Новая история происхождения жизни на Земле

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] 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]. 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], 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]. 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]). 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].

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]. 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].

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], 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].

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]. 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]. 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].

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.

Пруд Дарвина

Первая, самая знаменитая и наиболее долго продержавшаяся модель зарождения жизни на Земле принадлежит Чарльзу Дарвину, который в письме к одному своему другу предположил, что жизнь возникла в некоем «мелком, прогретом солнцем пруду». И до конца 70-х годов XX века, пока не состоялись те самые глубоководные экспедиции к разломам, эта гипотеза была самой популярной, да и сейчас такой тип природных условий, будь то пресный водоем или морская отмель, признается убедительным кандидатом на звание колыбели жизни. Другие ученые начала XX века, такие как Джон Холдейн и Александр Опарин, согласились с Дарвином и развили его теорию[64]. Они, независимо друг от друга, предположили, что молодая Земля имела «восстанавливающую» атмосферу, то есть антагонистичную той, где продуцируется кислород. В такой атмосфере, например, никогда не будет ржаветь железо. Атмосфера того времени, возможно, была насыщена метаном и аммиаком, формируя идеальный «первичный бульон», из которого жизнь и появилась в каком-нибудь мелком водоеме.

До 1950–1960-х годов, таким образом, было принято считать, что в атмосфере ранней Земли, предположительно состоящей из метана и аммиака, простые неорганические вещества с помощью воды и энергии могли произвести органические аминокислоты[65]. Все, что было нужно — это подходящее местечко, где могли бы соединиться все эти разнообразные вещества. Вроде бы наилучшим местом для этого является мелкий пруд с запашком сероводорода или котлован на берегу теплого мелкого моря, наполненный водой, доставленной приливной волной. И вот, как предполагает эта теория, в таком месте появляется «первичный бульон» из органических молекул и поджидает своего доктора Франкенштейна, который бы его оживил.

Оценивая возможные природные условия ранних этапов истории Земли, многие ученые сомневаются в правдоподобии такого сценария. Органические соединения, необходимые для формирования жизни, очень усложнены и легко распадаются при нагревании растворов. Более того, чтобы вывести такой «первичный бульон» из равновесия (что необходимо), понадобится очень и очень много энергии. Дарвин в свое время просто не мог учесть того, что механизмы, ведущие к формированию Земли (и других землеподобных планет), порождают мир, который на ранних этапах своего существования является жестоким и ядовитым — это место, максимально непохожее на идиллический маленький прудик, который представляли в XIX–XX веках.

Погружения аппаратов ALVIN в 1980-х годах, упомянутые в начале этой главы, показали возможность другой гипотезы, за которую ратовал Джон Баросс из Вашингтонского университета: жизнь на Земле возникла в недавно открытых глубоководных впадинах[66]. Вскоре новые методики молекулярных исследований, примененные для классификации глубоководных микроорганизмов, подтвердили эту гипотезу ДНК свидетельствует, что жизнь провела свои первые миллионы лет в горячей воде, на самом деле — в очень горячей воде.

Большинство обнаруженных в океанических разломах микроорганизмов принадлежат к биологическому надцарству археи. Последние, скорее всего, являются самой старой из известных на Земле ветвей живых организмов. Старейшие же из них — термофилы. Это такие, которые процветают в почти кипящей воде. Это кое-что, чего в прудах не найдешь. Таким образом, получается, что микроорганизмы глубоководных впадин — очень древние[67].

Во времена сильной космической бомбардировки в период с 4,4 до 3,8 млрд лет назад каждый удар (кометы диаметром около 500 км) частично или полностью превращал земные океаны в пар температурой в несколько тысяч градусов. Именно этот пар и стирал с лица Земли всю только-только зарождавшуюся жизнь. Потом следовало похолодание, однако новый океан не мог пролиться дождем еще несколько тысяч лет, и трудно себе представить, чтобы какие-либо организмы могли выжить на поверхности Земли.

Влияние космической бомбардировки ранее не рассматривалось в исследованиях о происхождении жизни на планете. Но теперь мы знаем, что в период, когда на Земле вообще могли зародиться жизненные формы, единственными местами, где это могло произойти, были либо глубокие океанические впадины, либо недра самой земной коры. Возможно, лишь глубины морей или земной коры и давали защиту первичным формам жизни.

Даже около 4 млрд лет назад суши почти не было. Вулканическая деятельность и извержения лавы были куда более привычным делом, чем теперь, и намного более мощным. Давным-давно глубоководные хребты и разломы (которые исследовались маленькими подводными аппаратами в 1970-х годах) были намного длиннее и активнее: вулканы с огромной энергией выбрасывали в океан большие количества веществ и соединений из земных глубин. Химический состав морской воды совершенно не походил на сегодняшний. Океан был «восстанавливающим» (в отличие от нынешнего «окисляющего»), поскольку в нем отсутствовал свободный кислород, растворенный в воде. И по температуре вода была как кипяток.

Содержание углекислоты в атмосфере превышало сегодняшний уровень, наверное, во много раз — от 100 до 1000. Также на поверхности присутствовало убийственное ультрафиолетовое излучение. Чтобы образовался пруд, необходима суша, а во времена появления первой жизни суши на поверхности Земли, вероятно, не было. Скорее всего, там был только один сплошной горячий, ядовитый океан от полюса до полюса.

Минеральный состав поверхностей гидротермальных впадин

Гидротермальные разломы и их жизненные формы, которые способны выживать в экстремальных условиях, включая многочисленных любителей горячих вод — архей, все еще рассматривают как наиболее вероятное место появления первичной жизни. И в отличие от ранних океанов и атмосферы, химия гидротермальных впадин сильно «восстанавливающая». Впадины выбрасывают химические соединения, вполне подходящие для эволюции жизни, — например, сероводород, метан, аммиак, — и много горячей воды. Химический состав впадин очень отличается от состава атмосферы, а значит, развитие жизни могло происходить независимо от атмосферного влияния. Это снимает проблему непригодности древней атмосферы Земли для существования жизни. Однако теория «разломного происхождения» имеет свои проблемы. Как могла РНК, такая крайне нестабильная молекула, сформироваться в разломах с их-то высокими температурами и давлением?[68] Давайте рассмотрим интересную новую теорию происхождения жизни немецкого ученого Гюнтера Вехтерсхойзера — химика и патентоведа.

Первая жизнь могла сформироваться на поверхностях минералов, содержащих сульфид железа, — так, по крайней мере, утверждает уважаемый Гюнтер Вехтерсхойзер. Он назвал свою теорию «миром железа и серы»[69]. Гипотеза состоит в том, что первая жизнь («организм-первооткрыватель» Вехтерсхойзера) зародилась под высоким давлением в глубине горячих вод гидротермального источника, образованного вулканической деятельностью в море. Вулкан выбросил в морскую воду поток горячих, насыщенных минералами пузырей вдоль морских трещин протяженностью в тысячи километров. Жизнь возникла при температурах, которые на поверхности Земли привели бы к закипанию воды (100 °C). Под давлением, однако, вода так, как на поверхности, не закипает, а вода из разлома была насыщена разнообразными элементами и минералами. Однако для появления какой-либо органики было необходимо, чтобы потоки, вырывающиеся из разлома, сдержали угарный газ, углекислый газ и сероводород, углерод и сера из которых могли бы участвовать в образовании аминокислот, а в дальнейшем — нуклеиновых кислот, белков и жиров.

Наросты минералов, содержащих железо, серу и никель, омываемые горячими потоками вулканического происхождения, образовывали небольшие области, которые улавливали из раствора углеродсодержащие молекулы и химически высвобождали свободные атомы углерода, которые потом объединялись. Когда с атомами железа из различных минералов вступал в реакцию газ сероводород, образовывался минерал серный колчедан («золото дураков»), В результате этой реакции возникали молекулы, содержащие энергию, но очень незначительную. Вехтерсхойзер сообразил, что необходим еще один газ — угарный, который бы служил топливом. Это горючее было чрезвычайно важным элементом того, что происходило потом: медленное накопление и сцепление молекул в частицы, которые в своей итоговой форме станут чем-то принципиально новым и отличным от простой суммы сложенных вместе химических веществ.

Мысль, что минеральные поверхности могут стать исходным материалом для формирования жизни, не нова. Поверхность глины или кристаллы кремниевых минералов, колчедана могли быть теми микроскопическими областями, где накапливались первичные органические молекулы. Эта модель предполагает следующую последовательность: от отдельных кристаллов глины к большим образованиям, а затем — «органическое завоевание»: полностью неорганические молекулы замещаются молекулами на основе углерода, что приводит к формированию органических макромолекул, а потом — к образованию ДНК и клеток. Как полагал Р. Кернс, первичная жизнь, вероятно, имела несколько характеристик: могла эволюционировать, была примитивной, с малым количеством генов (участки ДНК, отвечающие за производство определенных белков) и имела малую биологическую специализацию, была сформирована из геохимических веществ, появляющихся в результате реакции конденсации на твердых поверхностях колчедана (сульфида железа).

Угарный газ и сероводород известны как убийцы живого, на их счету много человеческих жертв, причем смерти были вызваны как умышленными преступлениями, так и непреднамеренно. И тем не менее, если мысль Вехтерсхойзера верна, то получается, что путь жизни проложили два ядовитых газа и «золото дураков». Эту идею сам Вехтерсхойзер выразил так: «Самым первым предком всего живого была не отдельная живая клетка, а лабиринт минеральных ячеек, объединенных с катализирующими реакцию железом, серой и никелем и заряженных энергией протонного градиента. Эта первая жизнь, таким образом, была пористой горной породой, которая производила молекулы и энергию — вплоть до создания белков и самой ДНК»[70].

Несколько иной вариант теории Вехтерсхойзера опубликовали в 2003 году Уильям Мартин и Майкл Рассел[71]. Они развили идею зарождения жизни в геотермальных впадинах, утверждая, что такая природная среда могла произвести не только все необходимые минеральные вещества и запас энергии, но и ключевой аспект жизни — клетку. Их идея заключается в том, что жизнь появилась на основе чрезвычайно высокоструктурированного вещества — сернистого железа (сульфид железа). Место, где предположительно сформировалась жизнь, находилось где-то между адом (очень горячо) и глубоким синим морем (очень холодно), иначе говоря, где-то географически между богатым сульфидами (и очень горячим!) гидротермальным потоком, порожденным вулканами, и морской водой, насыщенной железом. И это не просто теоретическое предположение. Вокруг разломов и подземных источников действительно есть трехмерные решетчатые образования — их можно принять за первичные стенки клеток. Процессы, непосредственно предшествующие синтезу органических молекул, происходили внутри микроскопических ячеек, формируемых возле впадин и источников. Химические события, благодаря которым возник «мир РНК», происходили в стен(к)ах этих минеральных ячеек.

К началу нашего нового века было рассмотрено множество вариантов и догадок относительно места возникновения первой жизни. Древнейшие формы жизни, безусловно, любили горячую среду — такую, которую до сих пор можно найти в геотермальных разломах. Там можно обнаружить все необходимые элементы процесса: химические вещества и достаточную энергию. И наконец, разломы предоставляли своего рода убежище от жестокостей внешнего мира на поверхности Земли, особенно они были хороши как бомбоубежище в течение первого земного миллиарда лет. Но существует и одно серьезное возражение против этой теории. РНК и, в меньшей степени, ДНК очень нестабильны при высоких температурах, которые присутствуют в геотермальных источниках. После формирования РНК скачок от нее к ДНК был бы непосредственным, РНК служит моделью-основой для ДНК. Но переход от простых химических соединений к весьма усложненным молекулам все еще остается загадкой.

Биолог Карл Вёзе предлагал еще один возможный путь возникновения жизни[72] — жизнь могла появиться и до окончания полного формирования планеты и разделения земных слоев на ядро, мантию и кору. Так, в те времена на поверхности будущей Земли было много крупных образований самородного железа, которое вступало в реакции с паром и некоторым количеством жидкой воды, при этом атмосфера была насыщена водородом и углекислым газом. Водород-то как раз и интересен, поскольку он является сильным стимулятором химических реакций, но из-за своего незначительного веса быстро улетучивается в космос с планет вроде маленькой Земли, Марса или Венеры (газовые гиганты настолько массивны, что могут удерживать водород). В тот период Земля подвергалась частым столкновениям с космическим мусором, большими и малыми телами, и это приводило к тому, что планета постоянно пребывала в клубах пыли и водяных паров. Образовывались высокие облака водяного пара, и их маленькие капельки могли служить как протоклетки — крошечные объекты со стенками. Солнечный свет мог быть источником энергии, а пыль, поднимавшаяся высоко над поверхностью, несла в себе, помимо прочих элементов, и органические молекулы — было много материала для формирования жизни. С учетом насыщенности атмосферы водородом первые живые организмы могли начать развитие, выделяя метан и используя углекислый газ как источник углерода. Микроорганизмы, которые сегодня ведут сходную жизнедеятельность, называются «метанопродуценты». Земля охлаждалась, сформировались океаны, а жизнь пролилась дождем с небес и заселила эти океаны.

Метеоритные кратеры в пустынях

Одну из новейших гипотез о местах возникновения жизни предложили Стив Беннер из Университета Флориды[73] и соавтор этой книги Джо Киршвинк. Как уже упоминалось выше, самым сложным этапом является переход к РНК, поскольку РНК — очень нестабильна, она большая и сложная и с легкостью распадается. Вода воздействует на нуклеиновые кислоты (цепочки меньших молекул), из которых слагается РНК, и разрушает их. В действительности оказывается, что для создания РНК необходимо соблюдение очень многих условий, различных химических условий. Биохимик Антонио Ласкано следующим образом описывает эту проблему: «Чтобы создать РНК, вещества должны были преодолеть несколько серьезных препятствий, включая отсутствие простого, но при этом правдоподобного неорганического механизма формирования и накопления рибозы»[74]. Возможное решение этой проблемы содержит гипотеза создания рибозы в условиях нынешних температур на основе минералов, обычных для пустыни.

Беннер пришел к выводу, что некоторые условия ранних этапов истории Земли могли создавать защитный щит для формирования нуклеиновых кислот, оберегая их от высоких температур и других разрушительных свойств природной среды. Беннер обнаружил, что при наличии боратов (это минералы, которые могут сформироваться только в сухих и жарких условиях, их используют для производства мыла) более простые органические молекулы, распространенные не только на Земле, но и в космосе, объединяются в сложные сахара, в том числе и рибозу!

Беннер обратился за подтверждениями этого предположения к существующим формам жизни. Он проанализировал стабильность различных бактерий и узнал, что самые древние из них по происхождению, возможно, появились при температуре 65 °C. Это значительно более высокая температура, чем в любом «теплом маленьком пруду», но она и гораздо ниже, чем в гидротермальном разломе, в котором температуры обычно измеряются сотнями градусов. На Земле ни сейчас, ни в древности было не очень много мест с такими температурами — за исключением пустынь.

Пустыня — среда преимущественно щелочная, с большим количеством карбоната кальция — единственное место, где возможны благоприятные условия для формирования рибозы на основе боратных соединений. Глинистые минералы различных видов также вполне обычны в таких местах, что повышает вероятность появления на основе глин образцов, способных поддержать синтез сложных органических соединений, необходимых для формирования жизни.

Для того чтобы борат сработал и появилась РНК, также необходимо, чтобы постоянно фильтровались и очищались жидкости через систему трубок, соединенных друг с другом.

Основываясь на работе Стива Беннера, Джо Киршвинк в сотрудничестве с профессором Массачусетского технологического института доктором Беном Вайссом попытался представить себе, какой могла быть естественная система для создания РНК на основе бората. Такой подходящей природной средой могло бы стать озеро Моно в Калифорнии, которое на самом деле является системой озер, расположенных на разной высоте над уровнем моря, с объединенным течением подземных вод. На древней Земле, особенно 4,2–3,8 млрд лет назад, такую систему могли образовать несколько метеоритных кратеров, соединенных в пустынной местности с сообщающимися водными ресурсами, перемещающимися с высоких уровней на низкие. В таком случае обеспечивались бы фильтрация и очищение. Однако появление подобной среды вряд ли было возможно 4 млрд лет назад, когда происходили соответствующие химические процессы зарождения жизни. По всей вероятности, все минеральные породы на Земле возникли в водной среде. Заметим, что нет никаких свидетельств того, что суша появилась раньше чем 3 млрд лет назад. По нашим более-менее уверенным предположениям, во времена, когда формировалась жизнь, Земля почти полностью представляла собой сплошной океан, в лучшем случае, возможно, с цепочками островов. На Марсе, мы можем быть уверены, океанов не было — большие озера, возможно, небольшие моря. На Марсе могли быть подходящие пустыни, но едва ли на Земле 4 млрд лет назад. Возникает вопрос, как вообще жизнь могла оказаться на Земле?

Панспермия и Марс

Сегодня приблизительно 75 % поверхности Земли занимают крупные океанические бассейны и материковые массивы, возвышающиеся над средним уровнем моря. Вдоль континентальных разломов возникли новые гранитные породы, осадочные породы нанесены на несколько сотен километров и частично преобразовались в гранит. Таким образом, чем ниже мы погружаемся по геологической лестнице, тем больше воды и меньше суши мы встретим на Земле.

Есть и другие подтверждения этому. Из геологических моделей известно, что сразу после образования Луны около 4,567 млрд лет назад на нашу планету упало гигантское небесное тело, и вся Земля просто расплавилась. Возник океан расплавленной магмы как результат интенсивного теплового воздействия, а также сегрегации никеля и железа в глубине планеты. Первые полмиллиарда или даже более лет после этого события были временем сильнейших тепловых потоков параллельно с постепенным отвердеванием коры в самых верхних слоях земной литосферы. Такой повышенный уровень теплоты ограничивал поднятие твердых элементов относительно среднего уровня моря. Некий континент находился над морским дном просто потому, что «всплывал» над менее плотной субстанцией. При потоках теплоты высокой температуры корни материка таяли, и это не позволяло образовываться высоким горным цепям.

И наконец, геохимики подозревают, что уровень земных океанов со временем падает. После образования Земли, вероятно, большое количество водных паров в общепланетарной системе конденсировалось на поверхности молодой планеты и постепенно просочилось обратно в мантию в процессе плитотектонической деятельности. Этот «обратный» путь, безусловно, химически прослеживается в цирконах возрастом 4,4 млрд лет. Оценки уровня того первичного океана варьируются от почти равных сегодняшнему до превышающих сегодняшний уровень в 3–4 раза. Учитывая все эти обстоятельства, совершенно невероятно, чтобы около 3 млрд лет назад хоть какой-нибудь остров мог торчать над поверхностью воды, за исключением махонькой верхушки одинокого вулкана.

Водный мир — не лучшее место для образования рибозы. Кроме того, это ужасное место для формирования сложных молекул вроде белка и нуклеиновых кислот, которые выделяют некоторое количество воды всякий раз при добавлении очередного сегмента. По этой причине 3 млрд лет назад Земля не могла быть подходящим местом для первичной фазы возникновения жизни. Да и долго еще после этого едва ли существовали места вроде озер в Долине Смерти, богатых боратом кальция настолько, чтобы стабилизировать образование рибозы и прочих углеводов.

Многочисленные эксперименты, проведенные в последнее десятилетие, убедительно доказывают, что метеориты с поверхности Марса могут достигать поверхности Земли, избегая убивающего теплового воздействия, и таким образом могут переносить с собой и жизнь. За последние 4,5 млрд лет такое путешествие от Марса к Земле совершили различные тела общим весом более одного миллиарда тонн. Поэтому для осмысления источников происхождения жизни на Земле следует учитывать и возможность того, что сначала она появилась на Марсе, а затем была принесена на Землю метеоритами[75].

Марс почти вдвое меньше Земли в диаметре, а его масса составляет лишь около 10 % от земной. Как меньшая планета, он имеет и меньшее гравитационное поле. Поэтому метеориту или молекуле газа очень легко полностью потерять связь с Марсом. По этой причине, когда какой-нибудь малый астероид сталкивается с Марсом, это приводит к тому, что с марсианской поверхности большое количество материала улетучивается на орбиту вокруг Солнца, но при этом не испытывает воздействия сильного, «шокового» тепла, которое бы убило возможную жизнь. Напротив, чтобы покинуть поверхность Земли, требуется большое количество энергии из-за сильного притяжения, что приводит к почти полной вероятности расплавления таких вылетающих в космос объектов. Нет никаких свидетельств того, что с поверхности Земли что-то попало в космос естественным путем и сохранило бы форму и/или жизнь.

Поэтому, если бы жизнь и правда зародилась на Марсе, то он могла легко оттуда сбежать. С другой стороны, более сильная гравитация Земли означает более мощное удержание гидросферы и атмосферы, не повреждаемых за существенное геологическое время. Атмосферное давление на Марсе настолько мало, что жидкая вода закипает уже при комнатной температуре. Новые данные с последнего марсохода «Кьюриосити» в 2012 году ясно показали, что в марсианском кратере Гейл существовало озеро или, возможно, море, в которое впадал поток, имеющий веерное устье, а в нем когда-то весело бурлили и парили пузыри. Мир вулканических пород, насыщенный бурлящим парами и морями, с активным круговоротом воды, непременно должен был породить жизнь. Или наверняка был способен это сделать. Мы считаем, что именно там и появилась жизнь, которая теперь обитает на Земле.

При изучении слоев катархея становится очевидным, что 4,4 млрд лет назад океаны на Земле существовали. Возможность зарождения жизни в марсианских, насыщенных боратами и разноуровневыми озерами пустынях подтверждается теорией Беннера и подкрепляется исследованиями Киршвинка[76]. Серия недавних экспериментов показывает, что на Землю с Марса могли переместиться сложные органические молекулы и даже микробы в состоянии спячки благодаря процессу, который назвали планетарной панспермией — крупные столкновения Марса с небесными объектами около 3,6 млрд лет назад вызвали падение на Землю потока метеоритов и таким образом произошло заселение нашей планеты марсианской жизнью, или марсианские химические вещества стимулировали возникновение жизни на Земле.

Существует еще один довод в пользу марсианской теории происхождения жизни, основанный на исследовании Дэвида Димера из Университета Калифорнии[77]. Одной из самых больших проблем в создании РНК является необходимость объединения многих сегментов, называемых нуклеотидами РНК, в длинный «полимер». Димер показал, что замораживание раствора с нуклеотидами вызывает их объединение по краям кристаллов льда. На Земле в древности не было льда. Но на полюсах Марса его было много, особенно на ранних стадиях, когда Солнце было менее ярким.

Возникновение жизни — представления 2014 года

Развитие наших представлений о том, как сформировалась из неживых соединений жизнь на Земле, во многом зависело от того, насколько успешно нам удавалось создавать жизнь в пробирке. Еще пять лет назад почти никак не удавалось. Но благодаря гарвардской группе ученых, возглавляемых Джеком Шостаком, мы теперь так близки к успеху, что общественность и представить себе не может[78]. Шостак и его коллеги экспериментировали с РНК на протяжении почти двух десятилетий. На Земле первичной молекулой, несущей информацию, была РНК или что-то очень близкое к ней, что потом развилось в РНК в ее современном виде. Шостак с командой сделал великое открытие именно в этой области.

Фокус в том, чтобы заставить нуклеотиды соединиться друг с другом в цепочки РНК. Объединить их значительно легче, чем заставить размножаться после объединения. Однако они это сделают, если в цепочку объединятся 30 и более нуклеотидов, поскольку с такой или большей длиной молекула РНК приобретает совершенно новое свойство — она становится катализатором, химическим соединением, которое убыстряет реакцию. А в нашем случае речь идет ни о чем ином, как о реакции репродуцирования молекулы РНК в две идентичные копии.

Чтобы создать цепочку РНК, состоящую не менее чем из 30 нуклеотидов, на (или в) Земле потребовалась, возможно, глинистая порода в качестве заготовки. Подходящей представляется монтмориллонитовая глина. Согласно этой гипотезе, отдельные нуклеотиды, растворенные в жидкости, сталкивались с глиной. Они становились слабо связанными с глиной и больше не перемещались. В некоторых местах глинистой породы образовывались скопления из 30 и более нуклеотидов. Поскольку связи с глиной были слабы, происходило отделение цепочек, и если возникала какая-то концентрация этих цепочек, то они объединялись в некий пузырь с насыщенной липидами жидкостью, что служило первой протоклеткой.

Двумя необходимыми для жизни компонентами являются клетка, способная к воспроизведению, и некая молекула, способная нести в себе информацию, а также служить катализатором для реакции, которая иначе — без этой молекулы — не произойдет. Если в клетку попадает достаточно новых компонентов для РНК, каталитическое действие РНК приводит к появлению еще большего количества РНК уже в самой клетке. В более ранних представлениях клетки и информационные молекулы формировались отдельно друг от друга, а затем сливались. Теперь понятно, что они развивались в тандеме.

Многие биологи утверждают, что жизнь появилась по-простому, вот так: «голая» молекула РНК плавала в бульоне из нуклеотидов и самовоспроизводилась. Но, согласно более распространенной точке зрения, клетки и РНК появились как единое целое — клетки с двойными стенками из жиров и нуклеотидами РНК внутри росли, поглощая все больше жиров и нуклеотидов. Последние могли проникать внутрь сквозь жировые стенки клеток, но более крупные объединенные нуклеотиды уже не могли пройти обратно наружу. На древней Земле было много веществ, которые могли реагировать друг с другом и создавать жировые молекулы, которые в свою очередь с готовностью объединялись в листы, а затем и шары.

Благодаря своим химическим свойствам скопления жировых молекул при физическом волнении легко создают полые сферы, так же как вода на короткий миг формирует маленькие капли на своей поверхности. Эти полые шары наполняются молекулами, которые могут производить РНК, если эти молекулы (то есть нуклеотиды) есть в растворе. Вот тут-то факт концентрации особенно важен, поэтому и аналогию с «бульоном» используют так часто: должно было существовать очень много нуклеотидов, заключенных в стенки протоклетки, чтобы возник шанс образования РНК. Если, конечно, у этой новой протоклетки не было такого свойства, которое позволило бы ей самой перемещать нуклеотиды из раствора внутрь себя.

Стенка клетки не только поглощала нуклеотиды. Она еще собирала все больше молекул-липидов и постепенно приобретала форму сосиски. В конце концов она расщеплялась, и появлялись две сферы, каждая — со своей долей РНК. И не только РНК, конечно, но и прочие молекулы, ведь чтобы существовать, клетке необходима энергия, которую могут вырабатывать другие внутриклеточные «машины»-молекулы. Таким образом, внутренняя среда клетки располагала множеством химических веществ, которые действовали определенным упорядоченным образом, чтобы обеспечить приток веществ внутрь клетки, ненужные молекулы выбрасывались наружу, а вокруг при этом должно было находиться множество молекул, пригодных для поглощения.

Вот на этом этапе и началась эволюция. Некоторые клетки могли размножаться быстрее, основываясь на качестве молекул, находящихся внутри. Таким образом возник естественный отбор, и завелся моторчик жизни в привычном для нас виде: клетки, которые автономны, имеют обмен веществ, воспроизводятся и эволюционируют. Все остальное, по знаменитому выражению Фрэнсиса Крика, стало историей.

Порог Дарвина

Первые земные клетки были как сборные домики, в которых все части изготовляются в разных местах, как самостоятельные секции, а затем свозятся в одно место. Транспортными путями могли служить вода или воздух. «Работа» последнего в этом качестве получила серьезное подтверждение в исследованиях по изучению органического материала в верхних слоях атмосферы последних, начиная с 2010 года, лет.

Самые ранние формы жизни, возможно, имели очень пористое строение стенок клетки, что позволяло пропускать целые геномы — этот процесс известен как горизонтальный перенос генов. Но пришло время, когда клеточные системы от недолговечных перешли к постоянным. Это момент биолог Карл Вёзе назвал «порогом Дарвина». Это период, когда уже можно различать виды в том смысле, в каком они понимаются сегодня, и когда начался естественный отбор, иными словами, эволюция. Естественный отбор предпочитал функционально более усложненные клетки, с большим количеством внутренних связей, чем у их простых предшественников, и более сложные виды распространились, поглотив простые, составленные из «модульных секций».

Современная земная жизнь началась в тот момент, когда закончились радикальные изменения генов. Исследователи ранних этапов эволюции, такие как Вёзе, считают, что достижение этой стадии организации крайне важно для жизни за всю историю ее эволюции. Те первые клетки наверняка не были однообразными, вероятно, существовали целые экосистемы, наполненные протоклетками самых разных свойств, вирусами, и кто знает, что там было еще в этой процветающей экосистеме жизни и околожизни: РНК-белковые организмы, РНК-ДНК-организмы, ДНК-РНК-белковые создания, РНК-вирусы, ДНК-вирусы, липидные протоклетки, белковые протоклетки — это было время самого большого разнообразия видов за всю историю Земли, возможно, 3,9 или 4,0 млрд лет назад. Хотя, согласно новейшему подходу, это было скорее позже, чем раньше 3,9 млрд лет назад. Естественный отбор отдавал очко в пользу лишь одного из тысячи возможных живых вариантов.

Нобелевский лауреат Кристиан де Дюв утверждал, что как только все ингредиенты и нужное количество энергии объединились вместе на древней Земле, жизнь возникла из неживого материала очень быстро. Возможно, за минуты.