Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной

Шарф Калеб

Это подводит нас к очень важному вопросу. Действительно ли известная нам фундаментальная биохимия жизни уникальна в масштабах планеты? А вдруг возможна принципиально независимая разновидность жизни с принципиально иной биохимией, и она сосуществует с нами и по сей день? Иными словами, если она сумела избежать прямой конкуренции со всеми известными организмами, возможно, она просто скрывается от невооруженного взгляда.

Многие ученые, а особенно физик Пол Дэвис [189] , тщательно изучили идею о том, как такая жизнь могла бы либо полностью ускользнуть от прямого наблюдения, либо каким-то образом спрятаться и существовать среди всего прочего. Не исключено, что «теневая жизнь» опирается на совершенно иную химическую конституцию и именно благодаря этой конституции скрывается и от химических, и от физических методов наблюдений. Это всего лишь гипотеза, причем непроработанная, поскольку фундаментальная биохимия известной нам жизни на Земле прекрасно справляется со своей задачей. Поиски альтернативного молекулярного языка, при помощи которого природа способна создавать организмы, – серьезное испытание для нашего воображения, а может быть,

и для самой природы. Вести их прямо и непосредственно будет очень трудно. Поскольку нам не встречалось ни одного живого существа, которое бы ходило, ползало, летало или плавало и при этом было бы основано на принципиально иной биохимии, естественно обратить внимание на микрокосм. Однако все не так просто. Даже сейчас львиная доля наших знаний о нормальной микроскопической жизни почерпнута из изучения генетики популяций, а не отдельных особей – и зачастую даже не отдельных видов, а этакого генетического бульона из множества видов и семейств. Исследовать население, например, пруда или ямки под камнем – дело в самом лучшем случае кропотливое и занудное. А если ищешь теневые организмы, не зная наперед, помогут ли в этом известные биохимические анализы, быстрого прогресса ожидать не приходится.

189

Очень славная статья Дэвиса с соавторами об идее теневой жизни: Р. Davies et al. Signatures of a Shadow Biosphere // Astrobiology 9 (2009): 241–49. Хотя подобные идеи наталкиваются на суровую критику, да и сам я считаю, что в них полно фундаментальных пробелов, это отличная пища для ума.

Можно, например, прибегнуть к хитрости и искать незнакомые организмы, которые выживают в условиях, где все «известные» формы жизни неизбежно погибнут. Пусть токсичная среда оставит нам лишь все необычное. Беда в том, что привычная жизнь прекрасно научилась адаптироваться и выживать на грани возможного и цепляется за жизнь зубами и когтями (конечно, в переносном смысле). Именно это ее свойство и стало причиной сенсации в конце 2010 года, вызвавшей оживленные споры в научных кругах.

Все началось с исследования среды поистине кошмарной – даже по меркам самых кошмарных уголков нашей планеты. Речь идет об озере Моно, которое находится у восточной оконечности Йосемитского национального парка в Калифорнии, у самой границы с Невадой. Моно – полностью окруженное сушей озеро, наполнившееся водой примерно 760 000 лет назад. Замкнутость системы озера в сочетании с особым составом вулканических минералов на его дне привела к тому, что вода в нем перенасыщена солями и содержит много щелочи. Деятельность человека лишь усугубила ситуацию: в сороковые годы ХХ века воду из множества источников, питавших озеро, отвели в сторону, чтобы утолять жажду обитателей растущего Лос-Анджелеса.

Поскольку пресной воды в озеро стало попадать гораздо меньше, оно стремительно испарялось и становилось все меньше и солонее – и теперь его соленость вдвое больше, чем у океанской воды в среднем. Несмотря на это, озеро представляет собой необычайно продуктивную экосистему, где в изобилии водятся рачки-артемии, щелочные мухи, бактерии и колонии птиц, которые всем этим питаются. Жизнь здесь изобильна и разнообразна, что заставляет забыть о том, насколько ядовита местная вода. А между тем в воде из горных источников, которые питают озеро, очень много мышьяка, который сильно мешает нормальной биохимии. Мышьяк – один из самых коварных элементов в таблице Менделеева, если вообще можно говорить о коварстве химических элементов. А все дело в том, что атомы мышьяка ведут себя (опять олицетворение!) похоже на атомы фосфора, а фосфор играет в биохимии важнейшую роль. Атом мышьяка значительно больше, однако внешняя оболочка электронов, благодаря которым он и участвует в химических реакциях, у него такая же, как и у фосфора. В результате, если мы усваиваем мышьяк в виде молекул арсената [190] (мышьяка с кислородом), эти молекулы временно обманывают организм и притворяются фосфатом, что приводит к катастрофе.

190

Строго говоря, арсенат – это молекулярная группа, которая присоединяется к чему-то еще. Его формула – AsO^43–, то есть это ион. Есть организмы, которые и в самом деле инкорпорируют мышьяк в органические молекулы, например, некоторые морские водоросли и бактерии. Однако, судя по всему, диапазон подобного поведения ограничен.

Наш организм пытается встроить арсенат в разные жизненно важные места – от молекул, передающих энергию [191] , вплоть до самой своей основы – ДНК, где значение фосфатов в нормальной ситуации очень велико. И хотя наша биохимия обманывается и путает арсенат с фосфатом, функционирует мышьяк совсем иначе, и в конце концов чужеродные молекулы нарушают работу клетки и убивают хозяина. То, почему мышьяк так похож на фосфор с химической точки зрения, до сих пор отчасти загадка – и это наводит некоторых ученых на мысль, что некоторые организмы от мышьяка не умирают, а эволюционируют так, чтобы работать не на фосфоре, а на мышьяке. Жизнь на основе мышьяка могла бы развиться в особых экосистемах – в частности, в вязком иле на дне озера Моно. Представляется, что это вполне разумная гипотеза теневой жизни, по крайней мере, на бумаге.

191

Молекула аденозинтрифосфат (АТФ, химическая формула C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃) иногда называется молекулярной валютой при межклеточной передаче энергии. АТФ создается в результате процессов вроде фотосинтеза или ферментации, а затем используется во множестве других мест в клетке, которая превращает его обратно в молекулу-предшественницу, а энергию

забирает. Иначе говоря, АТФ играет главную роль в обмене веществ.

Однако в ее фундаментальных предпосылках есть серьезные противоречия. Необычайно тонкие механизмы органической химии, обеспечивающие «нормальную» жизнь на Земле, основаны на вполне конкретной физике вполне определенных атомов и молекул. Если заменить один атом другим, другого размера и массы, это приведет к радикальному изменению энергии связей между атомами и молекулами и энергетики химических реакций в целом. Из соображений одной лишь физики представляется невероятным, чтобы мышьяк мог заменить фосфор и при этом не пришлось бы существенно переписывать биомолекулярный код жизни.

Однако лучше один раз увидеть, чем сто раз теоретизировать, поэтому в конце 2010 года группа исследователей, получивших грант НАСА, опубликовала результаты подробного изучения микроорганизмов, обитающих в насыщенных мышьяком илистых осадках на дне озера Моно. Ученые придумали эксперимент, позволяющий выманить на поверхность любые организмы, которые сопротивлялись токсическому воздействию мышьяка или даже встраивали его в свою биохимию. Для этого нужно было выращивать культуры бактерий и архей в растворах, содержащих все меньше и меньше фосфора и все больше и больше мышьяка. И вот что интересно: один вид бактерий [192] , входящий в семейство под названием Halomonadaceae – состоящее из больших любителей соли – судя по всему, прекрасно себя чувствовал даже там, где фосфора почти не оставалось. Ученые задались вопросом, не устроен ли этот микроб принципиально иначе, нет ли у него «теневой стороны». Вдруг это и есть жизнь на основе мышьяка?

192

В печати этот вид получил обозначение GFAJ-1, которое в шутку расшифровали как «Give Felisa A Job» – «Дайте Фелисе работу»: главным автором статьи с описанием этого открытия была Фелиса Волф-Саймон, проходившая стажировку после защиты диссертации. Wolfe-Simon et al. A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus // Science 332 (2010): 1163–66. Однако читать эту статью отдельно, без учета реакции научного сообщества, нельзя, а она, само собой, столкнулась с серьезной критикой: хорошую проверку гипотезы из соображений здравого смысла предлагают авторы статьи B. P. Rosen, A. A. Ajees, and T.R. McDermott. Life and Death with Arsenic // BioEssays 33 (2011): 350–57.

Дальнейшие события были ярчайшим примером неоправданной научной дерзости – СМИ заявили, будто это открытие переворачивает представления о жизни на Земле и других планетах, поползли слухи и досужие домыслы. Мне очень повезло: я успел прочитать пресс-релиз НАСА еще до того, как новость получила широкую огласку. На первый взгляд это было просто поразительно. Ученые утверждали, что получили надежные доказательства, что этот вид бактерий мало того что невосприимчив к воздействию ядовитого мышьяка, но и инкорпорирует его в свою ДНК, что не мешает ей нормально функционировать! «Как будто мы с вами превратились в нормально функционирующих киборгов, посидев в комнате, где было полным-полно микросхем и никакой еды», – сказал я тогда [193] .

193

Из интервью, которое взял у меня Деннис Овербай для статьи в «The New York Times», которая была опубликована 2 декабря 2010 года. Эти слова потом часто цитировали.

Однако едва научный отчет увидел свет, как микробиологи стали находить в анализе ошибки. К тому же некоторые заявления в СМИ не подтверждались данными отчета. Правда, повторить и исследовать результаты было далеко не просто – этот вид бактерий ранее не был известен, а для воспроизведения результатов требовалось существенное количество анализов и экспериментов. Это был не самый приятный момент в истории науки. На пути прогресса встали личные амбиции, а журналисты, попытавшись представить все определенно и недвусмысленно, лишь подлили масла в огонь массовой истерии и споров.

Затем страсти улеглись, и ученые из других лабораторий смогли независимо изучить данные эксперимента. Пожалуй, справедливо будет сказать, что на сегодня подавляющее большинство ученых полагают, что эти бактерии на удивление устойчивы к мышьяку, однако назвать это жизнью на основе мышьяка нельзя. Просто бактерии научились находить отличные стратегии выживания даже при полном погружении в ядовитую среду. Да, они даже сумели инкорпорировать мышьяк в несколько процессов, где он функционально заменяет фосфор, однако в результате эти процессы идут гораздо хуже, чем обычные, на основе фосфора. А доказательств, что мышьяк действует точно так же, как фосфор, в самой ДНК бактерий, и вовсе не нашлось. Более того, если убрать весь фосфор до последней крошки, эти бактерии погибнут, как и все остальные известные нам живые существа.

Вот и исследование, проведенное в 2012 году, показало, что белки у этих бактерий, отвечающие за извлечение фосфоросодержащих молекул из окружающей среды, предпочитают эти молекулы в 4000 раз сильнее [194] , чем такие же молекулы, в которых вместо фосфора содержится мышьяк. Иначе говоря – и в этом есть некоторый парадокс – все дело в том, что этот организм мастерски умеет находить фосфор, даже когда его окружает целый океан мышьяка. Подобная разборчивость позволяет бактерии выживать даже там, где другие падут под натиском яда.

194

См. M. Elias et al. The Molecular Basis of Phosphate Discrimination in Arsenate-Rich Environments // Nature 491 (2012): 134–37. Более ранняя статья приводит доказательства внедрения мышьяка в жизнеспособные ДНК бактерии: M. L. Reaves et al. Absence of Detectable Arsenate in DNA from Arsenate – Grown GFAJ – 1 Cells // Science 337 (2012): 470–73.