Как возникла жизнь на Земле

Как возникла жизнь на Земле?

В космической иерархии Земля и звезда, вокруг которой она обращается, можно так сказать, еще пребывают в младенческом возрасте. Земля сформировалась из вещества, оставшегося после рождения Солнца 4,6 млрд. лет назад, тогда как возраст Вселенной как целого считается равным 11—16 млрд. лет. Как и во время образования всех планет, начальная стадия существования нашей планеты была до такой степени бурной, что ее почти нельзя себе представить.

И даже после того как земной шар приобрел свою форму, его поверхность еще на протяжении 600 млн. лет была расплавленной, перегрев обусловливался теплом, поступающим изнутри, из земного ядра, и бомбардировкой астероидами снаружи, что поднимало температуру испаряющихся океанов вплоть до точки кипения. В этот период, который некоторые из геологов называют Хэдским, на нашей планете воистину царил ад.

После того как постоянная бомбардировка астероидами прекратилась, а оставшиеся астероиды оказались на определенных орбитах и уже практически не могли причинять вред Земле, углерод, азот, водород и кислород в разных комбинациях «образовали аминокислоты и другой основной строительный материал живого вещества». Как этом написал нобелевский лауреат Кристиан де Дюв в своей книге «Живительная пыль», изданной в 1995 году, «осевшие под действием атмосферных осадков, комет и метеоритов продукты этих химических процессов постепенно образовали первые органические вещества на безжизненной поверхности нашей недавно сконденсировавшейся планете».

Эта богатая углеродом пленка подверглась воздействиям как процессов, происходившим в самой Земле, так и падающих на ее поверхность космических тел; действие ультрафиолетового излучения было во много раз сильней, чем в настоящее время, потому как сейчас нас защищает земная атмосфера. Все эти материалы в конце концов отлагались в морях, и, как написал в своей известной статье 1929 года выдающийся ученый Дж.Б.Холдейн, «первичные океаны имели консистенцию горячего разбавленного бульона».

Основным побочным продуктом этих процессов было что-то вязкое коричневатое, называемое «тянучим», «липким» и другими словами, пробуждающими воспоминания о детстве. Те, кто противится выводу Чарлза Дарвина о том, что человек — родственник шимпанзе и орангутанов, по сути ставят человека перед этим последним оскорблением — мы произошли из некой слизи!

Итак, мы имеем первичный «бульон», в котором всюду размешано множество чего-то липкого. Как же из этого сырья могла возникнуть жизнь на Земле? Тут-то и начинается настоящая загадка. Общепризнано, что решающую роль сыграла РНК — рибонуклеиновая кислота, близкий родственник ДНК, определяющей генетический код человека и других живых существ. И все-же ведутся еще многочисленные споры о том, каким образом, когда и где в действительности зародилась жизнь. Рассмотрим коротко некоторые из проблем, питающих эти дискуссии.

На протяжении долгого времени биологи и химики полагали, что жизнь на Земле должна была возникнуть не ранее чем через миллиард лет после охлаждения планеты и прекращения интенсивной бомбардировки ее астероидами, а это произошло приблизительно 3,8 млрд. лет назад. Отсюда следует, что жизнь на Земле существует не больше 2,8 млрд. лет. Но геологические данные и даже органические ископаемые остатки все больше свидетельствуют за то, что бактерии уже существовали задолго до этого.

В гренландской формации Исуа, сложенной древнейшими породами нашей планеты, возраст которых определен в 3,2 млрд. лет, содержится углерод — главный строительный материал всех известных форм жизни, причем в соотношениях, характерных для бактериального фотосинтеза. Многие из биологов приходят к выводу, что даже в такой столь ранний период должны были существовать бактерии, а если это так, то еще раньше существовали более примитивные организмы, чем бактерии.


Сравнительно не так давно геолог из Университета Западной Австралии Бигир Расмуссен обнаружил в кратоне Пилбара на северо-западе Австралии ископаемые остатки нитевидных микроорганизмов возрастом в 3,5 млрд. лет, а также «возможные» ископаемые остатки, которые датируются 3,235 млрд. лет назад, в излившихся вулканических отложениях на западе Австралии. Из-за таких находок появляется серьезная проблема: истоки жизни отодвигаются к 200 тыс. годам после окончания Хэдского периода, что многим биологам представляется довольно коротким сроком для того, чтобы успели произойти необходимые химические процессы.

Более поздняя находка Расмуссена, о которой было сообщено в июне 1999 году в журнале «Nature», затрагивает суть другой дилеммы. Потому как необходимые для живого вещества биомолекулы, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, весьма хрупки и лучше выживают при более низких температурах, многие из химиков уже давно уверены, что жизнь на Земле должна была возникнуть в условиях низких температур, может быть, даже отрицательных. И все-же Расмуссен откопал свои микроскопические нити в материале, первоначально находившемся поблизости жерла вулкана, где температура была исключительно высока.

В действительности, наиболее древними организмами, которые продолжают существовать и теперь, являются бактерии, живущие в сохранившихся вулканических жерлах или в источниках с температурой воды до 110 °С. Существование этих древних бактерий в жерлах вулканов служит убедительным свидетельством в пользу предположения о высокотемпературных условиях возникновения жизни на Земле, поддерживаемого другими учеными.

Одним из приверженцев взгляда на возникновение жизни на Земле в холодных условиях является Стенли Миллер, мгновенно ставший известным в 1953 году после проведения им серии экспериментов в Чикагском университете. Он был тогда аспирантом и занимался у лауреата Нобелевской премии химика Гарольда Юри, который получил Нобелевскую премию за то что открыл тяжелый водород, названный дейтерием. По мнению Юри, первоначально атмосфера планеты состояла из смеси молекул водорода, метана, аммиака, водяного пара и была в особенности богата водородом. (Отметим, что кислород присутствовал только в составе водяного пара. Только после возникновения жизни в атмосфере стал появляться кислород в результате выделения диоксида углерода в процессе фотосинтеза, что в конце концов привело к развитию более сложных биологических форм.)

Миллер приготовил смесь указанных Юри элементов в герметичном сосуде и на протяжении нескольких дней воздействовал на нее электрическими разрядами, имитирующими молнию. К его удивлению, в стеклянном сосуде возникало розоватое свечение, и анализ полученных результатов обнаружил наличие двух аминокислот (составная часть всех белков), а также других органических веществ, которые, как считали, образуются лишь живыми клетками. Этот эксперимент, который его руководитель нехотя одобрил, не только сделал Миллера известным, но и привел к появлению новой области науки — абиотической химии, основной задачей которой стало получение биологических веществ в условиях, которые, как считают, существовали на Земле до возникновения жизни.

Слово «считают» имеет тут решающее значение. Предположения о составе земной атмосферы до того, как на нашей планете развилась жизнь, все время меняются. И хотя после работы Миллера 1953 году было проведено очень много экспериментов, они не привели к результатам, которые возможно было бы связать с понятием «жизнь», несмотря на образование в них разного рода органических молекул. Как замечает де Дюв в книге «Живительная пыль», такие эксперименты часто проводятся «при более надуманных условиях, чем необходимые для истинно абиотического процесса.

Среди всех этих опытов первоначальный эксперимент Миллера остается классическим. Он был практически единственным задуманным исключительно с целью воспроизвести правдоподобные добиологические условия без намерения получить определенный конечный продукт». Говоря по другому, всегда бывает совсем нетрудно организовать эксперимент таким образом, чтобы с наибольшей вероятностью получить необходимый результат, но при этом условия эксперимента будут слишком уже подходящими.

По крайней мере, в таких экспериментах не удалось воспроизвести жизнь даже в самой элементарной ее форме — в виде отдельной клетки без ядра. Как писал Николас Уэйд в своей статье в июньском номере «New York Times» 2000 года, где говорилось о последнем открытии Расмуссена, «наиболее интенсивные попытки химиков создать в лаборатории молекулы, типичные для живого вещества, показали только, что это дьявольски трудная задача».

Таким образом, основные проблемы сконцентрированы на двух главных направлениях, по которым ведутся исследования с целью установить, как возникла жизнь на Земле. Момент зарождения жизни отодвигается еще дальше в прошлое, так что остается, как видно, слишком мало времени, чтобы успели произойти химические процессы, нужные для возникновения жизни. Да и сами эти химические реакции, как и раньше, остаются столь же таинственными.

Несмотря на колоссальные технические достижения и огромное количество накопленных генетических данных, эксперимент Стенли Миллера 1953 года остается фактически единственным убедительным результатом таких исследований. Тем не менее само открытие вызвало сомнения — многие из ученых теперь считают, что баланс элементов, использованных им на основе работы его руководителя Г. Юри, был неверным. При изменении соотношения компонентов полученные Миллером аминокислоты не образуются.

Из-за новых трудностей стала более туманной вся картина эволюции жизни. Когда-то казалось, что ее возможно со всей ясностью проследить по филогенетическим (родословным) древам, отражающим эволюционную историю организма от самых его корней. Филогенетические древа впервые были построены в XIX столетии в соответствии с теорией Ч.Дарвина с целью наглядно продемонстрировать эволюционную историю отдельных групп животных. Первое разветвленное древо было построено немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем (предложившим кроме всего термин «экология»).

Открытие ДНК сделало возможным создание таких филогенетических древ не только для животных и растений, но и для их генетического материала, что дало возможность гораздо глубже понять процессы, лежащие в основе понятия «жизнь». Для получения родословных древ исследователи проводят сравнительный анализ последовательностей молекулярных строительных блоков нуклеиновых кислот (нуклеотидов) или аминокислот в белках. Сравниваются результаты, относящиеся к разным организмам.

Основываясь на механизмах разветвления эволюции и мутаций, при помощи этой методики удается определить расстояния между двумя ветвями на филогенетическом древе, т. е. узнать, до какой степени далеко два вида отошли от их общего предка и друг от друга. (Кроме этого, этот метод помог ученым найти возраст сохранившихся до сих пор древних организмов, существующих в наше время в сверхжарких вулканических жерлах.) Задачу проведения сравнительного анализа последовательностей, возможно, легче всего понять, если провести аналогию с игрой в слова, где задается одно длинное слово с целью образовать как можно больше коротких слов из составляющих его букв.

В конце 70-х годов XX века, Карл Уоуз из Иллинойского университета применил сравнительный анализ последовательностей к молекулам РНК, имеющимся у всех живых существ, и получил более сложное филогенетическое древо, чем предполагалось. Три основные ветви древа соответствовали трем основополагающим царствам живых организмов: прокариотам, археям и эукариотам. К прокариотам относятся микроорганизмы типа бактерий.

Предложенное Уоузом новое подразделение — археи включает вторую группу бактерий, которые обнаружены в очень жарких местах Земли, таких, как горячие источники. Эукариоты — это организмы, состоящие из крупных клеток, в которых имеется оформленное ядро; сюда входят все многоклеточные организмы — растения и животные, в том числе и человек.

Но с начала 1980-х годов, когда уже было расшифровано больше геномов по всем трем царствам, картина стала более неопределенной. Характер древ, основанных на генах, отличных от первоначальной белковой модели Уоуза, оказался абсолютно другим. Кроме этого, гены удивительным, даже неожиданным образом перегруппировываются. Эти вариации чрезвычайно затрудняют прослеживание таких генов в прошлое вплоть до общих предков и, что еще больше неприятно, наводят на мысль о том, что первичный ген — родоначальник жизни — сам имел довольно сложное строение, более сложное, чем следовало иметь «исходному» гену.

Единственное правдоподобное решение этой проблемы состоит в допущении, что вместо роста все время вверх с образованием вертикальных ветвей на ранних стадиях эволюции жизни древо давало боковые ответвления, и некоторые гены переносились по горизонтали. Эта идея подкрепляется тем, что даже в наше время бактерии могут передавать некоторые гены в горизонтальном направлении, в том числе, к сожалению, те гены, которые делают бактерии устойчивыми к антибиотикам. Данный вывод означает, что древо жизни, вместо того чтобы иметь красивый прямой ствол, превращается в нечто, напоминающее живопись Джексона Поллока. Это по меньшей мере обескураживает.

Но Карл Уоуз не смутился. Он выдвинул гипотезу, что одноклеточный организм, долгое время считавшийся первоначальной формой жизни, может быть, представлял из себя своего рода колонию, состоящую из клеток нескольких типов, способных весьма легко обмениваться генетической информацией по горизонтали. Некоторых ученых эта предполагаемая легкость смущает. Она означает, что механизм репликации (воспроизведения) генов, наблюдающийся в ДНК и являющийся довольно точным механизмом, развился у клеток только в более позднем времени. Колония в конце концов должна была подняться на более высокую ступень развития, когда каждый организм приобретет свою собственную форму. Но когда это произошло?

Так как же возникла жизнь на Земле?

В наше время специалисты приписывают абсолютно различные сроки моменту, когда стройные древа ДНК стали образовывать вертикальные ветви, — в диапазоне от всего лишь миллиарда лет назад и почти до предполагавшихся раньше 4 млрд. лет. Как и в ситуации с теорией Большого Взрыва в происхождении Вселенной, благодаря новым открытиям и способам измерений по мере расширения наших знаний, теории возникновения жизни на Земле не упрощаются, а усложняются. По этой причине другие объяснения появления жизни, которыми на протяжении долгого времени пренебрегали как фантастическими, сохранили некоторых сторонников.

Не могла ли жизнь оказаться занесенной на Землю из окружающего пространства? Конечно, астероиды, метеориты и кометы содержат элементы, образующие строительный материал живого вещества, и общепризнано, что жизнь на Земле возникла из сочетания таких материалов — уже существовавших на Земле и занесенных из космоса. Но строительный материал — это одно, а сама жизнь — совсем другое. Некоторые видные ученые придерживаются мнения, что первичная жизнь была занесена на нашу планету из космоса уже полностью сформированной, т. е. не просто составные части, а сами организмы. Еще в 1821 году Сальс-ГийондеМонтливоль предположил, что источником жизни на нашей планете послужила Луна.

Эта идея возродилась в отношении Марса в 1890 году, когда американский астроном Персиваль Ловелл (предсказавший существование планеты Плутон и вычисливший ее орбиту) сказал, что видимые на поверхности красной планеты каналы могли быть построены только разумными существами. Уильям Томсон (лорд Кельвин), разработавший совершенную шкалу температур, в конце XIX столетия предположил, что жизнь принесена на нашу планету метеоритами.

Никто не был так одержим такими идеями, как шведский химик Сванте Аррениус, получивший в 1903 году Нобелевскую премию за основополагающую работу по электрохимии. По его теории панспермии, рассеянные в холодном мировом пространстве споры бактерий способны перемещаться на большие расстояния в состоянии анабиоза и готовы пробудиться, если встретят на своем пути гостеприимную планету. Он не был знаком с проблемой смертоносного космического излучения.

Фред Хойл пропагандировал некоторый вариант гипотезы панспермии в связи со своей теорией стационарной Вселенной, о которой сказано в гл. 1. Хойл зашел столь далеко, что утверждал, будто такие эпидемии, как пандемия испанки в 1918 году, вызваны микробами из космоса, а нос человека развился, чтобы препятствовать попаданию в его организм занесенных из космоса возбудителей болезней.

Фрэнсис Крик (получивший в 1962 году Нобелевскую премию по медицине вместе с Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом за открытие двойной спирали ДНК) и родоначальник добиологической химии Лесли Орджел пошли еще дальше, поддержав идею о том, что жизнь была «посеяна» на Земле представителями высокоразвитой внеземной цивилизации. Они назвали такую гипотезу «направленной панспермией».

Приверженцы НЛО, конечно, рады иметь в числе своих сторонников Нобелевского лауреата Крика, а авторы научно-фантастических романов всегда готовы ухватиться за такого рода идеи. Марсианские каналы Ловелла в некоторой степени вдохновили Герберта Уэллса на создание известного романа «Война миров», напечатанного в 1898 году. Хотя многие авторитетные ученые открыто протестуют против идеи панспермии, прямо или косвенно, некоторые высказываются в большей мере осторожно.

Кристиан де Дюв писал: «При таких знаменитых сторонниках гипотеза панспермии едва ли может быть отвергнута без подробного разбора», несмотря на то, что, по его мнению, у подобных теорий нет никаких убедительных доказательств. Этот вывод был сделан в 1995 году, но уже на следующий год весь мир обошли газетные заголовки с заявлением, сделанным NASA.

Сообщение NASA касалось одной из горных пород, обнаруженых в 1984 году в Антарктиде. Образцы представляли из себя фрагменты метеорита, названные SNCs (произносится как «сниксы») — аббревиатура от названий местностей, где были найдены первые три таких фрагмента, Shergotty — Nakhla — Chassigny. На пресс-конференции, посвященной этому событию, образец породы лежал на голубой бархатной подушечке, и глава NASA Дэн Голдин обратился к присутствующим со словами: «Не сегодня-завтра мы будем знать, только ли на Земле существует жизнь», — что оказалось отличным способом привлечь внимание журналистов.

Потом ученые NASA рассказали о том, что было определенно известно об этих породах. Исследования показали, что они образовались на Марсе около 4,5 млрд. лет назад. На протяжении полумиллиарда лет порода находилась под поверхностью Марса, но после того как в результате метеоритных ударов на поверхности Марса появились трещины, она подверглась воздействию воды. Новые события произошли с этой породой примерно 16 млн. лет назад, когда на Марс упал некий космический объект, может быть, астероид, в результате чего фрагмент марсианской коры был выброшен в окружающее пространство.

Пропутешествовав в космосе миллионы лет, этот фрагмент упал в Антарктиде всего 16 000 лет назад. Еще в 1957 году писатель-фантаст Джеймс Блиш выпустил роман «Холодный год», в центре внимания которого была горная порода, найденная в Арктике и оказавшаяся остатком планеты, разрушенной марсианами во время войны двух миров, что заставило героя воскликнуть: «История вселенной в кубике льда!» События, происходившие на конференции NASA, были менее драматичными, хотя газеты сделали все, чтобы раздуть эту историю.

В породе, обнаруженной NASA, присутствовали карбонаты, аналогичные тем, которые образуются на нашей планете с участием бактерий. Также были найдены мелкозернистые сульфиды железа и другие минералы, напоминающие продукты жизнедеятельности бактерий. Кроме этого, при помощи сканирующего электронного микроскопа были выявлены крошечные структуры, которые могли быть ископаемыми остатками марсианских бактерий — они были погружены настолько глубоко, что не могли образоваться на Земле.

Не желая оказаться в затруднении, представители NASA имели под рукой ученого, сказавшего, что эти структуры слишком малы, чтобы быть бактериями, а карбонаты, как видно, сформировались при очень высоких температурах, несовместимых с жизнью. Однако его скептические высказывания ни в коей мере не смогли предотвратить появления в газетах гигантских кричащих заголовков: «Жизнь на Марсе!»

Последующее обсуждение этого вопроса учеными происходило на основе научной терминологии, способной отпугнуть любого журналиста. Проблему возможно было бы решить, если бы удалось вскрыть одну из тех крошечных окаменел остей. При обнаружении клеточной стенки или, еще лучше, фрагмента клетки мы получили бы ответ.

К сожалению, нет разработанной методики проведения таких исследований. Когда ответ все же будет получен, даже если он будет положительным, наверняка многие ученые скажут, что это доказывает всего лишь, что на Марсе, как и на Земле, существовала жизнь в форме бактерий. Это не будет доказательством того, что жизнь возникла на Марсе и была занесена на нашу планету (или наоборот), и не явится подтверждением теории панспермии. Но теперь уже нельзя утверждать, что вообще нет никаких оснований предполагать такие возможности.

 


 

Дж. Малоун

ред. shtorm777.ru