Воображаемая жизнь

Прежде чем мы перейдём к подробному описанию происхождения жизни, нам следует сделать важный вывод. Живые системы на Земле в наше время представляют собой чрезвычайно сложные объекты, продукт миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на планете — то, которое мы можем назвать универсальным общим предком, — было бы совсем не похоже на тех живых существ, которых мы видим сегодня. Оно было бы чрезвычайно примитивным и, вероятно, обладало бы лишь немногими особенностями, присущими современным клеткам. Мы увидим, что сложность современных живых существ возникла из этого примитивного начала позже, в процессе естественного отбора.

На заре своей истории наша планета была расплавленным шаром, плавающим в космосе — на ней не было той атмосферы, которую мы могли бы узнать, не было океанов и, конечно же, не было жизни. Вращаясь по своей орбите, ранняя Земля постоянно подвергалась бомбардировке космическим мусором — собственно, именно эти столкновения и давали достаточно тепла, чтобы расплавить планету. Проще говоря, проблема происхождения жизни заключается в следующем: как Земля осуществила переход из этого исходного состояния к планете, на которой есть хотя бы один живой организм? По сути, мы ожидаем, что многие из экзопланет земного типа (то есть, маленькие и каменистые планеты) находились в схожем исходном состоянии, поэтому наши размышления о происхождении жизни на этих планетах будут происходить в свете земного опыта.

Мы считаем, что формирование газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна шло по другому пути, когда водород и гелий быстро накапливались вокруг небольшого твёрдого ядра. Мы рассмотрим вопрос о том, означает ли это, что происхождение жизни на таких планетах может идти по иному пути, нежели на Земле. Однако вполне ожидаемо, что внутренние структуры обнаруженных там клеток будут отличаться от структур у клеток на Земле — например, некоторые из этих структур могут контролировать плавучесть.

Первое, что случилось с Землёй, когда она вышла из своей горячей ранней стадии — это её остывание; её внешний слой затвердел, превратившись в камень. Вода, отчасти вышедшая из недр планеты, отчасти принесённая кометами и астероидами, наполнила океанские бассейны, подготовив сцену для появления жизни. Благодаря воде, заключённой в минералах, известных как кристаллы циркона, у нас есть свидетельство того, что жидкая вода была обычным явлением уже 4,2 миллиарда лет назад. Из летописи окаменелостей мы знаем, что жизнь появилась на Земле вскоре после прекращения её бомбардировки крупными астероидами, не позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, гость нашей планеты 3,8 миллиарда лет назад обнаружил бы, что в её океанах полным-полно цианобактерий (вспомните зелёную прудовую тину). Таким образом, мы можем сказать, что жизнь на Земле появилась быстро, как только она смогла выживать.

Этот факт поднимает интересный вопрос. Во время великой бомбардировки ранней Земли, вероятно, были времена — возможно, длившиеся миллионы лет, — когда сильных ударов небесных тел не было. Если бы жизнь развилась в один из таких периодов покоя, она была бы уничтожена при следующем столкновении с крупным астероидом. Например, небесное тело размером со штат Огайо выделило бы достаточно энергии, чтобы на протяжении 1000 лет кипятить океаны Земли, превращая атмосферу в горячий пар. Мы не ожидали бы, что какие-то примитивные формы жизни переживут такого рода события, и, насколько мы можем судить, такие сценарии могли неоднократно повторяться на ранней Земле. Иными словами, возможно, что наши микробные предки были не первыми формами жизни на нашей планете — возможно, они просто были первыми, кто возник после последнего крупного удара небесного тела. Разумеется, жизнь могла зарождаться на ранней Земле десятки раз, хотя в настоящее время у нас есть свидетельства наличия только той формы жизни, которая пережила последний из стерилизующих ударов астероида.

Первый шаг в зарождении жизни включал накопление сложных молекул, содержащих атомы углерода. Ранее считалось, что собрать сложные углеродные цепочки, встречающиеся в живых системах, было сложной задачей — на самом же деле, до середины 20-го века учёные, как правило, избегали работать в этой области исследований. Общее ощущение, видимо, заключалось в том, что вопрос о происхождении жизни в целом был слишком сложным (и, возможно, слишком философским), чтобы стать частью основной науки.

Можно сказать, что исследование происхождения жизни подстегнул один эксперимент, проведённый в подвале химического корпуса Чикагского университета в 1952 году. Это была попытка воссоздать условия, которые могли существовать на ранней Земле, предпринятая лауреатом Нобелевской премии химиком Гарольдом Юри (1893-1981) и его тогдашним аспирантом Стэнли Миллером (1930-2007). Устройство было простым: в нём была колба с водой (для имитации океана), источник тепла (для имитации воздействия Солнца), электрическая искра (для имитации молнии) и смесь водяного пара, метана, водорода и аммиака (это было самой лучшей догадкой Миллера и Юри в отношении состава ранней атмосферы Земли). Были включены нагрев и подача искры, и аппарат оставили в покое на несколько недель. По истечении этого времени вода стала мутно-бордово-коричневой, а анализ показал, что в смеси присутствуют молекулы, называемые аминокислотами.

Небольшое пояснение: одной из самых важных групп молекул, встречающихся в живых системах, являются белки — именно эти молекулы управляют химическими реакциями в каждом живом существе на Земле. Белки состоят из аминокислот. В принципе, вы можете представить себе белок как цепочку, каждое звено которой представляет собой одну аминокислоту. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут создавать основные строительные блоки живых систем, работая с материалами, которые совершенно очевидно не являются живыми, но, как считается, были в изобилии представлены на ранней Земле.

Этот результат оказал большое влияние на проблему происхождения жизни уже хотя бы потому, что перенес её из области философии в область науки. С тех пор эксперименты вроде проведённого Миллером и Юри позволили создать практически все важные молекулы, встречающиеся в живых системах, включая участки ДНК и сложные белки. И что удивительно, даже несмотря на то, что сегодня все сходятся во мнении, что состав атмосферы в эксперименте у Миллера и Юри был неправильным, это просто не имеет значения. Эксперименты с различными составами атмосферы и различными источниками энергии дали одинаковые по своей сути результаты, хотя и с разным выходом, в зависимости от предполагаемого состава атмосферы. Кроме того, сложные органические молекулы (включая аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, в облаках межзвёздной пыли, и даже в дисках космического мусора, что окружают звёзды, и в которых формируются экзопланеты. Иными словами, вопреки всем ожиданиям, основные молекулярные строительные блоки жизни весьма обычны — фактически, они есть повсюду.

Таким образом, проблема происхождения жизни сводится к вопросу о том, каким образом эти основные строительные блоки собираются во что-то такое, что мы могли бы признать живым. Хотя уже выдвинуто множество теорий о том, как это произошло, ни одна из них не получила всеобщего признания. В любом случае, как мы уже увидели, единственное, что мы знаем, это то, что, каким бы образом ни происходила эта сборка, она произошла очень быстро.

Первичный бульон

После эксперимента Миллера-Юри были выдвинуты теории первого типа, которые утверждали, что процессы Миллера-Юри в ранней атмосфере Земли могли бы вызвать дождь органических молекул, превратив океаны планеты в насыщенный органический бульон, который стали называть первичным бульоном[1]. Расчёты показывали, что это могло произойти в течение нескольких сотен тысяч лет — всего лишь одно мгновение в масштабах геологического времени. После этого, говорится далее, случайные взаимодействия между органическими молекулами в конечном счёте приведут к образованию набора химических веществ, способного поглощать материал из окружающей среды и воспроизводиться — универсального общего предка. Теории утверждали, что при наличии достаточно продолжительного времени должно было произойти нечто подобное. Кстати, Смитсоновский институт зашёл настолько далеко, что снял фильм о телевизионном шеф-поваре Джулии Чайлд, которая смешивает первичный бульон у себя на кухне.

Существовало несколько вариантов сценария «первичного бульона»; все они были разработаны для того, чтобы пролить свет на процесс, посредством которого появился универсальный общий предок. Чарльз Дарвин, например, предположил, что жизнь могла зародиться в «маленьком тёплом водоёме». Следуя его примеру, некоторые учёные утверждали, что при каждом приливе вода, богатая органическими молекулами, попадала в замкнутый водоём. Затем вода могла бы испариться, оставив после себя органические молекулы. В итоге увеличение концентрации молекул в водоёме привело бы к появлению случайной комбинации, породившей первое живое существо.

Не заставили себя ждать и другие теоретические сценарии, которые разрабатывались, чтобы осуществить переход от существования строительных блоков к воспроизведению клеток. Например, было высказано предположение, что электрические заряды на поверхности глин, возможно, сыграли роль катализатора, запустившего первые химические реакции, необходимые для жизни. По мнению других теоретиков, каждый пузырёк океанской пены (или, в качестве альтернативы, каждую каплю жира в первичном бульоне) можно рассматривать как отдельный химический эксперимент, потому что разные капли содержат разный набор молекул. Согласно ещё одному сценарию, жизнь зародилась в небольшой полости в скале рядом с глубоководным океаническим горячим источником. (Преимущество этой схемы состоит в том, что первому общему предку не требовалось создавать клеточную мембрану или клеточную стенку, чтобы отделить живое от неживого, поскольку сама полость будет работать как своего рода клеточная мембрана.)

Все эти идеи о происхождении жизни можно классифицировать как теории «зафиксированной случайности». Основная идея заключается в том, что случайные расположения молекул продолжали появляться до тех пор, пока одна из них, чисто случайно, не оказалась способной к размножению. Как только это произошло, жизнь сменила тему, и на первый план вышел процесс естественного отбора. Взаиморасположение молекул, которое начало работать первым, было «зафиксировано», а конкуренты и опоздавшие остались глотать пыль.

Вы жили с зафиксированной случайностью на протяжении большей части своей жизни, хотя, возможно, и не осознавали этого. Посмотрите на клавиатуру вашего компьютера. Вы видите, что верхний ряд начинается с букв QWERTY? Эта так называемая QWERTY-клавиатура была разработана для замедления скорости набора текста, чтобы облегчить работу машин 19-го века. По сути, комбинация QWERTY оказалась зафиксированной, и хотя сегодня вместо кусочков металла мы перемещаем электроны, мы сохраняем оригинальную клавиатуру, потому что поменять всё, что с ней связано, было бы слишком сложно. Точно так же, как намекают эти теории, первая успешно размножающаяся клетка стала шаблоном для всей жизни — не потому, что этот дизайн был лучшим, а потому, что он был первым.

Мы могли бы продолжить перечислять теории «зафиксированной случайности», но думаем, что вы поняли саму идею. Эксперимент Миллера-Юри запустил настоящую лавину творчества в области идей о происхождении жизни. Но по мере того, как учёные узнавали всё больше и больше об основах химии жизни, в этой области начали доминировать два общих подхода — мы будем называть их «Мир РНК» и «Вначале был метаболизм».

Мир РНК

Современные клетки работают особым образом. Для запуска химических реакций, необходимых для поддержания жизни на Земле, требуется молекула под названием фермент. Ферменты в живых системах на Земле — это белки, и этот факт объясняет, почему эксперимент Миллера-Юри привлек так много внимания после публикации его результатов. В наших клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, составляющих наши белки, закодирована в сложной молекуле, которую мы называем ДНК, и эта информация переводится в белки другим набором сложных молекул, называемых РНК. Первый шаг в этом процессе включает считывание кода ДНК, а для этого требуются белки. Таким образом, у нас получается классическая дилемма курицы и яйца. Для расшифровки кода ДНК нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не будет расшифрован код ДНК.

Возможный способ обхода этой трудности появился в начале 1980-х годов, когда было обнаружено, что некоторые виды молекул РНК в дополнение к своей обычной роли в декодировании ДНК могут выступать в роли ферментов (специальный термин для этого вида РНК — рибозим). Это привело к появлению новой версии теории «застывшей случайности», где некое подобие РНК собралось случайно, а затем начало действовать и как фермент, и как шестерёнка в цепочке синтеза белка у первых форм жизни. Эта теория, получившая название «Мир РНК», вероятно, является самой распространённой теорией происхождения жизни среди современных учёных.

Ключевым моментом здесь является то, что, как только появится прото-РНК, примитивная клетка сможет использовать её для выживания и размножения. Следовательно, эта клетка стала бы универсальным общим предком. Затем на протяжении последующих миллиардов лет естественного отбора должна была развиться вся сложность современной клетки.

Вначале был метаболизм

Конкурирующая точка зрения сводит на нет всю идею «застывшей случайности». Мы можем назвать её «Вначале был метаболизм». Согласно этому сценарию, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ДНК или РНК, но запускала ряд простых химических реакций без помощи сложных ферментов за счёт каталитического действия малых молекул. Химия современной клетки развилась значительно позже благодаря стандартным процессам, связанным с естественным отбором.

Вот аналогия, которая может помочь наглядно представить себе, как работает эта концепция. Взглянем на Систему межштатных автомагистралей США. Она чрезвычайно сложна, требует наличия сети дорог, развитой отрасли, занимающейся поставками бензина, развитой отрасли, занимающейся автомобилестроением, и так далее. Если бы мы хотели объяснить, каким образом сформировалась система автодорог между штатами, существующая в наши дни, мы бы не начинали с существующих дорог и не пытались выяснить, каким образом они могли бы породить автомобили. Вместо этого мы углубились бы в прошлое, в доколумбову Америку, и взглянули на самую примитивную транспортную сеть, какой были пешеходные тропы коренных американцев. Мы поговорили бы о том, как они превратились в грунтовые дороги для фургонов, как появились первые примитивные автомобили, за которыми последовали асфальтовое покрытие и заправочные станции, и так далее. Следуя этой эволюционной линии аргументации, мы в конечном итоге дошли бы до современной системы во всей её сложности, не прибегая к помощи крайне маловероятных случайных событий.

Что из этого — «мир РНК» или «Вначале был метаболизм» — проявилось на ранней Земле раньше (если вообще проявлялось), нам ещё только предстоит выяснить. На данный момент всё, что мы можем сказать — это то, что в отношении пути возникновения жизни на нашей планете ясны лишь две вещи: (1) существовал обильный запас основных молекулярных строительных блоков, необходимых для создания живых систем, и (2) каким бы образом ни было собрано первое живое существо, оно было собрано быстро.

Способ зарождения жизни на Земле — будь то сценарий «мир РНК», или «вначале был метаболизм», или нечто совершенно иное, — не обязательно должен быть единственным способом возникновения жизни в иных местах Вселенной. Даже в мирах с океанами жидкой воды вполне могут существовать десятки, сотни или, возможно, даже миллионы способов зарождения жизни. В этих мирах могут существовать иные молекулы, несущие иной генетический код, и иные белки, управляющие химическими реакциями. В дальнейшем нам придётся постоянно оставаться начеку, чтобы избежать того, что мы можем назвать «земным шовинизмом» — представления о том, что жизнь в иных местах должна быть чем-то похожей на жизнь на Земле. Давайте рассмотрим некоторые из способов проявления таких различий.

Какие молекулы?

Даже жизнь, «похожая на нас», то есть, основанная на химических реакциях с участием соединений углерода, происходящих в среде из жидкой воды, не обязательно должна быть такой же, как жизнь, которая нам знакома. Чтобы привести всего лишь один пример, рассмотрим структуру белков — молекул, которые действуют как ферменты, управляющие химическими реакциями в земных живых системах. Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как аналог цепочки, в которой каждое звено представляет собой молекулу меньшего размера, называемую аминокислотой. Существует большое количество аминокислот, которые можно получить в лаборатории, и это открывает активно развивающуюся область для исследований белков, содержащих так называемые неприродные аминокислоты, которые можно использовать для чего угодно — от новых фармацевтических препаратов до биоразлагаемых контейнеров. Однако всё дело в том, что в земных живых системах присутствует лишь небольшое количество аминокислот (20 или 22, в зависимости от того, как вы хотите посчитать).

Почему? Может ли это быть результатом ещё одной «застывшей случайности» в начале нашей истории? Если это так, то мы могли бы ожидать, что живые организмы в других местах Вселенной будут использовать белки, составленные из аминокислот, отличных от наших собственных, и, следовательно, будут иметь совершенно иной химический состав. Но если бы существовала какая-то (пока ещё не открытая) причина, по которой именно тот набор аминокислот, который использует жизнь на Земле, давал бы огромное эволюционное преимущество, то мы ожидали бы, что вся жизнь на основе углерода в иных местах Вселенной будет работать с тем же генетическим кодом, что и у нас. Подобные вопросы можно задать в отношении практически любой особенности химического состава земной жизни.

Какая жидкость?

Вода — обычное вещество во Вселенной, но необходима ли она для жизни на основе углерода? Юпитер оказывается самым засушливым местом в нашей солнечной системе — настоящей пустыней Сахара планетарного масштаба. (И действительно, данные космического аппарата «Галилео» показывают, что процент водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставим с таковым в Сахаре.) Тем не менее, мы знаем, что в атмосфере Юпитера в результате взаимодействия, вызванного ультрафиолетовым излучением Солнца, образуются довольно сложные органические молекулы — такие, как бензол. Это означает, что сложные молекулы могут создаваться в средах, где не так много воды. Может ли такой процесс привести к реакциям типа Миллера-Юри и к появлению жизни?

Мы склонны обращать больше внимания на жизнь на основе воды, потому что это то, что мы знаем, и потому что вода — очень хорошая среда, в которой могут происходить химические реакции. В конце концов, если предполагается, что молекулы должны взаимодействовать, у них должна быть возможность перемещаться и собираться вместе, а это вне всяких сомнений возможно в жидкой среде. Но вода — не единственная жидкость вокруг нас. Например, на спутнике Сатурна Титане существуют океаны из жидкого этана и метана. Конечно же, химические реакции в ультрахолодных средах такого рода протекали бы очень медленно, но нет никаких оснований полагать, что земные временные рамки — это единственные, в которых может существовать жизнь. На другом конце диапазона возможных температур мы можем представить планеты, достаточно горячие, чтобы иметь океаны жидкой магмы (то есть, лавы). Знакомые нам молекулы не смогли бы выжить в такой жаре, но незнакомые смогли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы задаём больше вопросов, чем даём на них ответов.

Какие атомы?

Когда мы переходим к жизни, не похожей на нас, то есть к жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, вопросы становятся более фундаментальными. Мы обладаем достаточным объёмом знаний о том, как могли возникнуть основные строительные блоки жизни на основе углерода, но проводилось очень мало исследований в отношении того, как другие виды молекул могут быть основой для жизни. Однако нетрудно представить себе, как какой-нибудь учёный, собственная химия которого основана на кремнии (или, что вероятнее, на соединениях кремния), проводит аналог эксперимента Миллера-Юри, чтобы выяснить, как возник его/её тип жизни.

А если дело дойдёт до жизни, совершенно не похожей на нас, нам придется полностью отказаться от своего пристрастия к молекулярной химии — химические базовые строительные блоки здесь могут вообще не применяться. В главе 16, где обсуждается концепция электромагнитной жизни, мы отмечаем, что наши базовые представления о том, как работают электрические и магнитные поля, гораздо лучше, чем наше понимание молекулярной биохимии. Мы знаем, что движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, а изменяющиеся магнитные поля создают электрические поля. Однако эти базовые знания могут не особенно сильно помочь нам в объяснении какой-то сложной живой системы, которая может быть связана с такой картиной явлений электромагнитных взаимодействий.

Пока существуют процесс, посредством которого признаки передаются от одного поколения другому, и механизм, позволяющий эти признаки изменять, совершенно очевидно, что мы можем ожидать действия естественного отбора. Если жизнь основана на химии углерода или иного элемента, в окружающей среде всегда будут существовать агенты, способные создавать аналог мутаций — на ум приходят тепло, ультрафиолетовое излучение и химические реакции. При таком положении дел всегда будут существовать какие-то представители популяции, которые способны использовать окружающую среду лучше, чем остальные, и это всё, что необходимо для запуска процесса естественного отбора. Таким образом, наше предположение о жизни на экзопланетах по умолчанию состоит в том, что анализ, включающий дарвиновскую эволюцию — это как раз то место, с которого нужно начинать.

Важно подчеркнуть, что, хотя основным законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, будет естественный отбор, виды живых систем, создаваемых в соответствии с этим законом, будут сильно различаться в разных окружающих средах. Например, если бы жизнь развивалась во внешних слоях атмосферы газового гиганта, способность управлять парением могла бы дать преимущество, поскольку это позволило бы организму менять высоту полёта в поисках пищи (вспомните о нашем летающем драконе). С другой стороны, в мире, находящемся в приливном захвате (см. главу 10), способность противостоять интенсивным поверхностным ветрам может сделать выбор в пользу низкого роста и обтекаемого телосложения. В дальнейшем мы проанализируем окружающую среду на каждой из посещаемых нами экзопланет, и воспользуемся этим для определения направления, в котором с наибольшей степенью вероятности пойдёт естественный отбор.

Однако, сказав это, мы также должны признать, что гораздо интереснее будет представить себе ситуации, в которых дарвиновская эволюция может не сработать. Вот пара вариантов, до которых мы додумались.

Не существует отдельных организмов

Естественный отбор требует конкуренции между особями за ресурсы. А что, если форма жизни на экзопланете не состоит из отдельных индивидуумов, а представляет собой единое целое?

Самым крупным живым существом на Земле является гриб Armillaria ostoye, находящийся в Орегоне. Это единый организм, размеры которого превышают 2 мили (3 км) в поперечнике. Нетрудно представить такой организм, охватывающий целую планету. В этом случае попросту не было бы отдельных особей, которые могли бы конкурировать друг с другом. Означает ли это, что естественного отбора может не быть?

Это хитрый вопрос, и он требует хитрого анализа. Упомянутый выше гриб состоит из клеток, которые делятся по мере роста организма — это процесс, на который могут повлиять упомянутые выше факторы окружающей среды. Аналогичный процесс должен был бы происходить в некоем организме, выросшем до всепланетного размера. Если бы существовал также какой-то аналог мутации, возникшей в процессе клеточного деления, у нас могла бы возникнуть ситуация, при которой клетки в разных областях организма обладали бы разными способностями к использованию окружающей среды. Иными словами, вместо того, чтобы воздействовать на разных особей, в том мире естественный отбор будет воздействовать на разные части одной и той же особи.

Единственный способ обойти этот аргумент — это предположить, что сложный организм, охватывающий всю планету спонтанно возник полностью сформировавшимся. Однако такая возможность настолько маловероятна, что мы не побоимся просто проигнорировать её.

Планета Совершенство

Главное обстоятельство, поддерживающее естественный отбор на Земле, — это тот факт, что поверхность планеты постоянно меняется под воздействием бурного движения вещества в мантии. Таким образом, земные живые системы всё время играют в догонялки, постоянно пытаясь приспособиться к новой среде. Но что, если бы существовала планета, в которой эта ситуация не действует? Что, если бы была такая экзопланета, где всё оставалось неизменным на протяжении миллиардов лет?

Как только жизнь зародится в таком месте, как это — давайте назовём его «планета Совершенство», — она будет эволюционировать в соответствии с законами естественного отбора до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, после чего эволюционное давление исчезнет. Дело не в том, что мутации перестали бы появляться — они продолжали бы возникать в своём обычном темпе. Просто ни одна мутация не смогла бы улучшить ситуацию для жизни на планете Совершенство, поэтому они бы угасали, а жизнь оказалась бы в состоянии застоя.

Это не так уж сильно отличается от ситуации на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает то, что немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878-1958) назвал «обнадёживающим монстром». Многие из таких «монстров» обладают мутациями, которые не повышают их шансы на выживание, поэтому через несколько поколений мутации исчезают. Нетрудно экстраполировать эту ситуацию на ту, при которой исчезают все обнадёживающие монстры, и это то, что мы открыли бы на планете Совершенство, если предположить, что она существует.

Смысл этих двух примеров состоит в том, чтобы просто проиллюстрировать тот факт, что, когда мы отправляемся в галактику для исследования жизни, мы должны непредвзято относиться почти ко всем правилам, которыми будем пользоваться. Да будет так. Так уж устроена вселенная. Так что давайте сначала воздадим ей должное, а уже потом будем ею наслаждаться.