Возникновение жизни

---

Что такое жизнь? Говорить, что жизнь можно сразу узнать, как только увидишь её воочию - довольно бессмысленно.

Какие бы характерные свойства мы ни приписывали одушевленным организмам Земли в отличие от неодушевленных, мы всегда умудряемся найти пример того, как эта грань между ними теряет однозначность или вообще стирается.

Живое и не живое

Некоторые или все живые существа растут, движутся или разлагаются, но это может происходить и с предметами, которые мы бы никогда не назвали живыми.

• Основные теории
• Что было до...

Жизнь — она воспроизводится?

Но это делает и огонь.

Жизнь — она эволюционирует, чтобы создавать новые формы самой себя?

Но так делают и определенные кристаллы, помещенные в водный раствор.

Мы можем утверждать, что некоторые формы жизни можно опознать при первом же взгляде на них — вы же не будете сомневаться, увидев орла или лосося, что они живые?

Этапы возникновения жизни по И. А. Опарину

Но любой, кто более или менее знаком с потрясающим разнообразием жизни на планете Земля, признает: многие живые создания могут оставаться неузнанными на протяжении очень долгого времени, пока сочетание удачи и опыта специалиста не помогут обнаружить в них жизнь.

Так как жизнь коротка, нам приходится двигаться вперед, вооружившись сработанным на скорую руку и в целом подходящим для наших нужд описанием жизни.

Вот таким: жизнь состоит из наборов объектов, которые могут одновременно воспроизводиться и эволюционировать.

Мы не можем называть группу объектов живыми только потому, что они умеют количественно размножаться.

Чтобы считаться формой жизни, они также должны преобразовываться в новые формы с течением времени. Такое определение сводит на нет возможность того, что живым может называться какой-либо единичный объект. Вместо этого мы должны изучать диапазон объектов в пространстве, отслеживая их существование во времени. Подобное определение жизни может в будущем оказаться слишком ограничивающим, но пока мы с вами будем пользоваться именно им.

Изучая одну форму жизни на нашей планете за другой, биологи обнаружили некое общее характерное для земной жизни свойство.

Вещество, из которого сделано каждое живое существо на Земле, состоит в основном всего лишь из четырех химических элементов: водорода, кислорода, углерода и азота.

Все другие элементы, вместе взятые, составляют менее 1 % массы любого живого организма. Помимо этой великолепной четверки, в больших и малых созданиях нашей планеты можно найти немного фосфора, который считается среди прочих элементов самым важным и без которого некоторые формы жизни невозможны в принципе, а также серу, соду, магний, хлор, калий, кальций и железо.

Но можем ли мы на основе данной особенности земной жизни сделать вывод, что она характерна и для внеземных форм жизни в других регионах космоса?

Четыре химических элемента, которые образуют всю основную жизнь на Земле, входят в список из шести самых распространенных элементов Вселенной как таковой. Так как два других элемента из этого списка — гелий и неон — практически никогда не соединяются с другими элементами, получается, что жизнь на Земле состоит из самых распространенных и химически активных ингредиентов всего космоса вообще.

Среди всех возможных предположений о том, из чего образуются живые структуры в других мирах, идея, что их жизнь должна состоять из более или менее тех же элементов, что и земная, кажется самой очевидной. Если бы жизнь на нашей планете состояла преимущественно из четырех самых редких элементов Вселенной — ниобия, висмута, галлия и плутония, — то у нас был бы все основания подозревать, что мы представляем собой нечто особенное в этой Вселенной.

Но вместо этого химический состав жизни на Земле оптимистично подсказывает нам, что вероятность существования жизни за пределами нашей планеты как минимум нельзя сбрасывать со счетов.

Если бы мы жили на планете, сделанной преимущественно из водорода, кислорода, углерода и азота, тогда сам факт, что живущие на ней организмы тоже состоят из этих же четырех элементов, вряд ли бы нас сильно удивил.

Гипотеза биохимической эволюции

Но Земля состоит в основном из кислорода, железа, кремния и магния, а ее ближайшие к поверхности слои — из кислорода, кремния, алюминия и железа.

Только один из этих химических элементов — кислород — входит в список самых распространенных во Вселенной.

Когда мы заглядываем в земные океаны, почти целиком сделанные из водорода и кислорода, нам кажется удивительным, что в список самых распространенных в мире элементов также входят углерод и азот, а не хлор, сода, сера, кальций или калий, которые являются самыми распространенными элементами из растворенных в океанической воде.

Распределение элементов в живых организмах на Земле напоминает состав звезд — и гораздо больше, чем оно напоминает состав самой Земли.

В результате получается, что образующие жизнь элементы гораздо более распространены во Вселенной, чем элементы, входящие в состав планеты Земля. А это уже неплохая точка отсчета для тех, кто надеется найти жизнь в самых разных совокупностях условий, возможно не похожих одна на другую.

Установив, что сырья для создания жизни во всей Вселенной более чем предостаточно, мы можем задаться вопросом: как часто наличие этого сырья, удобного места в космосе, где это сырье могло бы скопиться в достаточном количестве, и удобного источника энергии в виде расположенной поблизости звезды приводит к зарождению и существованию жизни?

Когда-нибудь, когда под рукой у нас будет список возможных территорий для существования жизни в окрестностях Солнца, мы сможем ответить на этот вопрос статистически точно.

Но пока этих данных у нас нет, придется снова пойти в обход и спросить себя: откуда взялась жизнь на планете Земля?

Возникновение жизни на Земле покрыто пеленой недостоверности. Наше невежество в данном вопросе является результатом не в последнюю очередь того, что те таинственные события явления, которые вдохнули жизнь в ранее неодушевленное вещество миллиарды лет назад, не оставили за собой никаких определенных следов.

Для прошлого, насчитывающего более 4 миллиардов лет, палеонтологического и геологического наследия просто не существует.

При этом большинство палеобиологов — ученых, занимающихся воссозданием жизни, существовавшей в давно ушедшие эпохи, — считает, что первые формы жизни появились на нашей планете именно в эту эпоху в истории Солнечной системы — от 4,6 до 4 миллиардов лет назад, то есть в первые 600 миллионов лет после образования Солнца и его планет.

Отсутствие любых геологических вещественных доказательств, датируемых более чем 4 миллиардами лет назад, связано с движениями земной коры, которое называется континентальным дрейфом или, как принято в научных кругах, тектоникой плит.

Эти движения, вызванные теплом, поднимающимся из недр Земли, постоянно заставляют сегменты коры нашей планеты — плиты — скользить, сталкиваться и наезжать друг на друга. Тектонические движения плит медленно и неумолимо погребли под собой все, что когда-то лежало на самой поверхности Земли.

В результате нам осталось совсем немного скальных пород и камней возрастом более 2 миллиардов лет — и ни одного, которому было бы в принципе больше 3,8 миллиарда лет. Этот факт в сочетании с разумным заключением о том, что самые первые примитивные формы жизни имели весьма мало шансов оставить за собой палеонтологические следы, оставил нашу планету без малейшего надежного источника информации о том, какой была жизнь на Земле в первые 1 или 2 миллиарда лет ее истории.

Самым древним подтвержденным источникам информации о земной жизни, что у нас есть, «всего» 2,7 миллиарда лет, а несколько косвенных улик позволяют предположить, что жизнь уже существовала еще 1 миллиардом лет ранее.

Большинство палеонтологов считает, что жизнь возникла на Земле не менее 3 миллиардов лет назад, но вполне возможно, что и более 4 миллиардов лет назад — в первые 600 миллионов лет после образования нашей планеты.

Их заключение основано на определенном справедливом предположении о примитивных организмах. Во времена чуть менее 3 миллиардов лет назад в атмосфере Земли начало основательно повышаться содержание кислорода. Мы знаем это из геологического профиля планеты, который не зависит от наличия каких-либо древних окаменелостей или других палеонтологических свидетельств: кислород вызывает медленное ржавление — коррозию — насыщенных железом скал, что придает им чудесный красный оттенок вроде того, которым славятся знаменитые скалы Большого каньона в Аризоне.

Каменистые породы «предкислородной» эпохи такого цвета не бывают — как и, впрочем, не выказывают других явных признаков наличия этого элемента.

Кислород, как загрязнение

Появление атмосферного кислорода сыграло роль величайшего «загрязнения» атмосферы в истории Земли.

Атмосферный кислород способен не только на химическую реакцию с железом, он также отбирает питание из (метафорических) ртов примитивных организмов, соединяясь со всеми простыми молекулами, которые в исходном своем виде могли бы стать питательными элементами для ранних форм жизни. Таким образом, появление кислорода в атмосфере Земли стало поводом для уже существовавших на планете форм жизни пересмотреть свою философию и либо адаптироваться, либо умереть.

Возникновение жизни

Это также означает, что, если бы на тот момент жизни еще не было, она уже никогда не возникла бы, ведь гипотетическим новообразовавшимся организмам было бы нечего есть: их еда уже окислилась бы и заржавела.

Эволюционная адаптация к этому загрязнению неплохо сработала во многих случаях: дышащие кислородом животные отличное тому подтверждение. Идея полностью спрятаться от кислорода тоже оказалась удачной: и по сей день в желудке каждого животного, включая человека, живут миллиарды организмов, которые успешно плодятся в этой гипоксической (бескислородной) среде, но гибнут, стоит им оказаться на воздухе.

Что насытило атмосферу Земли кислородом?

Большая его часть появилась от крошечных организмов, которыми полнились моря: они производили кислород в процессе фотосинтеза. Какое-то количество кислорода появилось бы на Земле и в условиях полного отсутствия жизни: ультрафиолет из солнечного света разбивал некоторое количество молекул О на поверхностях океанов, высвобождая атомы водорода и кислорода и насыщая ими воздух.

Каждый раз, когда значительный объем жидких вод планеты подвергается воздействию звездного цвета, атмосфера этой планеты, как и в случае с земной, начинает обогащаться кислородом.

На это уходят сотни миллионов или даже миллиарды лет. Там наличие атмосферного кислорода не даст возникнуть жизни, так как его атомы соединятся с атомами всех остальных потенциально питательных веществ, которыми могли бы угощаться эти формы жизни. То есть кислород убивает! А ведь мы привыкли думать об этом химическом элементе периодической таблицы совсем по-другому, однако для космоса в целом справедливо следующее заключение:

жизнь должна начаться на ранних этапах истории планеты, иначе в ее атмосфере рано или поздно появится кислород — и сделает это невозможным.

Отсутствующая в геологическом профиле планеты эпоха соответствует времени так называемой бомбардировки, которая продолжалась в те ключевые первые несколько сотен миллионов лет после образования Земли. Вся поверхность планеты тогда подвергалась непрекращающимся ударам космических объектов.

В те несколько сотен тысяч тысячелетий падающие на Землю объекты размером с тот метеорит, что оставил за собой знаменитый Аризонский кратер, ударялись об нее несколько раз в столетие, а еще более крупные объекты — до нескольких миль в диаметре — сталкивались с нашей планетой каждые несколько тысяч лет. Каждое из таких основательных столкновений приводило к вынужденным ландшафтным работам локального характера, и сотни тысяч подобных инцидентов сыграли глобальную роль в формировании топографии нашей планеты.

Как все это повлияло на зарождение жизни?

Биологи утверждают, что подобная агрессия со стороны космоса могла быть причиной как зарождения жизни, так и ее конца, причем неоднократно.

Большинство падающего на Землю космического материала во времена бомбардировки состояло из комет, которые, по сути, представляют собой большие снежки с некоторым количеством камня и грязи. Их кометный «снег» состоит из замерзшей воды и замерзшего же углекислого газа, который многие из нас привыкли называть «сухим льдом».

Вдобавок к снегу, песку и камням с высоким содержанием минералов и металлов, в кометах, которые бомбардировали Землю в первые несколько сотен миллионов лет ее истории, содержалось множество разнообразных малых молекул, таких как метан, аммиак, метиловый спирт, цианистый водород и формальдегид. Эти молекулы наряду с водой, моноокисью углерода (угарный газ) и углекислым газом и стали основным сырьем создания жизни.

Все они состоят из водорода, углерода, азота и кислорода, и все они представляют собой первые шаги в формировании более сложных молекул.

Получается, что кометная бомбардировка обеспечила Землю некоторым запасом воды ее морей и океанов и тем сырьем, из которого затем могла возникнуть жизнь.

Да и сама жизнь могла прибыть к нам на Землю на борту этих комет, хотя их низкая температура (как правило, составляющая несколько сотен градусов ниже нуля по шкале Фаренгейта) противоречит логике образования действительно сложных молекул. Но независимо от того, прибыла ли жизнь на Землю с кометами или нет, сами кометы вполне могли не раз оказаться причиной ее уничтожения.

Жизнь, по меньшей мере в своих самых примитивных формах, могла начинаться «урывками» — снова и снова, раз за разом, и каждый новый комплект организмов мог выживать на протяжении нескольких сотен тысяч или даже миллионов лет, пока столкновение планеты с особенно крупным космическим объектом не опустошало ее, уничтожая все живое, которому через какое-то время предстояло появиться вновь, чтобы вновь быть уничтоженным…

На основании двух установленных фактов у нас есть возможность с довольно высокой долей уверенности утверждать, что такое возникновение жизни «урывками» действительно имело место быть.

Во-первых, жизнь на нашей планете появилась скорее рано, чем поздно, — в первую треть имеющейся на сегодня истории Земли. Если жизнь смогла появиться — и появилась — за один миллиард лет, то есть некоторая вероятность того, что она могла сделать это и за более короткий срок. Вполне возможно, что на возникновение жизни нужно не более нескольких миллионов или, может, десятков миллионов лет.

Во-вторых, мы знаем, что столкновения между крупными объектами и Землей раз в несколько десятков миллионов лет действительно уничтожали большинство видов живых существ, обитавших на нашей планете.

 

Самый известный подобный случай — это исчезновение жизни в мелово-третичный период 65 миллионов лет назад: тогда погибли все нелетающие динозавры и огромное количество других видов.

Правда, даже это массовое вымирание не дотягивает до самого масштабного из известных истории: в пермотриасовый период 252 миллиона лет назад исчезло почти 90 % всех форм морской жизни и 70 % всех наземных позвоночных — в качестве преобладающей формы жизни на Земле тогда остались грибы.

И мелово-третичное, и пермотриасовое исчезновение видов произошли в результате столкновений с Землей объектов шириной до двух десятков миль. Геологи обнаружили громадный кратер возрастом 65 миллионов лет, чье образование совпадает с мелово-третичным исчезновением видов.

Этот кратер тянется через северную часть полуострова Юкатан и уходит в морское дно. Крупный кратер того же возраста, что и пермотриасовый инцидент, тоже существует: он был найден у северо-западного побережья Австралии. Но столь массовое вымирание могло стать результатом не только столкновений, как таковых, но и еще каких-то факторов, например постоянных извержений вулканов.

Даже один-единственный пример исчезновения динозавров в мелово-третичную эпоху напоминает нам о том, какой огромный ущерб может нанести жизни на Земле комета астероид. В эпоху бомбардировки Земля должна была регулярно содрогаться не только от подобных событий, но и от гораздо более серьезных последствий столкновений с объектами диаметром по 50, 100 или даже 250 километров каждый.

Каждая подобная встреча, должно быть, уничтожала земную жизнь если и не подчистую, то оставляя в живых лишь крошечный процент обитателей — и эти встречи должны были приключаться гораздо чаще, чем в нынешнее время происходят столкновения с десятикилометровыми объектами.

Наши текущие знания в области астрономии, биологии, химии и геологии указывают на то, что на ранних стадиях своего существования Земля была способна создавать жизнь, а ее космическое окружение было способно эту жизнь уничтожать. И если где-то относительно недавно сформировалась какая-нибудь звезда, а вокруг нее — несколько планет, то вполне возможно, что они сейчас подвергаются со стороны останков этого формирования интенсивной бомбардировке, которая уничтожает все формы жизни на этой далекой планете.

Более 4 миллиардов лет назад большая часть строительного материала, оставшегося от образования Солнечной системы, либо столкнулась с планетами (и осталась на них), либо переместилась на орбиты, на которых столкновения не происходят.

В результате наша космическая община понемногу сменила политику бесперебойной бомбардировки на политику всеобщего мира и спокойствия, которыми мы и имеем удовольствие наслаждаться сегодня. Лишь раз в несколько десятков или сотен миллионов лет столкновения с объектами, достаточно крупными для того, чтобы представлять собой угрозу жизни на Земле, все еще происходят.

Оценить древнюю и неисчезающую угрозу, исходящую от космических агрессоров, можно, взглянув на полную Луну.

Огромные равнины из лавы, из которых получилось «лицо» на поверхности Луны, являются результатами громадных внешних воздействий около 4 миллиардов лет назад: тогда как раз завершилась эпоха бомбардирования. В то же время кратер Тихо шириной 55 миль появился вследствие менее значительного по силе, но все еще очень значительного по сути своей события, произошедшего вскоре после того, как с лица Земли пропали динозавры.

Мы не знаем, существовала ли жизнь 4 миллиарда лет назад, стойко преодолевая бомбардировку, или же зародилась только по окончании тех смутных времен, когда наступило относительное затишье.

Но и в том и в другом случае резонно будет признать, что падающие на Землю объекты могли принести с собой семена жизни.

• Панспермия
• Жизнь на астероиде
• Откуда жизнь?

Если жизнь возникала и исчезала раз за разом, пока с небес сыпался смертельный дождь из булыжников, то процессы ее становления должны быть весьма жизнестойкими и мы можем обоснованно предполагать, что те же процессы могут протекать вновь и вновь и в других мирах, подобных нашему. Если же жизнь на Земле возникла лишь однажды — сама по себе или в результате космического оплодотворения, — то само это возникновение вполне можно рассматривать как невероятно удачное стечение обстоятельств.

Так иначе, ключевой вопрос о том, как возникла жизнь на Земле и сколько раз это произошло, остается без уверенного ответа, хотя разговоры и размышления об этом уже давно обрели свою собственную долгую и местами удивительную историю. 

Ученые стремятся копать как можно глубже, проводя лабораторные эксперименты и изучая имеющийся у них палеонтологический профиль, представленный различными окаменелостями, чтобы как можно точнее определить ту границу, что разделяет одушевленное и неодушевленное, и понять, как смогла природа преодолеть эту границу, пока больше напоминающую не узкую канаву, но громадную пропасть.

Ранние научные рассуждения о возникновении жизни ссылались на взаимодействие простых молекул, сконцентрированных в водоемах приливных бассейнах, вследствие чего постепенно образовывались все более сложные молекул. В 1871 году, через 12 лет после издания замечательной книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов», в которой он рассматривал вероятность того, что «все органические существа, когда-либо жившие на Земле, могли произойти от одной первобытной формы», Дарвин написал своему приятелю Джозефу Хукеру следующее:

«…Часто говорят, что все условия для первого появления живого организма существуют сейчас и что они могли существовать всегда. На если бы сейчас (и ах — какое большое „если бы“!) в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном для воздействия света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то в наши дни такое вещество было бы незамедлительно поглощено, а ведь такое не могло случиться тогда, иначе жизнь так никогда и не сформировалась бы».

Другими словами, в те времена, когда Земля созрела для создания жизни, базовые соединения, необходимые обмена веществ, могли существовать в избытке, и при этом не было ничего, что могло бы съесть их.

И кислорода, который мог бы соединиться с ними и испортить их потенциальные питательные свойства, тоже еще не было.

С наручной точки зрения ничто не может быть успешнее экспериментов, которые можно сравнить с реальностью.

Эксперимент с жизнью

В 1953 году, стремясь протестировать идею Дарвина о зарождении жизни в водоемах и приливных бассейнах, аспирант Чикагского университета Стэнли Миллер и его руководитель, нобелевский лауреат Гарольд Юри, провели известный эксперимент, в рамках которого в сильно упрощенном и гипотетическом водоеме воссоздали условия ранней Земли.

Миллер и Юри частично заполнили лабораторную колбу водой и добавили туда газовую смесь из водного пара, водорода, аммиака и метана. Они нагрели флягу снизу, выпарив некоторое количество ее содержимого, и отправили его по стеклянной трубке в другую колбу, где электрический разряд имитировал молнию.

После этого смесь возвращалась в первую колбу, завершая этим цикл событий, которые затем повторялись в течение нескольких дней (нет, не нескольких тысяч лет, конечно). По прошествии этого скромного промежутка времени Миллер и Юри обнаружили, что вода в нижней части колбы содержит в себе вязкий «органический продукт» — химическое соединение из множества сложных молекул, включая различные виды сахара и две простейшие аминокислоты: аланин и гуанин. Молекулы белка состоят из 22 аминокислот, соединенных друг с другом в форме различных структур, а эксперимент Миллера — Юри за удивительно короткий промежуток времени провел нас от ряда простейших молекул до формирования первых аминокислот, молекулы которых являются строительными кирпичиками живых организмов.

В результате эксперимента Миллера — Юри были также получены в меру сложные молекулы, которые называются нуклеотидами: они являются ключевым структурным элементом ДНК — той огромной белковой молекулы, которая несет в себе указания по формированию новых копий живого организма.

И все же до возникновения жизни в искусственно созданных в лаборатории условиях нам еще очень и очень далеко.

Огромная и очень важная пропасть, которую пока не смогли преодолеть ни один человеческий эксперимент человеческое изобретение, разделяет образование аминокислот — пусть даже их было бы все 20, чего добиться нам, кстати, не удается, — и возникновение жизни.

Молекулы аминокислот были также обнаружены в самых древних и наименее подвергнувшихся изменениям метеоритах, которые предположительно оставались в практически первозданной форме на протяжении всех 4,6 миллиарда лет истории Солнечной системы.

Это поддерживает общее заключение о том, что аминокислоты могут образовываться в результате естественных процессов в самых разных условиях. По сути, результаты эксперимента не являются шокирующими и даже в целом удивительными: более простые молекулы, которые входят в состав живых организмов, образуются в ряде ситуаций довольно быстро, но о жизни как таковой этого сказать нельзя.

В 2015 году – кембриджский профессор Джон Сазерленд (John Sutherland) со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси – циановодород и сероводород, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остается добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, – такие как фосфаты, соли меди и железа. Ученые построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нем появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция.

Гипотезу абиогенного происхождения жизни из «органического бульона», которую проверили эксперименты Миллера и Юри, выдвинул в 1924 году советский биохимик Александр Опарин. И хотя в «темные годы» расцвета лысенковщины ученый принял сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания роли академика имя его носит главная награда, вручаемая Международным научным обществом изучения возникновения жизни (ISSOL), – Медаль Опарина. Премия присуждается каждые шесть лет, и в разное время ее удостаивались и Стэнли Миллер, и великий исследователь хромосом, Нобелевский лауреат Джек Шостак. Признавая громадный вклад и Гарольда Юри, в промежутках между вручениями Медали Опарина ISSOL (тоже каждые шесть лет) присуждает Медаль Юри. Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия – с изменчивым названием.

Ключевой вопрос все еще оставлен без ответа...

Как группа молекул, пусть даже идеально подготовленная для зарождения жизни, провоцирует в итоге возникновение этой самой жизни?

Поскольку у Земли в ее детстве было не просто много недель, но много миллионов лет на создание жизни, эксперимент Миллера — Юри в целом поддержал модель возникновения жизни в водоемах. Сегодня же большинство ученых, озабоченных обретением знаний о том, как зародилась жизнь, считают данный эксперимент слишком ограниченным, чтобы опираться на его результаты.

Такое изменение отношения к эксперименту вызвано не сомнительностью его результатов, скорее осознанием потенциальных изъянов в гипотезе, на которую он ссылается. Чтобы понять, в чем заключается этот изъян, нам следует обратиться к современной биологии, которая сможет рассказать нам кое-что о древнейших формах земной жизни.

Сегодня эволюционная биология опирается на тщательное изучение сходств и различий между живыми существами с точки зрения их молекул ДНК и РНК, в которых содержится информация о том, как этому организму функционировать и размножаться. Внимательное сравнение этих относительно огромных и сложных молекул позволило биологам, среди которых великим первопроходцем был Карл Безе, создать эволюционное древо жизни, которое демонстрирует так называемые эволюционные расстояния между различными формами жизни, определенные на основании того, насколько различаются молекулы ДНК и РНК этих форм жизни.

Это древо жизни насчитывает три ветви-домена: археи, бактерии и эукариоты — они заменили собой биологические царства, которые ранее считались фундаментальными в классификации жизни на Земле. В класс эукариотов входят все организмы, индивидуальные клетки которых отличаются четко определенным центром, или ядром, внутри которого содержится генетический материал, управляющий размножением этих клеток.

Это свойство делает эукариотов сложнее двух других классов. Действительно, все формы жизни, знакомые обывателю, относятся к этой ветви древа. Мы можем с уверенностью утверждать, что эукариоты появились позднее, чем археи или бактерии. Так как бактерии расположены дальше от истоков древа жизни (то есть от его корней), чем археи (по той простой причине, что их ДНК и РНК претерпели более явные изменения), археи, как и подразумевает их название, почти наверняка представляют собой наиболее древнюю — архаичную — форму жизни.

Жизнь для экстремалов

Вот теперь и сюрприз: в отличие от бактерий и эукариотов, класс архей состоит преимущественно из экстремофилов — организмов, которые любят жить и живут в любви в том, что мы называем экстремальными условиями:

температура не ниже (!) точки кипения воды, высокая кислотность и прочие обстоятельства, в которых другие формы жизни погибают.

Безусловно, если бы у экстремофилов были свои собственные биологи, они бы считали себя нормальными, а всех тех, кто предпочитает жить при комнатной температуре, — экстремофилами. Современные исследования такого древа жизни предполагают, что жизнь началась с экстремофилов и только позднее эволюционировала до тех форм жизни, которые выигрывают от того, что мы называем нормальными условиями.

• Большой скачок
• Жизнь вопреки

В таком случае «небольшому теплому водоему» Дарвина вместе с приливными бассейнами, воссозданными в эксперименте Миллера — Юри, не остается ничего другого, как испариться, пополнив собой водянистый туман отвергнутых гипотез. И никаких вам путешествий пара туда-сюда с постепенным его химическим обогащением. Вместо этого придется искать истоки жизни в тех местах, где из-под земли вырывается невероятно горячая вода — возможно, с множеством различных кислот в своем составе.

За последние несколько десятилетий океанографам удалось обнаружить несколько подобных мест, а также страннейшие формы жизни, которые в них развиваются.

В 1977 году два океанографа, испытывающие исследовательский аппарат для глубоководных погружений, обнаружили первые отверстия в дне Тихого океана в полутора милях от его поверхности неподалеку от Галапагосских островов. В районе этих отверстий земная кора напоминает кухонную плиту, создавая высокий уровень давления внутри тяжелого и прочного котла с фиксируемой крышкой и нагревая воду выше ее обычной температуры кипения, но не давая ей выкипеть совсем.

Как только крышка частично приподнимается, сжатая и исключительно горячая вода выплескивается из-под земной коры в холодный бассейн океана.

Такая горячая морская вода, вырывающаяся из этих отверстий, содержит в себе растворенные минералы, которые быстро скапливаются и затвердевают, окружая отверстия огромными пористыми каменными трубами — раскаленными внутри и более прохладными по краям, — которые и пребывают в контакте с морской водой. В создавшемся температурном диапазоне обитают бесчисленные формы жизни, никогда не видевшие солнца и ничего не знающие о нагревании за счет солнечного света, хотя для жизни им действительно необходим кислород, растворенный в морской воде.

Этот кислород, в свою очередь, получается в результате жизнедеятельности организмов, обитающих ближе к поверхности воды.

Эти стойкие создания живут за счет геотермальной энергии, тепло которой включает себя как тепло из остатков энергии образования Земли, так и тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде нестабильных изотопов вроде алюминия-26, который занимает миллионы лет, калия-40, полураспад которого длится несколько миллиардов лет.

Около этих геотермальных отверстий, намного ниже глубины, на которую может проникнуть солнечный свет, океанографы обнаружили огромных трубчатых червей длиной с человека, прекрасно живущих среди целых колоний бактерий и других существ поменьше. Вместо того чтобы набираться энергии у солнца, как это делают растения, способные на фотосинтез, эти глубинные формы жизни опираются на хемосинтез, в процессе которого энергия создается за счет текущих химических реакций, которые, в свою очередь, зависят от геотермального тепла.

Как работает этот хемосинтез?

Горячая вода, вырывающаяся из-под морского дна, наполнена соединениями водорода с серой и водорода с железом. Бактерии, скопившиеся у таких геотермальных источников, соединяют эти молекулы с атомами водорода и кислорода из молекул воды и с атомами углерода и кислорода из молекул углекислого газа, растворенного в воде.

• Хемосинтез
• Хемосинтез и Фотосинтез

В результате этих реакций из углерода, кислорода и водорода образуются более крупные молекулы — углеводы. Таким образом, бактерии, обитающие у источников такой насыщенной минералами горячей воды, ведут себя сродни своим родственникам, что живут ближе к поверхности океана, — ведь те тоже умеют синтезировать углеводы из углерода, кислорода и водорода.

Одни микроорганизмы черпают для этого синтеза энергию у солнца, а другие — из химических реакций, происходящих на морском дне. Поблизости от геотермальных источников другие организмы поглощают бактерии, производящие углеводы, потребляя их энергетическое содержимое тем же образом, что и животные, которые едят растения других животных, в свою очередь, поедающих растения.

Но химические реакции у глубоководных отверстий способны не только производить молекулы углеводов. Атомы железа и серы, которых в молекуле углевода нет, соединяются в свои собственные молекулы, в первую очередь в кристаллы железного колчедана, известного как «золото дураков» «кошачье золото».

Древние греки называли его «огненным камнем» — если хорошенько стукнуть по нему другим камнем, из железного колчедана можно высечь искры.

Железный колчедан — самый распространенный минерал с содержанием серы на Земле — мог сыграть важнейшую роль в возникновении жизни на нашей планете, провоцируя образование углеводообразных молекул.

Данная гипотеза родилась в уме немецкого адвоката, ведущего патентные дела, и по совместительству биолога-любителя Гюнтера Вехтерсхойзера: его профессия вряд ли является противопоказанием против теоретизирования в области биологии, ведь не помешала же Эйнштейну его основная работа заниматься физикой! (Правда, следует отметить, что у Эйнштейна все же был диплом по физике — и хороший диплом, в то время как Вехтерсхойзер был в основном самоучкой в областях биологии и химии.)

В 1994 году Вехтерсхойзер предположил, что поверхности кристаллов железного колчедана, которые образуются естественным образом из атомов железа и серы, выброшенных в воды первозданных океанов из-под земной коры, могли бы стать естественными площадками для скапливания на них молекул с высоким содержанием углерода.

Как и те, кто придерживался гипотезы о зарождении жизни в водоемах и приливных бассейнах, Вехтерсхойзер не мог четко продемонстрировать, как был осуществлен переход от молекулярного сырья к полноценным живым организмам. Тем не менее, учитывая его акцент на высокотемпературных условиях зарождения первых форм жизни, он вполне может быть на верном пути — во что лично он верит.

Ссылаясь на высокоорганизованную структуру кристаллов железного колчедана, на чьих поверхностях могла гипотетически зародиться первая жизнь, Вехтерсхойзер осаживал критиков своей теории на научных конференциях громким заявлением: «Некоторые говорят, что жизнь — это способ упорядочить хаос, а я говорю — это упорядочение порядка, зарожденного в порядке!» Выдаваемое с характерным немецким оживлением, это заявление имеет определенный резонанс — но лишь время покажет, насколько оно верно.

Так какая же из базовых моделей происхождения жизни с большей вероятностью окажется верной: приливные бассейны на краю океана или разгоряченные источники на его дне?

На данный момент ставки на обе модели примерно равны.

Эксперты по вопросам зарождения жизни не раз бросали вызов утверждению о том, что самые древние формы жизни на Земле в условиях высоких температур; как-никак древо жизни и размещение на нем разных организмов в разных точках сегодня все еще является объектом обсуждений и сомнений.

Вдобавок компьютерные программы, отслеживающие количество химических соединений разного типа, существовавших в древних молекулах РНК (которые, судя по всему, появились в мире раньше молекул ДНК), сообщают: химические соединения, которым благоприятствуют высокие температуры, появились на Земле только после того, как было написано уже несколько страниц истории ее биологической жизни, протекавшей при относительно низких температурах.

Таким образом, результат исследований, как это нередко приключается в науке, не понравится тем, кто жаждет определенности.

Хотя мы можем выразить довольно уверенное предположение о том, когда именно на Земле появилась жизнь, мы не знаем, где и как произошло это замечательное событие.

Недавно палеобиологи наделили этого ускользающего от них дальнего предка всех форм жизни на Земле именем последнего всеобщего (или универсального) предка.

Обратите внимание, как велико мнение этих ученых о нашей планете: вместо того чтобы ограничиться последним земным общим предком, они замахнулись на вселенскую универсальность той жизни, что зародилась на Земле. На данный момент подобрать имя этому предку — совокупности примитивных организмов, обладавших идентичными генами, — не самое большое достижение, пожалуй, на том долгом и трудном пути, что еще предстоит пройти нам, прежде чем мы сможем действительно приоткрыть завесу тайны, окружающую возникновение земной жизни.

От ответа на вопрос о возникновении жизни зависит не только удовлетворение природного любопытства человека.

Разные ее истоки означают лишь то, что и здесь, и в других уголках космоса жизнь могла по-разному зародиться, по-разному эволюционировать и по-разному удержаться в мире. Например, земные океаны могут быть самой стабильной экосистемой на нашей планете.

Если огромный астероид врежется в Землю и уничтожит всю наземную жизнь, все океанические экстремофилы будут и дальше жить-поживать себе, ни о чем не беспокоясь!

Возможно, они даже окажутся способными на определенную эволюцию вплоть до новых форм, которые смогут заново заселять Землю каждый раз после катастрофы на ее поверхности.

Если бы Солнце таинственным образом куда-то просто  исчезло, из-за чего Земля рано или поздно уплыл бы в неведомом направлении навстречу космической неизвестности, об этом вряд ли написали бы в еженедельниках общины экстремофилов: ведь на жизнь у глубоководных геотермальных источников это особенно не повлияло бы.

Однако через 5 миллиардов лет Солнце превратится в красного гиганта, который будет постепенно расширяться в размере, заполняя собой внутренние регионы Солнечной системы.

И тогда океаны Земли постепенно вскипят и испарятся, да что там — сама Земля частично испарится навсегда! Вот этого точно не смогут не заметить все до единой формы жизни на нашей планете.

Вездесущесть экстремофилов на Земле вызывает у нас один важный вопрос: могла ли жизнь существовать в глубине многочисленных планет-бродяг пли планетезималей, которые были выброшены за предел Солнечной системы во время ее образования?

Их «геотермальных» запасов энергии и тепла должно было бы хватить на миллиарды лет.

Что же с теми бесчисленными планетами, которые были изгнаны из всех остальных звездно-планетных систем, когда-либо родившихся во Вселенной? Возможно ли, чтобы межзвездное пространство было полно жизни — возникшей и эволюционировавшей в глубинах таких беззвездных неприкаянных планет?

Прежде чем осознать важность экстремофильных организмов, астрофизики представляли себе «подходящие для обитания» зоны вокруг каждой звезды, и в каждой такой зоне вода любая другая субстанция могли оставаться в жидком состоянии, позволяя молекулам плавать в ней, взаимодействовать и в конце концов образовывать более сложные молекулы.

Но сегодня мы вынуждены отредактировать данную концепцию: перестав быть неким аккуратным и удобным регионом в окрестностях звезды, получающим удачное количество света, обитаемая зона превратилась в регион, который может находиться где угодно, поддерживаемый «в деле» не за счет звездного света, а, за счет своих локальных источников тепла, которое нередко исходит от радиоактивных камней.

Вполне возможно, что избушка трех медведей, куда забрела усталая девчушка, и не была каким-то особенным местом среди всех этих сказочных вселенных.

Есть вероятность, что родной дом каждого из нас — даже соломенная хижина одного из трех поросят — может предложить миску похлебки и удобную кровать, главное, добиться подходящей температуры!

Какая чудесная, полная надежд и пророчеств сказка могла бы из всего этого получиться!

Жизнь не просто может потерять статус редкого и ценного явления вселенского значения — она может оказаться явлением столь же распространенным, что и сами планеты. Нам остается всего-то ничего — обнаружить ее.

P.S.

Кто такой Нил Деграсс Тайсон?

• Интереснейшая история
• Об астрофизике
• О фильмах
• О Боге
• О дизайне
• О симуляции

 

Интересное