Геологический феномен жизни
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Как возникла жизнь, и что думают по этому поводу геологи? Ответ на этот вопрос пока не получен, хотя размышлений, подкрепленных массой экспериментальных данных и астрофизическими наблюдениями, предостаточно.
Ученые допускают сразу три возможных сценария появления жизни. Они, правда, еще не дописаны и не расписаны «по кадрам», но уже вступили в конкурентную борьбу за умы исследователей. Время и развитие науки произведут среди них «естественный отбор», и тогда мы будем чествовать победителя. Но пока все они обсуждались как равноправные.
Вариант первый, «небесный». Небесная органика началась с силикатных пылинок. Они рождаются в атмосфере угасающих звезд, откуда выбрасываются в открытый космос. Там они встречают множество рассеянных атомов углерода, азота, кислорода и водорода. Под действием излучений рассеянные атомы осаждаются на поверхности пылинок и, оказавшись по соседству, вступают в разнообразные реакции. В результате образуется покров из сложных органических соединений, который, в конце концов, плотно — чуть ли не в десять слоев — покрывает всю пылинку.
Такой органической пыли в Галактике оказалось много — тысячная доля всей массы. Когда Солнечная система проходит через облака этой пыли, на Землю может выпадать больше органики, чем ее вообще имеется сегодня в биосфере. Межзвездная материя поэтому оказывается огромным резервуаром органических молекул.
Современные средства наблюдения космоса позволяют довольно глубоко проникнуть в сущность этого особого «химизма Вселенной»: за исключением водорода и гелия, в космосе больше всего тех самых атомов, которые требуются для жизни, то есть кислорода, углерода и азота.
Почему? Неужели уже тут, на уровне простых химических элементов, заложена некая изначальная предопределенность, ставящая будущую живую материю в какие-то особые, льготные условия? Ни в коем случае. Скорее, наоборот.
Космическое обилие разных атомов подчинено строгой закономерности: чем сложнее атом, тем труднее он образуется и тем реже встречается во Вселенной. Общее количество атомов каждого элемента падает с ростом его атомного номера. Поэтому водорода и гелия больше всего в космосе.
Но за вычетом этих двух, наиболее легкими (мы не касаемся здесь лития, бериллия и бора, они мало распространены, и о них разговор особый), а значит и наиболее часто встречающимися, выступают именно кислород, углерод и азот. И совсем не потому, что они «понадобились» для построения живого, их оказалось так много. Наоборот, поскольку они были и есть самые доступные, эволюция материи «употребила» их во благо жизни.
Так что заметному сходству химии космоса с органической химией не следует слишком удивляться, оно на самом деле вполне закономерно. Но это сходство не ограничивается использованием, так сказать, общей элементной базы, оно идет гораздо глубже. Речь идет о нахождении в космосе настоящих органических молекул. Что это за молекулы?
Во-первых, вода, метан, аммиак, молекулярное азот, кислород и другие, Они в изобилии имеются в облаках межзвездного газа, в космической пыли, в составе атмосферы и хвостов комет. Но там же наблюдают и много более сложные молекулы: нитрилы, альдегиды, спирты, органические кислоты, аминокислоты, одним словом, собственно органические вещества. Среди них известны даже тринадцатиатомные молекулы, а всего уже сейчас открыто шестьдесят типов молекул космической органики.
Вариант второй, тоже «небесный». Здесь речь идет о гипотезе прямого занесения на Землю жизни из космоса. Действительно, если сложные молекулы могли попасть на древнюю Землю, почему бы не быть среди них и простейшим живым организмам?
Ученые проверили устойчивость земных организмов к космическим излучениям. Она оказалась очень высокой. Например, споры бактерий вполне могли бы перенести без больших потерь космические путешествия на расстояния до тридцати световых лет. А это промежутки пространства, разделяющие соседние звезды. Получается, что панспермия (прямое занесение) в принципе осуществима?..
Автор этого сценария Дж. Гринберг, правда, избегал термина панспермия. Однако он вполне допускал возможность следующих событий. Если бы наши земные бактерии были выброшены в космос (например, при вулканических извержениях), то там они могли бы долго мигрировать, попадая в другие звездные системы и заселяя их планеты. Но если так, то, может быть, и Земля была некогда обжита аналогичным образом? Ответа на этот вопрос также нет.
Вариант третий, «земной». Его сторонники отвергают «небесные» пути на том основании, что любая сложная органика должна распасться при прохождении через плотную атмосферу планеты. А простых веществ для синтеза органики хватило и хватает на самой Земле. Например, очень много углерода. Возможно, что планета получила его в наследство еще из протопланетного облака. В конечном счете, это опять-таки та же космическая пыль. Дальнейший путь усложнения молекул хорошо иллюстрируется опытными данными.
В экспериментах взяли замороженную смесь простых газов: метана, водяного пара, углекислого газа, аммиака, азота и кислорода, подвергли ее ультрафиолетовому облучению. Затем образец нагрели и получили некий желтый осадок. Он содержал двенадцатиатомные молекулы органики! Проверили спектр поглощения осадка: он оказался таким же, как и у некоторых высушенных бактерий… Где еще нашли такой же спектр поглощения? Оказывается, в самом центре Галактики! Значит ли это, что данная бактерия есть в космосе? Этого никто не знает.
Но на поверхности планеты уже найдены естественные лаборатории, где постоянно идет такой абиогенный синтез органики из простых веществ. Речь идет о подводных вулканах. Эти природные химические реакторы и сегодня легко синтезируют множество органических соединений. Среди них особенно много цианистого водорода — ключевого промежуточного продукта в синтезе биологически важных молекул. Каждый вулкан — это источник энергии и необходимых компонентов для органического синтеза. Зона извержения, как правило, отличается резко повышенным содержанием метана, аммиака, водорода и других важных простых соединений.
Ученые привели оценки вулканов как источников органики. Так, средний подводный вулкан за одно средней силы извержение создает целую тысячу тонн органических веществ! Поэтому за первый миллиард лет существования планеты только за счет вулканизма могло образоваться до 1016 килограммов сложных молекул. Значит, Земля сама могла создать необходимое изобилие органических веществ, требуемое для возникновения жизни.
Итак, органики на Земле хватает. Когда же появилась жизнь на нашей планете? Что говорит об этом геологическая летопись?
Есть углерод биогенного происхождения — это остатки некогда живших организмов. Есть также углерод абиогенный — прямой потомок допланетного вещества. Они кое в чем отличаются. В первом чуть больше изотопа углерод-12, чем во втором. Этот изотоп легче, чем другой, углерод-13, и потому лучше и быстрее усваивается организмами. Так вот, оказывается, биогенный углерод неизменно встречается в образцах пород за все время геологической летописи, вплоть до времени 3,8 миллиарда лет назад. Значит, жизнь была в тот далекий период на Земле? Когда же все-таки она возникла? Очевидно, еще раньше. Но древнее нет никаких следов жизнедеятельности.
Возраст Земли оценивается в 4,6 миллиарда лет. Следовательно, первичное зарождение жизни состоялось между датами 4,6 и 3,8 миллиарда лет назад. Точнее оценить срок этого события пока невозможно. И все предложенные варианты происхождения жизни пока бессильны внести какую-то ясность в этот вопрос.
В модельных экспериментах уже получаются целые молекулярные блоки — небольшие полипептиды и олигонуклеотиды, соответственно части белков и нуклеиновых кислот. Но как происходит их соединение в единое и «работоспособное» целое — в клетку? Здесь проблема происхождения жизни становится синонимом проблемы происхождения генетического кода.
Факт остается фактом: некогда — и можно сказать, когда,— жизни на планете еще не было. Сразу же после своего появления жизнь вступила на арену геологических событий в качестве главного действующего лица. Однако вначале ей вполне хватило скромного облика бактерий.
Именно бактерии «организовали» кругооборот кислорода и углерода в природе первобытной Земли. Прокариотные, то есть безъядерные, бактерии целый миллиард лет были единственными обитателями планеты. Может быть, благодаря им установился тот химический состав океана и атмосферы, который мы наблюдаем сегодня. Только бактерии-прокариоты были способны выжить и жить в атмосфере первичной Земли, в смеси метана, аммиака и сероводорода. Они и сегодня прекрасно выживают в районах подводного вулканизма. Речь идет о сине-зеленых водорослях, которые окисляют водород и сероводород, усваивают при этом углекислый газ и выделяют в атмосферу свободный кислород.
Позже появились эукариотные, то есть ядерные организмы, вначале одноклеточные, а потом и многоклеточные. Они эволюционировали уже в подготовленных геохимических условиях, в устоявшемся химическом составе океана и атмосферы. Какой-то особой геохимической роли они, как считают ученые, видимо, не играли, поскольку включались в уже сложившиеся пищевые связи в биосфере.
В геологической истории Земли выделяется, таким образом, четкий период, когда ее, историю, не просто писала, а, правильнее сказать, творила жизнь,— это первый миллиард лет господства бактерий. После ничего качественно нового туда записано не было. Вплоть до последнего миллиона лет, когда появился человек…
Автор: С. Глейзер, кандидат биологических наук.