Помоги проекту - поделись книгой:
Мы все состоим из звездной пыли
Периодическая таблица Менделеева — настоящее произведение искусства. Это также наиболее удачная из когда-либо созданных научных схем‹‹6››. Она описывает все известные науке химические элементы и демонстрирует с невероятной наглядностью, как свойства вещества зависят от структуры его атомов. Элементы периодической таблицы образуют последовательность: каждый элемент описывается своим атомным числом, которое равно количеству протонов в его ядре. В ядре атома водорода — один протон, у гелия — два (уравновешенные двумя нейтронами), у лития — три и т. д. Это позволяет нам ответить на некоторые основополагающие вопросы мироздания (настолько основополагающие, что вы никогда о них не задумывались): существуют ли химические элементы легче водорода? Может ли существовать неизвестный науке элемент между водородом и гелием? Ответ на оба эти вопроса отрицательный — нельзя составить ядро атома, взяв какую-то часть протона. В периодической таблице нет пробелов: нам известны все существующие в природе элементы от водорода до урана (92 протона). Мы даже знаем последовательность элементов тяжелее урана — так называемые трансурановые элементы. Это короткоживущие, радиоактивные, нестабильные элементы, которые были искусственно получены в ядерных лабораториях.
Откуда взялись все эти элементы? Случайность ли то, что на Земле оказался их полный набор? Давайте вернемся к самому началу: если начать отсчет в момент Большого взрыва, то к тому времени, как вы досчитаете до 200 или около того, наблюдаемая Вселенная будет размером примерно в один световой год в диаметре. Все, что мы считаем «нормальной материей» — протоны, нейтроны, электроны, — находится в состоянии плазмы при температуре несколько миллионов градусов. Только что закончилась фаза первичного нуклеосинтеза, в ходе которой в результате слияния ядер водорода образовывались ядра гелия. Может показаться, что это фаза была не слишком продуктивной: лишь около 25 % от общей массы рассеянного во Вселенной водорода превратилась в гелий. Далее незначительная‹‹7›› часть получившегося гелия трансформировалась в литий. На этом все и закончилось. За последующие 600 млн лет не было создано никаких новых химических элементов.
Разумеется, обидно сознавать, что за кратким периодом бурной деятельности последовал столь долгий перерыв, но для этого имелись веские причины. Ядерный синтез возможен лишь в условиях огромных температур и плотностей‹‹8››. Такие условия существовали лишь в течение нескольких минут на раннем этапе существования Вселенной. В следующий раз они сложатся только после того, как возникнут первые звезды, и в условиях сверхвысоких температур и плотностей в недрах этих звезд вновь запылает огонь термоядерного синтеза.
Звезды — это настоящие ядерные скороварки, где элементы сливаются в термоядерном пламени, производя все более и более тяжелые атомные ядра вплоть до железа (содержащего 26 протонов). Вследствие некоторых особенностей физики элементарных частиц синтез атомных ядер легче железа в условиях высокой температуры и давления приводит к выделению небольшого количества дополнительной энергии. Эта энергия позволяет плазме оставаться горячей и тем самым поддерживает реакцию термоядерного синтеза. Но у атомных ядер тяжелее железа каждое слияние требует дополнительной энергии: в результате температура звезды снижается и ядерное буйство со временем затухает. Вследствие этого звезды, особенно массивные, способны производить элементы с атомным числом меньше железа, и не более того.
Это примерно третья часть всех элементов периодической таблицы. Откуда же взялись все остальные? В конце жизненного цикла звезд, когда огромное давление их внешних оболочек больше не способно поддерживать реакцию термоядерного синтеза в центре звезды, может произойти катаклизм. Звезды с низкой массой — одного порядка с массой Солнца — кончают свой жизненный цикл как белые карлики — тлеющие звездные «угли», которые когда-то были горячим ядром звезды. Термоядерное пламя гаснет, «зола» медленно (очень медленно) остывает и перестает излучать свет.
Совершенно другая судьба ожидает звезды большей массы. В белом карлике силам гравитационного сжатия противостоит принцип запрета Паули, согласно которому количество электронов, которое может находиться в определенном пространственном объеме внутри погасшей звезды, строго ограничено. Это свойство материи называют давлением вырожденного электронного газа. В более массивных звездах эта сила не может противостоять огромному гравитационному давлению. В таком случае коллапс останавливается на стадии нейтронной звезды диаметром всего несколько километров, поддерживаемой в равновесном состоянии давлением уже не электронного, а вырожденного нейтронного газа‹‹9››. Для сравнения можно указать, что радиус Солнца равен 700 000 км, что примерно в 100 000 раз больше радиуса нейтронной звезды. Когда внешние слои умирающей звезды сжимаются под влиянием гравитации, возникающая гигантская температура и плотность материи дают энергию для последнего, всепоглощающего взрыва. В его пламени происходят реакции синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до урана (а возможно, и больших), которые затем выбрасываются энергией взрыва в окружающий космос. Итак, вы только что наблюдали вспышку сверхновой!
Хоть в это трудно поверить, но сверхновые играют фундаментальную роль в истории зарождения жизни во Вселенной: они завершают ядерный синтез элементов периодической таблицы, а также служат механизмом их доставки, выбрасывая в окружающий космос богатое разнообразие новых элементов. Все атомы тяжелее водорода и гелия, которые необходимы для важнейших жизненных процессов (будь то атом железа в гемоглобине у нас в крови или атом магния в центре молекулы хлорофилла), ведут свою историю от термоядерной реакции в недрах звезд или от взрыва сверхновой.
Наше место в космосе
Итак, мы выяснили, что возраст нашей Вселенной составляет 13,8 млрд лет. Она очень велика в объеме и даже, возможно, бесконечна. Множество химических элементов, возникших внутри звезд или при взрывах сверхновых, было распределено по всему космосу. Теперь я бы хотел затронуть вопрос, как наша Земля и Солнце с его Солнечной системой вписываются в этот обширный космический ландшафт. Как они возникли и было ли это редкой удачей или самым заурядным событием?
Мы остановились в истории расширяющейся Вселенной вскоре после образования первых звезд и сверхновых, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Словно бы в ответ на расширение Вселенной, вещество начало сжиматься под воздействием гравитации. Газовые облака коллапсировали и сталкивались, и таким образом начали формироваться ранние предшественники будущих галактик. Освещаемые изнутри первыми звездами, галактики постепенно превратились в огромные скопления огней, которые мы наблюдаем сегодня. Расстояния между галактиками колоссальны, и лишь в исключительно редких случаях они сталкиваются, происходят гигантские космические «крушения поездов». Большую часть своей истории галактики изолированы и замкнуты. Внутри каждого такого звездного скопления из облаков газа и пыли зарождаются новые поколения звезд, каждая из которых проходит стадию термоядерного синтеза, и каждая ядерная реакция заполняет новую ячейку в персональной периодической таблице этой звезды. Наиболее массивные звезды взрываются, обогащая галактику тяжелыми элементами, которые медленно аккумулируются в следующих поколениях звезд.
Наше Солнце зародилось уже после того, как сменилось несколько поколений звезд, но даже тогда тяжелые элементы‹‹10›› составляли не более 2 % от общей массы газового облака, из которого сформировалось наше светило. Вы можете спросить, почему так мало? Почему не 10 %, не 50 % или даже больше? Ответ состоит в том, что большая часть вещества, из которого состоят звезды, не принимает участия в реакции термоядерного синтеза. Роль внешних оболочек звезды, находящихся за пределами ядра, заключается в создании гравитационного давления. Это давление приводит к тому, что температура и плотность внутри ядра непрерывно растут, пока не достигнут величины, достаточной для начала термоядерного синтеза. Со временем, когда в ядре закончится запас легких элементов, служащих топливом для поддержания термоядерной реакции, звезда может либо превратиться в белый карлик, либо вспыхнуть сверхновой. В последнем случае взрыв выбрасывает в окружающее пространство почти весь верхний слой звезды.
Наше Солнце и его планетная система начинали свою жизнь как медленно клубящееся газопылевое облако. По мере того как облако остывало, его материя начинала сжиматься под воздействием гравитации, в нем возникло ускоряющееся вращение вокруг центра, и со временем оно приняло форму уплощенного диска. Большая часть вещества постепенно сосредотачивалась в центре, где в конечном итоге под воздействием высокой плотности и температуры началась реакция термоядерного синтеза. Так зародилось наше Солнце. Солнечное излучение подняло температуру в прилегающих к нему слоях газопылевого диска, и все легкоплавкие летучие вещества просто испарились в пространство. Оставшиеся тяжелые элементы постепенно стали слипаться в микроскопические крупинки. Достаточно большие агрегаты уже могли притягивать мелкие крупинки силой гравитации, а также поглощать другие агрегаты, беспорядочно сталкиваясь с ними, как автомобильчики в парке аттракционов.
Победители этого раунда превратились в планеты, какими мы их знаем сегодня: каждая планета поглощала на своем орбитальном пути вещество, словно прожорливый космический хищник. Внешние планеты, которым посчастливилось достичь больших размеров, захватив огромные количества замерзших газов в холодной части Солнечной системы, превратились в газовые гиганты, такие как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Во внутренней Солнечной системе легкоплавкие летучие вещества просто испаряются в пространство под воздействием солнечного тепла, поэтому ближние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — состоят из относительно плотных веществ. Остальное — просто космические обломки: пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера за орбитой Нептуна‹‹11››.
Можно ли утверждать, что история Солнечной системы уникальна? В том, что касается деталей, — да, данное конкретное расположение планет, вероятно, уникально для нашей планетной системы. В том, что касается общих признаков, — нет, вокруг многих молодых звезд можно наблюдать вращающиеся газопылевые облака. Многие из них имеют форму диска, а на некоторых можно даже заметить широкие орбитальные кольца, которые, по-видимому, представляют собой участки роста планет. Согласно современной точке зрения, планеты формируются вместе со своими молодыми звездами из газовых облаков, обогащенных тяжелыми элементами. Астрономы обобщенно называют эти тяжелые элементы металлами. Твердые планеты и ядра газовых гигантов состоят из этих металлов. Подобно строительным материалам, металлы могут стать основой как большего количества, так и большего разнообразия планет. Мы пока этого просто не знаем. Но мы можем предположить, что, поскольку металлы — это материал для создания планет, чем больше их будет, тем лучше. Но на этом наши познания о процессах образования планет практически заканчиваются.
Могла ли Земля возникнуть в более ранний период истории Вселенной? С каждым последующим поколением звезд насыщенность межзвездного газа металлами все больше увеличивается, но мы пока не знаем, существуют ли определенные пороговые значения содержания металлов, необходимые для образования планет. Если исходить из общих соображений, то на более ранних этапах существования Вселенной, когда металлов было мало, собрать в одном месте материал для создания планеты было довольно затруднительно. Но образовавшиеся массивные звезды должны были относительно быстро взорваться и осыпать прилегающие к ним участки космоса дождем тяжелых элементов. Так что на сегодняшний день мы можем только сказать, что с определенной долей вероятности на более ранних этапах существования Вселенной создание планетных систем было затруднено. Однако, учитывая отвратительную привычку ученых избегать категоричных утверждений, мы и это не можем утверждать наверняка. Но в одном мы можем быть твердо уверены: пока будут существовать звезды, будет происходить обогащение Вселенной химическими элементами. Хоть это пока и не органические соединения, но кирпичики для их создания встречаются в галактике Млечный Путь в больших количествах, равно как и в любой другой галактике существующей на данный момент Вселенной.
За пределами Млечного Пути
Расстояние до ближайшей звездной системы — Альфы Центавра — 4,3 световых года. Расстояние до центра Млечного Пути — 26 000 световых лет. Ближайшая к нам галактика — Туманность Андромеды, и она удалена от Земли на расстояние 2,5 млн световых лет. Если вы выйдете вечером из дома и найдете на ночном небе туманность Андромеды, которая с Земли кажется маленьким тусклым пятнышком, свет, который вы видите, шел до вас 2,5 млн лет. Он покинул туманность Андромеды, когда первые предки людей осваивали каменные орудия. Туманность Андромеды вместе с Млечным Путем и еще несколькими другими галактиками входит в так называемую местную группу. Расстояние до других галактик, не входящих в это объединение, составляет порядка 15 млн световых лет.
Расстояния между галактиками непостижимо огромны. Даже если когда-нибудь мы сможем отправить наши первые космические зонды к соседним звездам, идея путешествия к соседним галактикам будет оставаться чем-то из области научной фантастики. Кроме того, все наши попытки обнаружения планет, о которых пойдет речь в следующих главах, будь то спектроскопический метод Доплера или визуальные наблюдения повторяющихся транзитов, на таких огромных расстояниях бессмысленны. Мы узнаем о поисках внеземного разума (SETI) и попытках пообщаться с обитателями далеких звезд. Но, даже если говорить о том времени, за которое свет достигает других звезд нашей Галактики, 15 млн лет — это слишком уж долго, чтобы ждать, пока на другом конце снимут трубку.
Если мы сравним нашу Солнечную систему с улицей, на которой мы живем, расположенной в «городе» Млечный Путь, то наши поиски жизни во Вселенной ограничиваются лишь отправками зондов по дороге перед нашим домом и наблюдениями за тем, что происходит в близлежащих звездных кварталах. Другие галактики, на самом деле, очень, очень далеко.
В бесконечность и далее
Надеюсь, теперь вы осознали правоту того замечания, которое я сделал в начале первой главы: в бесконечной Вселенной все, включая жизнь, не только возможно, но и неизбежно. Каждая галактика содержит сотни миллиардов звезд. Каждая из них может обладать своей планетной системой. Всего в наблюдаемой Вселенной могут обитать сотни миллиардов галактик. В результате мы имеем приблизительно 1022 планет. Но если допустить возможность существования за пределами космологического горизонта бесконечной Вселенной, то тогда количество мест, где возможно существование жизни, становится не просто громадным, а, строго говоря, неисчислимым. Но не будем забывать, что такая числовая гимнастика никак не приближает нас к возможным примерам внеземной жизни. Нам надо с чего-то начинать. Так давайте же начнем с нашей Солнечной системы.
Глава 3. Что такое жизнь?
Что такое внеземная жизнь? А что такое жизнь земная? На сегодняшний момент эти два вопроса неразрывно связаны. Единственная жизнь, которую мы знаем, — жизнь на Земле. Это определяет все наши познания о жизни — по крайней мере те, которые можно проверить опытным путем. Единственный возможный способ глубже проникнуть в природу жизни — это либо самим создать жизнь в лаборатории, либо обнаружить ее за пределами Земли. Однако в одном мы можем быть уверены наверняка: возникновение и эволюция жизни на нашей планете неразрывно связаны с образованием и эволюцией самой Земли. С самых ранних пор ее существования изменения физических условий на нашей планете влияли на характер жизни и наоборот.
В этой главе нам предстоит разобраться со следующими вопросами: можем ли мы выработать определение жизни? Каковы были условия, приведшие к зарождению жизни на Земле? Какую информацию мы можем получить, исследуя ископаемые останки и проводя геохимический анализ древних пород? И наконец, как развитие жизни повлияло на физические условия Земли и как наша планета поддерживает и регулирует существующую на ней жизнь?
Но в более широком аспекте, как астробиологи, мы должны спросить себя, насколько это все применимо к нашим поискам жизни за пределами Земли. Какие должны быть при этом основополагающие принципы? Какие научные прозрения дадут нам возможность целенаправленного поиска? Было ли возникновение жизни закономерным следствием физических условий, сложившихся на раннем этапе существования Земли? И если это так, то имеет ли смысл ожидать, что жизнь возникнет на всех планетах, обладающих аналогичными природными свойствами, как то: умеренной атмосферой, твердой поверхностью и наличием впадин, заполненных жидкостями с богатым содержанием органических веществ? В случае если жизнь зародилась, какие свойства планеты определяют, сохранится она или нет? Какие планеты предоставляют жизни лишь кратковременное пристанище, а какие могут предложить стабильные условия?
Время на размышление
Если бы я попросил вас взглянуть в зеркало, а потом описать себя, с чего бы вы начали свой ответ? Стали бы вы утверждать, что являетесь живым существом и обладаете целым рядом свойств и признаков, характерных для всех обитающих на Земле живых организмов? Взгляните на себя с этой точки зрения: ваше тело имеет клеточное строение, вы продукт длительного эволюционного развития и воспроизводства, вы росли и изменялись в течение всей своей жизни. К тому же вы ежедневно осуществляете достаточно гибкий обмен веществ, преобразуя топливо в энергию, которая приводит ваше тело в движение, в то время как основные системы вашего организма функционируют в рамках строго определенных параметров. Допускаю, что этот портрет не отразил какие-то ваши индивидуальные особенности, но, если вы попробуете описать жизнь в наиболее обобщенном виде, вам, скорее всего, придется ограничиться схожим описанием.
Такой многословный ответ на простой на первый взгляд вопрос «Что такое жизнь?» — отражение того факта, что жизнь — это явление, а не просто физическая величина. Я могу описать себя как некое существо с определенным ростом и весом. Однако я не могу сказать, что во мне, например, 1,73 единицы жизни. С другой стороны, я мог бы сказать, что состою приблизительно из 10 трлн клеток, хотя различные живые существа обладают клетками разного уровня сложности и функционирования. Думаю, что вы уже поняли, к чему я клоню: жизнь — это целая последовательность связанных явлений, не поддающаяся простому измерению.
Все это, конечно, дает вам полное право чувствовать себя достойной частью космоса, но приближает ли это нас к главной цели астробиологии — подтверждению наличия жизни? Вы можете возразить, что изложенные выше идеи очень полезны. Если у нас есть образец, который обладает упорядоченной структурой, демонстрирует химические признаки энергетического цикла, а также содержит механизм, который не только кодирует химический состав органических веществ, но и позволяет им самовоспроизводиться, то в таком случае многие ученые согласятся, что наша находка имеет так много общих черт с земной жизнью, что и ее саму можно смело признать жизнью‹‹1››.
К этой теме мы еще вернемся в последующих главах, когда перенесемся на другие планеты Солнечной системы и обсудим, какие научные эксперименты необходимо осуществить, чтобы однозначно ответить на все вопросы, связанные с поисками жизни.
Этот остров Земля
Нашу планету можно сравнить с самым лучшим космическим кораблем: она несет на борту огромные запасы сырья, ее системы жизнеобеспечения преобразуют солнечную энергию в разнообразное топливо, она защищает нас от враждебного космоса. Жизнь существует на Земле почти 4 млрд лет, и стабильность условий на ее поверхности в течение всего этого периода играла критически важную роль в поддержании непрерывного процесса эволюции. Имеет смысл поговорить о том, как физические условия на нашей планете — ее геология — обеспечивали нам благоприятную среду обитания и защищали от негативных воздействий.
Земная атмосфера появилась и даже сегодня пополняется благодаря вулканическому газообразованию. Химический состав атмосферы обеспечивает незначительный парниковый эффект — теплоизоляционное покрытие, которое улавливает солнечную радиацию, — и нагревает поверхность‹‹2››. Помимо тепла наша атмосфера создает давление, которое позволяет воде существовать в жидком состоянии на всей поверхности планеты. Чтобы представить, какие условия существовали бы на Земле в отсутствие атмосферы, достаточно посмотреть на Луну. Уберите тепло — и вода замерзнет, понизьте давление — она закипит. В любом случае наличие атмосферы — ключевое условие существования жизни на поверхности Земли.
Атмосферу защищает от космоса (в частности, от исходящего от Солнца потока заряженных частиц, которые образуют солнечный ветер) магнитное поле Земли. Отражаемый магнитным полем, солнечный ветер обтекает нашу планету, проникая только в самые верхние слои атмосферы у полюсов, где заряженные частицы вызывают полярные сияния. Без защиты магнитного поля наша атмосфера постоянно подвергалась бы ионизации, выветриванию и испарению под воздействием энергии солнечного ветра и в конечном итоге просто улетучилась бы в космическое пространство.
Прослушивая эхо землетрясений в теле нашей планеты, мы можем выявить источник магнитного поля Земли. Согласно данным сейсмологов, земное ядро состоит из жидкого внешнего слоя с высоким содержанием железа и никеля и твердого внутреннего ядра. Горячее внешнее ядро подобно огромному бьющемуся сердцу, в котором циркулируют гигантские конвекционные потоки расплавленных металлов. Эти потоки вызывают перенос электронов в ядре нашей планеты — в буквальном смысле электрический ток. Ко всему прочему, наша планета вращается, порождая вокруг циркулирующих в ее сердцевине электрических токов обширное магнитное поле. Комбинация жидкого металлического ядра и вращения Земли приводит в действие генератор планетарного масштаба и создает наше магнитное поле. Оба эти фактора имеют принципиальное значение: если бы частота вращения была меньше (как на Венере) или ядро было холодным и твердым (как на Марсе), результирующее магнитное поле было бы значительно слабее.
Все это приводится в движение геологическими процессами, происходящими в расплавленных недрах Земли. Как ни удивительно это осознавать, но твердая порода, которая служит основанием для жизни на нашей планете, лишь тоненькая корочка, плавающая на поверхности кипящего шара из расплавленной магмы и металла. Пламя, пылающее в глубине Земли, все еще не остывший жар множества яростных столкновений, которые создали нашу планету 4,5 млрд лет назад‹‹3››. Подобно гигантскому тепловому двигателю, горячее ядро Земли приводит в движение геологические процессы, которые поддерживают «космический корабль» под названием Земля в рабочем состоянии.
Поскольку мы как начинающие астробиологи стараемся придерживаться непредвзятой точки зрения, я не буду утверждать, что геологическая активность на планете имеет решающее значение для возможности существования жизни за пределами Земли. Описанные выше взаимоотношения между геологическими процессами и жизнью не означают, что мы должны в наших поисках жизни ограничиться исключительно планетами, на которых присутствует геологическая активность. Но они помогают нам понять — в очень широком смысле, — как геология Земли создает и поддерживает условия, при которых жизнь развилась и продолжает существовать. Представим, что мы открыли за пределами Солнечной системы планеты и спутники, на которых протекают сходные с земными геологические процессы. Теперь мы можем порассуждать, каким образом они могут привести к возникновению или поддержанию жизни. Но, как обычно, мы не исключаем, что однажды наткнемся на новые миры, где оазисы жизни существуют в геологической пустыне, лишенной какой-либо активности.
Триумф Дарвина
В результате эволюционного развития на Земле возникло множество сложных и разнообразных жизненных форм. Мы видим примеры невероятной специализации и приспособляемости: если проиллюстрировать это утверждение примерами из фильмов о живой природе, то на экране замелькали бы в замедленной съемке колибри, львы, антилопы, древесные лягушки и другие невероятные существа.
Если немного изменить угол зрения и взглянуть на жизнь как на последовательность связанных между собой биохимических процессов, мы увидим, что все — действительно все без исключения — формы жизни на Земле обладают одним и тем же небольшим набором фундаментальных характеристик. Основная единица, из которой состоят все живые существа, — это клетка, небольшая капелька солоноватой воды, напичканная таким количеством органической химии, что для ее описания нужно несколько толстенных учебников. Что особенно удивительно, так это то, что каждая клетка повторяет фундаментальный набор общих правил, взятых из учебника биохимии для первого курса.
Все живое кодирует свою генетическую информацию, используя дезоксирибонуклеиновую кислоту. ДНК — это не что иное, как длинная цепочка из нуклеотидов, обозначаемых четырьмя буквами (C, A, G, T), связанных между собой в элегантную двойную спираль. Последовательность этих букв служит своеобразной молекулярной базой данных, содержащей всю информацию, с помощью которой кодируются все химические процессы в организме, а также обеспечивающей механизм передачи информации следующим поколениям. Аналогичным образом один и тот же универсальный элемент служит основным источником энергии для всех химических процессов в клетке: в процессе переноса задействованы молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которые способны накапливать энергию и отдавать ее в ходе реакции.
Язык белковой биохимии живой материи использует алфавит, состоящий из 20 аминокислот. Однако заметим, что в природе существует гораздо больше аминокислот — около 500. В связи с этим возникает вопрос, почему жизнь использует только эту фундаментальную, но все же ограниченную выборку? Еще одно общее свойство живой материи заключается в единой хиральности — оптической изометрии молекул — аминокислот (и сахаров). С учетом огромного разнообразия современных форм жизни, каким образом получилось, что такой простой набор строительных материалов наложил отпечаток на всю земную жизнь?
Чтобы примирить эти две противоположные друг другу характеристики жизни — разнообразие внешних форм и сходное биохимическое строение, природа придумала два механизма: деление клеток и эволюцию. Клетка воспроизводится делением на две почти идентичные копии. Естественный отбор закрепляет небольшие различия в генетических свойствах и отделяет наиболее приспособленные к внешней среде организмы как зерна от плевел. Сложность и многообразие форм жизни — следствие эволюционного развития, в ходе которого животные и растения приспосабливаются к различным условиям окружающей среды, существующим на Земле‹‹4››.
Но что, если мы отмотаем наш фильм назад? Мы увидим, как сложная жизнь постепенно лишается своих последних достижений. Вот перед нами древние одноклеточные организмы. Их биохимическая архитектура довольно проста, но в то же время устойчива: генетический алфавит, основанный на ДНК, обмен веществ, осуществляемый за счет АТФ, и белковое строение, в котором задействован набор из 20 аминокислот. Общие биохимические характеристики современной жизни дают нам возможность составить общую картину отдаленного предка всех существующих на сегодня живых организмов. Это удивительное и очень важное открытие: мы связаны — эволюцией и непрерывной последовательностью клеточных делений — с самыми ранними моментами зарождения жизни на Земле. Неизменность основных биохимических принципов строения жизни указывает на то, что с самого раннего времени жизнь сделала правильный выбор и в дальнейшем строго его придерживалась.
Еще в 1871 г. Чарльз Дарвин в письме своему другу Джозефу Хукеру рассуждал о том, как могла зародиться жизнь: «…в одном из небольших теплых водоемов из всех содержащихся в нем производных аммиака и солей фосфорной кислоты под влиянием света, тепла, электричества и т. д. возникло белковое соединение, готовое к дальнейшим более сложным превращениям». Это мощное научное прозрение, позволившее заглянуть в глубины времени и рассмотреть там момент зарождения жизни, лишь одно из множества достижений Дарвина. Нам потребовалось 140 лет непрерывных научных изысканий, чтобы убедиться в его правоте. Однако мы можем ухватиться за нить развития жизни и с помощью палеонтологической летописи и радиометрического датирования горных пород отмотать ее назад, до самых ранних эпох в истории Земли.
Царство Аида
Геология повествует о физической истории планеты Земля, и во многом ее можно рассматривать как старшую сестру эволюции. В 1830 г. Чарльз Лайель опубликовал свой основополагающий труд «Основные начала геологии»[4]. В этой книге Лайель утверждал, что геологическая история Земли складывается на протяжении невероятно долгих интервалов времени в результате медленного и непрерывного воздействия ряда сил, работу которых можно увидеть и сегодня, если внимательно присмотреться. Молодой Чарльз Дарвин взял с собой первый том «Основных начал», когда в 1831 г. отправился в путешествие на корабле «Бигль» (второй том ему должны были доставить по почте), и подход Лайеля оставил глубокий отпечаток на его собственных научных взглядах. Получалось, что эволюция и геологическое развитие шли параллельно: геология описывала долгую историю Земли и предусматривала временны́е интервалы, за которые небольшие эволюционные изменения могут закрепиться в поколениях живых организмов и привести к тому биоразнообразию, которое существует на сегодняшний день.
Современная геология делит историю Земли на четыре основных эона: катархей (самый ранний), архей, протерозой и фанерозой (самый поздний). О тесной связи между геологической историей Земли и историей существования на ней жизни свидетельствует тот факт, что геологическое развитие нашей планеты подразделяется на этапы в соответствии с характеристиками (или отсутствием) органического мира, определяемым по горным породам каждого периода.
Катархейский эон охватывает самые ранние эпохи истории Земли. Древнейшие доступные нам геологические данные содержатся в крошечных кристаллах циркона, возраст которых, определенный с помощью радиометрических методов, составляет 4,4 млрд лет‹‹5››. Эти крошечные кристаллы, представляющие собой не что иное, как фрагменты поверхности ранней Земли, обычно встречаются в виде мелких вкраплений в других, также древних, но значительно более молодых горных породах. В катархей наша планета была молода: ее тонкая кора только-только начала затвердевать над расплавленными недрами. Изнутри поверхность Земли разрывала буйная вулканическая деятельность, а сверху поливал беспрерывный поток планетных обломков — астероидов и комет, согласно современной терминологии.
Следы этих древних бомбардировок были стерты с лица Земли за 4 млрд лет геологической активности (вулканизм, тектоника плит и старая добрая эрозия). Однако бурная история тех давних времен запечатлелась во всей своей красе на неровной поверхности Луны. Наибольшая плотность кратеров наблюдается на самых старых возвышенностях, возраст которых был установлен радиометрическим методом по горным породам, доставленным «Аполлоном-16 и 17», а наименьшая — на относительно более молодых участках лунных морей («Аполлон-11, 12, 14 и 15»). На основании этих данных мы можем сделать вывод, что бомбардировка прекратилась примерно 3,9 млрд лет назад, причем большинство столкновений произошло в последний, относительно короткий интервал времени. На этом завершился катархейский эон истории Земли — катастрофический, бурный и губительный для любой формы жизни.
Архей: отголоски древней жизни
Архейский эон начался 3,9 млрд лет назад: на смену тяжелой бомбардировке пришел период относительного спокойствия. Самые древние горные породы на Земле датируются чуть более ранним периодом и служат надежным подтверждением существования твердой коры. Самые ранние признаки жизни спрятаны в глубине архейских пород: в древних микрофоссилиях возрастом 3,5 млрд лет можно усмотреть отдаленное сходство с живыми клетками. Одиночные микрофоссилии неизменно находят в слоистых окаменелостях, замечательно именуемых также криптозоонами (т. е. «скрытоживыми»). Эти минерализованные колонии древних микроорганизмов удивительно похожи на современные строматолиты — примитивные сообщества архей и бактерий, образующие небольшие, размером с табуретку, каменные холмики на мелководье соленых лагун.
Такие микрофоссилии — единственное материальное подтверждение существования архейской жизни. Колонии простейших одноклеточных организмов были единственными живыми обитателями нашей планеты в то время. Эти клетки не обладали ядром, и молекула ДНК с их генетическим кодом свободно плавала внутри клеточной структуры.
Характерная и повсеместно распространенная особенность земной жизни позволяет нам провести остроумный геохимический эксперимент, с помощью которого мы можем удостовериться, что в ранние геологические эпохи на нашей планете уже присутствовали живые организмы. Вся современная жизнь зависит от проникновения углерода сквозь клеточную мембрану и реакций, в которые он вступает, находясь во внутриклеточной жидкости. В природе существует два стабильных изотопа углерода: углерод-12 (12C — содержащий 6 протонов и 6 нейтронов), который составляет приблизительно 99 % от всего встречающегося в природе углерода, и углерод-13 (13C — 6 протонов и 7 нейтронов)‹‹6››. Более тяжелый изотоп 13C не может проникнуть через клеточную мембрану так же легко, как 12C, и поэтому его содержание в живых организмах существенно ниже, чем в природе. Таким образом, живая материя служит хорошим фильтром для изотопов углерода, а умирая, древние живые существа откладывались на дне океана в виде осадочных пород. Следовательно, если сравнить процентное содержание изотопов углерода в различных осадочных породах, то можно определить, какие из них образовались в результате процессов жизнедеятельности, а какие состоят из минеральных отложений‹‹7››.
Изотопно-углеродная летопись складывается из отдельных фрагментов, поэтому нам нужны древние морские осадочные породы, которые сейчас выходят на поверхность Земли. Старейшие отложения подобного типа были обнаружены в провинции Исуа в Гренландии. Они датируются 3,8 млрд лет. Хотя эти геологические данные выглядят не так эффектно, как легко узнаваемые отпечатки древних окаменелостей, они подтверждают, что жизнь на Земле перерабатывала углерод на протяжении 4 млрд лет и что с определенными допущениями (обусловленными тем, что не так часто нам удается заполучить древние осадочные породы) такая жизнь существовала на Земле непрерывно с начала архея.
И стала Земля зеленой на триллионный день
Из обсуждения первых двух эонов вы уже, я полагаю, поняли, что в геологическом масштабе все события происходят очень медленно. Это в равной мере справедливо для протерозойского эона — эона примитивной жизни. Протерозой пришел на смену архею примерно 2,5 млрд лет назад. Окаменелости, датируемые этим периодом, сходны с архейскими: они также представляют собой клеточные микрофоссилии, объединенные в колонии наподобие строматолитов, однако их количество и разнообразие существенно возросло. Отчасти это объясняется изменениями в самих организмах, но отчасти и тем, что на протерозойские породы пришлось гораздо меньше разрушительных воздействий и они по-прежнему в больших количествах выступают из земли в ожидании молотка геолога. При ближайшем рассмотрении в отдельных окаменелых клетках можно разглядеть совершенно новую структуру — клеточное ядро. Сегодня все живые организмы, чьи клетки содержат ядро, называют эукариотами, и в эту группу попадают все формы земной жизни, кроме бактерий и архей, которые, как оказалось, совсем лишены эволюционных амбиций.
Однако на протяжении этого эона произошло значительно более важное событие: атмосфера начала пополняться кислородом. Кислород возник в результате фотосинтеза — процесса преобразования углекислого газа (CO2), присутствующего в атмосфере или растворенного в воде, в простые сахара, служащие энергией для клеточной жизни. Фотосинтез можно записать в виде относительно простой химической реакции, в которой углекислый газ, вода и энергия двух световых фотонов, взаимодействуя с молекулой хлорофилла, преобразуются в сахар (глюкозу) и молекулярный кислород‹‹8››. Хотя сам фотосинтез выглядит простой реакцией, молекула хлорофилла, которая в нем участвует, устроена отнюдь не просто. Таким образом, если рассматривать развитие жизни как процесс последовательного усложнения биохимических реакций, то возникновение фотосинтеза знаменует качественный переход, ставший результатом длительного эволюционного развития.
Так когда же возник фотосинтез? Эволюция протекает постепенно. Возможно, сначала появился аноксигенный фотосинтез, который не производит в качестве побочного продукта кислород. Аноксигенный фотосинтез присутствует у нескольких современных видов бактерий. В этом случае для реакции с углекислым газом бактерия использует закись железа, сульфиды или молекулярный водород и не производит кислород как побочный продукт. Был ли данный вариант метаболизма эволюционным предшественником оксигенного фотосинтеза? Трудно сказать наверняка. Но вполне можно допустить, что подобная стадия действительно имела место в эволюции оксигенного фотосинтеза.
Свидетельства присутствия кислорода в атмосфере Земли появились примерно 2,4 млрд лет назад, и на этот раз обнаружить их удалось геохимическими методами: с помощью радиометрического анализа содержания изотопов серы в протерозойских горных породах. Как ни странно, породы, отложенные за несколько сотен миллионов лет до повышения уровня кислорода в атмосфере, указывают, что наша планета буквально ржавела в планетарном масштабе, пока не разразилась «кислородная катастрофа». В этот период геологической истории откладывались главным образом полосчатые железорудные формации — толщи ржаво-красных железистых минералов. Эрозия смывала богатые железом минералы в океан точно так же, как это происходит сегодня. В воде они вступали в реакцию с растворенным кислородом, произведенным фотосинтезирующими бактериями, и осаждались на дно океанов, образуя характерные слои минералов оксида железа.
Другой возможный механизм создания полосчатых железорудных формаций — прямое окисление железа в результате аноксигенного фотосинтеза, осуществляемого определенным видом пурпурных бактерий. Хотя у нас нет достоверных сведений о том, какой из этих двух процессов был более распространенным, мы можем предположить, что по крайней мере часть растворенного в океанах Земли железа служила ловушкой или резервуаром для слабенькой струйки кислорода, произведенного в результате оксигенного фотосинтеза. Как только все доступное железо прореагировало с кислородом, резервуар заполнился; лишний кислород стал выделяться из океанов и накапливаться в атмосфере.
Дополнительные сведения относительно обмена веществ первых форм жизни можно получить, изучая современные метаногены — примитивные археи, которые преобразуют CO2 в метан (CH4) как побочный продукт жизнедеятельности. Прямых методов определения уровня метана в древней атмосфере, подобных тем, что используются для определения уровней кислорода, не существует. Но метаногенная жизнь позволяет нам строить предположения о том, как могли осуществляться другие возможные сценарии развития. В результате бурной вулканической деятельности атмосфера древней Земли, вероятно, была насыщена углекислым газом. При этом стоит отметить, что в ней практически не было молекулярного кислорода. Современные метаногены — это исключительно археи, простейшие одноклеточные организмы, сходные по своему строению с ранними прокариотами, о строении которых можем судить по их окаменелым остаткам. Сегодня они могут существовать только в бескислородных средах, которые, по-видимому, были широко распространены на Земле до возникновения фотосинтеза.
Однако следует отметить, что «вероятно» — не совсем то же самое, что «достоверно установлено». Ископаемые архея не содержат никаких признаков того или иного типа обмена веществ. Нам точно известно только то, что современные метаногены не переносят контакта с кислородом. Как химический элемент кислород слишком активен. Он заявился в мир метаногенных архей с повадкой запоздалого пьяного гостя, пришедшего на вашу милую вечеринку, и всякая жизнедеятельность сразу же затихла. Если в начале архея жизнь состояла из метаногенных микробов, то возникновение фотосинтеза и дальнейшее появление на Земле кислорода стало причиной первого и, вероятно, величайшего вымирания в истории нашей планеты‹‹9››.
Но какое отношение это все имеет к астробиологии? Появление кислорода в земной атмосфере — отчетливое свидетельство того, что жизнь становится важным фактором, способным коренным образом изменить физические условия на планете, и проницательный инопланетный разум, наблюдающий за Солнечной системой, вполне способен распознать его влияние. В этом плане Земля сформировалась как интересный объект для астробиолога примерно 2,4 млрд лет назад. Справедливости ради надо отметить, что метаногенные археи могли настолько повысить уровень метана в атмосфере, что наш инопланетный астроном мог заинтересоваться происходящим на Земле на миллиард лет раньше. Но, поскольку у нас нет никаких геологических данных относительно присутствия в древней атмосфере метана, мы можем только строить догадки.
Приближаясь к окончанию протерозойского эона, не стоит упускать из виду, что фотосинтез возник главным образом в результате эволюции хлорофилла, который, как известно, имеет характерный голубовато-зеленый цвет. Следовательно, рост содержания кислорода в земной атмосфере сопровождался позеленением океанов. Поверхность суши была по-прежнему лишена какой-либо жизни. Но появление в атмосфере молекулярного кислорода сопровождалось дополнительным бонусом — озоном (O3). До тех пор океаны, вероятно, были единственным прибежищем жизни, поскольку вода поглощает ультрафиолетовое излучение, одновременно необходимое и губительное для всего живого. Следовательно, накапливаясь в атмосфере на протяжении всего протерозойского эона, озон со временем прикрыл нашу планету от разрушительного солнечного излучения. Если говорить о более тонких материях, то кислород обеспечил «биохимический турбонаддув» метаболизма глюкозы — по крайней мере у тех организмов, которые предусмотрительно выработали механизм, позволяющий его использовать. Таким образом, благодаря увеличению содержания кислорода в атмосфере в конце протерозоя открылись величайшие за всю историю Земли возможности освоения новых территорий как в географическом, так и в эволюционном плане.
Эволюционная вечеринка
Начало фанерозойского эона — один из ярко выраженных геологических переходных периодов. В горных породах, отложенных 540 млн лет назад — в относительно короткий геологический период, — наблюдалось резкое увеличение количества остатков разнообразных живых существ, получившее название кембрийского взрыва. Появление новых, более сложно организованных живых организмов, очевидно, зависело как от особенностей окружающей среды, к которым они приспосабливались, так и от различных случайных факторов, как, например, падение гигантского метеорита, которое произошло 65 млн лет назад и вызвало вымирание динозавров (расчистив таким образом место для эволюционно более совершенных млекопитающих). В связи с этим попытки выработать какие-то общие правила развития сложных форм жизни на примере эволюции организмов, которые населяли Землю сразу после кембрийского взрыва, не слишком подходят для наших поисков. Мне бы не хотелось принижать значение фанерозойского эона: нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что подобное сочетание механизмов приспособления и случайных факторов влияло на формирование жизни на протяжении всей ее истории. Однако резонно предположить, что примитивная жизнь приспосабливалась к условиям существования, которые были одинаковы на всей планете, тогда как более сложные организмы вынуждены вырабатывать механизмы приспособления к широкому спектру местных условий, существующих на современной Земле.
Такова наша история развития жизни. В конечном итоге вы сидите и читаете эту книгу. Возможно, теперь вы прониклись еще большим уважением к прозорливости Дарвина, когда он мысленным взором рассмотрел в глубинах времен маленькую теплую лужицу, положившую начало истории жизни на Земле. Наше биохимическое строение несет в себе память об этом событии, и если мы хотим найти истоки жизни как таковой, то нам ничего не остается, кроме как отправиться в то время и на то место.
Под грузом чисел
После краткого экскурса в историю жизни на Земле я хотел бы на мгновение остановиться и задать себе простой вопрос: допустим, вы — занятый поисками жизни астробиолог-инопланетянин, которого занесло на Землю в какой-то случайный момент ее истории. Какого рода организмы вы тут обнаружите?
Скорее всего, вы наткнетесь на примитивную микробную жизнь. Ведь если задуматься, бактерии и археи существовали на Земле непрерывно с момента зарождения жизни. На самом деле они были единственной формой жизни почти 3 млрд лет. Нет, я ничего не имею против высших форм жизни, но микробы и сегодня остаются доминирующей формой жизни на Земле: даже если мы ограничимся одноклеточными организмами, обитающими в Мировом океане, биомасса микроорганизмов и архей в 3000 раз превысит общую биомассу человечества. Оглянитесь вокруг себя: на каждого человека приходится 3000 его микробных копий, незаметно управляющих экосистемами Земли. Вам может показаться, что я излишне драматизирую ситуацию, но именно бактерии победили пришельцев с Марса в «Войне миров», когда человечество оказалось бессильно.
Бактерии и археи способны быстро приспосабливаться к изменениям среды, это одни из самых жизнестойких организмов на Земле. Бактерии могут существовать в безводных горных породах на границе вечных льдов Антарктиды, они прекрасно себя чувствуют в жерлах подводных вулканов, где температура воды превышает точку кипения, они живут даже в земных недрах — их находили в большом количестве в образцах пород, взятых с больших глубин. Эти микробы, способные жить и размножаться в совершенно невыносимых для высших форм жизни условиях, получили название экстремофилов. Они подразделяются на классы в зависимости от их экологической ниши, отличающейся от комфортных для всей остальной жизни условий. Термофилы обитают в горячих источниках и жерлах подводных вулканов, галофилы и алкалифилы — в содовых озерах, психрофилы способны расти и размножаться при отрицательных температурах. Мой любимый микроорганизм —
Искра жизни?
Итак, мы проследили историю нашей планеты от глубин архея — 3,8 млрд лет назад — до сегодняшнего дня. Теперь мы встали перед самой большой научной загадкой: как на Земле зародилась жизнь? Каким образом из безжизненных химических веществ возникла биологическая среда? Если мы сумеем найти удовлетворительный ответ на этот вопрос, тогда за ним логично последует другой: возникнет ли жизнь снова в аналогичных условиях на отдаленной планете или спутнике?
Как мы представляем себе Протоземлю, на которой зародилась жизнь? Какие у нас есть данные, позволяющие рассуждать о химическом составе окружающей среды в архее? Скорее всего, атмосфера формировалась из вулканических газов и испарившихся остатков ледяных комет. В таком случае, согласно современным представлениям о вулканах и кометах, земная атмосфера должна была состоять из углекислого газа, воды, азота и сероводорода (и прочих соединений).
История научных поисков возобновляется в 1924 г., когда через 50 с лишним лет после рассуждений Дарвина о небольшом теплом водоеме русский биолог Александр Опарин заинтересовался вопросом возникновения жизни. Он полагал, что основным источником кислорода в атмосфере древней Земли мог быть только фотосинтез. Поскольку фотосинтез — очень сложный процесс, он не мог возникнуть у самых ранних форм жизни. В таком случае зарождение жизни должно происходить в отсутствие молекулярного кислорода, реагирующего почти со всеми простыми веществами. Несколькими годами позже британский биолог Джон Холдейн независимо пришел к такому же заключению: в атмосфере древней Земли практически не было свободного кислорода, и в результате простые органические вещества, прореагировав друг с другом, породили множество более сложных молекул, ставших предшественниками живых организмов. Как Опарин, так и Холдейн считали, что энергия для осуществления таких реакций могла взяться только из природных источников — либо от удара молнии, либо от ультрафиолетового излучения Солнца, от которого Земля в то время была не защищена.
В последующие 30 лет в истории древней Земли ничего не менялось, пока наконец любознательный студент-старшекурсник Стэнли Миллер не решил проверить рассуждения Опарина и Холдейна на практике. В 1953 г. он сконструировал необычайно простую, но в то же время эффектную модель химической активности на раннем этапе развития Земли. Научным руководителем Миллера был Гарольд Юри, получивший в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие изотопа водорода — дейтерия. Их совместная работа получила известность как эксперимент Миллера — Юри.
Экспериментальная установка являла собой замкнутую систему стеклянных трубок и колбу с водой, представляющую земные океаны. В первоначальном варианте вода при нагревании испарялась и по трубке поступала в колбу, в которую была закачана смесь аммиака (NH3), метана (CH4) и водорода (H2), выполнявшая роль древней атмосферы. Впоследствии Миллер несколько изменил свой эксперимент, добавив электрический разряд (в других вариантах он использовал ультрафиолетовое излучение, а также иные источники энергии). Газы из колбы, служившей атмосферой, поступали в охлаждаемую трубку, где конденсировались и снова стекали в «океан». Эксперимент Миллера, во многих смыслах революционный, был невероятно простым, но, как ни удивительно, прошло почти 30 лет, прежде чем экспериментаторы обратили внимание на идеи, высказанные Опариным и Холдейном.
Но самое удивительное — полученные результаты. После нескольких дней непрерывного цикла Миллер заметил, что первоначально прозрачная вода океанов постепенно стала окрашиваться в различные оттенки — от розового до коричневого. Вскоре колба, представляющая океан, покрылась черной смолой — его модель ранней Земли работала. Анализируя содержимое колбы, Миллер обнаружил густой бульон из органических соединений. Самое главное, что в коричневой слизи оказались аминокислоты. Аминокислоты — это кирпичики белковых молекул, фундаментальной основы нашей биохимии.
Эксперимент Миллера — Юри много раз повторяли с различными модификациями. Подобно поварам, экспериментирующим с классическим рецептом, ученые добавляли в первоначальную атмосферу новые ингредиенты: одни — сложные и разнообразные, другие — простые и незатейливые. Среди молекул, находящихся в итоговом смолоподобном веществе, всегда обнаруживались сложные сахара и нуклеотидные основания, присутствующие в нашей ДНК.
Чей рецепт был самым правильным, т. е. наиболее полно описывающим ранние условия существования Земли? Согласно последним представлениям, атмосфера древней Земли состояла из углекислого газа и молекулярного азота, а не аммиака и метана, как это было у Миллера — Юри. Повторение их эксперимента по современному рецепту дает меньше аминокислот, чем получалось раньше (главным образом потому, что такие молекулы, как CO и N2, гораздо труднее расщепить, чем CH4 и NH3). Второй момент, вызывающий жаркие споры, — присутствие в атмосфере Протоземли молекулярного водорода. В присутствии водорода многие реакции, ведущие к созданию сложных органических молекул, протекали бы совсем по-другому. Но поскольку водород — самый легкий из всех газов и легко утекает из планетной атмосферы в космос, специалисты до сих пор жарко спорят о его возможном наличии (при почти полном отсутствии каких-либо надежных данных на этот счет).
Со всех точек зрения состав газовой смеси в эксперименте Миллера — Юри не так важен, как экспериментальное подтверждение того факта, что условия, существовавшие на Земле 4 млрд лет назад, могли привести к образованию относительно сложных органических молекул. Такие молекулы очень важны для жизни, но все же надо отметить, что сами по себе они не составляют живую материю. Эксперимент Миллера — Юри лишь показывал возможную последовательность шагов на пути к зарождению жизни. Но эксперимент не может с абсолютной точностью сказать, какие именно реакции происходили на Земле 4 млрд лет назад‹‹11››. В этом смысле эксперимент Миллера — Юри указывает на то, что догадки Опарина и Холдейна действительно имели под собой веские основания, но, как ни обидно, большего от него требовать нельзя. Мы можем удостовериться, что наши идеи вполне разумны, но не можем доказать, что на самом деле все так и было.
Однако стоит отметить: ничто не мешает нам допустить реализацию идей Миллера — Юри. Предположим, у нас есть планета, на которой существуют те же условия и ингредиенты, тогда мы можем ожидать того же результата, а именно среду, богатую сложными органическими молекулами, балансирующими на грани жизни.
Они пришли из открытого космоса
Удивитесь ли вы, если вам скажут, что в течение последних 13 млрд лет во Вселенной происходит эксперимент, подобный эксперименту Миллера — Юри, и что на рассыпанных в космосе частичках межзвездной пыли можно найти органические молекулы, подобные тем, что обнаружил в своей колбе Стэнли Миллер? Думаю, это и впрямь удивительно, поскольку доказывает, что химический набор, который использует природа, гораздо более разнообразен и гибок, чем можно себе представить.
Иногда самые неожиданные сюрпризы падают к нам прямо с неба и служат напоминанием о том, что Вселенная гораздо умнее нас. Одно из таких событий произошло в маленьком городке Мерчисон в Австралии. Большой метеорит упал рядом с городом в 1969 г., и в руки ученых попало около 100 кг его фрагментов. Мерчисонский метеорит относится к типу углистых хондритов и состоял из слабо сцепленных между собой частично оплавленных пород. Сюрпризом стало обнаружение в метеорите вкраплений сложных органических молекул, в том числе аминокислот и нуклеотидных оснований, радиометрический анализ которых показал, что встречающиеся в них изотопы, вероятно, имеют космическое, а не земное происхождение. Доля этих молекул в общем составе метеорита Мерчисон невысока: их относительное содержание измеряется в миллионных долях процента.
Воодушевленное подобными открытиями, НАСА в 2004 г. решилось сделать еще один решительный шаг в исследовании исходных материалов, из которых состоит Солнечная система. С этой целью был создан и запущен космический аппарат «Стардаст», который должен был пролететь через хвост кометы Вильда 2 и доставить собранные образцы кометного вещества на Землю. И снова среди частичек льда и пыли, попавших в ловушки аппарата, оказались органические молекулы — и снова это была аминокислота глицин. Мы по-прежнему точно не знаем, как образуются такие молекулы, хотя существует гипотеза, что химические реакции происходят на микроскопических гранулах космической пыли под воздействием ультрафиолетового излучения‹‹12››. Но так или иначе такие молекулы образуются и в Солнечной системе, и в облаках межзвездной пыли, которые мы наблюдаем в нашей галактике Млечный Путь.
Потоки метеоритов интенсивно бомбардировали Землю в ранний период ее истории — и отсюда возникает вопрос: так ли нам необходима гипотеза, что на ранней Земле происходило нечто подобное эксперименту Миллера — Юри, если Солнечная система исправно снабжала нас сложными органическими молекулами? Такие молекулы, вероятнее всего, появились на Земле двумя путями: были занесены метеоритами из космоса и произведены на месте в результате природного синтеза, как в опыте Миллера — Юри. Их относительный вклад в органическую диету Земли в значительной степени зависел от того, насколько эффективно шел здесь процесс Миллера — Юри: если в атмосфере присутствовали все необходимые ингредиенты, тогда вполне возможно, что на отдельных участках обилие сложных органических соединений в целом соответствовало бы тому, что мы видели в современных экспериментах. Важное дополнительное следствие воссозданной Миллером — Юри картины: достаточно высокая для осуществления дальнейших реакций концентрация сложных молекул. Эти реакции совершенно необходимы — без них невозможно перейти грань между живой и неживой материей. Наш эксперимент подвел нас к границе возникновения жизни, а дальше мы ступаем в неизведанную область.
Неизведанные земли
Трудно путешествовать по незнакомым местам без хорошей карты. Однако, чтобы ее составить, кто-то должен пройти этим путем до вас и произвести тщательные измерения, чтобы достоверно воспроизвести все топографические особенности местности. Существует ли такая карта, которая могла бы помочь нам в путешествии через загадочный протомир Миллера — Юри к началу жизни на Земле?
К сожалению, нет. Наша карта в лучшем случае будет неполной. У нас есть определенные знания о периоде, предшествующем возникновению жизни, — мире Миллера — Юри. Мы знаем, где находимся сейчас, а также нашу ближайшую историю, равно как и свойства современной жизни на Земле. Но мы только в самых общих чертах наметили этапы пути между этими двумя точками, и каждый этап соответствует отдельной стадии в процессе зарождения жизни. Нам остается только ждать, пока не придет новое поколение картографов, которое сможет связать эти этапы в целостную картину зарождения и развития ранней жизни.
Прежде в этой главе мы, немного подумав, определили жизнь как совокупность связанных между собой физических процессов. Я хочу распространить эти идеи на царства простейших организмов, которые находятся на границе между живым и неживым. Американский ученый Стивен Беннер предложил простое и эффектное определение жизни: «Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, подверженная дарвиновскому отбору». Это утверждение сводит жизнь к явлениям упорядоченности, метаболизма и (приблизительного) самовоспроизводства. Может ли подобный взгляд на жизнь в самом фундаментальном смысле оказаться полезен в размышлении об ее истоках?
Как из случайных реакций, протекающих в мире Миллера — Юри, может возникнуть порядок? Природа гораздо больше структурирована, чем может показаться на первый взгляд. Так, например, структура периодической таблицы строится на количестве протонов и электронов в каждом атоме. Взаимоотношения между атомами — сколько у них общих электронов и как прочно они связаны — определяют строение более сложных молекул. Для иллюстрации этой мысли можно, например, рассмотреть, как смешение простого химического соединения с водой может приводить к образованию мембран наподобие клеточных: когда будете мыть посуду, обратите внимание, как моющая жидкость в сочетании с водой образует пузыри. В вашей моющей жидкости содержится молекула, состоящая из двух частей: гидрофильной и гидрофобной. Гидрофильная часть притягивается к воде, а гидрофобная отталкивается, и в результате между ними образуется тонкая пленка — в нашем случае довольно неплохое подобие протоклетки.
Не хочу сказать, что Стэнли Миллеру надо было только добавить в свой эксперимент немного мыла и — вуаля! — у него получилась бы первая живая клетка. Встречающиеся в природе органические молекулы — жирные кислоты в данном случае — могут в сочетании с водой произвести клеткоподобные липидные пузыри, соответствующие нашим представлениям о спонтанном зарождении первых клеток, поскольку наши собственные клеточные мембраны представляют собой двойной слой липидных молекул.
Говоря об обмене веществ, мы должны помнить, что жизнедеятельность любого организма основана на реакции расщепления химического соединения с высвобождением энергии. В нашем случае мы называем это химическое соединение завтраком, обедом либо ужином или на клеточном уровне — глюкозой. Простые сахара могут возникать по схеме Миллера — Юри и спонтанно расщепляться с высвобождением энергии. Если в какой-то момент такая реакция будет встроена в клетку, ваша клетка сможет вырабатывать энергию: правда, спустя какое-то время она проголодается и ей потребуется следующая порция топлива. И это лишь один пример из множества возможных вариантов первой метаболической реакции.
Как могли эти реакции сохраниться в других, менее благоприятных для них условиях? Чтобы приводить их в действие, необходимы как набор команд, так и механизм. В современных клетках такая «инструкция» закодирована в последовательности генов, которые составляют нашу ДНК. Но ДНК — очень сложная молекула. Ее биохимическая родственница — рибонуклеиновая кислота (РНК) — проще, но тем не менее она также выполняет двойную функцию хранилища информации и самовоспроизводства. Мы не знаем, были ли первые организмы основаны на РНК или на какой-либо другой, более примитивной молекуле.
Ричард Докинз выдвинул гипотезу, что на самом начальном этапе зарождения жизни образовался «репликатор» — простая молекула, обладавшая одним замечательным свойством: она могла собирать фрагменты других молекул и создавать из них копию самой себя. Мы можем дальше рассуждать, не требовало ли возникновение такой специализированной органической молекулы небиологического каркаса или толчка на первую ступеньку лестницы жизни. Могла ли кристаллическая структура влажной глины или железного колчедана стать своеобразным каркасом, который позволил бы прикрепившимся к нему органическим молекулам приобрести свойства репликатора?
Ступая на территорию неизведанного, скрывающую в своих глубинах тайну зарождения жизни, мы можем различить в туманной дали очертания порядка, метаболизма и самовоспроизводства. Потом мы можем вернуться в наши лаборатории и сделать приблизительные наброски их биохимических контуров. Но все наши эксперименты будут не чем иным, как проверкой физической возможности осуществления того или иного события, а вовсе не доказательством того, что оно имело место в действительности. В конце концов мы сможем продемонстрировать, что последовательность каких-то физических процессов может привести к образованию примитивных организмов, похожих на те, как, согласно нашим представлениям, выглядели древнейшие обитатели Земли. Но даже в этом случае необходимо помнить, что наши представления основаны на знаниях о дальнейшей, более сложной жизни, но на деле одного и того же результата можно добиться разными путями. Поэтому пока не ясно, как наука сумеет перейти от правдоподобных гипотез относительно возникновения жизни к точному выяснению того, каким микробиологическим путем шли наши древнейшие предки.
Вторая попытка?
Поделиться книгой: