Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Интересная подсказка, предлагающая альтернативную гипотезу происхождения нашей «левонаправленности», была найдена в метеоритном веществе. В сентябре 1969 года яркий огненный шар заметили в небе недалеко от небольшого городка Мерчисон в австралийском штате Виктория, примерно в 160 километрах к северу от Мельбурна. Всего с этого метеорита было собрано более 100 кг кусками размером до 7 кг. Метеорит принадлежал к относительно редкому классу углистых хондритов (их менее 5 %), которые считаются одними из первозданных тел в Солнечной системе. В них содержится много молекул Углерода, а также, как правило, вода.

Метеорит Мерчисон – один из наиболее изученных в мире. Когда в нем впервые обнаружили большое количество аминокислот (на уровне 100 ppm), возник спор о том, были ли они просто загрязнением, проникшим уже после того, как он упал на Землю (например, они могли попасть на куски метеорита,

когда их поднимали с земли, или в ходе дальнейшего обращения). Измерение соотношения изотопов Углерода ¹³C/¹²C разрешило эту проблему: соотношение в урациле (C₄H₄N₂O₂), одной из аминокислот, более чем на 5 % превышало атмосферное, в то время как у наземных организмов оно, как правило, на 2 % ниже атмосферного, поскольку жизнь неохотно принимает тяжелые изотопы (см. гл. 10). В настоящее время в метеорите распознано в общей сложности более семидесяти аминокислот, в том числе восемь из двадцати, обнаруженных в живых существах, а также более 14 000 других органических соединений¹¹.

Однако интереснее всего в нынешнем контексте было другое открытие: оказалось, что аланин (C₃H₇NO₂), еще одна аминокислота, найденная в веществе метеорита, имел избыток «левых» молекул. Сперва это вновь вдохновило сторонников гипотезы о загрязнении, но в дальнейшем удалось показать, что в изовалине (C₅H₁₁NO₂), который не входит в число двадцати основных аминокислот, также присутствует избыток «левых» молекул. Это убедительно доказывало, что к такому предпочтению привел какой-то небиологический процесс. В метеорите, недавно упавшем в Коста-Рике, также содержался изовалин, в данном случае с 15-процентным избытком «левых» молекул¹².

В январе 2000 года, ознаменовав наступление нового тысячелетия (хотя и с опозданием на восемнадцать дней), огненный шар озарил утреннее небо на северо-западе Канады, над границей Британской Колумбии и территории Юкон. Предполагаемая масса приближающегося метеора составляла 66 тонн, хотя предполагается, что вся она, за исключением примерно 2 %, сгорела во время его пребывания в атмосфере еще до того, как он упал на лед озера Тагиш. В конечном итоге исследователи собрали около 10 кг фрагментов (только 1 % от общего количества выпавших обломков) и обнаружили, что такие аминокислоты, как треонин, серин, аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота, имеют поразительный избыток левосторонних молекул: 99 %, 80 %, 45 % и 50 % соответственно¹³. Аланин был обогащен левосторонними молекулами только на 8 % (хотя они все равно неизменно присутствовали в избытке). В этих аминокислотах содержался повышенный уровень¹³C, что исключало загрязнение. В ходе лабораторных исследований аспарагиновой кислоты удалось установить, что она может образовывать кристаллы, которые оказываются либо только левосторонними, либо только правосторонними, либо представляют собой равное смешение лево- и правосторонних молекул. А кроме того, выяснилось, что различные температуры и концентрации по-разному влияют на результат¹⁴.

Кажется, что левосторонние аминокислоты всегда преобладают, хотя в большинстве случаев превышение скромное, если не считать проб, взятых на озере Тагиш. Достаточно ли этого небольшого смещения, чтобы уверенно утверждать, что вся жизнь – левонаправленная? В 2008 году Рон Бреслоу, мой покойный коллега из Колумбийского университета и бывший президент Американского химического общества, выступил на ежегодном собрании общества с докладом, в котором сообщил о том, как умеренный дисбаланс левых и правых молекул можно увеличить, создав условия, которые могли существовать на первобытной Земле. Вместе с Минди Левайн, аспиранткой Колумбийского университета (ныне она – профессор Род-Айлендского университета), он показал, что добавление предшественников аминокислот (фрагментов полных молекул) к раствору «левых» молекул приводит к образованию большего количества последних. Более того, если начать с раствора, содержащего лишь 5-процентный избыток «левых» аминокислот, равное количество «левых» и «правых» молекул будет кристаллизоваться и выпадать из раствора в осадок, оставляя преобладающую левостороннюю популяцию в воде¹⁵. Получается, что небольшие излишки, доставленные метеоритами

на Землю в ее самые ранние дни, могли возобладать среди предшественников жизни – и устремиться, словно каскад, к «левонаправленному» миру, в котором мы живем сегодня, 4,5 миллиарда лет спустя¹⁶.

Возникает вопрос: почему в ранней Солнечной системе, в которой образовались метеоры, предпочтение отдавалось «левым» молекулам? Существует несколько объяснений, но у меня есть любимое. В главе 15 мы еще узнаем, что незадолго до того, как начала формироваться Солнечная система, недалеко от нас взорвалась звезда. Одно из последствий такого звездного взрыва – это коллапсирующее звездное ядро, имеющее плотность атомного, но длиной 10 км в поперечнике, нейтронная звезда (см. гл. 16). Эти удивительные объекты вращаются с невероятной скоростью (до пятидесяти раз в секунду), и их магнитное поле от 10 до 100 триллионов раз сильнее, чем у Земли. В результате вдоль их северных и южных магнитных полюсов в космос, точно луч от маяка, изливается излучение. Одно из свойств этого излучения заключается в том, что оно циркулярно поляризовано; то есть ориентация осциллирующих электрических и магнитных полей, которые мы обсуждали в главе 4, проходит по кругу по мере их движения в пространстве.

Свет одного из полюсов нейтронной звезды вращается по часовой стрелке, а свет другого полюса – против часовой. Свет с круговой поляризацией может вызывать колебания молекулярных связей и, если возбуждение становится слишком сильным, разрушать их. Правосторонние молекулы охотнее отзываются на вращение по часовой стрелке, и если бы полюс близкой к нам нейтронной звезды, вращающийся именно так, был направлен в сторону газопылевого облака, которому предстояло стать Солнечной системой, это могло бы методично разрушать больше «правых» молекул, чем «левых». Так может быть, именно благодаря этому произошло смещение, в результате которого сам характер жизни стал «левосторонним». Впрочем, даже несмотря на всю привлекательность этой яркой картины, она не может объяснить самые большие излишки, наблюдаемые в метеоритах, – по всей видимости, необходимы еще и процессы обработки, происходящие в родительском теле метеора и до, и, возможно, после его падения на Землю¹⁷.

Выше я неоднократно называл «жизнь» левосторонней, но это применимо только к хиральным примерам среди двадцати аминокислот – главных «кирпичиков», из которых строятся белки. Код для построения этих аминокислот хранится в гигантской молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Спиральный остов молекулы ДНК, удерживающий кодирующие биты, представляет собой молекулу сахара (C₅H₁₀O₄), а все сахара, как выяснилось, – это правосторонние молекулы (иными словами, остов ДНК закручивается вправо). Пробьет ли это брешь в моих изящных рассуждениях о происхождении и избытке левосторонних аминокислот?

Нет, это не окажет никакого влияния. В 2004 году Сандра Пиццарелло из Университета штата Аризона объединила изовалин с избытком левосторонних молекул, обнаруженный в метеорите Мерчисон, с гликольальдегидом и формальдегидом – двумя молекулами, которые, как считалось, преобладали на молодой Земле. В результате химической реакции образовалась треоза (C₄H₈O₄), несколько более простой сахар, чем дезоксирибоза ДНК, который, как предположили ученые, мог быть предшественником самовоспроизводящихся молекул ДНК, составляющих в наше время основу жизни. Треоза, полученная из смеси Пиццарелло, имела 5-процентный избыток правосторонних молекул, возможно, предшественников «правонаправленного» мира сахаров, которые преобладают сегодня¹⁸. Кроме того, недавно сообщили о том, что в Мерчисонском метеорите обнаружили рибозу (сахар, лежащий в основе РНК), и в ней тоже наблюдается большой избыток правосторонних молекул¹⁹.

Несмотря на все эти заманчивые подсказки о происхождении жизни на Земле, мы по-прежнему далеки от полной картины. Как отмечалось выше, мы знаем, что это не заняло много времени, но мы не знаем, насколько быстро все произошло. Нам известно, что жизнь возникла по крайней мере однажды, но мы так и не смогли понять, произошло ли это хотя бы несколько раз пусть даже в нескольких местах (это важное соображение при рассуждениях о распространенности жизни в других местах Вселенной). И кроме того, мы не представляем, как именно произошел решающий первый шаг – переход от химических реакций, которые случаются по всему космосу, к биохимическим реакциям, до сих пор уникальным для Земли.