотами и влияют на синтез аминокислот. Например, Миллер и другие ученые должны были использовать в своих экспериментах среду, не содержащую сахар.^[43] Миллер прекратил свой эксперимент всего через несколько дней, но если бы он продолжался, то производимые им соединения были бы разрушены, или они произвели бы более сложные аминокислоты? Исследование Мурчисонского метеорита показало, что в природных условиях получаются соединения, очень похожие на соединения Миллера, и результат является стабильным — это указывает на то, что дальнейшее увеличение времени проведения эксперимента не приведет к образованию каких-либо новых продуктов.^[44]

В результате экспериментов Миллера-Юри было получено множество других соединений, помимо аминокислот, что приводит к образованию липкой массы, которая на самом деле была ещё дальше от строительных блоков жизни, чем предполагаемые исходные химические вещества-предшественники. Производимые токсичные соединения включают цианиды, окись углерода и другие — фактически большая часть темной субстанции в растворе не была идентифицирована исследователями в 1953 году.^[21]

Неуправляемая энергия разрушительна

О критическом вопросе: «Сколько энергии было необходимо?» спорили довольно много.[^45] Однако все формы энергии могут разрушать белок, включая все те формы, которые считаются важными в абиогенезе, такие как ультрафиолетовое излучение и молния.^[46]

Многие предполагают, что ультрафиолетовый свет был источником, используемым для создания жизни, но ультрафиолетовый свет очень токсичен для жизни и, по сути, часто используется для её уничтожения (так, ультрафиолетовые лучи используются в больницах для уничтожения микроорганизмов). Интенсивность деструктивных длинноволновых волн превышает интенсивность конструктивных коротких волн, а квантовая эффективность значительно выше для разрушения, чем для строительства.^[47] Это означает, что разрушение аминокислот на четыре-пять порядков выше, чем строительство.

В экспериментах с УФ-излучением Миллер использовал определенную длину волны для производства аминокислот и отсеивал другие длины волн, поскольку они разрушают аминокислоты. Однако в солнечном свете существует как созидающий, так и разрушающий химические вещества свет. Аминокислоты на самом деле очень нежны и легко разрушаются под естественным солнечным светом.

Эксперимент Миллера-Юри также имел стратегически спроектированные ловушки для удаления продуктов из-под излучения, прежде чем они могли быть разрушены. На первобытной Земле любые аминокислоты, образующиеся в атмосфере, были бы уничтожены задолго до того, как их можно было бы удалить. Даже океан не защитит их, потому что ультрафиолет проникает сквозь воду на несколько метров— под водой можно даже загореть. Это указывает на то, что условия на ранней Земле никогда не могли быть благоприятными для абиогенеза.

Даже простое движение может привести к серьезному повреждению белка: взбивание сливок или взбивание яичных белков — это один из способов использования механического перемешивания для преднамеренной денатурации белка (взбивание растягивает полипептидные цепи до разрыва связей).

Исследования Миллера по причинам, рассмотренным выше, помогли нам лучше понять, почему жизнь не могла возникнуть естественным путем. Подводя итог знаменитому эксперименту Миллера-Юри «происхождение жизни», Хорган (Horgan) пришел к выводу, что результаты Миллера на первый взгляд способны

«… представить ошеломляющие доказательства того, что жизнь может возникнуть из того, что британский химик Дж. Б. С. Холдейн называл “первичным бульоном». Эксперты предположили, что ученые, такие как доктор Франкенштейн (персонаж  романа Мэри Шелли), вскоре создадут в своих лабораториях живые организмы, и тем самым подробно продемонстрируют, как происходил их генезис. Но это не сработало. На самом деле, спустя почти 40 лет после своего первоначального эксперимента, Миллер сказал мне, что разгадать загадку происхождения жизни оказалось гораздо труднее, чем он или кто-либо другой мог себе представить».^[48]

Создание жизни в пробирке также оказалось намного сложнее, чем ожидал Миллер. Ученые теперь знают, что сложность жизни гораздо больше, чем Миллер (или кто-либо другой) представлял себе в 1953 году, до революции ДНК.^[49] Теперь мы знаем, что

«…широко разрекламированные эксперименты очень мало говорят нам о том, откуда взялись настоящие, функциональные белки. Однако этот неудобный факт редко упоминается, когда заголовки газет кричат о том, что ученым удалось создать строительные блоки жизни».^[50]

Жизнь намного сложнее, чем полагал Миллер

Примерно в то же время, что и Дарвин, Т. Х. Хаксли предложил простой двухэтапный метод химической рекомбинации, который, по его мнению, мог бы объяснить происхождение первой живой клетки. И Геккель, и Хаксли считали, что точно так же, как соль может быть получена самопроизвольно путем смешивания металлического натрия с нагретым газообразным хлором, живая клетка может быть получена просто путем смешивания нескольких химических веществ, которые, по их мнению, необходимы. Геккель учил, что физическая основа жизни — это вещество, которое он называл «плазмой» различных типов, таких как «бесцветная», а также «красная, оранжевая и другие виды протоплазмы», сравнимые по сложности и текстуре с горшком клея или холодным желе.^[51]

Геккель также считал, что первая отдельная клетка обязана своим «существованием спонтанному созданию» из неорганических соединений, в первую очередь «углерода, водорода, кислорода и азота».^[52] После того как варево было смешано, Хаксли пришел к выводу, что целые эоны времени позволили спонтанным химическим реакциям произвести простую «протоплазматическую субстанцию», которую ученые когда-то считали сущностью жизни.^[53] Даже в 1928 году клетка все еще считалась относительно простой, и мало кто из ученых тогда сомневался в том, что жизнь обычно развивалась от относительно простых до относительно сложных форм. Они также считали, что эволюция — это «образование новых структур и функций путем сочетания и преобразования относительно простых структур и функций микробных клеток».^[54]

Теперь, спустя столетие исследований, мы также понимаем, что простейшие эукариоты, которые во времена Дарвина считались простыми, как чашка с желатином, на самом деле чрезвычайно сложны. Живая эукариотическая клетка содержит многие сотни тысяч различных сложных частей, включая разнообразные моторные белки. Эти части должны быть собраны правильно, чтобы создать живую клетку, самую сложную «машину» во Вселенной — гораздо более сложную, чем суперкомпьютер Cray. Кроме того, молекулярная биология продемонстрировала, что основная конструкция клетки:

«… по сути одинакова во всех живых системах на Земле, от бактерий до млекопитающих. … С точки зрения их основного биохимического устройства … ни одна живая система не может считаться примитивной или предковой по отношению к любой другой системе, и нет ни малейшего эмпирического намека на эволюционную последовательность среди всех невероятно разнообразных клеток на Земле».^[55]

Это открытие создает серьезные трудности для абиогенеза, поскольку жизнь на клеточном уровне, как правило, не демонстрирует постепенного увеличения сложности, как если бы она поднималась по эволюционной лестнице от простейших к человеку. Причина, по которой молекулярный механизм и биохимия современных организмов в основном схожи, заключается в том, что основные биохимические требования и ограничения одинаковы для всех живых организмов.^[56]

Проблема полимеризации

Эксперимент Миллера-Юри оставил без ответа многие важные вопросы, даже такие фундаментальные: «Как эти химические соединения образовали первые молекулы живых организмов?»^[34] Химические вещества не производят жизнь; только сложные структуры, такие как ДНК и ферменты, производят жизнь. Кроме того, даже если источник аминокислот и многих других необходимых соединений можно было бы объяснить, все равно придется иметь дело с тем, как эти многочисленные разнообразные элементы агрегировались в одном месте, а затем должным образом собирались сами. Эта проблема является главным камнем преткновения для всех теорий абиогенеза, потому что:

«… никто никогда удовлетворительно не объяснял, как эти широко распространенные ингредиенты соединяются в белки. Предполагаемые условия первобытной земли привели бы аминокислоты к одинокой изоляции. Это одна из самых сильных причин, по которой Вехтерсхойзер  (Wächtershäuser), Моровиц (Morowitz) и другие теоретики гидротермальных источников хотят переместить кухню [которая готовила жизнь] на дно океана. Если этот процесс начинается в отдельных глубоководных источниках, говорят они, он может образовывать аминокислоты — и связывать их — прямо там».^[33]

Проблема сборки аминокислот осложняется тем фактом, что аминокислоты способны связываться во многих местах посредством многих видов химических связей. Для образования полипептидных цепей необходимо ограничивать связи только пептидными связями и только в правильных местах. Необходимо предотвратить образование всех других связей, а это нелегкая задача. В живых клетках существует сложная система контроля, включающая ферменты, гарантирующие, что в норме несоответствующие связи не возникают; без этой системы эти несоответствующие связи разрушили бы продуцируемые белки.

Чтобы образовать белок, аминокислоты должны соединиться вместе, образуя пептидную связь, устраняя молекулу воды. Но существует гораздо большая тенденция к обратоному. В воде это было бы еще более серьезной проблемой

Другая проблема заключается в том, что сильная термодинамическая тенденция заключается в том, что в воде пептидные связи разрушаются, а не образуются.^[57] Без высокоэнергетических соединений, таких как АТФ и ферменты, аминокислоты не образуют многих полипептидов, необходимых для жизни. Даже дипептиды трудно сформировать в естественных условиях, но среднего размера белок состоит примерно из 400 аминокислот.

Несколько недавних открытий привели некоторых ученых к заключению, что жизнь, возможно, возникла в подводных жерлах, где температура приближается к 350 ° C. К несчастью, как для теоретиков теплого пруда, так и для теоретиков гидротермальных источников, экстремальная жара оказалась и главным ниспровержением их теорий. Это потому, что высокие температуры ускоряют расщепление аминокислот, точно так же, как приготовление мяса разрушает пептидные связи, и мясо становится более нежным.^[57]

Другая теория состоит в том, что абиогенез мог быть следствием «свойств самоупорядочивания» биохимических веществ.^[58] Подобно тому, как электростатические силы производят высокоупорядоченные кристаллы соли из ионов Na⁺ и Cl^—, некоторые дарвинисты полагали, что точно так же жизнь может самоорганизовываться. Этот подход также потерпел неудачу. Например, все пары нуклеотидных оснований имеют одинаковое сродство к сахарофосфатным остовам на каждой стороне молекулы ДНК, и, следовательно, их порядок не является результатом различий в аффинности связывания, а обусловлен информационно-направленной сборкой. Другими словами, эта информация не вытекает из химии ДНК, а является внешней по отношению к ней (см. следующий раздел).

Сам Миллер признал, что исследования Кауфмана не являются жизнеспособными и, следовательно, он был:

«…не впечатлен ни одним из нынешних предложений о происхождении жизни, называя их «чепухой» или «бумажной химией». Он так презрительно относился к некоторым гипотезам, что, когда я спросил его мнение о них, он только покачал головой, глубоко вздохнул и хихикнул, как будто был побежден глупостью человечества. Теория автокатализа Стюарта Кауфмана попала в эту категорию. «Прогон уравнений через компьютер не является экспериментом», —  фыркнул Миллер. Миллер признал, что ученые, возможно, никогда точно не узнают, где и когда возникла жизнь. «Мы пытаемся обсудить историческое событие, которое очень отличается от обычной науки, и поэтому критерии и методы очень разные», —  отметил он».^[59]

Информационное содержание

Другая важная причина, по которой эксперименты Миллера–Юри не смогли поддержать абиогенез, заключалась в том, что, хотя аминокислоты являются строительными блоками жизни, критическим ключом к жизни является информационный код, хранящийся в ДНК (или, как в случае ретровирусов, в  РНК), в зависимости от последовательности нуклеотидов. Это, в свою очередь, обеспечивает инструкции для аминокислотных последовательностей белков, — механизмов жизни.^[60],[61] Майкл Полани (Michael Polanyi, 1891-1976), бывший председатель кафедры физической химии Манчестерского университета (Великобритания), обратившийся к философии, подтвердил очень важный момент — именно информация является тем, что находится вне химических свойств строительных блоков:

«Как расположение печатной страницы не имеет отношения к химии печатной страницы, так и последовательность оснований в молекуле ДНК не имеет отношения к химическим силам, действующим в молекуле ДНК. Именно эта физическая неопределенность последовательности порождает невероятность любой конкретной последовательности и тем самым позволяет ей иметь смысл — смысл, который имеет математически определенное информационное содержание».^[62]

Пол Дэвис (Paul Davies) еще раз подчеркнул, что получение строительных блоков не объясняет их расположения:

«… точно так же, как кирпичи сами по себе не создают дом, так и для создания жизни требуется нечто большее, чем случайный набор аминокислот. Подобно кирпичам дома, строительные блоки жизни должны быть собраны очень специфическим и чрезвычайно сложным способом, прежде чем они получат желаемую функцию».^[63]

Аналогия, близкая к обсуждаемому вопросу — это письменный язык. Природные объекты в формах, напоминающих английский алфавит (круги, прямые линии и т. д.) изобилуют в природе, но этот факт не помогает понять происхождение информации (как, например, в пьесах Шекспира). Причина в том, что эта задача требует интеллекта как для создания информации (пьесы), так и для проектирования и создания механизма, необходимого для перевода этой информации в символы (письменный текст). То, что должно быть объяснено, — это источник информации в тексте (слова и идеи), а не существование кругов и прямых линий. Точно так же недостаточно объяснить происхождение аминокислот, которые соответствуют буквам. Скорее всего, даже если они были легко произведены, должен быть объяснен источник информации, содержащейся в геноме, и управляющей сборкой аминокислот.^[34]

Еще одна огромная проблема заключается в том, что информация бесполезна, если ее нельзя прочитать. Но механизм декодирования сам по себе закодирован в ДНК. Ведущий философ науки Карл Поппер (Karl Popper, 1902-1994) так выразил эту огромную проблему:

«Что делает происхождение жизни и генетического кода тревожной загадкой, так это то, что генетический код не имеет никакой биологической функции, если он не переведен, то есть если он не ведет к синтезу белков, структура которых заложена кодом. Но … механизм, с помощью которого клетка (по крайней мере, не примитивная клетка, которая является единственной известной нам) переводит код, состоит, по меньшей мере, из пятидесяти макромолекулярных компонентов, которые сами кодируются в ДНК. Таким образом, код не может быть переведен иначе, как с помощью определенных продуктов его перевода. Это представляет собой сбивающий с толку круг; по-видимому, это действительно порочный круг для любой попытки сформировать модель или теорию происхождения генетического кода.

Таким образом, мы можем столкнуться с возможностью того, что происхождение жизни (как и происхождение физики) станет непреодолимым барьером для науки и остатком всех попыток свести биологию к химии и физике».^[64]

То есть генетическая информация и необходимый механизм считывания образуют систему неуменьшаемой сложности. До сих пор она ускользала от материалистических объяснений.^[65]

Проблема хиральности

Два энантиомера обобщенной аминокислоты, где R — это любая функциональная группа (за исключением Н)

То, что Джонатан Сарфати^[66] называет «главным препятствием», — это происхождение гомохиральности, тот факт, что все аминокислотные биомолекулы за редким исключением (например, некоторые из них используются в клеточных стенках бактерий) являются левосторонними; и за редким исключением все сахара, включая те, что содержатся в нуклеиновых кислотах, являются правосторонними. А те, что производятся в лаборатории, представляют собой смесь из половины левосторонних и половины правосторонних изомеров, называемую рацематом. Даже в лаборатории химики используют уже существующую гомохиральность из биологического источника для синтеза гомохиральных соединений.^[60] Хиральные молекулы диссимметричны — они существуют как зеркальные отражения друг друга, точно так же, как правая рука является зеркальным отражением левой руки (слово «хирал» происходит от греческого слова «рука»). Проблема в том, что левосторонние сахара и правосторонние аминокислоты могут быть токсичными и препятствовать абиогенезу. Кроме того, большинство ферментов предназначены для работы только с правосторонними сахарами и левосторонними аминокислотами. Все попытки решить проблему хиральности, включая магнитохиральный дихроизм, потерпели неудачу.^[67]

Наследие эксперимента Миллера

Главный нерешенный вопрос, который «затрагивает психологию и историю больше, чем химию», заключается в следующем: «Почему эксперимент Миллера-Юри оказал такое сильное влияние на поле происхождения жизни?»^[68] Шапиро (Shapiro) делает вывод, что главная причина заключается в том, что эксперимент, по-видимому, подразумевает, что мы находимся на грани понимания того, как жизнь была создана без разума или замысла. В общественном сознании (и в сознании многих ученых) этот эксперимент психологически поддерживает абиогенез. Но результаты эксперимента Миллера-Юри и многих ему подобных экспериментов, проведенных с тех пор, на самом деле показывают противоположное тому, что пытался продемонстрировать эксперимент Миллера-Юри. Немногие учебники действительно анализируют результаты, и в большинстве из них принимают этот эксперимент некритически как доказательство того, как были произведены строительные блоки жизни, а затем подразумевают, что единственной оставшейся задачей было определить, как они были собраны.

Мой обзор учебников для колледжей показал, что в большинстве из них обсуждались эксперименты Миллера-Юри, в некоторых подробно, но лишь в немногих упоминались какие-либо проблемы. Большинство подразумевало, что исследование убедительно показало, как спонтанно возникают строительные блоки жизни. Отчасти из-за распространенных утверждений в учебниках и музейных экспонатах многие люди предполагают, что для тезиса Миллера-Юри имеются хорошие, если не превосходные основания. Пол Дэвис отметил, что, когда он начал писать книгу о происхождении жизни, то «был убежден, что наука близка к тому, чтобы раскрыть тайну происхождения жизни», но, потратив «год или два на исследования в этой области», он оказался:

«… близок к убеждению, что в нашем понимании остается огромная пропасть… Эта пропасть в понимании — не просто незнание некоторых технических деталей, это большой концептуальный пробел».^[69]

Эксперимент Миллера-Юри теперь является символом эволюции, представленным в большинстве учебников по биологии, зоологии и эволюции как ясное доказательство абиогенеза, когда он на самом деле  иллюстрирует многие трудности химической эволюции.^[22]

Современное состояние направления исследований  Миллера-Юри

В интервью со Стэнли Миллером, который теперь считается одним из «самых прилежных и уважаемых исследователей происхождения жизни», говорится, что после завершения своего эксперимента 1953 года он «посвятил себя поиску тайны жизни», а также «был скор на критику того, что считал дрянной работой», пытаясь преодолеть тот факт, что область происхождения жизни имеет «репутацию второстепенной дисциплины, не заслуживающей серьезного внимания».^[59] Миллер пообещал, что однажды:

« …ученые откроют самовоспроизводящуюся молекулу, которая положила начало великой саге эволюции … [и] открытие первого генетического материала [узаконит] поле Миллера. «Это взлетит, как ракета», — пробормотал Миллер сквозь стиснутые зубы. «Будет ли такое открытие сразу же самоочевидным?» Миллер кивнул: «Это будет нечто такое, что заставит тебя сказать: «… как ты мог так долго не замечать этого?» И все будут полностью убеждены».^[59]

По мере развития наших знаний эта надежда стала менее реалистичной. То, что мы узнали, особенно за последние несколько лет, делает менее вероятным, чем когда-либо, возможность абиогенеза. Тем не менее, эксперимент Миллера-Юри в настоящее время является классическим, наиболее известным экспериментом происхождения жизни, цитируемым во всех учебниках от школы до аспирантуры, и в самых разных областях — от биологии до геологии и от философии до религии.^[20],[22] Филлип Джонсон (Phillip Johnson) резюмировал всю исследовательскую проблему Миллера-Юри следующим образом:

«Поскольку в постдарвиновской биологии господствовала материалистическая догма, биологам пришлось притворяться, что организмы намного проще, чем они есть на самом деле. Сама жизнь должна быть просто химией. Соберите нужные химические вещества, и появится жизнь. Точно так же ДНК должна быть продуктом одной только химии. Как показывает выставка в Музее естественной истории Нью-Мексико, «вулканические газы плюс молния равны ДНК, равны ЖИЗНИ!» Когда мы спросили об этой небылице, представитель музея признал, что она была упрощена, но сказал, что в основном это правда».^[72]

Заключение

В настоящее время признается, что направление исследований Миллера-Юри является просто «возрождением античного понятия спонтанного самозарождения», поскольку оно:

«… предполагает, что при наличии первичного бульона, при правильном сочетании аминокислот и нуклеиновых кислот, а также, возможно, одного или двух ударов молнии, жизнь действительно могла бы начаться «спонтанно». Главное отличие состоит в том, что согласно тому, что биологи обычно называют спонтанным зарождением, жизнь якобы всегда начиналась таким образом. В противоположность этому, согласно предположению о «бульоне», все началось таким образом лишь однажды в неизмеримо далеком прошлом».^[73]

Мы должны сделать вывод, как и Марк Ридли (Ridley), что ранние формы жизни и то, как естественный отбор мог сформировать их, «настолько неясны на начальной стадии, что мы можем только догадываться, почему сложность могла увеличиваться».

Дарвин безрезультатно обдумывал этот вопрос. Однажды он написал геологу Чарльзу Лайеллу о вопросе, на который очень трудно ответить: «При первом зарождении жизни, когда существовали только простейшие организмы, какая польза была им от любого усложнения организмов? Я могу только ответить, что у нас недостаточно фактов, чтобы делать любые догадки по этому поводу». Теперь у нас есть больше фактов, но их все еще недостаточно, и ответ Дарвина все еще актуален.^[74]

Когда мы сталкиваемся с этими доказательствами, сторонники абиогенеза утверждают, что наука должна быть натуралистической, и у нас нет другого выбора, кроме как рассказать лучшую историю, которая у нас есть, даже если это не полная или даже не точная история.^[4] Несмотря на то, что популярная пресса в течение многих десятилетий широко провозглашала «доказательство» того, что жизнь возникла на ранней земле исключительно в естественных условиях, эксперименты Миллера-Юри фактически предоставили убедительные доказательства для совершенно противоположного вывода. Эта серия экспериментов — больше, чем любое другое исследование, проведенное современной наукой, — сделали гораздо больше для того, чтобы показать, что абиогенез на Земле невозможен, чем для того, чтобы показать, как он мог бы произойти.

Благодарность

Я хочу поблагодарить Тима Уоллеса (Tim Wallace), Берта Томпсона (Bert Thompson), Уэйна Фрейра (Wayne Frair), Клиффорда Лилло (Clifford Lillo) и Джона Вудмораппа (John Woodmorappe) за их комментарии к более раннему черновику этой статьи.

Ссылки и примечания 

1. Davies, P., The Fifth Miracle: The Search for the Origin and Meaning of Life, Simon & Schuster, New York, pp. 17–18, 1999. 
2. Dickerson, R.E., Chemical evolution and the origin of life, Scientific American 239(3):62–102, 1978. 
3. Kerkut, G.A., Implications of Evolution, Pergamon, Oxford, UK, p. 157, 1960. 
4. Johnson, P., Reason in the Balance; The Case Against Naturalism in Science, Law and Education, InterVarsity Press, Downers Grove, 1995. 
5. Dover, G., Looping the evolutionary loop; review of: The Origins Of Life: From The Birth Of Life To The Origin Of Language, Nature 399:217–218, 1999. 
6. Dawkins, R., Climbing Mount Improbable, W.W. Norton, New York, 1996. 
7. de Duve, C., Vital Dust: Life as a Cosmic Imperative, Basic Books, New York, 1995. 
8. Denton, M., Nature’s Destiny; How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe, The Free Press, New York, 1998.
9. Darwin, C., Origin of Species, reprint of 6th edition, P.F. Collier, New York, p. 316, 1900. This concession to theism was absent in earlier editions. 
10. Oparin, A., The Origin of Life, New York, Dover, 1965. 
11. Poundstone, W., Carl Sagan; A Life in the Cosmos, Henry Holt, New York, 1999. 
12. Dyson, F., Origins of Life, Cambridge University Press, p. 31, 1990. 
13. The Origin of Life, users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet, accessed 13 May 2004. 
14. Bernal, J.D., The physical basis of life, Physical Society of London Proceedings, Section A 62:537, 1947. 
15. Haldane, J.B.S., Rationalist Annual, 1928; reprinted in: Science and Human Life, Harper and Brothers, New York, 1933. 
16. Calvin, M., Reduction of carbon dioxide in aqueous solutions by ionizing radiation, Science 114:416–418, 1951. 
17. Urey, H., The Planets: Their Origin and Development, Yale University Press, New Haven, pp. 149–157, 1952. 
18. Lewis, R., Life, 3rd edition, WCB McGraw-Hill, Boston, p. 153, 1999. 
19. Colson, C. and Pearcey, N., How Now Shall We Live? Tyndale House, Wheaton, p. 69, 1999. 
20. Shapiro, R., Origins; A Skeptics Guide to the Creation of Life on earth, Summit Books, New York, p. 99, 1986.
21. Lahav, N., Biogenesis: Theories of Life’s Origin, Oxford University, New York, 1999. 
22. Wells, J., Icons of Evolution, Regnery, Washington, 2000. 
23. Campbell, N.A., Mitchell, L.G. and Reece, J.B., Biology Concepts and Connections, 3rd edition, Addison Wesley Longman, Inc., San Francisco, 2000. 
24. Miller, S.L., A production of amino acids under possible primitive earth conditions, Science 117:528–529; p. 528, 1953. 
25. Shapiro, ref. 20, p. 100. 
26. Miller, S.L., Production of some organic compounds under possible primitive earth conditions, J. American Chemical Society 77:2351–2361, 1955. 
27. Miller, ref. 24, p. 529. 
28. Fox, S. and Dose, K., Molecular Evolution and the Origin of Life, Marcel Dekker, New York, p. 44, 1977. 
29. Sleep, N.H., Biogeochemistry; oxygenating the atmosphere, Nature 410:317–319; 2001, p. 319. 
30. Horgan, J., The End of Science: Facing the Limits of Knowledge in the Twilight of the Scientific Age, Addison-Wesley, Reading, p. 130, 1996. 
31. Jamali, F., Lovlin, R., Corrigan, B.W., Davies, N.M. and Aberg, G., Stereospecific pharmacokinetics and toxicodynamics of ketorolac after oral administration of the racemate and optically pure enantiomers to the rat, Chirality 11(3):201–205, 1999. 
32. Coppedge, J.F., Probability of left-handed molecules, CRSQ 8:163–174, 1971. 
33. Simpson, S., Life’s first scalding steps, Science News 155(2):24–26, 1999; p. 26. 
34. Flowers, C., A Science Odyssey: 100 Years of Discovery, William Morrow and Company, New York, p. 173, 1998. 
35. Scherer, S., Could life have arisen in the primitive atmosphere? J. Molecular Evolution 22(1):91–94, 1985; p. 92. 
36. Thaxton, C., Bradley, W. and Olsen, R., The Mystery of Life’s Origin; Reassessing Current Theories, ch. 5, Philosophical Library, New York, 1984. 
37. Rosing, M.T. and Frei, R., U-rich Archaean sea-floor sediments from Greenland—indications of >3700 Ma oxygenic photosynthesis, Earth and Planetary Science Letters 217:237–244, 2004. 
38. Urey, ref. 17, p. 153. 
39. Campbell, N.A., Biology, Benjamin/Cummings, Redwood City, 1993.
40. Campbell et al., ref. 23, p. 321. 
41. Lahav, ref. 21, p. 50. 
42. Timberlake, K., Chemistry: An Introduction to General, Organic, and Biological Chemistry, Benjamin Cummins, San Francisco, 2001. 
43. Witham, L., By Design: Science and the Search for God, Encounter Books, San Francisco, p. 106, 2003. 
44. Witham, ref. 43, p. 98. 
45. Vogel, G., RNA study suggests cool cradle of life, Science 283(5399):155–156, 1999. 
46. Williams, E.L., The evolution of complex organic compounds from simpler chemical compounds: is it thermodynamically and kinetically possible? CRSQ 4:30–35, 1967. 
47. Hulett, H.R., Limitations on Prebiological Synthesis, Journal of Theoretical Biology 24:56–72, 1969. 
48. Horgan ref. 30, p. 138. 
49. Yockey, H.P., Information Theory and Molecular Biology, Cambridge University Press, Cambridge, p. 336, 1992. 
50. Colson and Pearcey, ref. 19, p. 71.
51. Haeckel, E., The Last Link: Our Present Knowledge of the Descent of Man, Adam and Charles Black, London, p. 120, 1898. 
52. Haeckel, ref. 51, p. 48. 
53. Meyer, S., DNA and other designs, First Things, April, pp. 30–38, 2000; p. 31. 
54. Conklin, E.G., Embryology and evolution; in: Mason, F. (Ed.), Creation by Evolution, Macmillan, New York, pp. 63–64, 1928. 
55. Denton, M., Evolution: A Theory in Crisis, Adler and Adler, Bethesda, p. 250, 1986. 
56. Cairns-Smith, A.G., The first organisms, Scientific American 252(6):90–100, 1985. 
57. Sarfati, J., Origin of life: the polymerization problem, J. Creation 12(3):281–284, 1998. 
58. Kauffman, S., The Origins of Order, Oxford University Press, New York, 1993; At Home in the Universe, Oxford University Press, New York, 1995. 
59. Horgan, ref. 30, p. 139. 
60. Pigliucci, M., Where do we come from? A humbling look at the biology of life’s origin, Skeptical Inquirer 23(5):21–27, 1999. 
61. Dembski, W.A., The Design Inference: Eliminating Chance Through Small Probabilities, Cambridge University Press, Cambridge, England, 1998. 
62. Polanyi, M., Life’s irreducible structure, Science 160:1308, 1968. 
63. Davies, P., Life force, New Scientist 163(2204):27–30, 1999; p. 28. 
64. Popper, K.R., Scientific reduction and the essential incompleteness of all science; in: Ayala, F. and Dobzhansky, T. (Eds.), Studies in the Philosophy of Biology, University of California Press, Berkeley, p. 270, 1974. 
65. Sarfati, J., Self-replicating Enzymes? A critique of some current evolutionary origin-of-life models, J. Creation 11(1):4–6, 1997. 
66. Sarfati, J., Origin of life: the chirality problem, J. Creation 12(3)263–266, 1998. 
67. Sarfati, J., Origin of life and the homochirality problem: is magnetochiral dichroism the solution?, J. Creation 14(3)9–12, 2000. 
68. Shapiro, ref. 20, p. 107. 
69. Davies, ref. 1, p. 17. 
70. Levy, M. and Miller, S.L, The stability of the RNA bases: Implications for the origin of life, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 95:7933–7938, 1998.
71. Behe, M., Darwin’s Black Box, Basic Books, New York, 1996. 
72. Johnson, P., Weekly Wedge Update, April 30, p. 1, 2001. 
73. Serafini, A., The Epic History of Biology, Plenum, New York, p. 292, 1993. 
74. Ridley, M., The Cooperative Gene; How Mendel’s Demon Explains the Evolution of Complex Beings, The Free Press, New York, p. 84, 2001