Gyvybė, atsiradusi iš cheminių junginių: faktas ar fantazija? (II dalis)

dna-239263_640

Anksčiau rašėme…

Prieš apžvelgdami mechanistines gyvybės ir sąmonės atsiradimo teorijas, peržiūrėsime tris procesų, vykstančių gyvos ląstelės viduje, pavyzdžius, kurie padės mums įvertinti net pačių paprasčiausių organizmų sudėtingumą.

Svarbu atminti, kad šiuolaikinėje chemijoje vyrauja nuomonė, jog visos molekulės, dalyvaujančios šiuose procesuose, yra tik submikroskopinės materijos dalelės. Jų nuostabus gebėjimas sąveikauti tarpusavyje perša mintį, kad jos turi paslaptingą sugebėjimą savaime organizuotis. Tačiau mokslininkai nedvejodami atmeta tokią idėją, tvirtindami, kad molekulės tiesiog paklūsta fizikos dėsniams. Vis dėlto tada reikia atsakyti į klausimą, kaip molekulės, sąveikaudamos pagal paprastus mechanistinius dėsnius, galėjo susijungti ir suformuoti tokias nesuvokiamai sudėtingas ląstelių struktūras. Dar sunkiau atsakyti į klausimą, kaip ląstelės, paklusdamos tiems patiems įstatymams, evoliucionuoja į aukštesnius organizmus. Taigi net jei dauguma gamtininkų ir toliau laikosi mechanistinio paaiškinimo, negalima atmesti kitų faktorių įtakos cheminės evoliucijos procesui (taip pat ir protingo organizuojančiojo pradmens dalyvavimo faktoriaus).

Pasižiūrėkime į bakterijos apsauginės plėvelės sandarą. Jos formavimasis prasideda nuo to, kad ląstelė iš paprastų junginių surenka molekulinius statybinius blokus. Kitame etape ląstelė sujungia surinktus blokus taip, kad jie sudaro horizontalius ir vertikalius sluoksnius, iš kurių susideda jos išorinė membrana. Tai primena technologinį procesą šiuolaikiniame fabrike, kur specialiai sukonstruotos staklės pirmiausia gamina detales iš žaliavos, o paskui kiti automatai surenka jas į sudėtingą veikiantį mechanizmą.

Dar vienas sudėtingų vidinių ląstelės procesų pavyzdys – vienos iš riebiųjų rūgščių, palmitino rūgšties, sudarytos iš 14 molekulinių komponentų, sintezė. Riebiosios rūgštys yra pagrindinė ląstelės energijos saugykla. Kad galėtų susintetinti palmitino rūgštį, ląstelė iš baltymų molekulių surenka sudėtingą diskinį mechanizmą, taip vadinamą „molekulinę mašiną“, kurios centre yra molekulinis svertas. Šis svertas sukasi, savo kelyje pereidamas per šešis „surinkimo agregatus“.

Po kiekvieno sverto apsisukimo prie riebiosios rūgšties molekulės prisideda du blokai. Tai atlieka fermentai, kurie įeina į surinkimo agregatų sudėtį. Fermentai pateikiami kaip sudėtingos baltyminės molekulės, katalizuojančios cheminius procesus ląstelėje. Po septynių apsisukimų visi keturiolika palmitino rūgšties atominių komponentų būna surinkti, o užbaigta molekulė atsijungia nuo sverto.

Tam, kad ši molekulinė mašina funkcionuotų, visos jos sudedamosios dalys turi būti vietoje. Sudėtingas mechanizmas gali funkcionuoti tiktai tuo atveju, kada visos jo svarbiausios dalys yra vietoje ir tvarkingos. Pavyzdžiui, sunku įsivaizduoti automobilio motoro darbą be kuro siurblio ar paskirstomojo veleno. Todėl mažiausiai tikėtina, kad anksčiau aprašytoji molekulinė mašina galėjo atsirasti laipsniškos evoliucijos procese.

Trečias mūsų pavyzdys – girozės fermento, atliekančio svarbų vaidmenį ląstelės atsigaminime, darbas. Šis pavyzdys gerai iliustruoja visus sunkumus, su kuriais susiduria mechanistinės teorijos, kai jomis bandoma paaiškinti mechanizmų, aprūpinančių ląstelės gyvybinę veiklą, kilmę. Bakterijos ląstelėje DNR molekulė atrodo kaip kilpiška dviguba spiralė, kuri replikacijos procese skiriasi į dvi grandinėles. Taip, kaip dviguba spiralė atsivynioja nuo vieno galo, jos priešingas galas, pritvirtintas prie pagrindo, susisuka dar stangriau, sudarydamas superspiralę. Tačiau kai DNR molekulė jau susukta šimtus kartų, kad tilptų į ląstelę, superspiralizacija turi neišvengiamai iššaukti atskirų jos dalių persipynimą, kuris trukdytų jos replikacijos procesui. Todėl ląstelė aktyvuoja DNR-girozės fermentą, panaikinantį superspiralizaciją. Tai vyksta tokiu būdu: pirma fermentas perpjauna vieną iš DNR grandinių, paskui į susidariusį plyšį pratempia priešingą grandinę ir vėl susiuva suplėšytus galus. Taip DNR-girozė atnarplioja mazgus, susidariusius ant chromosomos.

Neišvengiamai kyla klausimas: „Kokiu būdu atsirado DNR-girozės molekulė?“ Vis dėlto ji pernelyg sudėtinga, kad galėtų atsirasti iš karto, atsitiktinai susijungus tam tikriems komponentams pirmykščiame „sultinyje“. Todėl mokslininkai greičiausiai atsakys, kad fermentas atsirado evoliucijos proceso metu. Bet tada susidaro uždaras ratas: be DNR-girozės ląstelės negali dalintis, o be ląstelių dalijimosi negalima evoliucija, būtina girozės atsiradimui. Taip girozės atsiradimas lieka viena iš neišsprendžiamų ląstelinės evoliucijos mįslių.

Šie pavyzdžiai akivaizdžiai parodo, kokia sudėtinga ląstelės gyvybinės veiklos struktūra ir mechanizmas. Mums neteko matyti nė vieno sudėtingo mechanizmo, kuris būtų pastatytas be brėžinių ir inžinerinio parengimo, todėl logiška būtų buvę spėti, kad sudėtingas ląstelės mechanizmas taip pat atsirado sąmoningo kūrimo akto rezultate. Deja, panašios logiškos išvados nesutampa nei su viena mokslininkų pripažinta gyvybės evoliucijos teorija. Cheminės evoliucijos šalininkai linkę išradinėti alternatyvius paaiškinimus, kuriuose figūruoja tik aklas atvejis ir fizikos dėsniai.

Dažniausiai cheminės evoliucijos šalininkai nurodo tokią jos eigą: daugiau kaip prieš keturis milijardus metų dujų ir dulkių debesys pradėjo kondensuotis ant senovinės Žemės paviršiaus, suformuodamas pirminę atmosferą. Šioje atmosferoje, veikiami ultravioletinių spindulių ir elektros išlydžių, praktiškai iš karto susidarė organiniai junginiai, kurie per paskutinius pusantro milijardo metų kaupėsi pirmykščiame vandenyne. Be paliovos vyko įvairios cheminės reakcijos, kurių dėka susidarė primityvūs polipeptidai, polinukleotidai (DNR ir RNR), polisacharidai ir lipidai. Populiarus universiteto vadovėlis taip aprašo šio proceso baigiamąjį etapą: „Labiausiai tikėtina, kad šioje terpėje (pirmykščiame „sultinyje“), turtingoje organiniais junginiais ir polimerais, ir užgimė pirmieji gyvi organizmai.“

Be abejo, intriguojantis ir savotiškai poetiškas aprašymas. Nors ar gali ši drąsi hipotezė atlaikyti net pačią atsargiausią kritiką? Mes jau svarstėme nuostabų pačių paprasčiausių organizmų sudėtingumą, todėl bet kokia hipotezė, primetanti akloms gamtos jėgoms organizuojantį vaidmenį kuriant sudėtingas funkcines sistemas iš paprastų molekulių, turi paaiškinti vykusių procesų tiesioginius mechanizmus ir principus, sudarytus jų pagrindu.

Kartais biochemikai aiškindami remiasi natūralios atrankos principu, pagal kurį panašių organizmų populiacijoje labiausiai prisitaikantys prie aplinkos sąlygų darosi pranašesni už kitus. Tačiau šis principas netinka pirmojo gyvo organizmo užgimimui paaiškinti. Atranka negali prasidėti iki tol, kol neatsirado savaime atsinaujinanti sistema, nes be jos gamtai nebūtų iš ko rinktis. Nors jei mokslininkai aptiktų paprasčiausią savaime atsinaujinančią sistemą, jie turėtų konkrečiai nurodyti, kokios savybės davė jai atrankinį pirmumą ir kodėl. Norint paaiškinti labiau sudėtingų sistemų atsiradimą, neužtenka manipuliuoti natūralios atrankos sąvoka. Jeigu jie nesugeba nustatyti šios sistemos savybių, suteikiančių jai pirmenybę natūralioje atrankoje, vadinasi, jie neturi net darbinės hipotezės, kurią galima patikrinti, o juo labiau – jokios įrodytos teorijos.

Deja, nė viena iš šiuolaikinių teorijų neatitinka tokio kriterijaus. Trisdešimtaisiais metais Oparinas pirmą kartą bandė rimtai eksperimentiškai patvirtinti gyvybės atsiradimo teoriją pirmykščiame „sultinyje“. Nuo to laiko dauguma mokslininkų darė analogiškus bandymus, bet nė vieno iš jų nelydėjo sėkmė. Visi pasiūlyti modeliai buvo neaiškūs, schematiški ir nepilni. Mes aprašysime tik kai kuriuos iš šių bandymų. Svarbiausias neišspręstas klausimas – kokiu būdu inertiška materija, paklusdama paprastiems fizikos dėsniams, gali sukurti nuostabiai sudėtingą ir tikslų ląstelės molekulinį mechanizmą. A. Lenindžeris savo biochemijos vadovėlyje rašo: „Gyvybės atsiradimo problemos branduolys yra klausimas apie savaiminę materijos organizaciją.“ Vis dėlto kol kas mokslininkams nepavyko pademonstruoti, kad materija pati sugeba organizuotis, o gyvybė gali atsirasti be aukščiausios organizuojančios jėgos arba proto.

Dažniausiai mokslininkai remiasi dviem eksperimentais, kurių rezultatai pateikiami kaip iš dalies pavykusi gyvybės atsiradimo iš cheminių medžiagų galimybės demonstracija. Vienas iš jų – S. Milerio, Kalifornijos universiteto biochemijos profesoriaus San Diege, darbas. Kitas – „eksperimentai su pirminėmis ląstelėmis“, atlikti S. Fokso, molekulinės ir ląstelinės evoliucijos instituto prie Majamio universiteto profesoriaus.

Mileris bandė sukurti sąlygas, kurios, jo nuomone, egzistavo „kūrimo aušroje“, ir pažiūrėti, ar tai neprives prie primityvių gyvybės formų iš materialių komponentų atsiradimo. Jis užpildė kolbą įvairiomis dujomis, iš kurių galbūt buvo sudaryta seniausioji atmosfera, o tada per jas leido elektros išlydžius. Rezultatas: ant indo sienelių susidarė ruda dervinga masė. Savo sudėtyje ji turėjo aminorūgščių – baltyminių molekulių sudėtinių dalių.

Mileris vadino savo rezultatus milžinišku pasiekimu; daug mokslininkų juo patikėjo. Tačiau tas bandymas iš esmės nieko neįrodė. Tai, jog eksperimentų metu susidarė aminorūgštys, visai nenuostabu: panašios technikos pagalba galima sintezuoti praktiškai bet kurį paprastą organinį junginį, egzistuojantį gamtoje. G. Uri, chemikas iš Kalifornijos universiteto, į klausimą apie tai, kokie junginiai, jo nuomone, turėjo susidaryti Milerio eksperimento metu, negalvodamas atsakė: „Bilštein“ (visų žinomų organinių junginių vokiško katalogo pavadinimas). Be to, aminorūgštys – tai palyginti paprastos molekulės, naudojamos kaip statybiniai blokai labiau sudėtingoms ląstelės baltyminėms molekulėms. Nenuostabu, kad šios paprastos technikos pagalba Mileris gavo paprastas chemines medžiagas, bet tai niekaip neįrodo, kad ta pati paprasta technika gali atvesti iki sudėtingų ląstelinių komponentų ir struktūrų susidarymo. Kad suverstos į krūvą statybinės medžiagos pavirstų užbaigtu namu, reikia nemažai padirbėti.

Chemikas S. Foksas taip pat pabandė pademonstruoti, kaip iš cheminių junginių gali pamažu susiformuoti gyva ląstelė. Šildydamas sausų aminorūgščių mišinius iki 1 400o C ir po to laikydamas juos vandenyje, jis gavo mažus peptidų lašelius, kuriuos jis optimistiškai pavadino „pirminėmis ląstelėmis“. Struktūriškai jie atrodė tik kaip mažytės, tuščiavidurės žele konsistencijos globulės, negalinčios absorbuoti ir transformuoti molekulių iš aplinkos. Jie nereiškė jokio polinkio į transformaciją, net į truputį sudėtingesnes struktūras, jau nekalbant apie ląsteles. Negana to, Foksas nepateikė jokio protingo paaiškinimo, kaip jo pirminė ląstelė galėjo patekti į ikibiologinį pirmykštį „sultinį“. Bandant įsivaizduoti, iš kur gamtoje galėjo atsirasti sausos aminorūgštys, sušildytos iki 1 400o C, reikia būti labai turtingos vaizduotės. Buvo atlikta daug kitų eksperimentų su analogiškais rezultatais, bet visi jie paliko tuos pačius klausimus be atsakymo.

Vokiečių mokslininkas M. Eigenas pateikė savo paaiškinimą, kaip iš inertinių cheminių junginių gali susiformuoti savaime atsinaujinančios ląstelės. Anot jo, pirmykščiame „sultinyje“ egzistavo kelių rūšių RNR molekulės, kurios replikavosi nepriklausomai.

Tarkim, A tipo RNR gamino A tipo RNR, o B tipo RNR gamino B tipo RNR. Šie du ciklai egzistavo nepriklausomai vienas nuo kito, bet, pagal Eigeną, kažkuriuo momentu A tipo RNR molekulė pradėjo sintetinti fermentą F – B, kuris pradėjo katalizuoti B tipo RNR replikaciją, o B tipo RNR molekulė pradėjo sintetinti F – A fermentą, kuris katalizavo RNR A tipo replikaciją. Atsiradus šiems fermentams, susidarė naujas A – B – A – B – A – B ciklas, taip vadinamas hiperciklas. Eigenas spėjo, jog hiperciklai palaipsniui darėsi vis sudėtingesni, kol nepavirto į gyvas ląsteles.

Tačiau ir ši hipotezė turi savo silpnas vietas. Pirma, ji remiasi prielaida, kad egzistuoja sudėtingų baltymų (fermentų) sintezės mechanizmas, pagrįstas informacija, esančia RNR. Eigenas negalėjo paaiškinti, kaip susiformuoja toks mechanizmas. Antra, net jei galvosime, kad atsirado funkcionuojantis hiperciklas, toli gražu neakivaizdu, kad jis toliau galės savaime vystytis. Įžymus biologas-evoliucionistas Dž. Smitas kritikuoja Eigeno modelį nurodydamas, kad iki to laiko, kol hiperciklas nebus izoliuotas nuo supančios aplinkos kažkuo panašiu į ląstelės membraną, jo komponentai konkuruos vienas su kitu, o tada pats hiperciklas kaip visuma negalės vystytis mutacijos ir natūralios atrankos pagalba. Jei mes pripažįstam membranos egzistavimo būtinybę, tai turim pasiūlyti jos savaiminio atsinaujinimo mechanizmą šio ciklo replikacijos procese. Smitas rašo: „Akivaizdu, kad šie darbai (Eigeno ir jo bendradarbių) sudaro daugiau problemų nei išsprendžia.“

Ir pagaliau, hiperciklai – tai ne ląstelės, kurias vienija bendra genetinė sistema ir kurios yra aprūpintos sudėtingais molekuliniais aparatais. Norint, kad hiperciklas virstų gyva ląstele, būtina pereiti tūkstančius tarpinių pakopų. Tai tas pat, kaip nedidelių modifikacijų pagalba mėginti mechaninį laikrodį paversti vidaus degimo varikliu, be to, kiekvienas kitas modelis turi būti geresnis už ankstesnį ir išlikti veikiantis. Netgi pačia lakiausia vaizduote nieko panašaus negalima įsivaizduoti. Remdamasis natūralia atranka, Eigenas nenurodo konkrečių žingsnių, kurie hiperciklus gali paversti į gyvas ląsteles, todėl jo paaiškinimai – tai greičiau apeliacija į stebuklą, negu mokslinė hipotezė.

Pasidalinkite su kitais!