Новая история происхождения жизни на Земле

Киршвинк Джозеф

Угарный газ и сероводород известны как убийцы живого, на их счету много человеческих жертв, причем смерти были вызваны как умышленными преступлениями, так и непреднамеренно. И тем не менее, если мысль Вехтерсхойзера верна, то получается, что путь жизни проложили два ядовитых газа и «золото дураков». Эту идею сам Вехтерсхойзер выразил так: «Самым первым предком всего живого была не отдельная живая клетка, а лабиринт минеральных ячеек, объединенных с катализирующими реакцию железом, серой и никелем и заряженных энергией протонного градиента. Эта первая жизнь, таким образом, была пористой горной породой, которая производила молекулы и энергию — вплоть до создания белков и самой ДНК» [70] .

70

N. Lane, Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution (New York: W. W. Norton & Company, 2009).

Несколько иной вариант теории Вехтерсхойзера

опубликовали в 2003 году Уильям Мартин и Майкл Рассел [71] . Они развили идею зарождения жизни в геотермальных впадинах, утверждая, что такая природная среда могла произвести не только все необходимые минеральные вещества и запас энергии, но и ключевой аспект жизни — клетку. Их идея заключается в том, что жизнь появилась на основе чрезвычайно высокоструктурированного вещества — сернистого железа (сульфид железа). Место, где предположительно сформировалась жизнь, находилось где-то между адом (очень горячо) и глубоким синим морем (очень холодно), иначе говоря, где-то географически между богатым сульфидами (и очень горячим!) гидротермальным потоком, порожденным вулканами, и морской водой, насыщенной железом. И это не просто теоретическое предположение. Вокруг разломов и подземных источников действительно есть трехмерные решетчатые образования — их можно принять за первичные стенки клеток. Процессы, непосредственно предшествующие синтезу органических молекул, происходили внутри микроскопических ячеек, формируемых возле впадин и источников. Химические события, благодаря которым возник «мир РНК», происходили в стен(к)ах этих минеральных ячеек.

71

W. Martin and M. J. Russell, «On the Origin of Biochemistry at an Alkaline Hydrothermal Vent,» Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 362, no. 1486 (2007); 1887–925.

К началу нашего нового века было рассмотрено множество вариантов и догадок относительно места возникновения первой жизни. Древнейшие формы жизни, безусловно, любили горячую среду — такую, которую до сих пор можно найти в геотермальных разломах. Там можно обнаружить все необходимые элементы процесса: химические вещества и достаточную энергию. И наконец, разломы предоставляли своего рода убежище от жестокостей внешнего мира на поверхности Земли, особенно они были хороши как бомбоубежище в течение первого земного миллиарда лет. Но существует и одно серьезное возражение против этой теории. РНК и, в меньшей степени, ДНК очень нестабильны при высоких температурах, которые присутствуют в геотермальных источниках. После формирования РНК скачок от нее к ДНК был бы непосредственным, РНК служит моделью-основой для ДНК. Но переход от простых химических соединений к весьма усложненным молекулам все еще остается загадкой.

Биолог Карл Вёзе предлагал еще один возможный путь возникновения жизни [72] — жизнь могла появиться и до окончания полного формирования планеты и разделения земных слоев на ядро, мантию и кору. Так, в те времена на поверхности будущей Земли было много крупных образований самородного железа, которое вступало в реакции с паром и некоторым количеством жидкой воды, при этом атмосфера была насыщена водородом и углекислым газом. Водород-то как раз и интересен, поскольку он является сильным стимулятором химических реакций, но из-за своего незначительного веса быстро улетучивается в космос с планет вроде маленькой Земли, Марса или Венеры (газовые гиганты настолько массивны, что могут удерживать водород). В тот период Земля подвергалась частым столкновениям с космическим мусором, большими и малыми телами, и это приводило к тому, что планета постоянно пребывала в клубах пыли и водяных паров. Образовывались высокие облака водяного пара, и их маленькие капельки могли служить как протоклетки — крошечные объекты со стенками. Солнечный свет мог быть источником энергии, а пыль, поднимавшаяся высоко над поверхностью, несла в себе, помимо прочих элементов, и органические молекулы — было много материала для формирования жизни. С учетом насыщенности атмосферы водородом первые живые организмы могли начать развитие, выделяя метан и используя углекислый газ как источник углерода. Микроорганизмы, которые сегодня ведут сходную жизнедеятельность, называются «метанопродуценты». Земля охлаждалась, сформировались океаны, а жизнь пролилась дождем с небес и заселила эти океаны.

72

C. R. Woese, «Bacterial Evolution,» Microbiological Reviews 51, no. 2 (1987); 221–71; C. R. Woese, «Interpreting the Universal Phylogenetic Tree,» Proceedings of the National Academy of Sciences 97 (2000); 8392–96.

Метеоритные кратеры в пустынях

Одну из новейших гипотез о местах возникновения жизни предложили Стив Беннер из Университета Флориды [73] и соавтор этой книги Джо Киршвинк. Как уже упоминалось выше, самым сложным этапом является переход к РНК, поскольку РНК — очень нестабильна, она большая и сложная и с легкостью распадается. Вода воздействует на нуклеиновые кислоты (цепочки меньших молекул), из которых слагается РНК, и разрушает их. В действительности оказывается, что для создания РНК необходимо соблюдение очень многих условий, различных химических условий. Биохимик Антонио Ласкано следующим образом описывает эту проблему: «Чтобы создать РНК, вещества должны были преодолеть несколько серьезных препятствий, включая отсутствие простого, но при этом правдоподобного неорганического механизма формирования и накопления рибозы» [74] . Возможное решение этой проблемы содержит гипотеза создания рибозы в условиях нынешних температур на основе минералов, обычных для пустыни.

73

S. A. Benner and D. Hutter, «Phosphates, DNA, and the Search for Nonterrean Life: A Second Generation Model for Genetic Molecules,» Bioorganic Chemistry 30 (2002): 62–80; S. Benner et al., «Is There a Common Chemical Model for Life in the Universe?» Current Opinion in Chemical Biology 8, no. 6 (2004): 672–89.

74

A. Lazcano, «What Is Life? A Brief Historical Overview,» Chemistry and. Biodiversity 5, no. 4 (2007); 1–15.

Беннер пришел к выводу, что некоторые условия ранних этапов истории Земли могли создавать защитный щит для формирования нуклеиновых кислот, оберегая их от высоких температур и других разрушительных свойств природной среды. Беннер обнаружил, что при наличии боратов (это минералы, которые могут сформироваться только в сухих и жарких условиях, их используют для производства мыла) более простые органические молекулы, распространенные не только на Земле, но и в космосе, объединяются в сложные сахара, в том числе и рибозу!

Беннер обратился за подтверждениями этого предположения к существующим формам жизни. Он проанализировал стабильность различных бактерий и узнал, что самые древние из них по происхождению, возможно, появились при температуре 65 °C. Это значительно более высокая температура, чем в любом «теплом маленьком пруду», но она и гораздо ниже, чем в гидротермальном разломе, в котором температуры обычно измеряются сотнями градусов. На Земле ни сейчас, ни в древности было не очень много мест с такими температурами — за исключением пустынь.

Пустыня — среда преимущественно щелочная, с большим количеством карбоната кальция — единственное место, где возможны благоприятные условия для формирования рибозы на основе боратных соединений. Глинистые минералы различных видов также вполне обычны в таких местах, что повышает вероятность появления на основе глин образцов, способных поддержать синтез сложных органических соединений, необходимых для формирования жизни.

Для того чтобы борат сработал и появилась РНК, также необходимо, чтобы постоянно фильтровались и очищались жидкости через систему трубок, соединенных друг с другом.

Основываясь на работе Стива Беннера, Джо Киршвинк в сотрудничестве с профессором Массачусетского технологического института доктором Беном Вайссом попытался представить себе, какой могла быть естественная система для создания РНК на основе бората. Такой подходящей природной средой могло бы стать озеро Моно в Калифорнии, которое на самом деле является системой озер, расположенных на разной высоте над уровнем моря, с объединенным течением подземных вод. На древней Земле, особенно 4,2–3,8 млрд лет назад, такую систему могли образовать несколько метеоритных кратеров, соединенных в пустынной местности с сообщающимися водными ресурсами, перемещающимися с высоких уровней на низкие. В таком случае обеспечивались бы фильтрация и очищение. Однако появление подобной среды вряд ли было возможно 4 млрд лет назад, когда происходили соответствующие химические процессы зарождения жизни. По всей вероятности, все минеральные породы на Земле возникли в водной среде. Заметим, что нет никаких свидетельств того, что суша появилась раньше чем 3 млрд лет назад. По нашим более-менее уверенным предположениям, во времена, когда формировалась жизнь, Земля почти полностью представляла собой сплошной океан, в лучшем случае, возможно, с цепочками островов. На Марсе, мы можем быть уверены, океанов не было — большие озера, возможно, небольшие моря. На Марсе могли быть подходящие пустыни, но едва ли на Земле 4 млрд лет назад. Возникает вопрос, как вообще жизнь могла оказаться на Земле?

Панспермия и Марс

Сегодня приблизительно 75 % поверхности Земли занимают крупные океанические бассейны и материковые массивы, возвышающиеся над средним уровнем моря. Вдоль континентальных разломов возникли новые гранитные породы, осадочные породы нанесены на несколько сотен километров и частично преобразовались в гранит. Таким образом, чем ниже мы погружаемся по геологической лестнице, тем больше воды и меньше суши мы встретим на Земле.

Есть и другие подтверждения этому. Из геологических моделей известно, что сразу после образования Луны около 4,567 млрд лет назад на нашу планету упало гигантское небесное тело, и вся Земля просто расплавилась. Возник океан расплавленной магмы как результат интенсивного теплового воздействия, а также сегрегации никеля и железа в глубине планеты. Первые полмиллиарда или даже более лет после этого события были временем сильнейших тепловых потоков параллельно с постепенным отвердеванием коры в самых верхних слоях земной литосферы. Такой повышенный уровень теплоты ограничивал поднятие твердых элементов относительно среднего уровня моря. Некий континент находился над морским дном просто потому, что «всплывал» над менее плотной субстанцией. При потоках теплоты высокой температуры корни материка таяли, и это не позволяло образовываться высоким горным цепям.