Когда Холдейн и Опарин разрабатывали теории происхождения жизни, они уже понимали, что Земля намного старше, чем считали их предшественники. Это было очень важно, поскольку означало, что условия на планете в момент зарождения жизни могли коренным образом отличаться от современных условий. Холдейн и Опарин больше не нуждались в старой версии теории спонтанного зарождения (заключающейся в том, что появление живых существ из неживой материи может происходить в такой среде, которая окружает нас сегодня), а пытались понять, в каких условиях могла зародиться жизнь.
Работая над этим вопросом в 1920-х гг., и особенно при подготовке книги, вышедшей в 1936 г., Опарин ориентировался на новые данные относительно состояния первозданной Земли сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Земля была совсем иной и была совершенно непохожа на нашу современную планету; в частности, у нее была другая атмосфера.
Определить элементный состав первозданной Земли было несложно. Химический состав живых существ удивительно неразнообразен и прост. Все живые существа, начиная от мельчайших бактерий и заканчивая клетками самых сложных организмов, состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота – четырех основных элементов, которые химики иногда обозначают акронимом CHON (carbon, hydrogen, oxygen и nitrogen). Другие элементы содержатся в живых клетках в следовых количествах; среди них самыми важными являются сера и фосфор. Однако все живые существа на 98% состоят из четырех элементов: C, H, O и N
[45]. Почти наверняка все эти элементы в изобилии содержались на первозданной Земле, как и повсюду в космосе. К тому же они относятся к числу семи самых распространенных элементов во Вселенной.
Труднее понять, как эти элементы соединялись между собой с образованием сложных молекул, необходимых для построения живых клеток. Скорее всего, четыре основных элемента присутствовали на Земле, но в какой форме? Существовал ли кислород только в составе воды (H2O) или еще в виде атмосферного газа (O2), как сейчас? Для того чтобы узнать, как зародилась жизнь, сначала нужно было определить, какие химические соединения были на Земле.
Опарин исходил из предположения, что поначалу в атмосфере не было газообразного кислорода. На основании результатов наблюдений за Юпитером Опарин сделал вывод, что первичная атмосфера Земли содержала метан и аммиак. Кроме того, на Землю лились потоки ультрафиолетовых лучей из космоса, от которых современная Земля защищена озоновым слоем. Поверхность планеты постоянно изменялась в результате вулканической активности, не соизмеримой ни с какими современными катаклизмами. Под возбуждающим действием солнечных лучей и вулканического тепла атмосферные газы могли расщепляться на составные части, которые затем могли вступать в реакции с образованием новых соединений и растворяться в океанах, покрывавших значительную часть поверхности планеты. Эта длинная цепь химических превращений могла привести к синтезу органических соединений и в конечном итоге неких доклеточных структур, представлявших собой промежуточное звено между живой и неживой материей. Холдейн выдвинул удивительно похожую идею, и в результате сочетания идей двух ученых родилась гипотеза Опарина – Холдейна.
Гипотеза Опарина – Холдейна выдержала проверку временем и сохранила свое значение в последующие десятилетия, когда значительно преумножились наши знания о геологических и атмосферных условиях в период возникновения жизни на Земле. К концу прошлого столетия благодаря геохимии, применяющей законы химии для объяснения планетарных процессов, было доказано, что в первичной атмосфере Земли действительно было мало кислорода. Такое положение дел сохранялось на протяжении почти двух миллиардов лет, пока жизнь не изобрела фотосинтез, при котором выделяется кислород. А без кислорода не существовало озонового слоя, защищающего Землю от ультрафиолетовых солнечных лучей.
Этот последний аспект – мощный поток космической энергии на Землю – сыграл ключевую роль в моделях Холдейна и Опарина. Именно он был движущей силой синтеза органических соединений, которые перемешивались и образовывали простые молекулярные агрегаты. Они были проще любых современных одноклеточных организмов, но все же достаточно сложными, чтобы воспроизводить самих себя из органических веществ. Некоторые структуры имели такую степень сложности, что Холдейн назвал их «полуживыми»; Опарин называл такие молекулярные агрегаты коацерватами.
Здесь мнения двух ученых расходились, и это имело большое значение для исследований последующих лет. Опарин и Холдейн по-разному определяли суть различий между живой и неживой материей. Опарин считал ключевым элементом жизни клеточный метаболизм – набор химических реакций, превращающих питательные компоненты из внешней среды в живую материю. Жизнь для него была химическим процессом, и важнейшими ее элементами он считал белки, помогающие осуществлять этот процесс. Такого направления мысли придерживаются сторонники концепции первичности метаболизма.
Холдейн видел основу жизни в генах. Его концепция промежуточной стадии между живой и неживой материей подкреплялась информацией о вирусах, о которых ученые в то время имели весьма ограниченное представление
[46]. Вирусы мельче бактерий, и разглядеть их под микроскопом удалось только после 1933 г. Ученые долго спорили, можно ли относить вирусы к живым существам или нет. Холдейна особенно заинтересовали бактериофаги – вирусы бактерий. Ему казалось, что они соответствуют критериям «полуживых» организмов. В 1915 г. франко-канадский микробиолог Феликс Д’Эрелль попытался понять, почему вода из индийских рек Ганг и Ямуна удивительным образом защищает от заражения холерой, хотя она полна нечистот и опасных бактерий. Д’Эрелль обнаружил, что в этой воде жил удивительный «пожиратель бактерий» (бактериофаг). Вскоре ученые показали, что бактериофаги способны размножаться внутри бактериальных клеток.
Научное мировоззрение двух ученых складывалось в разной среде. В СССР генетику считали «буржуазной наукой», основанной на принципе «выживания сильнейшего», несовместимом с идеалами марксизма. На западе генетика революционизировала биологию, и Холдейн был одним из ее главных теоретиков.
Хотя основные принципы генетики были заложены францисканским монахом Грегором Менделем еще в середине XIX в., его работа почти никому не была известна, пока в 1900-х гг. одновременно несколько ученых не осознали ее важности. Идеи Менделя вскоре распространились повсеместно, и с 1906 г. ученые стали использовать слово «ген» для определения единицы наследственности.
Холдейн работал на переднем крае генетики с самого начала. В 1901 г. ему было девять лет, когда отец взял его с собой на одну из первых лекций по теории Менделя. Генетика на всю жизнь стала одним из любимых предметов Холдейна; ей посвящена значительная часть его статей и экспериментальных исследований. Холдейн понял связь между теорией Дарвина о естественном отборе и теорией Менделя о наследовании признаков.
