О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

киотносилисьименнокустановлениюмаксимальноговозрастана- шегосветила.Какможноеговычислить?Первое,чтоприходитвго- лову, – по той энергии, которую оно выбрасывает в космос. До ХХ в. люди не знали никаких источников тепла, кроме процесса горения. Поэтомувполнелогичнобылопредположить,чтоивсолнечныхне- драх полыхает гигантский котел. Однако здесь физиков подстере- гал конфуз. Самым энергоемким веществом при горении считался каменный уголь. Масса Солнца была определена, хотя и с достаточ- но большой погрешностью, еще в XVII в. Казалось бы, чего проще – известныскоростьреакциииколичествовещества,внейучаствую- щего, разделить одно на другое, да и дело с концом! Так и сделали, воттолькорезультатоказался,мягкоговоря,сомнительным.Уголь- ный костер, обладающий массой Солнца, должен был прогореть всего-навсего за полторы тысячи лет! Поскольку даже зафиксиро- ванная человеческая история длится гораздо дольше, стало ясно, чтонеобходимоискатьиныеспособыобъяснениягигантскойэнер- гии,излучаемойнашейзвездой.

Остроумнейшую гипотезу предложил в 1853 г. Г. Гельмгольц. Он объяснил излучение процессами перехода потенциальной энер- гии в кинетическую. Для тех, кто бесповоротно забыл школьный курс физики, напомним, что потенциальная энергия – это энергия тела, поднятого над землей. Если я стою на балконе пятого этажа и держу в руках стул, он обладает определенной энергией, которая пока не выделилась, она – «в потенции», то есть в возможности. Если же я случайно отпускаю его аккурат в тот момент, когда под балконом проходит вредный сосед снизу, он падает, стремительно набирая скорость, и потенциальная энергия переходит в кинетиче- скую, то есть энергию движения, величину которой сосед сможет оценитьвполноймере.

Гельмгольцпредположил,чтоподдействиемсобственнойсилы тяжести Солнце постоянно сжимается, в результате чего потенци- альная энергия верхних слоев переходит в кинетическую, кото- рая и выделяется в виде тепла. Надолго ли хватит запасов такой энергии? Оказывается, вполне. Чтобы обеспечить нынешнюю све- тимость Солнца, оно должно «съеживаться» всего на 148 м в год. Учитывая, что его диаметр составляет приблизительно полтора миллиона километров, ясно, что такая энергия могла бы выделять- сяоченьдолго.Этатеорияимеладлясовременниковиещеоднодо- стоинство – она позволяла достаточно точно определить предель- ную величину возраста Земли. Очевидно, что, если Солнце сжима-

71

ется, раньше оно должно было быть значительно больше. Однако его диаметр имел одно непреложное ограничение – он не мог быть больше диаметра земной орбиты, иначе Земли просто не существо- валобы,онабылабыпоглощенаСолнцем.РасчетыГельмгольцапо- казали, что таким размером Солнце должно было обладать 18 млн лет назад. Физикам эта величина показалась вполне достаточной. Однако за 20 лет до появления теории Гельмгольца английский ге- олог Чарльз Лайелл достаточно строго доказал, что для образова- ния наблюдаемых осадочных пород требуется минимум несколько сотенмиллионовлет.Возниклапатоваяситуация:соднойстороны, ничего кроме гельмгольцевского сжатия в качестве источника сол- нечной энергии ученые предложить не могли, с другой – даже эта гипотеза не укладывалась во временные рамки. И все-таки послед- нее слово осталось за физиками. После открытия радиоактивности (об этом мы уже достаточно подробно говорили) стало ясно, что процессы, происходящие в ядрах атомов, являются почти неиссяка- емым источником энергии. Именно термоядерные реакции и идут внедрахнашейзвезды.

Явление радиоактивного распада оказалось решающим и в установлении возраста Земли. Не вдаваясь в подробности (же- лающие могут найти их в замечательной книге К. Еськова «Исто- рия Земли и жизни на ней»), скажем лишь, что конечным резуль- татом стало число, указанное в начале этого параграфа, – 4,6 млрд лет. К сожалению, даже самые современные методы не могут ука- зать точную дату возникновения жизни. По разным оценкам, она варьируетсяот3до4млрдлетназад,анекоторыеспециалистына- зывают даже величину 4,5 млрд лет назад. Но это, в конце концов, не столь важно, главное – что жизнь все-таки возникла, и мы все – томуподтверждение.Ивотздесьвозникаетключевойвопрос:как? Каким образом появилась принципиально отличная от неживой материя, не подчиняющаяся к тому же универсальному принципу увеличения энтропии?

В большинстве источников (к которым, увы, относятся и мно- гие вузовские учебники) можно найти упоминание о четырех кон- цепциях происхождения жизни – креационизме, теории самоза- рождения, панспермии и теории однократного абиогенеза (извест- ной также как теория Опарина). Непонятно, что в этом ряду делает креационизм,которомууделяетсянередкоедвалинебольшеместа, чем любой из остальных теорий. Концепция божественного проис- хождения жизни, разумеется, присутствует во всех без исключения

72

религиях, но при чем здесь наука? Можно быть верующим или ате- истом,норассуждатьокреационизмеврамкахобзоранаучныхтео- рийпоменьшеймеренерационально.

Итак, по сути, таких концепций всего три. Древнейшая из них – теория самозарождения, которой придерживались древние мысли- тели как на востоке – в Индии и Китае, так и на западе. Египтяне, например, были убеждены, что лягушки и крокодилы рождаются в речном иле (что неудивительно, учитывая ту гигантскую роль, которую играл Нил в жизни этой цивилизации). В античном мире эти представления получают дальнейшее развитие. Демокрит был убежден, что жизнь возникает в результате взаимодействия двух стихий – подвижного огня и влажной воды. Эмпедокл считал, что живыеорганизмыпоявлялисьпочастям,ивначальномокеанепла- вали руки, ноги, глаза, селезенки и прочий ливер. Влекомые силой любви, они соединялись вместе, образуя порой весьма причудли- вые сочетания. Представления о роли воды в образовании жизни восходяткпервомугреческомуфилософуФалесуМилетскому,кото- рыйсчиталводуединственнойпервостихией.

Принципиально иную картину рисует Платон, который го- ворит о фундаментальном различии живой и неживой материи. Живое становится таковым только после того, как в нем появля- ется нематериальное животворящее начало – душа (Психея). Та- кой же точки зрения придерживался и Аристотель. В античных концепциях встречаются и мысли об эволюции живых существ, например о происхождении всех живых организмов от рыб. И все же, несмотря на многие совпадения с современными концепция- ми (о принципиальной разнице живого и неживого, об эволюции и т.д.), не стоит приписывать древним грекам слишком уж передо- вые взгляды на этот счет. Оставаясь детьми своего века, они пере- плетали в своем сознании гениальные догадки и мифологические представления, создавая порой логические конструкции, не менее причудливые, чем чудовища Эмпедокла. Дело в том, что греки, при всей их любви к умным рассуждениям, совершенно не понимали роли опыта в установлении истины, экспериментальный метод (а с ним и наука в современном смысле слова) был открыт много позжеГалилеем,аещепозжеМарксвывелзамечательнуюформулу «Практика – критерий истины». Логические рассуждения не про- сто ставились выше очевидности, они были единственным аргу- ментом, что привело, например, Аристотеля к утверждению о том, что у мухи восемь ног.

73

ТеориясамозарожденияпродолжалагосподствоватьивСредне- вековье, причем иногда эти представления приводили к достаточ- но забавным рецептам создания живых существ. От платоновского «мухи происходят из гниющего мяса» средневековые алхимики перешли к идее создания искусственного человека – гомункулуса. Латинское homo переводится как «человек», отсюда homunculus – «человечек». Вот рецепт, предложенный знаменитым алхимиком XVI в. Парацельсом: «Возьми известную человеческую жидкость (имеется в виду мужская сперма) и заставь ее гнить в течение семи дней в запечатанной тыкве. По истечении этого срока перемести ее в лошадиный желудок и ежедневно добавляй небольшое коли- чество свежей человеческой крови. По прошествии сорока недель ты получишь настоящего живого ребенка, имеющего все члены, какдитя,рожденноеотженщины,толькооченьмаленькогороста». КудадоэтогованГельмонту,которыйсчитал,чтомышипроисходят иззерна,завернутоговпропотевшуюрубашку!

Позиции сторонников самозарождения оставались достаточно сильнымивплоть до XIX в., хотя атаки на неестановились всеболее серьезными, начиная с опытов итальянского врача XVII в. Франче- скоРеди. Они были настолькопросты, что остается удивляться, как эта мысль не пришла никому в голову раньше. Реди взял два куска мяса, положил их в два кувшина, один из которых затянул тонкой тканью, не позволяя таким образом мухам проникнуть внутрь. Ре- зультат был предсказуем – спустя несколько дней в открытом кув- шинекишмякишелиличинкимух,втовремякаквзакрытомниче- гоподобногонебыло.ОднакосамРединесчитал,чтоонполностью опровергтеориюсамозарождения,онговорилтолькоомухахибыл убежден, что некоторые организмы все же могут появляться «сами посебе».

В XVIII в. дело Реди продолжил Ладзаро Спалланцани. Следу- ет заметить, что к этому времени уже был изобретен микроскоп, и полемика вокруг самозарождения переместилась в плоскость рассуждений о «ничтожных зверюшках», как тогда называли ми- кроорганизмы. Работам Спалланцани предшествовали публикации английского священника-натуралиста (да, в те времена такое слу- чалось очень часто, да и сам Спалланцани был священнослужите- лем)Дж.Нидхема.Онставилопытысбараньейподливкой,кипятил ее и закрывал пробкой. Несмотря на это, на подливке появлялись колонии микроорганизмов. Нидхем расценил это как доказатель- ство правоты теории самозарождения. Спалланцани же был убе-

74

жден, что дело в недостаточно плотно закрытой пробке. Поставив ряд опытов с кипячением, он обнаружил, что при запаивании гор- лышка колбы микроорганизмы не появлялись, если кипячение производилось достаточно долго. К одному из удивительных для того времени результатов было открытие способности некоторых микроорганизмов переносить непродолжительное (в течение не- скольких минут) кипячение без ущерба для здоровья. Теперь мы знаем, что многие одноклеточные организмы могут в виде спор пе- реносить очень неблагоприятные воздействия, но тогда это было революционным открытием. Еще одну локальную революцию про- извело открытие Спалланцани потрясающего факта – оказывается, некоторые из этих «ничтожных зверюшек» способны обходиться без кислорода! Опять-таки, сейчас мы знаем о существовании анаэ- робных организмов, об их метаболизме, но в XVIII в. господствова- ло убеждение, что все живые существа должны дышать воздухом. Несмотря на опровергающие выводы, полученные Спалланцани, Нидхем и не думал сдаваться. Совместно с известным натурали- стом графом Бюффоном он объявил, что причиной самозарожде- ния является некая животворящая сила, находящаяся в воздухе. С этого момента теория самозарождения превратилась в теорию витализма. В ответ на это упорный Спалланцани произвел ряд экспериментов с измененными условиями. В одной серии он брал непрокипяченые семена и запаивал их в склянку с многократно прогретым воздухом. Результат очевиден – спустя несколько дней на семенах бурно размножались микроорганизмы. В другой серии объект нагревания менялся – кипятились семена, в то время как воздух в склянке оставался холодным, следовательно, как мы сей- час понимаем, содержащим бактерии. Результат был точно таким же – появление колоний микроорганизмов. А в третьем ряду опы- тов он нагревал и то, и другое, в результате содержимое склянки оставалосьстерильным.Собственноговоря,наэтомможнобылобы поставить точку. Для любого непредвзятого наблюдателя правота Спалланцани не вызывала более сомнений. Но далеко не все участ- ники дискуссии были беспристрастными. Виталисты продолжали придумывать аргументы, уповая в основном на то, что для самоза- рождениянеобходимпостоянныйпритоквоздуха,причемненагре- того,чтобынебылауничтоженапроизводящаясила.Окончательно расставить все точки над i позволили опыты еще одного, пожалуй, самогоизвестногоученого,отличившегосявборьбестеориейсамо- зарождения,–ЛуиПастера.

75

Пастер поместил прокипяченный бульон в колбу с хитро устро- енным горлышком. Он придал ему S-образную форму, обеспечив таким образом постоянный приток свежего, ненагретого, сохраня- ющего все свои свойства воздуха. Несмотря на это, бульон не мут- нел, поскольку микроорганизмы, содержащиеся в воздухе, оседали наизгибахгорлышка.Этобылонеопровержимымдоказательством. Последним ударом оказалось простое встряхивание колбы. Сте- рильный бульон, попав на горлышко, смыл со стеклянных стенок осевшие на них бактерии, после чего моментально произошло бур- ное их размножение. XIX век, таким образом, полностью показал несостоятельность теории самозарождения. Однако стоит заду- маться:комунарукубылидоказательстваПастера?Парадоксально, нофакт–большевсегоотнеевыигралисторонникикреационизма! В самом деле, при всех недостатках и нелепостях теория самоза- рождения была попыткой объяснить возможность возникновения живых существ хоть с каких-то научных позиций. Доказав невоз- можность самозарождения, Пастер, сам того не желая, косвенным образом подтвердил правоту сторонников творения. Однако мате- риалисты не сдавались, и вскоре появились две новые концепции, пытающиеся объяснить происхождение жизни без вмешательства высшихсил.

Хронологически следующей концепцией является теория панспермии. Понятно, что после опровержения самозарождения нужна была новая гипотеза, способная объяснить удивительный факт существования жизни на Земле. И в период борьбы Пастера свиталистаминемецкийхимикЮ.Либихвысказалидею,чтожизнь могла быть занесена на нашу планету извне, споры бактерий, как показал Спалланцани, являются очень устойчивыми и вполне мо- гут выдержать межпланетное путешествие. Именно в таком виде встречается сейчас трактовка теории панспермии. Часто добавля- ют, что сторонниками этой гипотезы были такие ученые, как Арре- ниус, Вернадский, Лебедев, Циолковский и многие другие. Говорят также, что панспермия потеряла актуальность после появления теории однократного абиогенеза Опарина-Холдейна. На самом деле, в том виде, в каком она была предложена, теория панспермии не выдерживает критики с самых разных точек зрения. Методоло- гически она несостоятельна, поскольку не дает ответа на главный вопрос–какименнозародиласьжизнь.Онапростопереноситместо зарожденияжизникуда-товглубиныкосмоса.Сточкизрениянауки поначалу показалось, что эта теория получила экспериментальные

76

подтверждения. На некоторых метеоритах были обнаружены орга- нические вещества, а в отдельных случаях – даже споры бактерий. Увы, эти споры оказались результатом загрязнения метеоритного вещества при попадании в земную атмосферу, а органика не отли- чалась хиральной чистотой, что делало ее неспособной быть осно- вой жизни. Наконец, даже чисто исторически – все перечисляемые обычносторонникитеориипанспермииотносятсякконцуXIX–на- чалуXXв.,т.е.теорияоднократногоабиогенезабылаимнеизвестна.

Однако у теории панспермии есть и другая, гораздо более глу- бокая интерпретация. Жизнь понимается как фундаментальное свойство материи, присущее ей изначально. Жизнь ставится в один ряд с гравитацией или движением. И здесь возникает простор для творчества.Например,можноотодвинутьнавторойпланопределе- ние жизни и вопрос о ее сущности. На самом деле, мы не понимаем сущности силы тяготения, ее природа остается для нас загадкой, тем не менее Ньютону удалось вывести закон всемирного тяготе- ния, а Эйнштейну – построить общую теорию относительности с привлечением идеи искривленного пространства. Аналогичным образом обстоит дело с проявлениями обоих этих явлений. Для того чтобы сила гравитации проявила себя, необходимо наличие определенных условий. Когда два человека стоят и мирно разгова- ривают друг с другом, они не притягиваются, хотя закон тяготения никто не отменял. Почему? Да просто потому, что их масса доста- точно мала и сила притяжения между ними является ничтожной по сравнению с притяжением Земли и силой трения. Однако стоит убратьэтидополнительныефакторы,поместив,например,собесед- ников в глубокий космос, подальше от массивных тел, как в таких условиях закон всемирного тяготения проявит свое действие. Так же и с жизнью – она присутствует всюду и всегда, но проявиться может только при определенных условиях. Именно такие условия сложилисьнаЗемлечетыремиллиардалетназад,итолькопоэтому жизньипроявиласьименновданномместеивданноевремя.Такую трактовку,например,даетдиректорПалеонтологическогоинститу- таРАНА. Н.Розанов,одинизкрупнейшихсовременныхавторитетов в данной области, чьи лекции автору этих строк посчастливилось услышатьв2008г.

Нодажеэтаинтерпретацияоставляетмножествовопросов,глав- ным из которых является проблема возникновения жизни на иной, отличной от углеродной, основе. Все живые молекулы на Земле по- строены на углероде – шестом элементе периодической системы

77

Менделеева. Однако существует множество других веществ, кото- рые чисто теоретически тоже могут лечь в основание сложных мо- лекул.Покрайнеймере,современнаянаукавполнедопускаеттакую возможность.Аведьстоитнемногонапрячьфантазию,иможновы- двинуть еще более безумные идеи. Например, можно вспомнить, что материя существует в двух формах – вещества и энергии. Все, что мы сейчас знаем о происхождении и развитии жизни, относит- ся к веществу, но кто сказал, что материя в форме поля не может проходить стадии эволюции? Как мы уже знаем из первой части, современнойнаукеизвестнычетыретипавзаимодействий–грави- тационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные. Почему бы одному из них или всем сразу не эволюционировать, создавая сложные полевые конгломераты? Конечно, с нашей точки зрения, это будет весьма странная жизнь, но кто знает, на что способна эво- люция... Наконец, в начале XX в. появилась теория, объяснившая, какпоказалосьтогда,полностьювесьмеханизмзарожденияжизни. Ее автором был русский ученый академик А. И. Опарин. В какой-то степени это было возвращение к теории самозарождения, только теперьпроисхождениежизнирассматривалоськакпоэтапныйпро- цесс. В статье «Происхождение жизни», опубликованной в 1924 г., Опарин предположил, что живые молекулы могли образовываться израствораорганическихвеществ,содержащихсявпервичномоке- анеЗемли,подвоздействиемультрафиолетовогоизлученияиэлек- трическихразрядов.

В принципе, ничего невозможного в таких процессах нет. Вода, наполняющая океан, имела магматическое происхождение, т.е. выделялась из расплавленной жидкой оболочки Земли. Проходя через твердые породы – так называемую литосферу (каменную оболочку), она растворяла различные соединения, содержащие серу, фосфор, азот и другие элементы. Атмосфера в то время была бескислородной (99 % имеющегося сейчас кислорода образовано зелеными растениями), зато в ней в избытке содержались амми- ак и метан, хорошо растворимые в воде. Так что в строительных материалах недостатка не было. Ультрафиолета тоже хватало – сейчас это излучение задерживает озоновый слой, но, опять-таки, для образования озона необходим свободный кислород, которого не было, и на ранних этапах земной истории ультрафиолетовое излучение свободно достигало поверхности. Поэтому гипотеза Опарина выглядела достаточно убедительно, особенно после под- тверждающих ее опытов американского биохимика Стэнли Мил-

78

лера. В 1953 г., будучи еще аспирантом, он в лабораторных усло- виях воссоздал «первичный бульон», как часто называли мировой океан с растворенной в воде органикой, и, пропуская электриче- ские импульсы, имитировавшиегрозовыеразряды, а также парал- лельно воздействуя ультрафиолетом, получил множество высоко- молекулярныхсоединений,средикоторыхбылиинекоторыеами- нокислоты. Биологов всего мира охватила эйфория! Казалось, что нужно приложить еще минимум усилий, и тайна жизни будет рас- крыта. Ведь получение аминокислот было предпоследним шагом на этом пути, далее оставалось «всего лишь» собрать их в белко- вую цепочку, и перед нами была бы рукотворная форма жизни, по- лученной без малейшего участия божественного начала. Но здесь ученых поджидало величайшее разочарование. Аминокислоты, полученные Миллером, не обладали необходимым условием – хи- ральной чистотой, они были, в полном соответствии с теорией вероятности, смесью равных пропорций лево- и правовращающих молекул. А мы помним, что даже одна правовращающая молекула ингибирует процесс синтеза белка, и у химиков нет средства от- делить один оптический изомер от другого. Несмотря на много- численные попытки преодолеть это препятствие, за шестьдесят слишнимлет, прошедшихпослеопытовМиллера, добитьсясколь- ко-нибудь значимых успехов так и не удалось...

Правда, один существенный прорыв все же случился, в резуль- татечеготеорияоднократногоабиогенезаполучила«второйшанс». Чтобы понять, в чем он заключался, надо немного подробнее рас- смотреть некоторые положения опаринской концепции и познако- миться с основными возражениями на них. Опарин предполагал, что вначале появлялись так называемые коацерватные капли – конгломераты сложных органических веществ, включавшие в себя и белки. Позднее они получили оболочку, состоявшую из молекул жиров. В этих каплях шли процессы химической эволюции, заклю- чавшиеся в усложнении реакций и появлении все более сложных молекул. Сейчас мы бы назвали это самоорганизацией, но тогда такого термина еще не существовало. В конце концов капли до- стигли такого уровня сложности, что смогли воспроизводить себя, передавая по наследству определенные признаки. Химическая эволюция сменилась биологической. Большинство возражений касались именно этих трех пунктов. Во-первых, механизм наслед- ственностиудалосьобъяснитьмногопозже,послеоткрытияструк- туры ДНК. Во-вторых, был совершенно непонятен процесс замены

79

химической эволюции на биологическую. И, наконец, в-третьих, даже когда удалось описать процесс репликации (удвоения) ДНК, оставалась одна на первый взгляд неразрешимая проблема. Дело в том, что для запуска механизма деления двойной спирали ДНК необходимы особые белки-ферменты, являющиеся катализатором этогопроцесса,адлясинтезаэтихбелковнеобходимаинформация, записанная в ДНК. Круг замкнулся: без ДНК нет белков, без белков нет ДНК. Допустить же одновременное появление двух принципи- ально различных сложнейших полимеров, обладающих к тому же хиральной чистотой, да еще и разнонаправленной (мы помним, что аминокислоты являются левовращающими, в то время как нуклеиновые – право...) – та самая теория вероятности категори- чески восставала против этого. Упомянутый прорыв касался этого последнего возражения. В 1968 г. была предложена идея так назы- ваемого мира РНК. В окончательном виде она сложилась к 1986 г. благодаря работам Лесли Орджела и Уолтера Гильберта. Вкратце идея такова. Помимо дезоксирибонуклеиновой, имеется еще и ри- бонуклеиноваякислота,котораяможетсовмещатьвсебеинформа- ционную и каталитическую функции. Это явление было открыто Томасом Чеком, за что он был удостоен Нобелевской премии по хи- мии в 1989 г. РНК, таким образом, является автономной молеку- лой, способной к самовоспроизводству, однако давно известно, что специализированные устройства справляются с выполнением сво- ихзадачлучше,чемкомбинированные.Подвоздействиеммутаций однажды вместо ферментативной РНК возник белок, являющийся более сильным катализатором. Это изменение оказалось полез- ным для выживания и закрепилось в ходе естественного отбора. Аналогичным образом с наследственной передачей информации лучше справлялась ДНК, что также было закреплено. Вместо од- новременного появления сложнейшего комплекса «ДНК – белок» предполагалось возникновение одного типа молекул. Гипотеза оказалась очень привлекательной, учитывая, что и в современных организмах РНК играет огромную роль, достаточно вспомнить, что аденозинтрифосфат – вещество, которое является носителем энергетического запаса всех живых организмов, – относится к ри- бонуклеотидам. Увы, процесс разделения оптических изомеров и появления хиральной чистоты идея мира РНК объяснить не в со- стоянии... Академик А. Спирин, например, считает, что и в случае правоты сторонников этой идеи РНК на Землю была занесена кос- мическими гостями – кометами.

80