Текст книги "Новая история происхождения жизни на Земле"

Автор книги: Джозеф Киршвинк

Соавторы: Питер Уорд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 31 страниц)

Неживые составляющие земного живого организма

Из всех веществ, необходимых для жизни, нет более важного, чем вода, причем вода в одном состоянии – жидком, не в твердом (лед) и не в газообразном (пар). Земная жизнь состоит из молекул, купающихся в жидкостях. Вообще, хотя в жизненных формах можно найти много больших неустойчивых молекул, на самом деле в основном жизнь использует только четыре основных типа: липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и белки – и все они либо погружены в жидкость (в живом организме – в воду с растворенными солями), либо служат внешними стенками для содержания молекул и воды.

Липиды, жиры, являются ключевыми ингредиентами для клеточных мембран. Они водоустойчивые из-за множества атомов водорода, но содержат мало кислорода и азота. Липиды – основные компоненты клеточных границ, стенок, которые разделяют внешнюю среду и внутреннее пространство клетки, которую мы называем живой. Эти мембраны очень тонки, они контролируют проникновение веществ в клетку и выделение веществ из нее.

Углеводы – второй важнейший тип структур, из которых состоит жизнь, их по-простому называют сахара. Соединив их «цепочкой», мы получим полисахарид, то есть «много-сахарид». Углеводы, один он или их много, являются важным строительным материалом, поскольку обладают способностью соединяться друг с другом или с другими органическими и неорганическими молекулами и образовывать молекулы большего размера.

Сахара весьма значимы еще и потому, что являются строительным элементом для следующего типа жизненных молекул – нуклеиновых кислот. Представители этой группы хранят генетическую информацию каждой клетки. Это – молекулы-великаны, в которых объединены сахара и азотсодержащие соединения, называемые нуклеотиды, которые в свою очередь созданы из меньших единиц-оснований, фосфора и других сахаров. В такой структуре самыми важными являются основания – именно они и становятся «буквами» генетического кода.

ДНК и РНК – сахара, которые из всех важных молекул жизни занимают самое главное место. ДНК, имеющая два «позвоночника» (знаменитая «двойная спираль», описанная ее открывателями, Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком), является системой хранения информации самой жизни. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином. Порядком пар обеспечивается язык жизни – это гены, которые кодируют сведения о той или иной форме жизни.

ДНК – носитель информации, а РНК? А РНК имеет только одну цепочку и является слугой для ДНК – приводит информацию в действие, или обеспечивает производство белков. Молекулы РНК схожи с ДНК, имеют спираль и основания, но отличаются обычно (но не всегда) тем, что спираль только одна.

Почему ДНК и РНК так сложно устроены? Дело в том, что информация нужна как для первичного строительства («закладка фундамента»), так и для дальнейшего решения и выполнения множества прочих задач, для того чтобы «здание» оставалось живым. ДНК – это инструкция по сборке, строительству, ремонту, а также по производству копий самой себя и всего, что в ней есть закодированного. Согласно компьютерной терминологии ДНК – это «программное обеспечение», она несет в себе информацию, но выполнять предписанное этой информацией сама не может. А белки можно принять за компьютерное «железо», аппаратное обеспечение, оно нуждается в «софте», который указывает, когда и где должны произойти те или иные химические изменения, чтобы произвести материалы, необходимые для жизни РНК имеет интересное свойство быть как программным, так и аппаратным обеспечением, а в некоторых случаях – и тем и другим одновременно.

Белок, последний из обсуждаемых ключевых материалов, имеет четыре функции для земной жизни: строительство других больших молекул, ремонт других молекул, перемещение материалов и обеспечение энергетических запасов. Белки также преобразовывают большие и малые молекулы для самых разнообразных целей и служат средством сигнализации между клетками. Существует огромное количество разнообразных белков, и мы только еще изучаем, как они работают и что именно они делают. Новым открытием, например, является то, что в выполнении своих функций для белка очень важна его схема, структура.

Все белки на Земле строятся на основе одних и тех же двадцати аминокислот. В начале XXI века мы задаем себе все тот же вопрос: эти постоянные 20 кирпичиков используются потому, что являются самым удобным строительным материалом, или потому, что они были обычным материалом в тот момент, когда возникла жизнь, а потом стали постоянно копироваться жизненными формами? Кажется, скорее всего, причиной послужило первое – они самые лучшие, по крайней мере, согласно исследованиям 2010 года[48]48
  Ник Лэйн – человек точных суждений, который борется с предрассудками. Он хорошо описал сложный вопрос понимания энергии. N. Lane, «Bioenergetic Constraints on the Evolution of Complex Life,» in P. J. Keeling and E. V. Koonin, eds., The Origin and Evolution of Eukaryotes. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology (2013).


[Закрыть]. Эта группа из 20 аминокислот является специфичной для Земли и, вероятно, признаком жизни именно на Земле.

Белки конструируются в клетках нанизыванием различных аминокислот в одну длинную линейную цепочку, которая в своем окончательном виде сворачивается, лишь когда все аминокислоты оказываются в ней на своих местах. Иногда белковая цепочка сворачивается в момент своего создания. Поскольку создание белка происходит добавлением аминокислот по одной в линейном специальном порядке, этот процесс часто сравнивают с построением письменного предложения, роль слов в котором играют аминокислоты.

Клетка, покрытая мембраной, полна разных молекул, объединенных в стержни, шары и листы, и все плавают в соленом растворе. В клетке насчитывается около 1000 нуклеиновых кислот и более 3000 разных белков. Все они участвуют в химических реакциях, которые, объединяясь, создают процесс, называемый жизнь. В этой однокомнатной квартирке может происходить множество химических процессов одновременно.

В клетке также находятся около 10 000 отдельных шаров, известных как рибосомы, которые довольно равномерно распределены по внутриклеточному пространству. Рибосомы состоят из трех определенных типов РНК и около 50 видов белков. Также в клетке есть хромосомы, длинные цепочки ДНК, к которым присоединяются специальные белки. ДНК в бактериях обычно расположены в одной части клетки, но не отделены от прочих внутриклеточных элементов мембраной, как это бывает у высших жизненных форм – эукариотов, в клетках которых есть ядро. Спрашивается, что же в клетках «живое»?

Современное представление «дерева жизни». Затемненные области обозначают организмы, выживающие при высоких температурах. На нем отсутствуют многие виды организмов и «до-организмов», предположительно развившихся из неорганических химических элементов и образовавших первую живую клетку.

Бактерия состоит из неживых молекул. Молекула ДНК определенно неживая в любом смысле, который может представить себе здравомыслящий человек. Клетка сама по себе содержит многие множества химических механизмов, каждый из которых по отдельности является неживой химической реакцией. Возможно, клетка жива только как единое целое. Если нам суждено узнать, как возникла жизнь в самом начале, нам необходимо будет найти клетку с наименьшим набором молекул и реакций, которые обеспечивают жизнь.

Одной из основных проблем, возникающих при рассмотрении такой простейшей клетки, является то, что как ни посмотришь, а она не такая уж и простая. Фриман Дайсон выразил этот аспект современности, задав вопрос: «Почему жизнь (по крайней мере, сегодня) такая сложная?»[49]49
  J. Banavar and A. Maritan. «Life on Earth: The Role of Proteins,» J. Barrow and S. Conway Morris, Fitness of the Cosmos for Life (Cambridge: Cambridge University Press, 2007), 225–55.


[Закрыть] Если гомеостаз есть необходимый атрибут жизни и если все известные на сегодня бактерии содержат несколько тысяч химических соединений (закодированных несколькими миллионами основных пар ДНК), то, кажется, это и есть минимальный геном. А ведь все бактерии пришли к нам в сегодняшний день после более чем трех, а то и более четырех миллиардов лет эволюции. Возможно, самая простая жизнь на Земле – одна из самых сложных во всей Вселенной[50]50
  E. Schneider and D. Sagan. Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics, and Life (Chicago, IL: University of Chicago Press, 2005).


[Закрыть].

Глава 4
Появление первой жизни на Земле:
4,2(?)-3,5 миллиарда лет назад

Двадцать восьмого июля 1976 года из тяжелого, в одну тонну, аппарата, который буквально пару дней назад успешно приземлился на Марсе после своего долгого полета с Земли, высунулся механический щуп и взял пробу марсианской почвы. Потом образец с посадочного модуля был передан на космический корабль «Викинг». Это был первый подобный образец, добытый за пределами Земли, – большое достижение инженерии. С этим образцом на «Викинге» были проведены четыре основных эксперимента, и все чтобы проверить наличие жизни или ее процессов. Это вообще было единственной задачей «Викинга» на Марсе – поиск жизни.

Первые эксперименты[51]51
  Dr. D. R. Williams. Viking Mission to Mars, NASA. 18 декабря, 2006.


[Закрыть] дали надежду, что на Марсе действительно есть жизнь, поскольку оказалось, что в почве содержится больше кислорода, чем ожидалось, и более того, химические процессы в собранной почве, по крайней мере, намекали на присутствие микроорганизмов в поверхностном слое Марса. Эти первые проблески спровоцировали такой небывалый прилив оптимизма у научной команды «Викинга», что один из ведущих исследователей проекта, доктор Карл Саган, даже сообщил в New York Times: «Возможность существования жизни на Марсе, даже крупных форм, не вызывает никаких сомнений». Под крупными формами он подразумевал по-настоящему большие, поскольку в том же интервью он развил тему до существования марсианских белых медведей!

Но после тщательного анализа марсианской почвы бортовой спектрограф не выявил никаких следов органической жизни. Марс, как показало это первое исследование «Викинга», казался не только мертвым, но и враждебным жизни. Это навело на мысль, что любую форму жизни, даже если бы она там и появилась, погубили бы ядовитые вещества марсианской почвы. Прежде оптимистичный, Саган теперь мог только надеяться, что второй посадочный модуль «Викинга», который уже кружил вокруг Марса, раздобудет еще какое-нибудь доказательство существования жизни на этой планете.

Третьего сентября 1976 года второй модуль благополучно спустился на поверхность Марса в месте, которое назвали Равнина Утопия. Как и первый, этот здоровенный агрегат успешно справился с задачей[52]52
  www.space.com-18803-viking.


[Закрыть]. И, как и в первом случае, не было найдено никаких признаков жизни. Полет «Викинга» был задуман как многоцелевая исследовательская программа, но основной целью был поиск внеземной жизни, помимо изучения химического состава почвы и атмосферы.

Результаты «Викинга» показали, что на Марсе жизни нет[53]53
  ntrs.nasa.gov-archive-nasa-casi.ntrs.nasa.gov-19740026174.pdf. Также: R. Navarro-Gonzales et al., «Reanalysis of the Viking Results Suggests Perchlorate and Organics at Midlatitudes on Mars,» Journal of Geophysical Research 115 (2010).


[Закрыть], и в NASA стали терять интерес к марсианским исследованиям, поскольку в NASA ориентированы на изучение жизни вне Земли. Однако недостаток интереса со стороны NASA стимулировал развитие другой отрасли науки, той, что тоже сосредоточена на познании чужих миров и, возможно, инопланетной жизни – океанографии.

В первые годы сразу после осуществления проекта «Викинг» стали инвестироваться огромные суммы в технологии, необходимые для исследований океанских глубин, и вскоре аппарат совсем другого типа совершил посадку на чужеродную поверхность. На этот раз жизнь была-таки обнаружена, но совершенно неожиданная по форме. Сперва в Атлантическом океане, а затем, очень быстро, одно за другим были проведены исследования на глубоководье у Галапагосских островов и в Калифорнийском заливе – маленькая желтая субмарина ALVIN сфотографировала и взяла образцы такого вида жизни, который использует источник энергии, радикально отличный от солнечного света.

Это открытие «фауны разломов» может кардинально изменить наше представление о том, где и как возникла жизнь на Земле, если она вообще возникла именно на Земле. Если жизнь на Земле появилась вскоре после срастания нескольких небесных тел в одну обитаемую планету, то получается, что жизнь не так уж и сложно создать. Но насколько древними являются самые древние жизненные формы и где именно эти первые формы зародились?

Обычно, когда историки пытаются обнаружить что-то «самое раннее», они смотрят в записи еще более древние, то же самое делают исследователи естественной истории Земли. В их случае проблемой становится недостаток пород соответствующего возраста, а также почти полная невозможность для древних бактерий образовывать ископаемые останки.

На протяжении более чем двух десятилетий аксиомой полагалось то, что самый старый след жизни на Земле тянется из заледенелого уголка Гренландии под названием Исуа[54]54
  P. Rincon, «Oldest Evidence of Photosynthesis,» BBC. com, December 17, 2003 and S. J. Mojzsis et al., «Evidence for Life on Earth Before 3,800 Million Years Ago,» Nature 384 (1996): 55–59; M. Schidlowski, «A 3,800-Million-Year-Old Record of Life from Carbon in Sedimentary Rocks,» Nature 333 (1988): 313–18; M. Schidlowski et al., «Carbon Isotope Geochemistry of the 3. 7 x 100-Yr-Old Isua Sediments, West Greenland: Implications for the Archaean Carbon and Oxygen Cycles,» Geochimica et Cosmochimica Acta 43 (1979): 189–99.


[Закрыть]. Никаких фоссилий найдено не было. Вместо этого сообщалось, что мелкие минералы-апатиты содержат микроскопические количества углерода – такого, который химически похож (близкий изотоп) на производимый живым организмом. Изученные при этом породы были датированы примерно 3,7 млрд лет, а позже новые данные дали возможность предполагать, что они на самом деле даже старше, около 3,85 млрд лет, и этот факт надолго был «узаконен» учебниками.

Датировка в 3,7–3,85 млрд лет очень хорошо подходила к определению самого раннего времени появления жизни. Как мы упоминали выше, Землю бомбардировали астероиды и прочий космический мусор тогда еще молодой Солнечной системы – около 4,2–3,8 млрд лет назад. Великий Карл Саган высказал свое знаменитое предположение, что жизнь, даже если она тогда уже сформировалась, была полностью уничтожена, он назвал это «крушение жизни» (Impact Frustration of Life[55]55
  K. Maher and D. Stevenson. «Impact Frustration of the Origin of Life,» Nature 331 (1988): 612–14.


[Закрыть]). Таким образом, возраст пород в Исуа идеально соответствовал гипотезе, согласно которой тяжелый космический обстрел уже закончился, и жизнь вполне могла зародиться. К несчастью для такой стройной теории, новый инструментарий XXI века позволил установить, что мельчайшие частицы углерода из Исуа вовсе не были органического происхождения[56]56
  R. Dalton. «Fresh Study Questions Oldest Traces of Life in Akilia Rock,» Nature 429 (2004): 688. Данное исследование продолжается: Papineau et al., «Ancient Graphite in the Eoarchean Quartz-Pyroxene Rocks from Akilia in Southern West Greenland I: Petrographic and Spectroscopic Characterization,» Geochimica et Cosmochimica Acta 74, no. 20 (2010): 5862–83.


[Закрыть].

Следующей по древности была датировка жизни в 3,5 млрд лет, и в этом случае данные были основаны на ископаемых, а не только на химических сигналах – американский палеонтолог Уильям Скопф обнаружил волокнистые формы в агате, возраст которых датировался 3,5 млрд лет[57]57
  J. W. Schopf, «Microfossils of the Early Archean Apex Chert: New Evidence of the Antiquity of Life,» Science 260, no. 5108 (1993): 640–46.


[Закрыть]. Эти ископаемые были найдены в ранее неисследованных древних породах, расположенных в одном из наименее обитаемых на планете мест – в нагромождении кремнистого известняка в Западной Австралии. Точное географическое местоположение этих ископаемых останков в сухой пыли австралийской пустоши называется «Северный полюс» – ироничное прозвище места, которое на самом деле является самым жарким на Земле и находится географически, а главное климатически, настолько далеко от Арктики, насколько только можно себе представить.

Открытие Скопфа всколыхнуло научную общественность, так как оказалось, что жизнь на Земле и правда может оказаться очень древним явлением. Целых 20 лет эти австралийские окаменелости считались самым старым свидетельством жизни на планете. А затем и это также подверглось сомнению: оксфордский ученый Мартин Бразье заявил, что так называемые самые старые отпечатки жизни на Земле – просто крошечные отпечатки кристаллов, а вовсе не ископаемые жизненных форм[58]58
  M. D. Brasier et al., «Questioning the Evidence for Earths Oldest Fossils,» Nature 416 (2002): 76–81.


[Закрыть].

За этим последовало нечто, похожее на уличную потасовку, одну из самых крупных за всю историю науки. Приверженцы обеих точек зрения предпринимали сокрушительные атаки и контратаки. Битва продолжалась несколько лет, и Скопф постепенно терял позиции, и не только в результате нападок со стороны оксфордской армии по поводу толкования природы австралийских отпечатков, но затем и в связи с высказанными сомнениями по поводу возраста самих пород, в которых останки были найдены. Около 2005 года Роджер Бюик из Вашингтонского университета сделал заявление, что если даже крошечные объекты из Западной Австралии вообще являются ископаемыми останками живых организмов, то породы сами по себе значительно моложе, чем то утверждает Уильям Скопф, – более чем на миллиард лет моложе! Это не опровергает того, что они все же очень древние (любые окаменелости, которым приписывают миллиарды лет, рассматриваются как древние), но уж к древнейшим формам жизни на Земле они никак не относятся. Вот после двух-трех таких ударов австралийские окаменелости вылетели из круга древнейших ископаемых.

Такое положение сохранялось до 2012 года, когда уже упомянутый Мартин Бразье опубликовал (в соавторстве) статью[59]59
  D. Wacey et al., «Microfossils of Sulphur-Metabolizing Cells in 3 4-Billion-Year-Old Rocks of Western Australia,» Nature Geoscience 4 (2011): 698–702.


[Закрыть], в которой описывалась форма жизни, датированная по крайней мере 3,4 млрд лет, и таким образом, по словам авторов, была самым древним свидетельством жизни из когда-либо обнаруженных. Эта находка была тем более значимой, что сами обнаруженные ископаемые, все микроскопические, по размерам и форме совпадали с определенным типом бактерий, живущих на Земле сегодня. Эти самые древние формы жизни обитали в море, для их жизни, вероятно, нужна была сера, и они быстро погибали даже от небольшого количества молекул кислорода. И хотя такая жизнь все еще соответствует нашим представлениям об «углеродной» жизни вообще, в наше определение того, как возникла жизнь, следует внести поправки с учетом роли серы[60]60
  M. D. Brasier, Secret Chambers: The Inside Story of Cells and Complex Life (New York: Oxford University Press, 2012), 298.


[Закрыть].

Ископаемые, описанные в работе Бразье, по-видимому, имеют отношение к живущим сегодня на нашей планете микроскопическим бактериям, которым также необходима для жизни сера и которые тут же умирают даже от небольшого воздействия кислорода. Если это открытие подтвердится, то станет ясно, что жизнь на Земле возникла в местах, крайне отличных от большинства земных условий, и что зависела она от наличия серы, а не кислорода.

Жизнь на Земле обычно ассоциируется с лесами, морями, озерами и небесами в их сегодняшнем виде – и с существами, которые живут в прозрачном воздухе, прозрачной воде или на лугах с зеленой травой. Однако ископаемые, найденные Бразье, происходят из среды, где температуры намного выше сегодняшних средних, где воздух насыщен токсичными газами – метаном, углекислым газом, аммиаком и в не меньшей степени – ядовитым сероводородом[61]61
  «Ancient Earth May Have Smelled Like Rotten Eggs,» Talk of the Nation, National Public Radio, 3 мая, 2013.


[Закрыть]. Такая жизнь знала планету, безусловно, без материков (или даже без всякой суши вообще) и вне пределов недолговечных вулканических островов. В таком окружении жизнь возникла (или прибыла извне – мы об этом еще поговорим на следующих страницах) и процветала на протяжении миллиардов лет. Мы все вышли из этой адской колыбели Земли и несем на себе шрамы и гены того периода, когда начало жизни на планете было насыщено серой.

Вскоре после такого описания раннего периода земной жизни, зародившейся в бескислородной, богатой серой среде, на Красную планету был доставлен марсоход «Кьюриосити»[62]62
  www.nasa.gov-mission_pages-msl-#.U4Izyxa9yxo.


[Закрыть]. А почти сразу после этого события Бразье задали вопрос, могут ли серные микроорганизмы, чьи окаменелые останки он только что нашел, жить на Марсе. После минутного замешательства он ответил: «Да»[63]63
  www.abc.net.au-science-articles-2011–08–22–3299027.htm.


[Закрыть].

Если окажется, что форма жизни возрастом 3,4 млрд лет – самая древняя, то это поставит под сомнение очень многие современные прописные истины относительно того, где могла зародиться жизнь на Земле. Наша планета в те времена уже была достаточно древней сама по себе – Земля возникла как результат слияния нескольких небесных тел 4,567 млрд лет назад. Если эти ископаемые действительно первые формы жизни, то зарождение жизни произошло относительно легко.

Чтобы возникла жизнь, необходимо соблюдение четырех этапов:

1. Синтез и накопление малых органических молекул, таких как аминокислоты и молекулы-нуклеотиды. Накопление веществ, называемых фосфатами (один из самых распространенных видов удобрений), также должно быть важным условием, поскольку они являются «скелетом» для ДНК и РНК.

2. Объединение этих молекул в более крупные, такие как белки и нуклеиновые кислоты.

3. Скопление белков и нуклеиновых кислот в капли, которые приобрели бы химические характеристики, отличные от окружающей их среды, – образование клеток.

4. Возникновение способности к самокопированию крупных и сложных молекул и установление наследственности.

В то время как некоторые из этих этапов можно воспроизвести в лабораторных условиях – синтез РНК или даже более сложной ДНК, другие этапы невоспроизводимы. Нет ничего сложного в том, чтобы создать аминокислоты – строительные кирпичики жизни – в пробирке, как это было продемонстрировано в эксперименте Миллера – Юри в 50-е годы XX века. Оказалось, что создание аминокислот в лаборатории сравнимо с намного более сложным процессом искусственного создания ДНК. Проблема в том, что такие сложные молекулы, как ДНК (или РНК), нельзя просто собрать в стеклянной колбе из разных химических элементов. Эти органические молекулы имеют свойство разрушаться при повышенных температурах, а значит, они могли возникнуть только при умеренном температурном режиме.

Жизнь на Земле предполагает наличие РНК и ДНК. Если появляется РНК, то это открывает путь к возникновению ДНК, поскольку РНК рано или поздно произведет ДНК. Но как появилась первая РНК? При каких условиях? В какой среде? Все это – основные вопросы места и времени происхождения жизни на Земле. И недостатка в предположениях, в каком именно месте возникла жизнь, нет.