Глава 2. Как возникла жизнь на Земле?

В космической иерархии Земля и звезда, вокруг которой она обращается, можно сказать, еще не вышли из младенческого возраста. Наша планета сформировалась из вещества, оставшегося после рождения Солнца 4,6 млрд. лет назад, тогда как возраст Вселенной как целого считается равным 11—16 млрд. лет. Как и при образовании всех планет, начальная стадия существования Земли была настолько бурной, что ее почти невозможно себе представить. И даже после того как земной шар приобрел свою форму, его поверхность еще в течение 600 млн. лет оставалась расплавленной, перегрев был обусловлен теплом, поступающим изнутри, из земного ядра, и бомбардировкой астероидами снаружи, что поднимало температуру испаряющихся океанов вплоть до точки кипения. В этот период, который некоторые геологи называют Хэдским, на Земле воистину царил ад.

После того как непрерывная бомбардировка астероидами прекратилась, а оставшиеся астероиды оказались на определенных орбитах и уже практически не могли причинить вреда Земле, углерод, азот, водород и кислород в различных комбинациях «образовали аминокислоты и другой основной строительный материал живого вещества». Как это объясняет нобелевский лауреат Кристиан де Дюв в своей книге «Живительная пыль» [1], изданной в 1995 г., «осевшие под действием атмосферных осадков, комет и метеоритов продукты этих химических процессов постепенно образовали первые органические вещества на безжизненной поверхности нашей недавно сконденсировавшейся планеты». Эта богатая углеродом пленка подвергалась воздействию как процессов, происходивших в самой Земле, так и падающих на ее поверхность тел из космоса; действие ультрафиолетового излучения было во много раз сильнее, чем сейчас, так как в настоящее время нас защищает земная атмосфера. Все эти материалы в конце концов отлагались в морях, и, как писал в своей известной статье 1929 г. выдающийся ученый Дж. Б. Холдейн, «первичные океаны имели консистенцию горячего разбавленного бульона». Главным побочным продуктом этих процессов было нечто вязкое коричневатое, называемое «тянучим», «липким» и другими словами, пробуждающими воспоминания о детстве. Те, кто уже давно противится выводу Чарлза Дарвина о том, что люди — родственники шимпанзе и орангутанов, по сути ставят человека перед этим последним оскорблением — мы произошли из какой-то слизи!

Итак, мы имеем первичный «бульон», в котором повсюду размешано множество чего-то липкого. Как же из этого сырья могла возникнуть жизнь? Здесь-то и начинается настоящая загадка. Общепризнано, что решающую роль сыграла РНК — рибонуклеиновая кислота, близкий родственник ДНК, определяющей генетический код человека и всех остальных живых существ. Тем не менее ведутся еще многочисленные споры о том, каким образом, когда и где действительно зародилась жизнь. Рассмотрим вкратце некоторые из проблем, питающих эти дискуссии.

Долгое время биологи и химики считали, что жизнь должна была возникнуть не раньше чем через миллиард лет после охлаждения планеты и прекращения интенсивной бомбардировки ее астероидами, а это произошло примерно 3,8 млрд. лет назад. Отсюда следует, что жизнь на Земле существует не более 2,8 млрд. лет. Однако геологические данные и даже органические ископаемые остатки все больше свидетельствуют о том, что бактерии уже существовали задолго до этого. В гренландской формации Исуа, сложенной древнейшими породами Земли, возраст которых определен в 3,2 млрд. лет, содержится углерод — основной строительный материал всех известных форм жизни, причем в соотношениях, характерных для бактериального фотосинтеза. Многие биологи приходят к выводу, что даже в этот столь ранний период должны были существовать бактерии, а если это так, то еще раньше существовали более примитивные организмы, чем бактерии. Совсем недавно геолог из Университета Западной Австралии Бигир Расмуссен обнаружил в кратоне Пилбара на северо-западе Австралии ископаемые остатки нитевидных микроорганизмов возрастом в 3,5 млрд. лет, а также «возможные» ископаемые остатки, датируемые 3,235 млрд. лет назад, в излившихся вулканических отложениях на западе Австралии. Из-за таких находок возникает серьезная проблема: истоки жизни отодвигаются к 200 000 годам после окончания Хэдского периода, что многим биологам представляется слишком коротким сроком для того, чтобы успели произойти необходимые химические процессы.

Более поздняя находка Расмуссена, о которой сообщалось в июне 1999 г. в журнале «Nature», затрагивает суть другой дилеммы. Поскольку необходимые для живого вещества биомолекулы, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, довольно хрупки и лучше выживают при более низких температурах, многие химики уже давно убеждены, что жизнь должна была возникнуть в условиях низких температур, возможно, даже отрицательных. И все-таки Расмуссен откопал свои микроскопические нити в материале, первоначально находившемся вблизи жерла вулкана, где температура была исключительно высокой. В самом деле, наиболее древними организмами, продолжающими существовать и теперь, являются бактерии, живущие в сохранившихся вулканических жерлах или в источниках с температурой воды до 110 °С. Существование этих древних бактерий в жерлах вулканов служит убедительным свидетельством в пользу предположения о высокотемпературных условиях возникновения жизни, поддерживаемого другими учеными.

Одним из приверженцев взгляда на возникновение жизни в холодных условиях является Стенли Миллер, мгновенно ставший известным в 1953 г. после проведения им серии экспериментов в Чикагском университете. Он был тогда аспирантом и занимался у лауреата Нобелевской премии химика Гарольда Юри, который получил Нобелевскую премию за открытие тяжелого водорода, названного дейтерием. По мнению Юри, первоначально атмосфера Земли состояла из смеси молекул водорода, метана, аммиака, водяного пара и была особенно богата водородом. (Отметим, что кислород присутствовал только в составе водяного пара. Лишь после возникновения жизни в атмосфере стал появляться кислород в результате выделения диоксида углерода в процессе фотосинтеза, что в конце концов привело к развитию более сложных биологических форм.) Миллер приготовил смесь указанных Юри элементов в герметичном сосуде и в течение нескольких дней воздействовал на нее электрическими разрядами, имитирующими молнию. К его удивлению, в стеклянном сосуде возникало розоватое свечение, и анализ полученных результатов обнаружил наличие двух аминокислот (составная часть всех белков), а также других органических веществ, которые, как считалось, образуются только живыми клетками. Этот эксперимент, который его руководитель нехотя одобрил, не только сделал Миллера знаменитым, но и привел к появлению новой области науки — абиотической химии, главной задачей которой стало получение биологических веществ в условиях, которые, как полагают, существовали на Земле до возникновения жизни.

Слово «полагают» имеет здесь решающее значение. Предположения о составе земной атмосферы до того, как на Земле развилась жизнь, все время меняются. И хотя после работы Миллера 1953 г. было проведено очень много экспериментов, они не привели к результатам, которые можно было бы связать с понятием «жизнь», несмотря на образование в них разного рода органических молекул. Как замечает де Дюв в книге «Живительная пыль» [1], такие эксперименты часто проводятся «при более надуманных условиях, чем необходимые для истинно абиотического процесса. Среди всех этих опытов первоначальный эксперимент Миллера остается классическим. Он был практически единственным задуманным исключительно с целью воспроизвести правдоподобные добиологические условия без намерения получить определенный конечный продукт». Другими словами, всегда бывает совсем нетрудно организовать эксперимент таким образом, чтобы с наибольшей вероятностью получить нужный результат, но при этом условия эксперимента будут слишком уже подходящими. Во всяком случае, в таких экспериментах не удалось воспроизвести жизнь даже в самой элементарной ее форме — в виде отдельной клетки без ядра. Как писал Николас Уэйд в своей статье в июньском номере «New York Times» 2000 г., где сообщалось о последнем открытии Расмуссена, «наиболее интенсивные попытки химиков создать в лаборатории молекулы, типичные для живого вещества, показали лишь, что это дьявольски трудная задача».

Таким образом, основные проблемы сконцентрированы на двух главных направлениях, по которым ведутся исследования с целью установить, как зародилась жизнь. Момент зарождения жизни отодвигается еще дальше в прошлое, так что остается, по-видимому, слишком мало времени, чтобы успели произойти химические процессы, необходимые для возникновения жизни. Да и сами эти химические реакции, как и прежде, остаются столь же загадочными. Несмотря на колоссальные технические достижения и огромное количество накопленных генетических данных, эксперимент Стенли Миллера 1953 г. остается фактически единственным убедительным результатом таких исследований. Тем не менее само открытие вызвало сомнения — многие ученые теперь считают, что баланс элементов, использованных им на основе работы его руководителя Г. Юри, был неверным. При изменении соотношения компонентов полученные Миллером аминокислоты не образуются.

Из-за новых трудностей стала более туманной вся картина эволюции жизни. Когда-то казалось, что ее можно со всей ясностью проследить по филогенетическим (родословным) древам, отражающим эволюционную историю организма от самых его корней. Филогенетические древа впервые были построены в XIX веке в соответствии с теорией Ч. Дарвина с целью наглядно продемонстрировать эволюционную историю отдельных групп животных. Первое разветвленное древо было построено немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем (предложившим помимо всего термин «экология»). Открытие ДНК сделало возможным создание таких филогенетических древ не только для животных и растений, но и для их генетического материала, что позволило гораздо глубже понять процессы, лежащие в основе понятия «жизнь». Для получения родословных древ исследователи проводят сравнительный анализ последовательностей молекулярных строительных блоков нуклеиновых кислот (нуклеотидов) или аминокислот в белках. Сравниваются результаты, относящиеся к различным организмам. Основываясь на механизмах разветвления эволюции и мутаций, с помощью этой методики удается определить расстояния между двумя ветвями на филогенетическом древе, т. е. узнать, насколько далеко два вида отошли от их общего предка и друг от друга. (Кроме того, этот метод помог ученым найти возраст сохранившихся до сих пор древних организмов, существующих в настоящее время в сверхжарких вулканических жерлах.) Задачу проведения сравнительного анализа последовательностей, быть может, легче всего понять, если провести аналогию с игрой в слова, где задается одно длинное слово с целью образовать как можно больше коротких слов из составляющих его букв.

В конце 1970-х годов Карл Уоуз из Иллинойского университета применил сравнительный анализ последовательностей к молекулам РНК, имеющимся у всех живых существ, и получил более сложное филогенетическое древо, чем предполагалось. Три основные ветви древа соответствовали трем основополагающим царствам живых организмов: прокариотам, археям и эукариотам. К прокариотам относятся микроорганизмы типа бактерий. Предложенное Уоузом новое подразделение — археи включает вторую группу бактерий, которые обнаружены в очень жарких местах планеты, таких, как горячие источники. Эукариоты — это организмы, состоящие из крупных клеток, в которых имеется оформленное ядро; сюда входят все многоклеточные организмы — растения и животные, в том числе человек.

Однако с начала 1980-х годов, когда уже было расшифровано больше геномов по всем трем царствам, картина стала более неопределенной. Характер древ, основанных на генах, отличных от первоначальной белковой модели Уоуза, оказался совершенно иным. Кроме того, гены удивительным, даже неожиданным образом перегруппировываются. Эти вариации чрезвычайно затрудняют прослеживание таких генов в прошлое вплоть до общих предков и, что еще более неприятно, наводят на мысль о том, что первичный ген — родоначальник жизни — сам имел весьма сложное строение, более сложное, чем следовало иметь «исходному» гену. Единственное правдоподобное решение этой проблемы состоит в допущении, что вместо роста все время вверх с образованием вертикальных ветвей на ранних стадиях эволюции жизни древо давало боковые ответвления, и некоторые гены переносились по горизонтали. Эта идея подкрепляется тем, что даже в настоящее время бактерии способны передавать некоторые гены в горизонтальном направлении, в том числе, к сожалению, те гены, которые делают бактерии устойчивыми к антибиотикам. Данный вывод означает, что древо жизни, вместо того чтобы иметь красивый прямой ствол, превращается в нечто, напоминающее живопись Джексона Поллока. Это по меньшей мере обескураживает.

Но Карл Уоуз не смутился. Он выдвинул гипотезу, что одноклеточный организм, долгое время считавшийся первоначальной формой жизни, возможно, представлял собой своего рода колонию, состоящую из клеток нескольких типов, способных довольно легко обмениваться генетической информацией по горизонтали. Некоторых ученых эта предполагаемая легкость смущает. Она означает, что механизм репликации (воспроизведения) генов, наблюдающийся в ДНК и являющийся весьма точным механизмом, развился у клеток только в более позднее время. Колония в конце концов должна была подняться на более высокую ступень развития, когда каждый организм приобретет свою собственную форму. Но когда это произошло?

Как возникла жизнь на Земле?

В настоящее время специалисты приписывают совершенно разные сроки моменту, когда стройные древа ДНК стали образовывать вертикальные ветви, — в диапазоне от всего лишь миллиарда лет назад и почти до предполагавшихся ранее 4 млрд. лет. Как и в ситуации с теорией Большого Взрыва в происхождении Вселенной, благодаря новым открытиям и способам измерений по мере расширения наших знаний, теории возникновения жизни на Земле не упрощаются, а усложняются. По этой причине иные объяснения происхождения жизни, которыми долгое время пренебрегали как фантастическими, сохранили некоторых сторонников.

Не могла ли жизнь оказаться занесенной на нашу планету из окружающего пространства? Конечно, астероиды, метеориты и кометы содержат элементы, образующие строительный материал живого вещества, и общепризнано, что жизнь на Земле возникла из сочетания таких материалов — уже существовавших на нашей планете и занесенных из космоса. Однако строительный материал — это одно, а сама жизнь — совсем другое. Некоторые видные ученые придерживаются мнения, что первичная жизнь была занесена на Землю из космоса уже полностью сформированной, т. е. не просто составные части, а сами организмы. Еще в 1821 г. Сальс-ГийондеМонтливоль высказал предположение, что источником жизни на Земле послужила Луна. Эта идея возродилась в отношении Марса в 1890 г., когда американский астроном Персиваль Ловелл (предсказавший существование планеты Плутон и вычисливший ее орбиту) заявил, что видимые на поверхности красной планеты каналы могли быть построены только разумными существами. Уильям Томсон (лорд Кельвин), разработавший абсолютную шкалу температур, в конце XIX века предположил, что жизнь принесена на Землю метеоритами.

Никто не был так одержим подобными идеями, как шведский химик Сванте Аррениус, получивший в 1903 г. Нобелевскую премию за основополагающую работу по электрохимии. Согласно его теории панспермии, рассеянные в холодном мировом пространстве споры бактерий могут перемещаться на большие расстояния в состоянии анабиоза и готовы пробудиться, если встретят на своем пути гостеприимную планету. Он не был знаком с проблемой смертоносного космического излучения. Фред Хойл пропагандировал некоторый вариант гипотезы панспермии в связи со своей теорией стационарной Вселенной, о которой говорилось в гл. 1. Хойл зашел столь далеко, что утверждал, будто такие эпидемии, как пандемия испанки в 1918 г., вызваны микробами из космоса, а нос человека развился, чтобы препятствовать попаданию в его организм занесенных из космоса возбудителей болезней. Фрэнсис Крик (получивший в 1962 г. Нобелевскую премию по медицине вместе с Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом за открытие двойной спирали ДНК) и родоначальник добиологической химии Лесли Орджел пошли еще дальше, поддержав идею о том, что жизнь была «посеяна» на Земле представителями высокоразвитой внеземной цивилизации. Они назвали эту гипотезу «направленной панспермией».

Приверженцы НЛО, конечно, рады иметь в числе своих сторонников Нобелевского лауреата Крика, а авторы научно-фантастических романов всегда готовы ухватиться за подобные идеи. Марсианские каналы Ловелла в какой-то степени вдохновили Герберта Уэллса на создание известного романа «Война миров», вышедшего в свет в 1898 г. Хотя многие авторитетные ученые открыто протестуют против идеи панспермии, прямо или косвенно, некоторые высказываются более осторожно. Кристиан де Дюв пишет: «При таких знаменитых сторонниках гипотеза панспермии едва ли может быть отвергнута без подробного разбора», несмотря на то, что, по его мнению, у подобных теорий нет никаких убедительных доказательств. Этот вывод был сделан в 1995 г., однако уже на следующий год весь мир обошли газетные заголовки с заявлением, сделанным NASA.

Сообщение NASA касалось одной из горных пород, найденных в 1984 г. в Антарктиде. Образцы представляли собой фрагменты метеорита, названные SNCs (произносится как «сниксы») — аббревиатура от названий местностей, где были обнаружены первые три таких фрагмента, Shergotty — Nakhla — Chassigny. На пресс-конференции, посвященной этому событию, образец породы лежал на голубой бархатной подушечке, и глава NASA Дэн Голдин обратился к присутствующим со словами: «Не сегодня-завтра мы будем знать, только ли на Земле существует жизнь», — что оказалось прекрасным способом привлечь внимание журналистов.

Затем ученые NASA рассказали о том, что было определенно известно об этих породах. Исследования показали, что они образовались на Марсе около 4,5 млрд. лет назад. В течение полумиллиарда лет порода находилась под поверхностью Марса, но после того как в результате метеоритных ударов на поверхности Марса образовались трещины, она подверглась воздействию воды. Новые события произошли с этой породой приблизительно 16 млн. лет назад, когда на Марс упал какой-то космический объект, возможно, астероид, в результате чего фрагмент марсианской коры был выброшен в окружающее пространство. Пропутешествовав в космосе миллионы лет, этот фрагмент упал в Антарктиде всего 16 тыс. лет назад. Еще в 1957 г. писатель-фантаст Джеймс Блиш выпустил роман «Холодный год», в центре внимания которого была горная порода, найденная в Арктике и оказавшаяся остатком планеты, разрушенной марсианами во время войны двух миров, что заставило героя воскликнуть: «История вселенной в кубике льда!» События, происходившие на конференции NASA, были менее драматичными, хотя газеты сделали все, чтобы раздуть эту историю.

В породе, обнаруженной NASA, присутствовали карбонаты, аналогичные тем, которые образуются на Земле с участием бактерий. Также были обнаружены мелкозернистые сульфиды железа и другие минералы, напоминающие продукты жизнедеятельности бактерий. Кроме того, с помощью сканирующего электронного микроскопа были выявлены крошечные структуры, которые могли быть ископаемыми остатками марсианских бактерий — они были погружены столь глубоко, что не могли образоваться на Земле. Не желая оказаться в затруднении, представители NASA имели под рукой ученого, сказавшего, что эти структуры слишком малы, чтобы быть бактериями, а карбонаты, по-видимому, сформировались при слишком высоких температурах, несовместимых с жизнью. Но его скептические высказывания ни в коей мере не смогли предотвратить появления в газетах гигантских кричащих заголовков: «Жизнь на Марсе!»

Последующее обсуждение этого вопроса учеными происходило на основе научной терминологии, способной отпугнуть любого журналиста. Проблему можно было бы решить, если бы удалось вскрыть одну из тех крошечных окаменел остей. При обнаружении клеточной стенки или, еще лучше, фрагмента клетки мы получили бы ответ. К сожалению, не существует разработанной методики проведения таких исследований. Когда ответ все же будет получен, даже если он будет положительным, наверняка многие ученые скажут, что это доказывает всего лишь, что на Марсе, как и на нашей планете, существовала жизнь в форме бактерий. Это не будет доказательством того, что жизнь возникла на Марсе и была занесена на Землю (или наоборот), и не явится подтверждением теории панспермии. Но теперь уже нельзя утверждать, что вообще нет никаких оснований предполагать такие возможности.

^{Этот фрагмент метеорита (названный SNC — «сник») впервые был представлен прессе на конференции NASA в августе 1996 г. Он был найден во льдах Антарктиды в 1984 г., более десятилетнего изучали, в результате чего обнаружили, что он является фрагментом марсианской коры, образовавшейся 4,5 млрд. лет назад, затем был выдавлен на поверхность планеты и примерно 16 млн. лет назад в результате удара астероида о ее поверхность был выброшен в космическое пространство. В породе находились, по-видимому, ископаемые остатки марсианских бактерий, и это позволяет предположить, что жизнь существовала не только на Земле. (Из материалов NASA.)}

По-видимому, в большем объеме и более ценные сведения относительно внеземной жизни в Солнечной системе мы получим к 2015 г. Предлагаемое NASA зондирование спутника Юпитера — Европы могло бы подтвердить, что жизнь распространена во Вселенной шире, чем считают консервативно настроенные ученые, — ведь покрытая льдом поверхность Европы позволяет предположить, что в недрах этого спутника существует вода. В последние годы мы узнали, что живые организмы существуют на Земле и в условиях чрезвычайно высоких температур, долгое время считавшихся несовместимыми с жизнью в любой форме. Если в морях под поверхностью Европы будет обнаружена какая-либо форма жизни, это поднимет концепцию панспермии на новый, более серьезный уровень. Наряду с этим усложнятся попытки ученых установить истоки жизни на нашей собственной планете, которые в настоящее время застыли на двух направлениях: теоретические исследования запутаны в результате получения все большего количества данных о том, что на ранних стадиях эволюции жизни мог происходить обмен генов по горизонтали, а лабораторные эксперименты, предназначенные для создания живого вещества из различных сочетаний химических элементов, каждый раз терпят неудачу. Состояние поисков ответа на вопрос об истоках жизни на Земле, по-видимому, лучше всего охарактеризовал крупный заголовок в разделе «Science Times» газеты «New York Times» за 13 июня 2000 г., где сообщалось о новых ископаемых остатках, обнаруженных в Австралии: «Проблема происхождения жизни становится все более туманной и неясной».

Литература для дальнейшего чтения

1. de Duve, Christian. Vital Dust. New York: Basic Books, 1995. Де Дюв в 1974 г. получил Нобелевскую премию по медицине вместе с Альбертом Клодом и Джорджем Паладе за открытия, связанные со структурной и функциональной организацией клетки. Он досконально знает этот материал и пишет очень ясно. Добавьте к этому удивительную готовность беспристрастно излагать теории, с которыми он сам не согласен, и вы поймете, что перед вами книга редкой глубины и масштабности.

2. Fortey, Richard. Life. New York: Knopf, 1998. Книга, имеющая подзаголовок «Естественная история первых четырех миллиардов лет жизни на Земле», была выбрана книгой месяца и, как можно было ожидать, больше подходит для чтения, чем для изучения. Автор — серьезный палеонтолог, так что в книге много науки (особенно палеонтологии), но он не боится отвести страничку обсуждению «Середины марта» Дж. Элиота или голливудских фильмов ужасов, причем всегда к месту. Это восхитительная книга, из которой широкий читатель может очень многое узнать.

3. Margulis, Lynn, and Sagan, Dorion. Microcosmos. Berkeley and Los Angeles: University of California Press, 1997. Хотя впервые книга вышла в 1986 г., т. е. некоторые последние дискуссии в ней не отражены, ее переиздание в 1997 г. свидетельствует о том, что сильные стороны этой книги сохранились, а при первой публикации она получила множество восторженных рецензий. Написавший предисловие Льюис Томас, автор «Жизней клетки», называет ее «исключительной» книгой, адресованной широкому кругу читателей, и он прав.

4. Shopf, J. William. The Cradle of Life. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2000. Содержание книги связано с самой гущей современных дебатов по данному вопросу, которые рассматриваются порой весьма придирчиво. Например, автор с сомнением относится к упоминанию об углероде в Исуанских породах Гренландии. Эта книга предназначена для читателей с некоторой естественнонаучной подготовкой, интересующихся последними идеями.

5*. Галимов Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. — М.: Едиториал УРСС, 2001. Книга посвящена одной из наиболее фундаментальных проблем естествознания — проблеме происхождения жизни и законам ее эволюции.