Новая история происхождения жизни на Земле
Шрифт:
Через несколько дней или недель, проведенных в верхних слоях земной атмосферы, эти представители недавно открытой экосистемы (которую ученые не очень изящно назвали «верхняя жизнь») — тропосферной флоры и фауны — возвращаются обратно на поверхность планеты [41] . Но живы ли они, пока находятся в космосе?
С самого начала космической эры всем известно, что бактерии и споры грибов обнаруживаются на самых верхних уровнях земной поверхности, которые только могут быть доступны для воздушных судов. Однако никто не считал, сколько различных видов можно встретить в этой крупнейшей из всех сред обитания на планете, а ведь это пространство, по сравнению с которым другое крупнейшее обиталище живых существ — дно океана — кажется просто мелкой лужей. Однако в 2010 году началась работа, которая показала, что в любой промежуток времени в верхних уровнях могут
41
D. Smith et al., «Intercontinental Dispersal of Bacteria and Archaea by Transpacific Winds,» Applied and Environmental Microbiology 79, no. 4 (2013): 1134–39.
42
K. Mailer and D. Stevenson, «Impact Frustration of the Origin of Life,» Nature 331 (1988): 612–14.
Факт, что микроорганизмы можно найти так высоко в атмосфере (или что атмосфера может служить транспортным каналом для межконтинентального перемещения опасных вирусов), помимо чисто биологических выводов, представляет еще и непосредственный интерес в контексте темы данной книги, пожалуй, фундаментальный для понимания части нашей истории: перемещение в атмосфере может объяснить, как первичная жизнь распространилась из источника своего зарождения на Земле. Зачем медленно дрейфовать в океане, двигаясь по воле капризных волн и течений, если по ветру можно перепрыгнуть с континента на континент меньше чем за один день. Позже мы еще вернемся к вопросу о значении обитателей верхних уровней в истории жизни на Земле, здесь же обсуждается то, живы эти организмы на протяжении всего своего воздушного путешествия или они находятся в спячке. Вот тут, рассматривая самые базовые формы жизни, мы приходим к выводу, что категории жизни и смерти несколько неполны, а то и некорректны.
Образцы «верхней жизни» собирают тремя способами: с поверхностей списанных военных самолетов, которые летают в верхних слоях атмосферы; с воздушных шаров, которые запускают в верхние слои; а также, когда сильные бури прилетают из Азии через Тихий океан, можно прямо из воздуха взять «понюшку» образца тропосферы высоко в горах. Такой воздух — настоящий «зоопарк» микрожизни. Собранные в горах высоко над уровнем моря микроорганизмы оказываются мертвыми, но перенесенные в более низкие места, на которых они предположительно находились до своего воздушного путешествия, через некоторое время, необходимое для акклиматизации, вновь оживают.
Многие из нас согласятся, что в отношении млекопитающих, да вообще всех многоклеточных, верно: что умерло, то умерло. Но для простейших это не так. Оказывается, между нашими привычными представлениями о жизни и смерти есть целое поле для исследовательской деятельности. И это новое пространство имеет огромный потенциал для понимания первого этапа истории развития жизни на Земле, объясняя, могут ли «мертвые» химические соединения при соответствующих комбинациях и заряде энергии стать живыми. Жизнь, по крайней мере простейшая жизнь, не всегда жива.
И вот наука ищет это место между жизнью и смертью. Возможно, окажется, что первая жизнь на Земле возникла из состояния, которое мы называем смертью, а возможно, из какого-то пограничного состояния, очень близкого к жизни.
Жизнь: определения понятия
Вопрос «Что такое жизнь?» является названием для нескольких книг, а самая знаменитая из них, работа начала XX века, принадлежит перу Эрвина Шрёдингера [43] . Эта небольшая книжка стала заметной вехой благодаря не только теме повествования, но и профессии автора: Шрёдингер был физиком. До него и в его времена физики насмехались над биологией и считали ниже своего достоинства тратить на нее время. Шрёдингер же начал осмыслять организмы с точки зрения физической науки и в ее терминах: «Порядок атомов в наиболее значимых частях организма и взаимодействие этих упорядоченных комплексов коренным образом отличаются от тех, что физики и химики принимают за объект своей теоретической и эмпирической работы».
43
E. Schrodinger. What Is Life? (Cambridge: Cambridge University Press, 1944), 90.
В основном книга посвящена природе наследственности и мутаций (она была написана за 20 лет до открытия ДНК, когда природа наследственности все еще была великой тайной), но в финале ее Шрёдингер рассматривал физику «жития», и, в частности, писал: «Живая материя балансирует между разложением и равновесием» и «живет за счет отрицательной энтропии».
Иными словами, жизнь живет за счет метаболизма, то есть, грубо говоря, за счет еды, воды, дыхания, обмена веществ — этот последний и обозначается греческим словом «метаболизм». Это и есть ключ к пониманию природы жизни? Возможно, по крайней мере, для биолога. Но физик Шрёдингер заметил кое-что куда более глубокое: «Считать, что обмен веществ должен быть ключевым фактором — абсурд. Любой атом азота, кислорода, серы и так далее так же хорош, как и другие. В чем выгода такого обмена?» Что такого ценного, что мы называем «жизнь», содержится в нашей пище и не дает нам умереть? Для Шрёдингера ответ был очевиден: «Любой процесс, событие в природе означают усиление энтропии в том месте, где они происходят». Вот в этом и есть секрет жизни: жизнь есть материя, которая усиливает энтропию, и в этом — новая возможность отличить живое от неживого.
Шрёдингер считал, что жизнь поддерживается, извлекая «порядок» из окружающей среды, это что-то, что мы называем неуклюжим словосочетанием «отрицательная энтропия». Жизнь, таким образом, — «приспособление», с помощью которого большое количество молекул поддерживают сами себя на весьма высоком уровне упорядоченности, постоянно «высасывая» эту упорядоченность из своего окружения. Шрёдингер предположил, что организмы не только создают порядок из беспорядка, но также — порядок из другого порядка.
Это и есть жизнь — механизм, который меняет природу упорядоченного и разупорядоченного? С точки зрения физики жизнь можно представить как ряд химических механизмов, совмещенных и как-то урегулированных между собой в единое целое, и которые поддерживают порядок, поглощая для этого энергию. Многие десятилетия это определение жизни было самым авторитетным из всех. Но спустя полвека многие начали пересматривать и дополнять это понимание предмета. Некоторые, как Шрёдингер, были физиками, например, Пол Дэвис и Фриман Дайсон. Но другие были биологами.
Пол Дэвис в своей книге The Fifth Miracle («Пятое чудо», 2000) [44] , рассматривая вопрос «Что такое жизнь?», задает другой: «Что делает жизнь?» В соответствии с его концепцией жизнь определяется действием. Вот основные характеристики жизни.
Жизнь производит обмен веществ. Все живые организмы производят химические соединения и таким образом насыщают свои тела энергией. Но зачем им энергия? Производство и высвобождение энергии организмом и есть то, что мы называем метаболизмом, и именно таким путем жизнь собирает отрицательную энтропию, необходимую для поддержания внутренней упорядоченности. Кроме того, это же явление можно объяснить в химических терминах. Если организм перестает производить химические реакции (но не в своем теле), это означает, что жизнь организма также прекратилась. Жизнь не только сама поддерживает такое странное состояние, но и находится в постоянных поисках таких мест, где она могла бы получить энергию, необходимую для поддержания такого состояния. Некоторые места обитания на Земле более приспособлены для такой жизненной химии, чем другие (например, коралловые рифы у теплых, пронизанных солнцем поверхностей океана или горячий источник в Йеллоустонском национальном парке) — в таких местах наблюдается изобилие жизни.
44
P. Davies. The Fifth Miracle: The Search for the Origin and Meaning of Life. (New York: Penguin Press, 1995), 260.
У жизни есть усложненность и организация. На самом деле простой жизни — даже если она состоит из горстки (несколько миллионов) атомов — не существует. Все жизненные формы состоят из огромного числа атомов, упорядоченных самым замысловатым образом. Вот эта организация сложных систем и есть отличительная черта жизни: усложненность — не механизм, а свойство.
Жизнь воспроизводит себя. Дэвис уточняет, что жизнь должна не только создавать свои копии, но также воссоздавать механизм, позволяющий продолжать дальнейшее копирование. Как замечает Дэвис, жизнь также должна включать в себя копию копировального аппарата.