Читать книгу Сознание вне мозга, или Многомерность живого - Юрий Назаренко - Страница 6

Проблема возникновения всего живого существовала уже во времена Платона. В цитате из диалога «Софист», приведенной ранее, говорится о двух возможных версиях: творчество Бога и самопроизвольное возникновение. Определение творчества довольно понятно, это способность к созданию нового. А что можно понимать под «самопроизвольной причиной, производящей без участия разума»? Ведь и современная теория абиогенеза (возникновение жизни из неживого), в сущности, именно так и формулируется. Предполагается, что когда-то давно Земля была сильно нагретым шаром, и температура на ее поверхности была достаточно высока для существования каких-либо форм нынешней органической жизни, но постепенно ее поверхность остыла и стала пригодной для появления жизни. То, что внутри нынешней Земли находится горячая магма, которая время от времени вырывается на поверхность через вулканы, является веским аргументом в пользу этой гипотезы. Сейчас непосредственного возникновения живого из неживого не происходит, после известных опытов Луи Пастера в середине 19-го века это не подвергается сомнению. Но когда-то давно это должно было произойти, ведь на раскаленной Земле жизни быть не могло, а сейчас она есть.

И сегодня, как и во времена Платона, люди делятся на тех, кто допускает существование Творца, и тех, кто считает, что все произошло само собой без вмешательства разумной силы. Официальная наука сейчас на стороне последних. Предполагается, что вначале была химическая эволюция, которая привела к созданию первого живого существа, а затем началась биологическая эволюция, которая привела к созданию всего нынешнего многообразия жизни. В основе биологической эволюции лежит принцип естественного отбора, то есть стремление живых существ к выживанию приводило к появлению все новых и новых видов. В основу химической эволюции можно заложить только действие физических или химических законов, в результате которого возникают сложные химические соединения, которые становятся все сложнее, и, наконец, приобретают свойства живого.

Но если мы сегодня сравниваем сложность неорганических химических элементов и тех, которые находятся в живых организмах, то видим, что между ними есть очень существенная разница. Первые довольно просты по структуре, а вторые могут содержать молекулы с очень сложной структурой. Доля живой материи очень мала на поверхности планеты, и только она содержит химическую сложность молекул и биологическую сложность живых структур. Остальная неорганическая материя очень проста в химическом плане, и, в сущности, не подвергалась никаким значительным изменениям в сторону усложнения за время своего появления из недр на поверхность. Ведь в срезах твердой породы довольно четко различаются геологические временные слои, которые отложились сотни миллионов лет назад, и с тех пор их химический состав заметно не менялся. Океан и атмосфера также существуют очень долгое время и их химический состав (за исключением живого, конечно) тоже очень прост. Хотя в этих средах, в отличие от твердой породы, постоянно происходит энергичное перемешивание, ведущее к столкновениям атомов и молекул, которое необходимо для образования сложных составных молекул.

Однако, несмотря на частые столкновения, ни в атмосфере, ни в океане сложных молекул не образуется. Почему же мы должны ожидать, что когда-то давно они, все-таки, смогли появиться в так называемом «первичном бульоне»? Сейчас более модно говорить о «мире РНК», но суть гипотезы осталось той же. На это обычно возражают, что они появляются, но уже существующие живые бактерии используют их в пищу. Это возражение, конечно, очень слабое. Ведь могли бы накапливаться необязательно органические вещества, но и какие-то сложные по химическому составу вещества, которые не годятся в пищу. Но такого не происходит, кроме различных простых солей и песчинок, которые появляются в результате размытия твердых пород водой, ничего в океане не образуется.

Несмотря на отсутствие каких-либо данных о возможности образования сложных химических соединений вследствие действия природных стихийных сил, эта гипотеза остается основной в современной науке. Ставились даже специальные опыты для подтверждения возможности образования сложных органических соединения в условиях близких к природным. Широко известен эксперимент Миллера-Юри, проведенный еще в 1953 году. Схема эксперимента показана на рисунке.

Рис. Схема эксперимента Миллера-Юри (из «Википедии», 2014)

Собранный аппарат представлял собой две колбы, соединённые стеклянными трубками в замкнутую цепь. Заполнявший систему газ представлял собой смесь из метана (CH₄), аммиака (NH₃), водорода (H₂) и монооксида углерода (CO). Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась, далее водяные пары попадали в верхнюю колбу, куда с помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию. После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что 10 %–15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Были также обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.

Так как в опыте Миллера-Юри использовался высоковольтный разряд в газе, имитирующий молнии в атмосфере, то в месте разряда молекулы газа разбивались на отдельные ионы, которые при выходе из зоны разряда могли соединяться в произвольном порядке, образуя новые химические соединения. Неудивительно, что больше всего из аминокислот было обнаружено именно молекул глицина, так как это простейшая из них, содержащая всего десяток атомов в своем составе (NH₂ – CH₂ – COOH). Другие молекулы аминокислот могут содержать до двадцати и более атомов, поэтому, очевидно, вероятность их появления должна уменьшаться по мере роста числа атомов в составе.

Удивительно другое, почему за прошедшие полвека эти опыты всего лишь повторялись в том же или несколько ином виде. А почему бы было не расширить эти опыты? Например, снять временную зависимость, отметив на графике, как изменяется количество аминокислот во времени (через час, через день, через неделю и т. д.). Вполне возможно, что начиная с какого-то момента времени, содержание аминокислот больше и не росло, а вышло бы «на полку», то есть реакция пришла бы в состояние равновесия. А это очень вероятно, ведь электрическому полю в газовом разряде без разницы какое вещество разбивать на ионы – простой трехатомный газ или сложную многоатомную аминокислоту. Все-таки, довольно очевидно, что газовый разряд – это не место для объединения простых атомов в сложные, а место, где, наоборот, связи между атомами рвутся под воздействием разогнанных электрическим полем ионов и электронов.

С другой стороны, если убрать разряд из схемы опыта Миллера-Юри, то время ожидания появления хотя бы одной молекулы аминокислоты в результате только кипячения и перемешивания увеличится до совершенно неприемлемых величин: даже не сотен или тысяч лет, а гораздо больше. Это связано с соотношением величин тепловой энергии при кипячении и энергии связи в молекуле газа. Энергия связи в молекуле газа составляет обычно несколько единиц электрон-вольта (1 эВ = 11600°K), а тепловая энергия молекул при кипячении составляет всего одну тридцатую долю от электрон-вольта, то есть примерно в сотню раз меньше энергии связи. А это значит, что даже в самой дальней части «максвелловского хвоста» распределения по энергиям, где находятся самые быстрые молекулы воды, нет молекул воды с энергией достаточной, чтобы ионизовать хотя бы один атом газа. Другими словами, энергии кипячения воды просто недостаточно для того, чтобы образовалась хотя бы одна молекула аминокислоты. Но в принципе, за много лет она может и возникнет из-за действия каких-либо других причин, например, жесткого космического излучения.

Понятно, что при более тщательном проведении опыты типа эксперимента Миллера-Юри, скорее всего, продемонстрируют невозможность возникновения сложных органических молекул под действием только природных стихийных сил, то есть смысл их интерпретации будет обратный тому, который существует сейчас.

Для иллюстрации «творческих возможностей» фактора случайности проведем следующий мысленный эксперимент, являющийся как бы продолжением опыта Миллера-Юри. Предположим, у нас уже есть в наличии необходимый исходный набор аминокислот. И в качестве следующего этапа их нужно объединить в упорядоченную линейную цепочку аминокислот для какого-то белка, то есть сделать то, что в живой клетке выполняет рибосома. Обычный белок может содержать в цепочке тысячи аминокислот, но для простоты, мы ограничимся случаем, когда их число в районе одной сотни. Предположим, далее, что мы помещаем эту сотню аминокислот, уже готовую для объединения, в некий электрический разряд как в опыте Миллера-Юри. Но, конечно, не в реальный разряд, который может и разрушать уже существующие аминокислоты, а некий вымышленный, специально предназначенный для наших целей. Этот разряд нужным нам образом точно ионизует аминокислоты с двух сторон и таким образом идеально подготавливает их к последующему взаимному объединению в цепочку из сотни аминокислот.

Однако, после такого идеализированного разряда в дело вступает фактор случайности. Ведь эта сотня аминокислот может объединиться в любом порядке, а нам нужно получить конкретный белок, то есть порядок должен быть вполне определенный. Ясно, что с первого раза нужный порядок может и не получиться. Так как опыт у нас идеализированный, то предположим, что в случае неудачи, мы можем в другом специальном разряде разделить полученную цепочку снова на исходную сотню аминокислот, а затем повторить все заново, и так до тех пор, пока не получим нужный порядок. Попробуем оценить, сколько в среднем времени потребуется, чтобы получить нужную нам линейную цепочку аминокислот в этом идеализированном эксперименте.

В сущности, нам нужно расположить сотню различных элементов в нужном порядке. Оценим вероятность этого события из следующей модельной задачи. Положим, что мы имеем рулетку с всего одной лункой и одним шариком. После бросания шарика на вращающуюся рулетку он всегда в итоге попадет в эту единственную лунку. То есть в этом случае нам достаточно единственного опыта для получения нужного результата. Далее, увеличим число лунок и, соответственно, число шариков, до двух, и занумеруем их. Тогда после вбрасывания шариков на рулетку возможно два варианта: правильный, когда номера шариков и лунок совпадут, и неправильный, когда они не совпадут. То есть в этом случае в среднем каждое второе бросание даст верный результат. В случае трех лунок и трех шариков, среднее число бросаний увеличится до шести. Так как первый шарик попадает в нужную лунку с вероятностью одна третья (три свободных лунки для него), второй с вероятностью одна вторая (для него уже осталось только две свободных лунки), а третьему остается только занять свободную лунку, то есть у него вероятность единица. Перемножая вероятности для каждого шарика, и получаем величину в одну шестую, то есть в среднем нужно шесть бросаний. Добавление четвертой пары шарик-лунка увеличивает число средних бросаний еще в четыре раза, то есть до двадцати четырех. Добавление пятой пары, увеличивает среднее число еще в пять раз до 120, и т. д. Легко прослеживается закономерность, что число необходимых бросаний в случае наличия в рулетке N пар шарик-лунка равно произведению всех чисел от 1 до N, то есть N! (читается N – факториал).

Если бы нам нужно было собрать в линейную упорядоченную цепочку всего пять аминокислот (а не сотню), то нам понадобилось бы повторить наш опыт с идеализированными разрядами всего 5! или сто двадцать раз, что вполне приемлемо и выполнимо. То есть фактор случайности при небольшом числе объединяемых элементов не является большой проблемой. Посмотрим, сколько раз следует повторить опыт, если нужно упорядочить случайным образом не пять, а, все-таки, сотню аминокислот. Калькулятор показывает, что 100! равно некому целому числу, в котором 158 знаков. Как понять, насколько велико это число, если число миллиард имеет только 10 знаков, а триллион имеет всего 13 знаков?

Предположим, что мы повторяем наш идеализированный опыт по типу Миллера-Юри для получения упорядоченной цепочки в сотню аминокислот с частотой один раз в секунду. Тогда за год мы успеем провести около 30 миллионов попыток, а это число всего с 8 знаками. Даже если мы увеличим время с одного года до 4,5 миллиардов лет (а это возраст Земли), то и тогда число попыток ограничится числом всего с 18 знаками, а это, по-прежнему, значительно меньше того, что нам надо. Даже увеличение частоты эксперимента вместо одной попытки в секунду до миллиона попыток в секунду дает суммарное число попыток за время существования Земли равное числу с 24 знаками, которое далеко не дотягивает до нужных нам 158 знаков.

Тогда пойдем по пути увеличения числа опытных установок, в этом случае и число совершенных попыток увеличится пропорционально числу опытных установок. Не будем мелочиться и возьмем достаточно большое число опытных установок, на каждой из которых будем одновременно проводить опыты со скоростью миллион в секунду. Пусть их число будет содержать 50 знаков, это примерно равно числу всех атомов, из которых состоит наша планета. Тогда для суммарного числа опытов на всех этих установках за 4,5 миллиарда лет мы получим в итоге огромное число с 74 знаками. Увы, и это оказывается очень мало в сравнении с нужным нам числом попыток (158 знаков). А чтобы получить нужное нам число опытов, следует добавить таких планет как наша Земля еще столько же, сколько атомов во Вселенной. Причем, на каждой из них будет работать столько установок, сколько атомов на Земле, и каждая будет совершать миллион опытов в секунду в течение 4,5 миллиардов лет. И вот тогда, где-то на одной из этих бесчисленных установок мы получим, наконец, расположение сотни аминокислот в нужном нам порядке.

Вот такая любопытная арифметика получается, чтобы расположить пять аминокислот в заданном порядке достаточно провести всего сто двадцать случайных попыток, а для той же процедуры из сотни аминокислот не хватит и размеров всей Вселенной. Теперь представим следующую ситуацию. Весь вечер мы провели в безуспешных попытках с рулеткой из ста шаров и ста лунок, а наутро пришли и увидели, что все шары разложены точно по своим местам. Поверим ли мы, что здесь обошлось без вмешательства «разумной силы»? После только что разобранной задачи очень трудно в это поверить. А в качестве «разумной силы» здесь мог выступить любой школьник, и за пару минут разложить шары по номерам.

Пожалуй, следует сделать одно уточнение, хотя оно и не влияет на верность полученного конечного результата. Так как стандартных аминокислот в белках всего 20, то задачи о ста шарах и ста аминокислотах не эквивалентны. В сотне аминокислот есть повторяющиеся, а, следовательно, они взаимозаменяемы, поэтому число вариантов будет меньше. Например, положим, что каждая из 20 аминокислот встречается в нашей сотне равномерно, то есть по 5 раз. Тогда число выбросов для каждой двадцатки будет 20! то есть полное число переборов для пяти двадцаток будет (20!)⁵. А это число всего с 92 знаками, но и его вполне достаточно, чтобы наша оценка о невозможности осуществления такого огромного числа проб осталась в силе. Для того, чтобы получилось число как с сотней шаров (158 знаков), нужно брать не сотню аминокислот, а побольше, где-то в районе 170 штук.

На этом примере с шарами или аминокислотами можно наглядно видеть, что при увеличении сложности задачи «творческие способности» фактора случайности очень быстро стремятся к нулю. Поэтому когда нас пытаются убедить, что сложные белковые молекулы, состоящие из тысяч (даже не сотен) упорядоченных атомов, могли возникнуть из-за каких-либо случайных взаимодействий более простых соединений между собой, то относиться к этому нужно с большой осторожностью, – скорее всего, это обман или самообман, выдача желаемого за действительное.

Если мы видим разложенные сто шаров в нужном нам порядке, то мы поверим в случайность или в разумное целенаправленное вмешательство? Да, формально это может быть и случайность, хотя вероятность невероятно мала (1/100!). Однако в этом и разница, что целенаправленное разумное действие делает то, что невероятно и невозможно для случайности вполне возможным и выполнимым. Если мы найдем в пустынной труднодоступной местности в горах часовой механизм из шестеренок и болтиков, то в принципе возможно предположить, что он собрался сам собой в результате действия стихийных сил без вмешательства разума. Действительно, шестеренки и болтики могли появиться в результате вулканического извержения. Ведь лава может застывать в весьма причудливых формах, а значит, могут случайно образоваться и капли в виде правильных шестеренок и болтиков. После этого порывы ветра могут собрать все это вместе в часовой механизм.