О возникновении жизни в школьных учебниках сказано немного, но то, что сказано, не всегда стыкуется, а порой расходится с современными научными взглядами. Что за знания мы передаем детям и на какие открытия их таким образом «вдохновляем»?
Интересную точку зрения на проблему мы обнаружили на просторах интернета в «Живом журнале».
Печалиться, гордясь?
Ни для кого не секрет, что сегодня быстрый прогресс научных исследований в биологии может легко превратить те или иные места школьного учебника в устаревший материал. Некоторые такие «печальные» события заставляют, скорее, гордиться современной биологией, которая показывает стремительные успехи.
Радуют и авторы школьных учебников, правильно предсказавшие развитие науки. Например, в современном учебнике биологии за девятый класс можно прочитать такую фразу: «В будущем ученые надеются освоить методы замены дефектных генов нормальными, что позволит устранять причину болезни, а не только её симптомы».
Действительно, еще совсем недавно излечение наследственных болезней представлялось делом науки будущего. Однако сегодня это уже почти реальность. Ученые уже не просто «надеются освоить методы замены дефектных генов». Они придумали конкретные методики генной терапии. И теперь усиленно работают над усовершенствованием этих методик.
Особенно многообещающе смотрится методика CRISPR/Cas9, которая появилась совсем недавно. Эта методика позволяет точно редактировать геномы живых существ. Уже произведены отдельные попытки излечения наследственных болезней с помощью этой методики. Так что, скорее всего, озвученную фразу из школьного учебника, действительно, скоро придётся переделывать так, чтобы она звучала уже в прошедшем времени.
Однако не вся устаревшая информация в учебнике биологии вызывает чувство гордости. Некоторые параграфы школьного учебника заставляют испытывать, скорее, противоположное чувство.
Ярким примером подобного материала является раздел, рассказывающий о проблеме происхождения жизни.
После ознакомления с этим разделом создаётся ощущение, что он просто переписывается «из глубины веков», без какой-либо оглядки на результаты современных исследований.
Например, в учебнике биологии за десятый класс, в разделе с заголовком «Современные гипотезы о происхождении жизни»… пересказывается гипотеза Опарина. Которую Опарин сформулировал еще в 1924 году! При этом уже в середине 20 века стало ясно, что гипотеза Опарина глубоко ошибочна. Это стало понятно после того, как был раскрыт механизм сохранения наследственной информации в ДНК.
Гипотеза Опарина акцентировала внимание на некоей «эволюции белков» до состояния неких «коацерватов». Которые затем путем химического отбора каким-то образом становились всё лучше и лучше, из поколения в поколение. Однако каким образом молекулы белков могли становиться «всё лучше и лучше», если эти белки, согласно предположениям Опарина, получались из «первичного бульона» абиогенно?
Если таким образом и «слепится» случайная удачная молекула белка (что уже само по себе маловероятно), то эта молекула всё равно не сможет размножиться (скопироваться). Потому что здесь просто отсутствует механизм биосинтеза белка. Который в современных клетках демонстрирует крайнюю сложность, включая в себя молекулы ДНК, иРНК, набор из нескольких десятков тРНК разного типа, и наконец, такой шедевр химических нанотехнологий, как рибосома.
Судьба любой случайной молекулы белка, появившейся вне этого механизма, предрешена. Данная молекула неизбежно исчезнет без каких-либо «эволюционных последствий». Поскольку молекулы белка не могут копироваться.
Каша из топора
Весьма забавно (с методической точки зрения) смотрятся сегодня сами опыты, которыми Опарин когда-то «подтверждал» свою теорию. В частности, для подтверждения того, что коацерваты могут расти, поглощая из окружающей среды органические вещества, Опарин помещал внутрь коацервата готовые ферменты живой клетки.
Естественно, эти ферменты начинали выполнять свою работу (ту самую, для которой они были созданы живой клеткой). Например, начинали синтезировать крахмал. В результате коацерват разбухал в размере. То есть, «рос».
Что и говорить, подобная методика очень напоминает русскую народную сказку «Каша из топора». Когда для того, чтобы приготовить кашу из топора, невзначай понадобилась крупа, соль и сливочное масло. Так же и в экспериментах Опарина. Для доказательства того, что из коацервата можно получить живую клетку… были взяты ферменты, созданные этой живой клеткой.
И вот, такая «теория» до сих пор пересказывается в школьном учебнике биологии, в разделе «современные гипотезы происхождения жизни».
Далее в школьном учебнике (в том же разделе «современных гипотез») озвучиваются взгляды Джона Холдейна (1929 год), который опирался на идею, высказанную Джозефом Миллером в 1927 году.
Что и говорить, подобные даты смотрятся забавно на фоне заголовка про «современные гипотезы». Там же упоминаются взгляды Бернала, Холодного и исследования Фокса. Всё они датируются пятидесятыми годами двадцатого века.
Рядом приводится рисунок под названием «Условия образования простых органических соединений», на котором состав газов древней земной атмосферы показан ровно таким, каким он привиделся Опарину в начале 20 века. Подобный состав атмосферы давно признан ошибочным (крайне маловероятным), и по этой причине вообще не рассматривается в современных научных обзорах (если только в историческом аспекте).
Сегодня принято, что состав древней атмосферы Земли был не восстановительным, а нейтральным (в основном, углекислый газ, азот, пары воды, с миллионными долями примеси других газов).
Однако эта точка зрения современной науки никак не отразилась на цитируемом разделе школьного учебника, где царят представления начала 20 века.
Далее в учебнике гордо красуется прямая цитата Опарина: «Всё более очевидным становится тот факт, что дарвиновская (т.е. биологическая) эволюция – это лишь сияющая вершина айсберга, почти девять десятых которого скрыто от нашего взгляда».
Этой фразой Опарин, видимо, пытался образно продемонстрировать читателю длительность дарвиновской эволюции (живых организмов) в сравнении с той длительностью «химической эволюции», которая считалась верной в начале 20 века.
На этой же странице учебника говорится, что «первые формы живого появились на Земле примерно 3.5 млрд. лет назад». То есть, «дарвиновская эволюция» имела продолжительность 3.5 млрд. лет. Тогда получается, что химическая эволюция должна была занять (согласно «айсбергу» Опарина) более 30 млрд. лет. В принципе, примерно так и воображалось Опарину в начале 20 века.
Сегодня считается, что планете Земля не больше 4.5 млрд. лет. При этом согласно текущим научным представлениям примерно 4 миллиарда лет назад Земля подверглась настолько мощной метеоритной бомбардировке, что какая-либо «химическая эволюция» в это время представляется маловероятной.
Более того, древнейшие свидетельства наличия жизни сегодня датируются даже не 3,5, а 3,8 и даже 3,85 млрд. лет. Таким образом, на всю «химическую эволюцию» сегодня отводится не более 200 миллионов лет. В свете подобных фактов рассуждения Опарина про «айсберг и девять десятых» сегодня смотрятся крайне наивно.
Жизнь… из воздуха?
Далее, по ходу этого же параграфа, рассказывается о знаменитых опытах Стенли Миллера. Которые Миллер провел, опять-таки, в пятидесятых годах двадцатого века. Причем об этом рассказывается так, что реальное положение дел искажается.
Данный эксперимент знаменит тем, что в нём получилось небольшое количество простых аминокислот (имеющих два или три атома углерода). Однако соответствующая фраза в учебнике составлена таким образом, что, прочитав её, кажется, будто в подобных опытах образовалось вообще всё, что только можно, вплоть до нуклеотидов (!) и даже коротких нуклеиновых цепочек.
Вот как звучит эта фраза в учебнике: «Опыты, поставленные Стенли Миллером, а позднее и многими другими исследователями, показали, что из смеси газообразного водорода, аммиака, метана и водяных паров … могут образоваться различные органические соединения, среди них мочевина, цианистый водород, спирты, альдегиды, сахара, аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая кислота и др.), органические кислоты (гликолевая, молочная, янтарная, уксусная, муравьиная и др.) и небольшие нуклеотидные цепи из нескольких мономеров (примитивные нуклеиновые кислоты)».
Отсюда создаётся ощущение, что нуклеотиды и даже нуклеотидные цепи (!) могут возникать из воздуха (смеси газообразного водорода, аммиака, метана и водяных паров).
В то время как правда является вот какой (приводим цитату известного биохимика Шапиро): «…Аминокислоты и другие молекулы, синтезированные Миллером и Юри, содержали не более трех атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов вообще никогда не образовывались. Не выявлены они и в составе исследованных метеоритов.
По-видимому, для неживой природы характерна тенденция к созданию молекул с возможно меньшим числом углеродных атомов, и никаких свидетельств образования нуклеотидов, необходимых для появления нынешних форм жизни, не найдено…»
То есть, никаких нуклеотидов, и тем более, нуклеиновых кислот, в экспериментах с газовым разрядом никогда не получалось. Видимо, в этой фразе имелось в виду, что «другие исследователи» исследовали разные другие условия и другие химические вещества, и действительно, получили разные органические соединения. Например, азотистые основания, которые являются компонентами нуклеотидов.
Однако исходные вещества, из которых была получена озвученная органика – это отнюдь не газы атмосферы. А более сложные соединения. Как правило, уже органические. Например, озвученные в цитате «сахара», на самом деле, получаются в известной реакции Бутлерова. А вовсе не выпадают из «первичной атмосферы» после каждого электрического разряда.
Ну а «небольшие нуклеотидные цепи» вообще получались в тех исследованиях, где для этого брались (внимание!) уже готовые нуклеотиды.
Вначале были… РНК?
Наверное, надо сказать несколько слов о реальном положении дел в исследовании проблемы происхождения жизни.
На самом деле, в науке, начиная, как минимум, с 1986 года, популярна гипотеза РНК-мира, где предполагается, что «вначале был мир РНК». Считается, что молекулы РНК в этом «мире» выполняли одновременно и роль матриц для хранения и копирования информации, и ферментативные функции. На протяжении всех последних десятилетий, подавляющее большинство научных исследований в области происхождения жизни велись в рамках именно этой научной идеи.
Понятно, что важнейшие задачи, которые было необходимо решить в данном случае, состоят из трех этапов: 1) найти геохимически правдоподобный сценарий синтеза необходимых нуклеотидов (потому что именно нуклеотиды являются «кирпичиками» для РНК), 2) найти геохимически правдоподобный сценарий объединения нуклеотидов в цепочку РНК, 3) продемонстрировать такие молекулы РНК (или такой комплекс этих молекул), которые способны к самовоспроизведению (копированию с участием только самих себя).
Следует отметить, что ни одна из этих задач до сих пор не решена, несмотря на огромное число попыток найти соответствующие абиогенные химические пути.
Нуклеотиды по-прежнему отказываются как самостоятельно образовываться, так и объединяться в нуклеиновые цепочки достаточной длины. А искусственно созданные рибозимы демонстрируют такую «эффективность работы», что ни о каком подтверждении гипотезы РНК-мира пока не может быть и речи.
Дебет с кредитом не сходятся
Относительно недавно громкую огласку получили «опыты Сазерленда», в которых были получены пиримидиновые нуклеотиды. Однако целый ряд специалистов раскритиковали эту работу, аргументируя критику тем, что Сазерленд хотя и обошел, казалось бы, неразрешимую проблему присоединения рибозы к азотистому основанию, однако предложенный им новый химический сценарий тоже вряд ли можно назвать геохимически возможным.
Это больше напоминает либо управляемый органический синтез (с искусственным созданием нужных условий и концентраций исходных веществ на разных стадиях химического процесса), или это похоже просто на цепочку из разных химических реакций, связанных друг с другом только на бумаге.
Причем сам Сазерленд признал критику справедливой. Действительно, если сразу смешать все компоненты, предложенные Сазерлендом, никаких нуклеотидов не получается. И это не удивительно, поскольку исходные химические реагенты, задействованные в сценарии Сазерленда, отличаются высокой химической активностью, и поэтому быстро и беспорядочно реагируют друг с другом, образуя совсем не ту химию, которая предусмотрена данным сценарием.
Более того, в реальной природе эти химические вещества неизбежно будут реагировать еще и с большим числом посторонних веществ. Поэтому Сазерленду пришлось «доказывать» свой сценарий путем проведения серии из отдельных химических реакций, которые были связаны друг с другом только теоретически, а не в реальной химической посуде. Да еще и при полном отсутствии каких-либо посторонних веществ.
В связи с этим сам Сазерленд написал об этой работе: «…данный путь, каким он был осуществлен в лаборатории, состоял из нескольких стадий, и условия на этих стадиях были различными. Кроме того, между определенными стадиями выполнялась предварительная очистка, чтобы упростить анализ химического механизма. Очевидно, что эти вопросы должны быть решены до того, как можно будет считать данный синтез геохимически возможным».
Интересно, что прошло уже почти 10 лет со времени опубликования опытов Сазерленда. Однако «вопросы, которые надо было решить, чтобы этот синтез можно было считать геохимически возможным» – пока так и остались не решенными. Полный путь абиогенного синтеза пиримидиновых нуклеотидов так и не был продемонстрирован ни в одной реальной химической установке.
В 2016 году вышла статья, в которой был показан возможный способ абиогенного получения пуриновых нуклеотидов.
Однако здесь использовались уже настолько продвинутые технологии органического синтеза (вплоть до проведения отдельных химических стадий в условиях вакуума), что подобные результаты, похоже, доказывают невозможность образования пуриновых нуклеотидов в условиях реальной природы.
Ибо в рамках гипотезы абиогенеза, присутствие на древней Земле высококвалифицированных химиков, специалистов по органическому синтезу, а также современных химических лабораторий с передовым оборудованием не предусматривается.
Полная путаница
Таким образом, спустя 95 лет после того, как Опарин нам «всё объяснил» о происхождении жизни, реальные научные исследования в этой области всё еще продолжают безуспешно топтаться в самом начале.
Если до сих пор не показан полный, геохимически реалистичный синтез ни одного пиримидинового или пуринового нуклеотида, тогда о каких успехах гипотезы абиогенеза может идти речь? Ведь нуклеотиды являются абсолютно необходимыми базовыми элементами нуклеиновых кислот, без которых невозможно сохранение и копирование какой-либо биологической информации.
Однако в школьном учебнике обо всём этом вообще нет никакой информации. То есть, отсутствует информация о том, чем занимались и каких «успехов» добились в этой области ученые на протяжении последних сорока лет. Даже сам термин «гипотеза РНК-мира» не озвучен в учебнике ни разу.
Вместо этого пересказывается теория Опарина и Холдейна (начало 20 века) и опыты Миллера почти семидесятилетней давности. Все остальные новости науки прошли в этом параграфе под обтекаемой формулировкой » другие исследователи показали». Причем пересказ того, что же они «показали», тоже является неверным.
Под конец в учебнике пошла полная путаница. Чего только стоит сравнение вот этих двух цитат. Цитата первая (взята из окончания параграфа): «Сам переход комочка химических соединений в живую клетку пока экспериментально не доказан. Поэтому та и другая теории пока считаются гипотезами».
А теперь давайте прочитаем вторую цитату, взятую из начала следующего параграфа: «Академик А.И. Опарин впервые в науке выдвинул естественнонаучную теорию зарождения жизни на Земле. Вслед за ним Дж. Холдейн, С. Миллер и другие ученые подтвердили и развили эту теорию. Они доказали, что первоначальные формы жизни –результат эволюции химических веществ на планете».
Остаётся только пожалеть бедного десятиклассника, который в конце первого параграфа читает: «Переход комочка химических соединений в живую клетку пока экспериментально не доказан». Но уже в начале следующего параграфа читает: «…они доказали, что первоначальные формы жизни – результат эволюции химических веществ».
Комментировать