Геологічний феномен життя

Як виникло життя, і що думають з цього приводу геологи? Відповідь на це питання поки не отримана, хоча роздумів, підкріплених масою експериментальних даних і астрофізичними спостереженнями, предостатньо.

Вчені допускають відразу три можливих сценарії появи життя. Вони, правда, ще не дописані і не розписані «по кадрам», але вже вступили в конкурентну боротьбу за уми дослідників. Час і розвиток науки вироблять серед них «природний відбір», і тоді ми будемо вшановувати переможця. Але поки всі вони обговорювалися як рівноправні.

Варіант перший, «небесний». Небесна органіка почалася з силікатних порошинок. Вони народжуються в атмосфері згасаючих зірок, звідки викидаються у відкритий космос. Там вони зустрічають багато розсіяних атомів вуглецю, азоту, кисню та водню. Під дією випромінювань розсіяні атоми осідають на поверхні пилинок і, опинившись по сусідству, вступають в різноманітні реакції. В результаті утворюється покрив зі складних органічних сполук, який, врешті-решт, щільно — мало не в десять шарів – покриває всю порошинку.

Такого органічного пилу в Галактиці виявилося багато – тисячна частка всієї маси. Коли сонячна система проходить через хмари цього пилу, на Землю може випадати більше органіки, ніж її взагалі є сьогодні в біосфері. Міжзоряна матерія тому виявляється величезним резервуаром органічних молекул.

Сучасні засоби спостереження космосу дозволяють досить глибоко проникнути в сутність цього особливого «хімізму Всесвіту»: за винятком водню і гелію, в космосі найбільше тих самих атомів, які потрібні для життя, тобто кисню, вуглецю та азоту.

Чому? Невже вже тут, на рівні простих хімічних елементів, закладена якась початкова зумовленість, що ставить майбутню живу матерію в якісь особливі, пільгові умови? Ні в якому разі. Швидше, навпаки.

Космічна велика кількість різних атомів підпорядкована суворій закономірності: чим складніше атом, тим важче він утворюється і тим рідше зустрічається у Всесвіті. Загальна кількість атомів кожного елемента падає зі зростанням його атомного номера. Тому водню і гелію найбільше в космосі.

Але за вирахуванням цих двох, найбільш легкими (ми не торкаємося тут літію, берилію і бору, вони мало поширені, і про них розмова особлива), а значить і найбільш частими, виступають саме кисень, вуглець і азот. І зовсім не тому, що вони «знадобилися» для побудови живого, їх виявилося так багато. Навпаки, оскільки вони були і є найдоступніші, еволюція матерії «вжила» їх на благо життя.

Так що помітній подібності хімії космосу з органічною хімією не слід занадто дивуватися, вона насправді цілком закономірна. Але ця подібність не обмежується використанням, так би мовити, загальної елементної бази, вона йде набагато глибше. Йдеться про знаходження в космосі справжніх органічних молекул. Що це за молекули?

По-перше, вода, метан, аміак, молекулярний азот, кисень та інші, вони в достатку є в хмарах міжзоряного газу, в космічному пилу, в складі атмосфери і хвостів комет. Але там же спостерігають і багато більш складних молекул: нітрили, альдегіди, спирти, органічні кислоти, амінокислоти, одним словом, власне органічні речовини. Серед них відомі навіть тринадцяти-атомні молекули, а всього вже зараз відкрито шістдесят типів молекул космічної органіки.

Варіант другий, теж «небесний». Тут мова йде про гіпотезу прямого занесення на Землю життя з космосу. Дійсно, якщо складні молекули могли потрапити на стародавню Землю, чому б не бути серед них і найпростішим живим організмам?

Вчені перевірили стійкість земних організмів до космічних випромінювань. Вона виявилася дуже високою. Наприклад, спори бактерій цілком могли б перенести без великих втрат космічні подорожі на відстані до тридцяти світлових років. А це проміжки простору, що розділяють сусідні зірки. Виходить, що панспермія (пряме занесення) в принципі здійсненна?..

Автор цього сценарію Дж. Грінберг, правда, уникав терміна панспермія. Однак він цілком допускав можливість наступних подій. Якби наші земні бактерії були викинуті в космос (наприклад, при вулканічних виверженнях), то там вони могли б довго мігрувати, потрапляючи в інші зоряні системи і заселяючи їх планети. Але якщо так, то, може бути, і Земля була колись обжита аналогічним чином? Відповіді на це питання також немає.

Варіант третій, «земний». Його прихильники відкидають «небесні» шляхи на тій підставі, що будь-яка складна органіка повинна розпастися при проходженні через щільну атмосферу планети. А простих речовин для синтезу органіки вистачило і вистачає на самій Землі. Наприклад, дуже багато вуглецю. Можливо, що планета отримала його в спадок ще з протопланетної хмари. Зрештою, це знову той самий космічний пил. Подальший шлях ускладнення молекул добре ілюструється досвідченими даними.

В експериментах взяли заморожену суміш простих газів: метану, водяної пари, вуглекислого газу, аміаку, азоту і кисню, піддали її ультрафіолетовому опроміненню. Потім зразок нагріли і отримали якийсь жовтий осад. Він містив дванадцятиатомні молекули органіки! Перевірили спектр поглинання осаду: він виявився таким же, як і у деяких висушених бактерій… Де ще знайшли такий же спектр поглинання? Виявляється, в самому центрі Галактики! Чи означає це, що дана бактерія є в космосі? Цього ніхто не знає.

Але на поверхні планети вже знайдені природні лабораторії, де постійно йде такий абіогенний синтез органіки з простих речовин. Йдеться про підводні вулкани. Ці природні хімічні реактори і сьогодні легко синтезують безліч органічних сполук. Серед них особливо багато ціаністого водню — ключового проміжного продукту в синтезі біологічно важливих молекул. Кожен вулкан – це джерело енергії і необхідних компонентів для органічного синтезу. Зона виверження, як правило, відрізняється різко підвищеним вмістом метану, аміаку, водню та інших важливих простих сполук.

Вчені навели оцінки вулканів як джерел органіки. Так, середній підводний вулкан за одне середньої сили виверження створює цілу тисячу тонн органічних речовин! Тому за перший мільярд років існування планети тільки за рахунок вулканізму могло утворитися до 10¹⁶ кілограмів складних молекул. Значить, Земля сама могла створити необхідний достаток органічних речовин, необхідний для виникнення життя.

Отже, органіки на Землі вистачає. Коли ж з’явилося життя на нашій планеті? Що говорить про це геологічний літопис?

Є вуглець біогенного походження – це залишки колишніх організмів. Є також вуглець абіогенний – прямий нащадок допланетної речовини. Вони де в чому відрізняються. У першому трохи більше ізотопу вуглець-12, ніж у другому. Цей ізотоп легше, ніж інший, вуглець-13, і тому краще і швидше засвоюється організмами. Так ось, виявляється, біогенний вуглець незмінно зустрічається в зразках порід за весь час геологічного літопису, аж до часу 3,8 мільярда років тому. Значить, життя було в той далекий період на Землі? Коли ж все-таки воно виникло? Очевидно, ще раніше. Але древнє немає ніяких слідів життєдіяльності.

Вік Землі оцінюється в 4,6 мільярда років. Отже, первинне зародження життя відбулося між датами 4,6 і 3,8 мільярда років тому. Точніше оцінити термін цієї події поки неможливо. І всі запропоновані варіанти походження життя поки безсилі внести якусь ясність в це питання.

У модельних експериментах вже виходять цілі молекулярні блоки – невеликі поліпептиди і олігонуклеотиди, відповідно частини білків і нуклеїнових кислот. Але як відбувається їх з’єднання в єдине і «працездатне» ціле – в клітку? Тут проблема походження життя стає синонімом проблеми походження генетичного коду.

Факт залишається фактом: колись — і можна сказати, коли,— життя на планеті ще не було. Відразу ж після своєї появи життя вступило на арену геологічних подій в якості головної дійової особи. Однак спочатку йому цілком вистачило скромного вигляду бактерій.

Саме бактерії “організували” кругообіг кисню і вуглецю в природі первісної Землі. Прокаріотні, тобто без’ядерні, бактерії цілий мільярд років були єдиними мешканцями планети. Може бути, завдяки їм встановився той хімічний склад океану і атмосфери, який ми спостерігаємо сьогодні. Тільки бактерії-прокаріоти були здатні вижити і жити в атмосфері первинної Землі, в суміші метану, аміаку і сірководню. Вони і сьогодні прекрасно виживають в районах підводного вулканізму. Йдеться про синьо-зелені водорості, які окислюють водень і сірководень, засвоюють при цьому вуглекислий газ і виділяють в атмосферу вільний кисень.

Пізніше з’явилися еукаріотні, тобто ядерні організми, спочатку одноклітинні, а потім і багатоклітинні. Вони еволюціонували вже в підготовлених геохімічних умовах, в усталеному хімічному складі океану і атмосфери. Якоїсь особливої геохімічної ролі вони, як вважають вчені, мабуть, не грали, оскільки включалися у вже сформовані харчові зв’язки в біосфері.

В геологічній історії Землі виділяється, таким чином, чіткий період, коли її, історію, не просто писало, а, правильніше сказати, творило життя,— це перший мільярд років панування бактерій. Після нічого якісно нового туди записано не було. Аж до останнього мільйона років, коли з’явилася людина…

Автор: С. Глейзер, кандидат біологічних наук.