Короткий огляд

Абіогенез – це теорія, згідно якої за відповідних умов життя може спонтанно виникнути з неживих молекул. Одним із найбільш широко цитованих досліджень, які використовуються для підтвердження цього висновку, є знаменитий експеримент Міллера-Юрі.Стенлі Міллер та Гарольд Юрі

Огляд підручників показує, що дослідження Міллера-Юрі є основним (або єдиним) дослідженням, що наводиться для доказу абіогенезу. Хоча протягом десятиліть в популярній пресі широко висвітлювалося, що експеримент «доводить», що життя виникло на ранній Землі виключно в природних умовах, зараз ми розуміємо, що насправді експеримент надав переконливі докази протилежного.

В наш час визнано, що цей набір експериментів більше показав, що абіогенез на Землі неможливий, ніж показав, як могло статися спонтанне виникнення. В цій статті розглядаються деякі з численних проблем, пов'язаних із цим дослідженням, яке намагалося продемонструвати здійсненний метод абіогенезу на ранній Землі.

Проблема абіогенезу

Сучасні дослідження не змогли дати життєздатного пояснення тому, як абіогенез міг статися на Землі. Проблема абіогенезу зараз настільки серйозна, що більшість еволюціоністів сьогодні намагаються уникати цієї галузі, тому що їм «незручно заявляти публічно, що походження життя є загадкою, хоча за зачиненими дверима вони вільно визнають, що спантеличені», тому що «це відкриває двері релігійним фундаменталістам та їхнім псевдо-поясненням "бога білих плям"», і тому що вони турбуються, що «відверте визнання невдачі підірве фінансування».¹

Колись абіогенез зазвичай називали «хімічною еволюцією»,² але сьогодні еволюціоністи намагаються віддалити еволюційну теорію від походження життя. Це одна з причин, чому більшість пропагандистів еволюції тепер називають цей процес «абіогенезом».

Хімічна еволюція насправді є частиною «Загальної теорії еволюції», яку еволюціоніст Керкут визначив як «теорію, згідно з якою всі живі форми у світі виникли з одного джерела, яке саме походить з неорганічної форми».³

Існує ще одна причина перебільшення тверджень про абіогенез – це галузь, яка є критичною для доказу еволюційного натуралізму.⁴ Якщо абіогенез неможливий або вкрай малоймовірний, то й натуралізм теж.^{5 6 7 8}

Дарвін розумів, наскільки критична проблема абіогенезу щодо його теорії. Він навіть визнав, що все існуюче земне життя, мабуть, походить від якоїсь примітивної форми життя, яка спочатку була викликана до життя «Творцем».⁹ Але якщо допустити, як це зробив Дарвін, можливість одного або кількох творінь, це означає відкрити двері для багатьох інших! Якщо Бог створив один спосіб життя, Він також міг створити багато тисяч різних видів.

Пізніше Дарвін, мабуть, пошкодував про цю поступку й припустив, що життя могло зародитися в якомусь «маленькому теплому ставку» на давній Землі.

Теорія «теплого супу»

Незважаючи на те, що в останні роки гіпотеза «теплого супу» була піддана серйозному сумніву, вона, як і раніше, є найбільш поширеною теорією абіогенезу серед дарвіністів. Найбільш детально вона була розроблена російським атеїстом Олександром Івановичем Опаріним (1894-1980) в його книзі «Походження життя», що стала світовим бестселером і вперше опублікована в 1924 (останнє видання вийшло в 1965).¹⁰

Опарін «постулював, що життя могло розвинутися виключно внаслідок випадкових процесів» в біохімічному «супі», який, на його думку, колись існував в океанах. Відповідно до цієї теорії, життя розвинулося, коли органічні молекули, що спочатку потрапили в примітивні океани з атмосфери, були приведені в рух такими силами, як блискавка, ультрафіолетове світло, метеорити, глибоководні гідротермальні джерела, гарячі джерела, вулкани, землетруси або електричні розряди сонця. Якби тільки було правильне поєднання хімічних речовин та енергії, життя виникло б спонтанно.

Майже півстоліття досліджень та мільйони доларів були витрачені на те, щоб довести цю ідею – поки що з невеликою кількістю позитивних результатів та великою кількістю негативних доказів.¹¹

В якій послідовності?

Опарін дійшов висновку, що спочатку еволюціонували клітини, потім ферменти і, нарешті, гени.¹² Сьогодні ми визнаємо, що для функціонування генів необхідні ферменти, але гени необхідні для виробництва ферментів.

Ні гени, ні клітини не можуть функціонувати без безлічі складних структур, таких як рибосоми, полімераза, геліказа, гіраза, одноланцюжковий зв'язуючий білок та десятки інших білків.

Дайсон ствердив, що теорія Опаріна була «загальновизнаною біологами протягом півстоліття», але вона «була популярна не тому, що існували якісь докази на її підтримку, а скоріше тому, що вона здавалася єдиною альтернативою біблійному креаціонізму».¹³

Дослідження Міллера-Юрі

Холдейн,¹⁴ Бернал,¹⁵ Кельвін¹⁶ та Юрі¹⁷ опублікували дослідження в спробі підтримати цю модель – та всі вони були малоуспішними, якщо взагалі успішними. Потім, в 1953 році Гарольд Юрі (1893-1981) з університету Чикаго та його 23-річний аспірант Стенлі Міллер (1930-2007) здійснили, як тоді вважали деякі, вирішальний прорив.

Юрі дійшов висновку, що переконання багатьох дослідників походження життя в тому, що рання атмосфера мала окислювальні властивості, було помилковим; він стверджував, що все було навпаки: на Землі була атмосфера з відновлювальними властивостями та великою кількістю метану.¹⁸

Їхній «прорив» призвів до того, що на перших шпальтах газет по всьому світу з'являлися сенсаційні заяви про те, що вони «зробили перший крок до створення життя в пробірці».¹⁹

Карл Саган заявив:

«Експеримент Міллера-Юрі сьогодні визнаний як єдиний найбільш значний крок в переконанні багатьох вчених в тому, що життя, ймовірно, поширене в космосі».²⁰

Цей експеримент навіть започаткував нову наукову галузь, названу «пребіотичною» хімією.²¹ Він став найпоширенішим доказом (часто єдиним доказом, що наводиться в підручниках з природничих наук) абіогенезу. В даний час він є найбільш часто цитованим доказом (а найчастіше і єдиним) абіогенезу в підручниках з природничих наук.²²

Експерименти Міллера-Юрі включали наповнення герметичного скляного апарату газами, які, за припущенням Опаріна, були необхідні для формування життя – метаном, аміаком та воднем (для імітації умов, які, на їхню думку, були в ранній атмосфері) та водяноюЕксперимент Міллера парою (для імітації океану). Потім, поки нагрівальна спіраль підтримувала кипіння води, вони вдаряли по газам в колбі високовольтним (60 000 вольт) вольфрамовим іскровим розрядником, що імітує блискавку. Нижче розташовувався конденсатор з водяним охолодженням, який охолоджував і конденсував суміш, дозволяючи їй падати в розташовану нижче водяну пастку.²³

За кілька днів суміш води та газу утворила рожеву пляму на стінках колби-пастки. В міру продовження експерименту та накопичення хімічних продуктів пляма стала темно-червоною, а потім каламутною.²⁴

Через тиждень дослідники проаналізували речовини в U-подібній водяній пастці, використаній для збору продуктів реакції.²⁵ Основними речовинами в газовій фазі були чадний газ (CO) та азот (N2).²¹

Переважаючою твердою речовиною була нерозчинна токсична канцерогенна суміш під назвою «смола» або «дьоготь», звичайний продукт органічних реакцій, включаючи горіння тютюну. Ця смола була проаналізована за допомогою нових доступних хроматографічних методів, які показали, що було отримано цілу низку речовин. Під час першої спроби амінокислоти не було виявлено, тому Міллер змінив експеримент і повторив спробу.^{20 26}

З часом утворилися слідові кількості декількох найпростіших біологічно корисних амінокислот – в основному гліцину та аланіну.²⁰ Вихід гліцину становив лише 1,05%, аланіну – 0,75%, а наступної найпоширенішої амінокислоти – всього 0,026% від загальної кількості – настільки мало, що цю речовину можна навіть не брати до уваги.

За словами Міллера, «загальний вихід був малий для витраченої енергії».²⁷ Бічна група для гліцину – один атом водню, а для аланіну – проста метильна (-CH3) група.

Після сотень повторень та модифікацій з використанням методів, аналогічних тим, що застосовувалися в оригінальних експериментах Міллера-Юрі, вчені змогли отримати лише невелику кількість менше половини з 20 амінокислот, необхідних для життя. Інші вимагають набагато складніших умов синтезу.

Кисень: ворог хімічної еволюції

Дослідники використовували безкисневе середовище головним чином тому, що передбачувана первісна атмосфера Землі, як тоді «широко вважалося, не містила на ранній стадії значної кількості кисню». Вчені вважали так тому, що «лабораторні експерименти показують, що хімічна еволюція, як це враховується в сучасних моделях, була б значною мірою пригнічена киснем».²⁸

Ось один із багатьох прикладів того, як їхня апріорна віра у «факт» хімічної еволюції використовується як «доказ» однієї з передумов – аноксичної атмосфери. Звісно, оцінки рівня змісту O₂ у ранній атмосфері Землі значною мірою залежить від домислів. Факт в тому, що «ми досі не знаємо, як виникла багата на кисень атмосфера».²⁹

Вважалося, що результати були значними, тому що деякі з отриманих органічних сполук були будівельними блоками набагато складніших життєвих одиниць, званих білками – базовою структурою всього живого.³⁰ Хоча преса широко розтиражувала цей експеримент як «доказ» того, що життя могло зародитися на ранній Землі в природних умовах (тобто без участі розуму), зараз ми розуміємо, що він надав переконливі докази протилежного характеру. Наприклад, без набору всіх 20 амінокислот неможливо отримати більшість відомих типів білків і цей найважливіший крок в абіогенезі ніколи б не відбувся.

Окрім того, під час випробувань Міллера-Юрі постійно виходили рівні кількості право- та лівообертаючих органічних молекул (так звана рацемічна суміш). В житті майже всі амінокислоти, які можуть бути використані в білках, повинні бути лівообертаючими, а майже всі вуглеводи та полімери – правообертаючими. Протилежні типи не тільки марні, але й можуть бути небезпечними (навіть смертельними) для життя.^{31 32}

Чи існувала метано-аміачна атмосфера?

На думку багатьох сучасних дослідників, ще серйознішою проблемою є те що, що атмосфера ранньої Землі сильно відрізнялася від цього, що припускав Міллер. «Дослідження, проведені з того часу, поставили під сумнів гіпотетичну атмосферу Міллера, змусивши багатьох вчених засумніватися в доречності його висновків».³³ Проблема була сформульована таким чином:

«...загальноприйнята картина ранньої атмосфери Землі змінилася: атмосфера, ймовірно, була багата O₂ і мала деяку кількість азоту – менш реакційна суміш, ніж у Міллера, або вона могла складатися переважно з вуглекислого газу, що значно стримувало розвиток органічних сполук».³⁴

Вважалося, що основним джерелом газів були вулкани, а оскільки сучасні вулкани викидають CO, CO₂, N₂ та водяну пару, вважалося ймовірним, що цих газів було дуже багато в ранній атмосфері. На відміну від цього зараз прийнято вважати, що H₂, CH₄ і NH₃, ймовірно, не були основними компонентами ранньої атмосфери. Більше того, багато вчених зараз дотримуються думки, що рання атмосфера, ймовірно, не відігравала головної ролі в хімічних реакціях, що призвели до виникнення життя.²⁰

Хоча зараз вважається, що атмосфера ранньої Землі складалася з великої кількості вуглекислого газу, цей висновок все ще пов'язаний із численними припущеннями. Більшість дослідників також вважають, що на ранній Землі була присутня деяка кількість O₂, оскільки вона містила багато водяної пари, а фотодисоціація води у верхніх шарах атмосфери приводить до утворення кисню.³⁵ Ще один аргумент – в геологічних пластах докембрія міститься велика кількість окислених матеріалів.³⁶

Ще одна причина на користь висновку про існування вільного кисню на ранній Землі полягає в тому, що, згідно поширеної думки, фотосинтезуючі організми з'явилися дуже скоро після утворення Землі, що важко пояснити теоріями хімічної еволюції.

В науковій роботі 2004 року на основі геохімії урану стверджується, що окислювальні умови, а значить і фотосинтез, існували вже 3,7 млн років тому.³⁷ Але згідно з уніформістським датуванням, Земля зазнавала бомбардування метеоритами аж до 3,8 млн років тому. Таким чином, навіть якщо допустити еволюційні передумови, останні дослідження показують, що життя виникло майже відразу, як тільки Земля змогла його підтримувати, а не «мільярди та мільярди років» потому.

Навіть якщо кисень був отриманий внаслідок фотодисоціації водяної пари, а не фотосинтезу, цей фактор все одно буде руйнівним для пропозицій Міллера.

Проблема концентрації

Юрі також припустив, що океани древньої Землі повинні були складатися з 10% розчину органічних сполук, що було б дуже сприятливо для зародження життя.³⁸ Такий рівень органічних речовин дорівнював би концентрації, яка приблизно в 100 разів перевищує концентрацію каналізаційних вод сучасного американського міста.

Загальна кількість існуючих сьогодні на Землі органічних сполук не могла б створити й малої частки того, що необхідно для досягнення такої високої концентрації в океанах.

Ранні надії не справдилися

Сучасні повторення експерименту Міллера-Юрі з використанням різних рецептів, включаючи низькі рівні O₂, дають ще меншу кількість органічних сполук, ніж в оригінальному експерименті.³⁹

Щоб вирішити цю проблему, деякі дослідники припустили, що в невеликих ізольованих басейнах води досягається необхідний рівень концентрації. Проблема залишається незмінною: не існує жодного реального методу для підтвердження факту такого джерела.

Деякі навіть припускають, що «підводні вулкани та глибоководні жерла – розриви в земній корі, звідки гаряча вода та мінерали витікають в глибини океану – могли забезпечити первісні хімічні ресурси».⁴⁰

Щоб відтворити те, що могло статися в первісному супі мільярди років тому, вченим необхідно змішати хімічні речовини, які, як вважається в даний час, зазвичай зустрічаються на ранній Землі, піддати їх впливу можливих джерел енергії (зазвичай передбачається, що це тепло або радіація) й подивитися, що станеться. Цей експеримент ніхто не проводив, тому що тепер ми знаємо, що отримати відповідні біохімічні сполуки в такий спосіб неможливо.

Експеримент Міллера-Юрі подавав матеріалістам великі надії, які тепер поступилися місцем песимізму:

«Незабаром після експерименту Міллера-Юрі багато вчених були впевнені, що основні перешкоди в проблемі походження життя будуть подолані в найближчому майбутньому. Але в міру того, як пошук в цій молодій науковій галузі продовжувався й розвивався, ставало все очевиднішим, що проблема походження життя далеко не тривіальна. Поступово виникали різні фундаментальні проблеми, з якими стикалися працівники, зайняті цим пошуком, й з'являлися нові питання... Незважаючи на інтенсивні дослідження, більшість цих проблем так і залишилися невирішеними.

Справді, протягом довгої історії пошуку походження життя, протиріччя, мабуть, є найхарактернішим атрибутом цієї міждисциплінарної галузі. Навряд чи знайдеться модель, сценарій чи мода в цій дисципліні, яка б не викликала суперечок».⁴¹

Ми розглянемо деякі з цих основних проблем.

Функціональні білки можуть існувати лише за дуже специфічних умов

Щоб отримати навіть нефункціональні амінокислоти та білки, дослідники повинні суворо контролювати експеримент різними способами, оскільки ті самі умови, які, згідно з гіпотезою, створюють амінокислоти, також швидко руйнують білки. Як приклад можна навести термічну денатурацію білків шляхом розриву водневих зв'язків та порушення гідрофобного тяжіння між неполярними бічними групами.⁴²

Небагато білків залишаються біологічно активними при температурі вище 50ºC або нижче 30ºC, а для більшості потрібні дуже специфічні умови. Приготування їжі є добрим прикладом використання тепла для денатурації білка, а охолодження – використання холоду для уповільнення біологічної активності.

Як відомо будь-якому молекулярному біологу з його щоденної лабораторної роботи, pH також має суворо регулюватися. Занадто велика кількість кислоти чи основи негативно впливає на водневий зв'язок між полярними R-групами, й навіть порушує йонні зв'язки, утворені сольовими містками в білку.

Міллеру довелося зіткнутися з тим, що поширені перехресні реакції продуктів біохімічних реакцій спричиняють руйнування чи заважають виробництву амінокислот. Всі сполуки, що заважають зв'язуванню, мають бути ізольовані, інакше вони зруйнують білки. Тому Міллеру довелося видалити безліч забруднень та домішок, щоб отримати чисті сполуки, які зазвичай не зустрічаються в реальному житті. А якщо ні, то в його апараті виникло б безліч руйнівних перехресних реакцій.

Це не маленька проблема. Багато органічних сполук, таких як етанол та ізопропіловий спирт, діють як дезінфікуючі засоби, утворюючи власні водневі зв'язки з білком і, як наслідок, порушуючи гідрофобні взаємодії білків.⁴¹ Спиртові тампони використовуються для очищення ран або підготовки шкіри до ін'єкцій, оскільки спирт проходить через клітинні стінки та коагулює білки всередині бактерій та інших клітин. Окрім того, йони важких металів, такі як Ag+, Pb²+ та Hg²+, мають бути ізольовані від білків, оскільки вони порушують дисульфідні зв'язки білка, викликаючи його денатурацію.

Як приклад, розведений (1%) розчин AgNO₃ закапують в очі новонароджених дітей, щоб знищити бактерії, що викликають гонорею. Багато йонів важких металів дуже токсичні при попаданні в організм, оскільки вони сильно порушують структуру білків, особливо ферментів.

Інша проблема полягає в тому, що багато інших сполук, необхідних для життя, таких як сахариди, також сильно реагують з амінокислотами та впливають на синтез амінокислот. Наприклад, Міллеру та іншим вченим довелося використовувати в своїх експериментах середовище без сахаридів (цукрів) .⁴³

Міллер припинив свій експеримент всього за кілька днів, але якби йому дозволили продовжити його, зруйнувалися б отримані ним сполуки або з них вийшли б складніші амінокислоти? Дослідження метеоритів Мерчісона показало, що в природних умовах утворюються сполуки, дуже схожі на сполуки Міллера, й результат стабільний, що свідчить про те, що подальший час не призведе до утворення нових продуктів.⁴⁴

В ході експериментів Міллера-Юрі було отримано безліч інших сполук, окрім амінокислот, в результаті чого утворилася липка маса, яка насправді була ще далі від будівельних блоків життя, ніж передбачувані початкові хімічні речовини-попередники.

Серед отриманих токсичних сполук були ціаніди, чадний газ та інші – насправді 1953 року більшу частину темної речовини в розчині дослідники не змогли ідентифікувати.²¹

Ненаправлена енергія є руйнівною

Критичне питання «Скільки енергії було необхідно?» викликає багато суперечок.⁴⁵ Всі форми енергії, однак, можуть руйнувати білок, включаючи всі ті форми, які постулюються як важливі для абіогенезу, такі як ультрафіолет і блискавка.⁴⁶

Багато хто припускає, що ультрафіолетове світло було джерелом енергії, що бере участь в процесі створення життя, але ультрафіолет дуже небезпечний для життя й фактично часто використовується для знищення живих організмів (так, ультрафіолетові лампи використовуються в лікарнях для знищення мікроорганізмів). Інтенсивність руйнівних довгих хвиль перевищує інтенсивність креативних коротких хвиль, а квантова ефективність руйнування набагато вище, ніж ефективність створення.⁴⁷ Це означає, що руйнування амінокислот на чотири-п'ять порядків вище, ніж створення.

В експериментах Міллера з ультрафіолетом він використовував певну довжину хвилі для отримання амінокислот й відсівав інші довжини хвиль, оскільки вони руйнують амінокислоти. Однак, в сонячному світлі існує як хімічно творче, так і хімічно руйнівне світло. Амінокислоти насправді дуже тендітні й легко руйнуються під впливом природного сонячного світла.

Експеримент Міллера-Юрі також мав стратегічно розроблені пастки для видалення продуктів випромінювання, перш ніж вони могли бути знищені. На примітивній Землі будь-які амінокислоти, що утворилися в атмосфері, були б знищені задовго до того, як їх можна було б видалити.

Навіть океан не захистив би їх, бо ультрафіолет проникає скрізь метри рідкої води – під водою можна навіть обгоріти. Це вказує на те, що умови на ранній Землі ніколи не могли бути сприятливими для абіогенезу.

Навіть простий рух може спричинити серйозне пошкодження білка: збивання вершків або яєчних білків – один із способів використання механічної дії для навмисної денатурації білка (збивання розтягує поліпептидні ланцюги аж до розриву зв'язків).

Дослідження Міллера, з вищенаведених причин, допомогли нам краще зрозуміти, чому життя не могло виникнути природним шляхом. В своєму резюме знаменитого експерименту Міллера-Юрі з походження життя Хорган зробив висновок, що результати Міллера спочатку, здавалося,

«...надають приголомшливі докази того, що життя може виникнути з того, що англійський хімік Дж.Б.С. Холдейн назвав «первісним супом». Експерти припускали, що вчені, подібно до доктора Франкенштейна з роману Мері Шеллі, незабаром створять в своїх лабораторіях живі організми й цим детально продемонструють, як розгортається процес генези. Цього не сталося. Фактично, майже через 40 років після свого початкового експерименту Міллер сказав мені, що розгадати загадку походження життя виявилося складніше, ніж він або хтось інший припускав».⁴⁸

Створення життя в пробірці також виявилося набагато складнішим, ніж припускав Міллер. Вчені тепер знають, що складність життя набагато вища, ніж Міллер (або будь-хто інший) уявляв собі в 1953 році, до революції ДНК.⁴⁹ Тепер ми знаємо, що

«...сильно розрекламовані експерименти говорять нам дуже мало про те, звідки взялися справжні функціональні білки. І все-таки цей незручний факт рідко згадується, коли заголовки газет рясніють новинами про те, що вченим вдалося створити будівельні блоки життя».⁵⁰

Життя набагато складніше, ніж вважав Міллер

Приблизно в той самий час, що й Дарвін, Т.Г. Гакслі запропонував простий двоступінчастий метод хімічної рекомбінації, який, на його думку, міг пояснити походження першої живої клітини.

І Геккель, і Гакслі вважали, що подібно до того, як сіль може бути отримана спонтанно шляхом змішування металевого натрію й нагрітого хлорного газу, жива клітина може бути отримана простим змішуванням невеликої кількості необхідних, на їхню думку, хімічних речовин. Геккель вважав, що фізичною основою життя є речовина, яку він назвав «плазма», різних типів, як наприклад, «безбарвна» і «також червона, помаранчева та інші види протоплазми», які за складністю та текстурою були порівняні з горщиком клею або холодним желе.⁵¹

Геккель також вважав, що перше одноклітинна істота зобов'язана своїм «існуванням спонтанному створенню» з неорганічних сполук, в основному «вуглецю, водню, кисню та азоту».⁵² Після того, як варево було змішане, Гакслі дійшов висновку, що протягом еонів часу спонтанні хімічні реакції призвели до утворення простої «протоплазматичної субстанції», яку вчені колись сприйняли як суть життя.⁵³

В 1928 році клітина все ще вважалася відносно простою, й небагато вчених тоді ставили під сумнів віру в те, що життя розвивається від відносно простих до складних форм. Вони також вважали, що еволюція – це «утворення нових структур та функцій шляхом комбінацій та перетворень відносно простих структур та функцій зародкових клітин».⁵⁴

Зараз, після сторіччя досліджень, ми також розуміємо, що найпростіші еукаріоти, які за часів Дарвіна вважалися простими, як миска желатину, насправді є надзвичайно складними. Жива еукаріотична клітина містить багато сотень тисяч різних складних частин, включаючи різні рухові білки. Ці частини повинні бути правильно зібрані, щоб вийшла жива клітина – найскладніша «машина» у Всесвіті – набагато складніша, ніж суперкомп'ютер Cray. До того ж, молекулярна біологія продемонструвала, що базова конструкція клітини:

«...по суті, така сама, що й у всіх живих системах на Землі – від бактерій до ссавців... З погляду їхнього базового біохімічного дизайну... жодна жива система не може вважатися примітивною чи предковою стосовно будь-якої іншої системи, й немає найменшого емпіричного натяку на еволюційну послідовність серед усіх неймовірно різноманітних клітин Землі».⁵⁵

Цей висновок створює великі труднощі для абіогенезу, оскільки життя на клітинному рівні, як правило, не виявляє поступового збільшення складності в міру того, як воно нібито піднімається еволюційними сходами від найпростіших до людини. Причина, через яку молекулярний механізм та біохімія сучасних організмів в основному схожі, полягає в тому, що основні біохімічні вимоги та обмеження однакові для всього живого.⁵⁶

Проблема полімеризації

Експеримент Міллера-Юрі залишив без відповіді безліч найважливіших питань, навіть таких базових, як «Як хімічні речовини з'єдналися, утворивши перші молекули живих організмів?»³⁴

Хімічні речовини не породжують життя; життя породжують лише складні структури, такі як ДНК та ферменти. Окрім того, навіть якби вдалося пояснити джерело амінокислот та багатьох інших необхідних сполук, необхідно вирішити, як ці різноманітні елементи опинилися в одному місці, а потім правильно зібралися в єдине ціле. Ця проблема є основним каменем спотикання для всіх теорій абіогенезу, тому що

«... ніхто так і не зміг задовільно пояснити, як поширені інгредієнти з'єдналися в білки. Передбачувані умови первісної Землі мали б підштовхнути амінокислоти до ізоляції. Це одна з найвагоміших причин, через яку Вехтершейзер, Моровіц та інші теоретики гідротермальних джерел хочуть перенести кухню [де готувалася життя] на дно океану. Якщо процес розпочнеться на глибині в дискретних джерелах, кажуть вони, він може створити амінокислоти та зв'язати їх прямо там».³³

Проблема збирання амінокислот ускладнюється тим, що амінокислоти можуть з'єднуватися в багатьох місцях багатьма видами хімічних зв'язків. Для формування поліпептидних ланцюгів необхідно обмежиться лише пептидними зв'язками й лише у потрібних місцях.Щоб сформувати білок, амінокислоти повинні з'єднатися одна з одною, утворюючи пептидний зв'язок, що виключає молекулу води. Але набагато частіше відбувається протилежне. Це було б ще більшою проблемою у воді. Всі інші зв'язки повинні бути забезпечені від утворення, що є непростим завданням. В живих клітинах існує складна система контролю, що включає ферменти, яка гарантує, що невідповідні зв'язки зазвичай не виникають; без цієї системи невідповідні зв'язки руйнували б утворені білки.

Інша проблема полягає в тому, що є сильна термодинамічна тенденція – пептидні зв'язки руйнуються у воді, а не утворюються.⁵⁷ Без високоенергетичних сполук, таких як АТФ та ферменти, амінокислоти не утворюють безліч поліпептидів, необхідних для життя. Навіть дипептиди важко утворити в природних умовах, проте типовий білок складається приблизно з 400 амінокислот.

Декілька недавніх відкриттів привели деяких вчених до висновку, що життя могло виникнути в підводних жерлах, де температура наближається до 350ºC. На жаль для теоретиків теплих водойм та гідротермальних джерел, екстремальна спека виявилася серйозною перешкодою. Це пов'язано з тим, що високі температури прискорюють розпад амінокислот, подібно до того, як при приготуванні м'яса руйнуються зв'язки, внаслідок чого м'ясо стає ніжнішим.⁵⁷

Відповідно до іншої теорії, абіогенез міг бути наслідком «самоорганізованих властивостей» біохімічних речовин.⁵⁸ Як електростатичні сили створюють високовпорядковані кристали солі з йонів Na+ і Cl-, так і життя, на думку деяких дарвіністів, може таким самим чином самозбиратися. Цей підхід також зазнав невдачі.

Наприклад, всі пари нуклеотидних основ мають однакову спорідненість до фосфатних основ цукру на кожній стороні молекули ДНК, і, отже, їх порядок не є результатом відмінностей в спорідненості зв'язків, а зумовлений складанням в зв'язку з направленою інформацією. Іншими словами, інформація не виходить із хімічного складу ДНК, а є зовнішньою по відношенню до нього (див. наступний розділ).

Сам Міллер визнав, що дослідження Кауффмана нежиттєздатні, а, отже, він був

«...не вражений жодною із сучасних пропозицій про походження життя, називаючи їх "нісенітницею" або "паперовою хімією". Він настільки зневажливо ставився до деяких гіпотез, що коли я запитав його думку про них, він просто похитав головою, глибоко зітхнув і хмикнув – наче вражений дурістю людства. Теорія автокаталізу Стюарта Кауффмана потрапила до цієї категорії. "Прогнати рівняння через комп'ютер не є експериментом", – пирхнув Міллер. Міллер визнав, що вчені, можливо, ніколи точно не дізнаються, де й коли виникло життя. "Ми намагаємось обговорити історичну подію, що дуже відрізняється від звичайного виду науки, й тому критерії та методи дуже різні", – зауважив він».⁵⁹

Інформаційне наповнення

Ще одна важлива причина, з якої експерименти Міллера-Юрі не підтвердили абіогенез, полягає в тому, що, хоча амінокислоти і є будівельними блоками життя, найважливішим ключем до життя є інформаційний код, що зберігається в ДНК (або, як у випадку з ретровірусами, РНК), залежно від послідовності нуклеотидів. Це, в свою чергу, забезпечує інструкції для створення послідовностей амінокислот та білків – механізму життя.^{60 61}

Майкл Поланьї (1891-1976), колишній голова кафедри фізичної хімії Манчестерського університету (Великобританія), який звернувся до філософії, підтвердив дуже важливий момент – інформація – це більше, ніж хімічні властивості будівельних блоків:

«Як розташування друкованої сторінки не залежить від хімії друкованої сторінки, так і послідовність основ у молекулі ДНК не залежить від хімічних сил, які діють в молекулі ДНК. Саме ця фізична невизначеність послідовності породжує неймовірність будь-якої конкретної послідовності та цим дозволяє їй мати сенс – сенс, який має математично детермінований інформаційний зміст».⁶²

Пол Девіс підкреслив, що отримання будівельних блоків не пояснює їх розташування:

«...Як цегла сама собою не створює будинок, так і для створення життя потрібно щось більше, ніж випадковий набір амінокислот. Подібно до цегли, будівельні блоки життя мають бути зібрані дуже специфічним й надзвичайно складним способом, перш ніж вони виконають бажану функцію».⁶³

Аналогія – письмо. Природні об'єкти, що формою нагадують алфавіт (кола, прямі лінії тощо), зустрічаються в природі вдосталь, але цей факт не допомагає зрозуміти походження інформації (такий, як у п'єсах Шекспіра). Причина в тому, що це завдання потребує інтелекту як для створення інформації (п'єса), так і для проектування та створення механізмів, необхідних для переведення цієї інформації на символи (письмовий текст).

Що необхідно пояснити, так це джерело інформації в тексті (слова та ідеї), а не існування кіл і прямих ліній. Так само недостатньо пояснити походження амінокислот, які відповідають буквам. Швидше, навіть якби вони утворювалися легко, необхідно пояснити джерело інформації, яка спрямовує складання амінокислот, що містяться в геномі.³⁴

Інша величезна проблема полягає в тому, що інформація марна, якщо її не можна прочитати. Але механізм декодування сам закодований в ДНК. Провідний філософ науки Карл Поппер (1902-1994) висловив цю величезну проблему так:

«Походження життя та генетичного коду перетворюється на тривожну загадку ось чому: генетичний код не має жодної біологічної функції, якщо він не переведений; тобто якщо це не призводить до синтезу білків, структура яких закладена в коді. Але... механізм, за допомогою якого клітина (принаймні не примітивна клітина, яка є єдиною відомою нам клітиною) перекладає код, складається щонайменше з п'ятдесяти макромолекулярних компонентів, які самі закодовані в ДНК. Таким чином, код не може бути переведений інакше, як за допомогою певних продуктів трансляції. Це є заплутане коло; схоже, що це справді порочне коло для будь-якої спроби сформувати модель чи теорію генези генетичного коду.

Таким чином, ми можемо зіткнутися з можливістю того, що походження життя (як і походження фізики) стане непроникним бар'єром для науки та зупинкою для всіх спроб звести біологію до хімії та фізики».⁶⁴

Тобто генетична інформація та необхідний механізм зчитування утворюють незменшувано складну систему. Досі її не вдалося пояснити матеріалістично.⁶⁵

Проблема хіральності

Сарфаті⁶⁶ називає «головною перешкодою» походження гомохіральності – того факту, що біомолекули амінокислот, за рідкісним винятком (наприклад, деякі, що використовуються в клітинних стінках бактерій), усі лівосторонні; й, за рідкісним винятком, всі цукри,Два енантіомери узагальненої амінокислоти, де R – будь-яка функціональна група (крім H) включаючи цукри в нуклеїнових кислотах, правосторонні.

Речовини, які виробляються в лабораторії, являють собою наполовину лівосторонню та наполовину правосторонню суміш, яка називається рацематом. Навіть в лабораторії хіміки використовують вже існуючу гомохіральність з біологічного джерела для синтезу гомохіральних сполук.⁶⁰

Хіральні молекули дисиметричні – вони існують як дзеркальні відображення один одної, так само як права рука є дзеркальним відображенням лівої (слово хіральний походить від грецького слова «рука»). Проблема в тому, що лівосторонні цукри та правосторонні амінокислоти можуть бути токсичними й перешкоджати абіогенезу.

До того ж, більшість ферментів розроблені для роботи тільки з правообертальними цукрами й лівообертальними амінокислотами. Усі спроби вирішити проблему хіральності, включаючи магнітохіральний дихроїзм, не мали успіху.⁶⁷

Спадщина експерименту Міллера

Головне невирішене питання, яке «більше зачіпає психологію та історію, ніж хімію»: «Чому експеримент Міллера-Юрі вплинув на галузь походження життя?»⁶⁸

Шапіро робить висновок, що головна причина полягає в тому, що експеримент, схоже, мав на увазі, що ми знаходимося на порозі розуміння того, як життя було створене без інтелекту чи задуму. У суспільній свідомості (й у свідомості багатьох вчених) це дослідження психологічно підтримує абіогенез. Але результати експерименту Міллера-Юрі та багатьох аналогічних експериментів, проведених з того часу, насправді показують протилежне тому, що дослідники мали намір продемонструвати.

Не багато підручників дійсно аналізують результати, а більшість некритично приймають цей експеримент як правдиву відповідь на питання, звідки походять усі будівельні блоки життя, а потім мають на увазі, що єдиним завданням залишилося визначити, як саме це сталося.

Мій огляд підручників для коледжів показав, що в більшості з них обговорювалися експерименти Міллера-Юрі, в деяких – детально, але лише в небагатьох згадувалися якісь проблеми. В більшості з них малося на увазі, що дослідження остаточно показало, як самовільно виникли будівельні блоки життя.

Почасти через поширені твердження в підручниках та музейних експозиціях багато людей вважають, що теза Міллера-Юрі є гарним, якщо не чудовим, доказом. Девіс зазначив, що коли він збирався написати книгу про походження життя, він був переконаний, що наука близька до розгадки таємниці її походження, але після того, як він провів рік або два в дослідженнях цієї галузі, він сказав:

«...зараз я вважаю, що в нашому розумінні залишається величезна прірва... Ця прірва в розумінні – не просто незнання певних технічних деталей, це велика концептуальна прогалина».⁶⁹

Експеримент Міллера-Юрі став іконою еволюції, представленої в більшості підручників з біології, зоології та еволюції як очевидний доказ абіогенезу, тоді як насправді він ілюструє численні труднощі хімічної еволюції.²²

Поточний статус лінії досліджень Міллера-Юрі

В своєму інтерв'ю Стенлі Міллер, якого зараз вважають одним із «найстаріших та найшанованіших дослідників походження життя» в світі, сказав, що після завершення свого експерименту 1953 року «присвятив себе пошуку секрету життя», але також особливо критикував те, що він вважає «неякісною роботою», а також намагався подолати той факт, що галузь походження життя має «репутацію побічної дисципліни, негідної серйозних занять».⁵⁹ Міллер заприсягся, що якось

«...вчені відкриють молекулу, що самовідтворюється, яка поклала початок великій історії еволюції... [і] відкриття першого генетичного матеріалу [узаконить] галузь діяльності Міллера».

«Вона злетить як ракета», – пробурмотів Міллер крізь стиснуті зуби. Чи буде таке відкриття одразу самоочевидним? Міллер кивнув головою.

«Це буде щось таке, що змусить вас сказати: "...Як ви могли не помічати цього так довго?" І всі будуть повністю переконані».⁵⁹

Ця надія стає все менш реалістичною по мірі розвитку наших знань. Те, що ми дізналися, особливо за останні кілька років, робить ймовірність абіогенезу ще меншою, ніж будь-коли.^{36 70 71} Проте, експеримент Міллера-Юрі сьогодні є класичним, найвідомішим експериментом з походження життя, який цитується в підручниках від середньої школи до аспірантури, в галузях від біології до геології та від філософії до релігії.^{20 22}

Філіп Джонсон підсумував всю проблему дослідження Міллера-Юрі так:

«Оскільки в постдарвінівській біології домінує матеріалістична догма, біологам доводиться вдавати, що організми набагато простіші, ніж вони є насправді. Саме життя має бути просто хімією. Зберіть потрібні хімічні речовини й життя виникне. ДНК також має бути продуктом лише хімії. Як мовиться на виставці в Природничому музеї Нью-Мексико, "вулканічні гази плюс блискавка – дорівнює ДНК, дорівнює ЖИТТЯ!". Коли представника музею запитали про цю байку, він визнав, що її спрощено, але сказав, що по суті це правда».⁷²

Висновок

Зараз визнано, що напрямок досліджень Міллера-Юрі – це просто «відродження антинаукового уявлення про спонтанне самозародження», бо він

«...припускає, що за наявності первісного супу, правильної комбінації амінокислот та нуклеїнових кислот й, можливо, блискавки або двох блискавок, життя справді могло зародитися "спонтанно". Головна відмінність полягає в тому, що згідно з тим, що біологи зазвичай називають спонтанним самозародженням, життя нібито зароджувалося таким чином завжди. Згідно з припущенням про "суп", навпаки, життя зародилося таким чином лише одного разу в незмірно далекому минулому».⁷³

Ми повинні визнати, як це зробив Рідлі, що ранні форми життя й те, як природний добір міг сформувати їх, «настільки незрозумілі на первісній стадії, що можемо лише здогадуватися, чому складність могла збільшитися».

Дарвін розмірковував над цим питанням непереконливо. Якось він написав геологу Чарльзу Лайеллу про питання, «на яке дуже важко відповісти, а саме: як на самому початку життя, коли існували тільки найпростіші організми, якесь ускладнення організмів пішло їм на користь? Я можу тільки відповісти, що в нас недостатньо фактів, щоб керуватися будь-якими міркуваннями на цю тему». Зараз у нас більше фактів, але вони все ще недостатні, й запитання Дарвіна залишається актуальним.⁷⁴

Зіткнувшись з цими доказами, прихильники абіогенезу стверджують, що наука має бути натуралістичною, й ми не маємо вибору, окрім як розповісти кращу історію, яка в нас є, навіть якщо вона не повна або навіть не точна.⁴

Незважаючи на те, що популярна преса протягом десятиліть широко пропагувала «доказ» того, що життя виникло на ранній Землі виключно в природних умовах, експерименти Міллера-Юрі насправді надали переконливі докази протилежного. Цей набір експериментів – більше, ніж будь-який інший, проведений сучасною наукою, – зробив набагато більше для того, щоб показати, що абіогенез на Землі неможливий, ніж для того, щоб вказати, як він міг би статися.

Подяки

Я хочу подякувати Tim Wallace, Bert Thompson, Wayne Frair, Clifford Lillo та John Woodmorappe за їхні коментарі до раннього варіанту цієї статті.