Возможные биогенные минералы
Как уже отмечалось, исследования показали, что ALH84001 содержит некоторое количество наборов крошечных кристаллов различных минералов, в том числе магнетита и пирротина, которые находят на Земле главным образом как продукты бактериальной активности. К сожалению, они также могут появиться в результате неорганических процессов. Выяснилось, что некоторые карбонаты из области, где были найдены минералы, по всей видимости, разрушены кислотами, которые могут указывать на условия рН, которые несовместимы с основными химическими процессами, необходимыми для осаждения магнетита и пирротина с помощью неорганических соединений. Шопфа, однако, результаты не убедили. Эти два события могли произойти в разное время. «Если вы хотите доказать, что такие минералы имеют биологическое происхождение, – сказал он, – необходимо показать, что они осаждались в виде линейных образований, или цепей, которые являются отличительным признаком жизни». Исследователи этого не сделали.
Таким образом, хотя они и зафиксировали четыре интересных явления, которые могут иметь отношение к биологии, ни одно из них в отдельности не доказывало, что ALH84001 содержал остатки живых организмов. Однако команда исследователей утверждала, что, если рассматривать эти явления в совокупности, самым простым объяснением для всех них будет биологическая активность. Но Шопф, как и многие другие ученые, не был согласен с приведенными доказательствами. Цитируя известное изречение, приписываемое Карлу Сагану, он сказал: «Экстраординарным заявлениям требуются экстраординарные подтверждения».
Так что линии фронта были размечены, команда исследователей ALH84001 и их сторонники пытались расширить или защитить свои доказательства, а многочисленные скептики старались их разоблачить. В результате этого противостояния генерировалось больше тепла, чем света. Например, на конвенции Марсианского общества в Торонто в августе 2000 года состоялись дебаты между Саймоном Клеметтом, коллегой химика Ричарда Зэра и членом команды исследователей, и профессором Ральфом Харви из университета Кейс Вестерн Резерв, острым на язык скептиком. Харви был гораздо более опытным спорщиком и, казалось, одерживал верх над Клеметтом, но на поверку многие из его доводов оказались безосновательными. Например, Харви высмеял факт, что команда исследователей выбрала для публикации только те немногочисленные фотографии метеорита, где были видны предполагаемые микроископаемые. Это заявление было абсурдным. Если вы хотите показать, что олени живут в лесу, вам нужно показать только те фотографии, на которых появляются олени. Отбрасывать фотографии, не содержащие нужных объектов, совершенно естественно.
И все же одним из положительных аспектов спора стало то, что в его результате было проведено самое углубленное исследование метеорита за всю историю. В рамках этого исследования профессор Джозеф Киршвинк из Калифорнийского технологического университета сделал важное открытие. Он нашел химическое подтверждение того, что в ходе своего путешествия с момента выброса с Марса и до попадания на Землю большие части камня никогда не нагревались выше 40 °C (104 °F) [59]. Это подтверждало более ранние теоретические расчеты профессора Джея Мелоша из Университета штата Аризона, который на основе расчетов ударных взаимодействий предсказал, что куски горных пород могут быть выброшены планетой, не испытав чрезмерного нагрева [60]. Экспериментальное подтверждение Киршвинка математических выкладок Мелоша очень важно, поскольку это означает, что вещество может перемещаться между планетами, не подвергаясь стерилизации. Таким образом, если в ALH84001 были бактерии во время его выброса Марсом, они могли бы пережить путешествие на Землю.
Конечно, ALH84001 прибыл на Землю только 13 000 лет назад, и любые марсианские организмы, прибывшие верхом на нем, были бы встречены ордами земных бактерий, полностью адаптированных к окружающей среде своей родины и стремящихся съесть странных пришельцев. Но как насчет более далекого прошлого? Марсианские камни падали на Землю (а земные камни – на Марс) с рождения Солнечной системы. Меньший по размеру Марс охладился из своего первоначального расплавленного состояния раньше, чем это сделала Земля. У жизни был бы шанс возникнуть на Марсе прежде, чем на Земле. Так что, если марсианские бактерии попали на Землю раньше, чем здесь появились местные бактерии, которые могли им противостоять? Что если жизнь на Землю пришла с Марса? Открытие Киршвинка свидетельствует в пользу того, что вероятность этого очень велика.
Тогда, осенью 2000 года, эту сенсационную гипотезу стали обсуждать. Одним из самых именитых ее сторонников был астробиолог Имре Фридман. В 1974 году Фридман, по существу, основал астробиологию как науку, обнаружив первые известные криптоэндолитические организмы – бактерии, способные выживать в крайне холодных и сухих средах, скрываясь внутри камня (отсюда название крипто-эндо-лит), – в образцах горных пород, включенных в число личных вещей ученого-исследователя Вольфа Вишняка, который разбился во время поисков жизни в скалах Антарктиды в декабре 1973 года [61, 62]. К концу 1990-х годов Фридман был уже в годах, но, как покажут события, мог постоять за себя. И еще как.
Шопф проигнорировал заявления о магнетите первой команды ALH84001, потому что она не нашла ни одного линейного образования или цепи. Кристаллы магнетита, образованные чувствительными к магнитному полю бактериями, укладываются в цепи. В противоположность этому, магнетитовые кристаллы, образованные не биологическими процессами, не имеют такой геометрической организации.
Фридман нашел магнетитовые цепи. Они действительно были в этом метеорите, и в статье, опубликованной в феврале 2001 года, ученый показал их миру [63]. Мало того, команда Фридмана (состоящая из Фридмана, Яцека Вирзхоса из Университета Льейды, Испания, Кармен Аскасо из мадридского Центра наук об окружающей среде и Майкл Винкльхофер из Геофизического института Мюнхенского университета) сообщила, что обнаружила набор критериев, который очень убедительно указывал на биологическое происхождение цепей. Эти критерии, «которые не могли присутствовать в абиотически сформированных цепях кристаллов магнетита (такие цепи никогда еще не наблюдались в природе)», были следующими: i) одинаковые размер и форма кристаллов в пределах цепей; ii) промежутки между кристаллами; iii) ориентация удлиненных кристаллов вдоль оси цепи; iv) следы ореола мембраны вокруг цепей и v) гибкости (искривление) цепей. Фридман и его коллеги не деликатничали: «Мы пришли к выводу что цепи непрозрачных для электронов частиц в ALH84001 являются "магнитными ископаемыми", поскольку ни одна другая последовательная версия не объясняет эти находки».
Несмотря на опровержения со стороны оппонентов, команда Фридмана действительно прекратила споры по поводу метеорита из Аллан Хиллз. Если экстраординарным заявлениям требуются экстраординарные подтверждения, они, разумеется, их предоставили. Однако в свете найденного Киршвинком доказательства того, что бактерии могут перемещаться между планетами, к 2001 году заявление о следах жизни в ALH84001 вовсе не было экстраординарным. В конце концов, мы знаем, что на Земле жизнь существовала 3,6 миллиарда лет назад, в то время, когда по Марсу текла вода. Кроме того, для ранней Солнечной системы были характерны более частые астероидные удары, которые могли обеспечить микроорганизмам подходящий транспорт. Так что на Марсе в то время должны были быть какие-то бактерии, причем именно с Земли. Настоящий вопрос заключается в том, что стало источником бактерий. Мы вскоре вернемся к этому.
Но, доказав присутствие «магнитных ископаемых» в ALH84001, команда Фридмана доказала существование в прошлом не просто жизни, а конкретной ее формы, чувствительных к магнитному полю микроорганизмов. Сейчас на Земле чувствительные к магнитному полю бактерии используют свои маленькие компасы, позволяющие перемещаться вверх и вниз, чтобы достичь места, где концентрация кислорода в жидкой среде подходит им лучше всего. Поэтому появились они только тогда, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла значительного уровня – примерно 2,3 миллиарда лет назад. Читатели, которые знакомы с геологической историей, могут удивиться. В конце концов, хорошо известно, что фотосинтезирующие цианобактерии появились на Земле около 3,5 миллиарда лет назад. Почему на нашей планете так долго не начинался процесс обогащения кислородом? Причина в том, что фотосинтез, осуществляемый ограниченным количеством примитивных цианобактерий, не мог превзойти способность тектонических плит Земли возвращать фиксированное количество углерода в атмосферу в виде углекислого газа.
Выводы Фридмана, таким образом, говорят о том, что на Марсе свободный кислород присутствовал в значительных количествах более чем за миллиард лет до того, как он стал доступен на Земле. Это не слишком удивительно. Так как Марс по размеру меньше Земли, его тектоническая активность значительно слабее, сегодня она фактически почти отсутствует. Таким образом, Красная планета не возвращала в атмосферу биологически связанный углерод так же эффективно, как это происходило на Земле, и это могло дать примитивным цианобактериям шанс заполнить атмосферу планеты кислородом гораздо быстрее.
И вот начинается самое интересное. Исследования подтверждают, что скорость эволюции на Земле коррелировала с концентрацией кислорода в атмосфере. Между этими факторами существует четкая статистическая корреляция, но также между ними существует и логическая причинно-следственная связь. Наличие кислорода обеспечивает течение более энергичных химических реакций и, следовательно, существование более энергичных и сложных организмов. Например, если мы рассмотрим развитие животных, то каждое из этих сложных, дышащих кислородом существ представляет собой огромную систему дышащих кислородом ядерных клеток. Эти ядерные клетки, или эукариоты, сами представляют собой сложно организованные наборы подсистем, таких как митохондрии (клеточные генераторы энергии), которые когда-то в далеком прошлом были свободноживущими бактериями. Согласно ныне общепринятой теории, известной как симбиогенез, разработанной биологом Линн Маргулис из Бостонского университета, считается, что сложные ядерные клетки, из которых состоят все высшие животные и растения, сами возникли из колоний бактерий, эволюционировавших так, чтобы специализироваться на различных видах деятельности. Следовательно, бактерия имеет такое же отношение к животной (или растительной) клетке, как одноклеточные животные к многоклеточным животным [64].
При исследовании окаменелостей и геологических профилей было определено, что появление клеток, использовавших митохондрии, коррелирует с повышением концентрации атмосферного кислорода в диапазоне от 1 до 2 % нынешнего атмосферного уровня. Хлоропласты (органеллы, то есть специализированные структуры клетки, осуществляющие фотосинтез) появились примерно 2 миллиарда лет назад, когда уровень кислорода вырос до 5 % от современного. Около 600 миллионов лет назад, когда уровень кислорода возрос примерно до 20 % от нынешнего, многоклеточные животные ворвались на сцену с внезапностью, из-за которой их появление стали называть «кембрийским взрывом».
Значимость соотношения между уровнями атмосферного кислорода и марсианской эволюции была впервые выявлена астробиологом Крисом Маккеем в серии смелых статей, опубликованных в 1996 году [65, 66]. В этих статьях Маккей утверждал, что мы не должны воспринимать темпы эволюции на Земле как единственно возможную модель. Земле понадобились 3,2 миллиарда лет с окончания периода тяжелой астероидной бомбардировки, который начался 3,8 миллиарда лет назад, чтобы произвести многоклеточную жизнь, но так как скорость эволюции обусловлена присутствием кислорода, на Марсе этот процесс предположительно мог пойти гораздо быстрее. Теплый и влажный период юности Марса длился всего около 1 миллиарда лет, прежде чем атмосфера из CO2 разредилась и планета потеряла свой благотворный парниковый эффект. На Земле эволюция, действуя в течение такого промежутка времени, могла только образовать бактерии. На Марсе при наличии больших количеств свободного кислорода эволюция могла бы пойти намного дальше. Она могла произвести ядерные клетки. Она даже могла произвести сложных многоклеточных животных и растения.
В 1996 году, когда Маккей предложил эти идеи, многие люди, в том числе и я, посчитали их слегка фантастичными. Но, когда Фридман продемонстрировал марсианские чувствительные к магнитному полю бактерии, взгляд на идеи Маккея изменился. Он показал, что на Марсе всего через 200 миллионов лет после окончания тяжелой бомбардировки были создания, аналогичные тем, что на Земле появились только через 1,6 миллиарда лет. Внезапно идеи Маккея показались не такими уж странными.