Воображаемая жизнь

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».