Страница 6 из 8
Компоненты жизни
После того, как Земля стабилизировалась в форме планеты, началось ее охлаждение, по мере которого сформировалась каменная кора и сконденсировались водяные пары, выделяющиеся при извержении вулканов и при ударах метеоритов. Вулканическая активность также производила газы с основными ингредиентами жизни – углеродом, водородом, кислородом и азотом – наряду с токсичными газами, такими как аммиак и метан. Ранняя земная атмосфера состояла полностью из этих газов без свободного кислорода. В этом «первичном бульоне» органические молекулы вовлекались в те же процессы, что и после Большого взрыва: столкновение, концентрация и самоорганизация с образованием более сложных молекул.
Земля теперь была полна разнообразных элементов, необходимых для жизни, но что бы могло инициировать скачок от органических и неживых комбинаций в живые сообщества? До середины XIX века этот сдвиг объясняли самопроизвольным зарождением: жизнь порождалась независимо. Люди указывали на классический случай личинок и плесени, появляющихся, как кажется, самопроизвольно в гниющем хлебе. Демонстрация Луи Пастером предотвращения такого «самозарождения» просто кипящей водой пролила свет на существование микроорганизмов и микромира. Было положено начало изучению «абиогенеза» – процесса превращения неживой материи в живую. Абиогенез являлся областью активных исследований более полувека и породил две основные школы научной мысли. Первая поддерживает гипотезу панспермии: жизнь, определяемая как самовоспроизводящиеся сложные молекулы, прибыла на Землю из космоса с астероидами или кометами. По убеждению сторонников второй, микроскопическая жизнь впервые возникла на Земле на основе собственных изначальных физических и химических условий.
Хотя гипотеза панспермии имеет своих сторонников, трудно представить, как изначальная жизнь смогла проникнуть в агрессивную атмосферу и перенести экстремальные физические условия ранней Земли[11]. Более того, если бы панспермия случалась более одного раза, то в генетической сигнатуре жизни на Земле присутствовали бы множественные генетические предки. Вместо этого данные секвенирования ДНК показывают, что вся жизнь на Земле имеет общего генетического предка, то есть мы все следуем одной и той же генетической инструкции. И, наконец, разочаровывает, что теория панспермии просто отодвигает в сторону цель в вопросе о том, как возникли самовоспроизводящиеся сложные молекулы. Доказательства гипотезы о внеземном происхождении жизни в значительной мере теоретические, не имеющие эмпирической или экспериментальной поддержки.
И напротив, вторая гипотеза о зарождении жизни на Земле благодаря химической самоорганизации получает все более сильную экспериментальную поддержку. В 1950-х гг. Стэнли Миллер, еще будучи аспирантом, стремился воспроизвести условия ранней Земли в лаборатории (Рисунок 1.1). Работая под началом своего научного руководителя, лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри, Миллер собрал стеклянную установку, содержавшую воду, аммиак, метан и водород – смесь, считавшуюся в то время приближенной к ранней земной атмосфере. Жидкость нагревалась пламенем для имитации условий вулканически активной планеты, а электрические разряды моделировали молнии. Через несколько дней вода стала темно-красной: Миллер создал бульон, названный «первичным бульоном», из аминокислот, необходимых для зарождения жизни. За последние два десятилетия проводились разные другие эксперименты, моделирующие ранние земные условия, особенно подобные тем, что существуют в окружении глубоководных гидротермальных источников.
Рисунок 1.1. Стэнли Миллер, отец химической гипотезы происхождения жизни. Простые эксперименты Миллера показали, что ключевые органические соединения могут быть синтезированы из неорганических веществ путем простой химической самоорганизации.(Документы Стэнли Миллера, Специальные коллекции архивы Университета Калифорнии в Сан-Диего).
По мере остывания Земли ее облик стал намного больше походить на сегодняшний, с твердой корой и мантией вокруг горячего, жидкого, термоядерного ядра. Сходное по температуре с Солнцем, это ядро остается горячим вследствие радиоактивного распада, подобно массивному термоядерному реактору. Взаимодействия между этим ядром и более холодной поверхностью коры и водой приводят в движение континентальные плиты. Когда они сталкиваются, могут образовываться горные хребты, а когда расходятся, компоненты мантии и ядра могут попадать на поверхность Земли. Эти воздействия и перемещения мантийного материала на поверхность могут приводить к появлению наземных образований, подобных Гавайским островам, или гидротермальных источников, наподобие используемых для получения энергии в Исландии, где сталкиваются Европейская и Североамериканская литосферные плиты.
Гидротермальные источники привлекают внимание ученых с момента их открытия в 1949 г., и им обязаны некоторые из наиболее важных научных открытий прошлого века. Если все другие экосистемы на Земле питаются солнечной энергией, экосистемы, развившиеся в гидротермальных источниках и вокруг них, питаются тепловой и химической энергией, выделяющейся в ходе ядерных реакций в ядре Земли – являющихся, в свою очередь, остатками породившего Вселенную Большого взрыва. В гидротермальных источниках при высоких давлениях и температурах могут образовываться более сложные органические соединения, такие, как сахара и аминокислоты[12]. Существующие в настоящее время сообщества уникальных организмов, зависимых от гидротермальных источников и обитающих вблизи них, базируются на хемосинтезирующих, а не на фотосинтезирующих бактериях. Бактерии в экосистемах гидротермальных источников превращают газообразные водород, диоксид углерода или метан в органическое вещество, используя их же в качестве источника энергии. Такие «аноксигенные» или бескислородные условия поразительно похожи на условия ранней Земли. Так что как гидротермальные источники, так и эксперименты, подобные миллеровской склянке, могут временами выступать в роли «телескопов времени» для изучения происхождения жизни.
Используя данные этих телескопов, мы можем предположить, что жизнь началась в химически богатой, высокотемпературной, бескислородной среде, подобной имеющейся в гидротермальных источниках, где обычно образуются сложные молекулы. Вероятно даже, что эти гидротермальные источники и были тем местом, где посредством самоорганизации впервые возникла жизнь. Но на сегодняшний день сложные молекулы – это все, что ученые смогли синтезировать в лабораторных условиях – им так и не удается воссоздать с нуля самовоспроизводящиеся органические молекулы, знаменующие первый момент жизни и являющиеся краеугольным камнем эволюции.
Но как же организовались сложные молекулы, чтобы из них сформировались самовоспроизводящиеся протоорганизмы, сырье для естественного отбора? Или, проще говоря, когда молекулы самоорганизовались, чтобы инициировать жизнь? Помимо всего прочего, определяющим маркером «жизни» является способность самовоспроизводиться и размножаться. Были предложены две теории. Согласно первой, самореплицирующиеся молекулы или нуклеиновые кислоты формировались из тех же аминокислот, образовывавшихся в естественных условиях, сходных с созданными в экспериментах Миллера и Юри и подобных им, и что эти молекулы затем подвергались естественному отбору. Но в рамках этой гипотезы требуется, чтобы сложные самовоспроизводящиеся молекулы, такие как РНК (контролирующая развитие и метаболизм), сформировались прежде, чем будет задействован организующий и контролирующий жизнь метаболизм или источник подпитки ее энергией.
Во второй теории сценарий переворачивается. Предполагается, что первоначально самоорганизуется энергетический метаболизм, а затем запускается производство самореплицирующихся молекул. Таким образом, самореплицирующиеся молекулы эволюционировали для управления этой энергией и сделали метаболизм подверженным естественному отбору, в то время как энергией они подпитывались за счет тепла гидротермальных источников. Идея «сначала метаболизм», элегантно изложенная Ником Лейном из Университетского колледжа Лондона в книге «Лестница жизни»[13], в настоящее время является предпочтительной гипотезой[14].
11
Melosh, “Rocky Road to Panspermia.”
12
Cody et al., “Primordial Carbonylated Iron-Sulfur Compounds.”
13
Книга имеется в русском переводе – Ник Лейн: «Лестница жизни. Десять великих изобретений эволюции». Издательство АСТ, 2014. – Прим. перев.
14
Lane, Life Ascending.