Возраст Земли: от 500 млн до 1 млрд лет
Кто бы мог подумать, что юную Землю (500 млн лет от роду) ждет столь бурное развитие. На ней буйствовали вулканы, но и на многих других планетах и даже спутниках Солнечной системы это происходило не менее бурно. Земля была покрыта океаном, но океан был и на Марсе в ранний период развития планеты, а гигантские спутники Юпитера Европа и Каллисто были покрыты обледеневшим океаном десятки километров глубиной, а значит, у них был куда больше запас влаги на поверхности. Движение тектонических плит преобразовало поверхность Земли, но в начальный период развития конвекционная тектоника, безусловно, действовала на Венере и, возможно, на Марсе.
Состав химических элементов на Земле также мало чем отличался от соседних планет. Базальты и граниты составляли основу всех каменистых планет. Кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо повсюду преобладали. Земля располагала запасами углерода, водорода и серы, но и на других планетах Солнечной системы имелись те же необходимые для жизни вещества. По всем меркам 4 млрд лет назад Земля была самой что ни на есть заурядной планетой.
Но вскоре ей предстояло превратиться в нечто выдающееся в известном нам мире. По общему признанию, она стала уникальной уже в возрасте 500 млн лет, поскольку ни одна другая планета или спутник не перенесли столь драматических потрясений; ни одна из планет не менялась так основательно и так часто. Однако эти метаморфозы касались в основном масштаба, но не сути событий. Самый активный фактор изменения планеты (что, собственно, и сделало Землю уникальной) еще не вступил в действие. Только на Земле возникла обильная, постоянная жизнь. Происхождение и эволюция биосферы и отличает Землю от всех других планет и спутников.
Что такое жизнь?
Что значит быть живым? В чем заключается это феноменальное свойство, отличающее Землю от всех остальных космических объектов? Конечно, можно попытаться описать жизнь как комплекс различных, взаимодействующих свойств — как сложную структуру, связанную со способностью двигаться, расти, адаптироваться и размножаться. Можно сослаться на такие отличительные черты, как клетки, мембраны, длинные цепи генетических молекул ДНК. Но в самом длинном перечне таких свойств обязательно найдутся исключения. Например, лишайники не движутся. Мулы не размножаются.
Более основательное определение жизни можно получить с помощью химии, поскольку все живые объекты представляют собой молекулярные системы, которым свойственны поразительно сложные и упорядоченные химические реакции. Каждая форма жизни состоит из дискретных ансамблей молекул (клеток), отделенных молекулярным барьером от внешней среды. Эти превосходные наборы химических элементов выработали два независимых способа самосохранения: метаболизм и генетику, взаимодействие которых однозначно отличает живое от неживого.
Метаболизм представляет собой разнообразный набор химических реакций, которыми все живые существа пользуются для превращения атомов и энергии окружающей среды в материал клеток. Словно миниатюрные химические заводы, клетки поглощают молекулы вещества и энергию, используя эти ресурсы для обеспечения движения, восстановления, роста и (время от времени) для размножения. И подобно химическим заводам, в отличие от стихийных лесных пожаров или ядерного синтеза первоначальной звездной материи, клетки эффективно контролируют и регулируют все эти реакции через механизм положительной и отрицательной обратной связи.
Впрочем, одного понятия о метаболизме недостаточно для представления о жизни. В отличие от неживой материи, клетки несут информацию в форме молекул ДНК и могут копировать и передавать молекулярную информацию от одного поколения к другому. Более того, эта информация способна мутировать: молекулы нередко воспроизводятся с ошибками, что обеспечивает генетические вариации. Мутации создают химические новинки, обеспечивая способность одним популяциям клеток соперничать с другими, менее удачными, бороться за выживание в условиях изменений климата или приспосабливаться при освоении других экологических ниш.
Таким образом, метаболизм и генетика могут характеризовать живую материю. При этом поразительно, как это биологи до сих пор не сумели дать более или менее универсальное определение жизни. Возможно, ближе всего подошла к такому единому определению Программа экзобиологии НАСА, поставив задачу исследовать происхождение жизни на Земле и возможность ее возникновения на других планетах. В 1994 году НАСА на круглом столе под председательством Джеральда Джойса из научно-исследовательского института Скриппса выработала такое обтекаемое определение:
«Жизнь представляет собой самоподдерживающуюся химическую систему, способную эволюционировать по Дарвину».
Джойс, лидер энтузиастов выведения жизни в лабораторных пробирках (отрасль будущего, условно именуемая синтетической биологией), достиг выдающихся результатов, совершив настоящий прорыв в данной области. Он вывел целую коллекцию тысяч разнообразных молекул, которые способны и поддерживать свое существование, и эволюционировать. Этот сложный, заключенный в стекле процесс дал результаты в виде точных копий различных молекул, с которых начинался эксперимент. Джойс обнаружил, что химическая система, которая воспроизводит до оскомины точные копии самой себя, даже если часть их способна развиваться со временем, представляет собой не что иное, как молекулярный копировальный аппарат. Естественные живые организмы, в отличие от пробирочной жизни, способны мутировать и потенциально превращаться в совершенно другие живые системы — для освоения новой окружающей среды, для выживания в чуждых климатических условиях, выполнять иные задачи, сражаться с соперниками за ресурсы. В результате Джойс пересмотрел собственное определение жизни, включив в него свойство обновления: «Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к обновлению и эволюции». В этой истории самым замечательным является то, что Джерри Джойс, осознав тонкости живого вещества, скромно подредактировал определение НАСА, вместо того чтобы гордо заявить о себе как о первом создателе (вспомним Франкенштейна) жизни в лабораторных условиях.
Сырье
Каким образом неживая планета Земля могла изобрести систему взаимодействия метаболизма и генетики? Большинство из нас, исследователей, занимающихся вопросами происхождения жизни, предполагают, что первая живая клетка была результатом неизбежного геохимического процесса. Земля обладала для этого всеми необходимыми исходными материалами. Океаны, атмосфера, горные породы, минералы в изобилии содержали важнейшие для этого элементы: углерод, кислород, водород, азот, серу и фосфор. В энергии тоже недостатка не было: солнечная радиация и внутреннее тепло Земли были наиболее надежными источниками энергии, но свой вклад могли также вносить молнии, радиоактивное излучение, падения метеоритов и многие другие источники энергии. (Как следствие, возникло не меньше теорий возникновения жизни, чем существует источников вещества и энергии.)
Однако в одном сходятся все: углерод, самый универсальный элемент Периодической таблицы, сыграл важнейшую роль. Ни один из элементов не может похвастаться возможностью создавать молекулы столь разнообразных форм со столь различными молекулярными функциями. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться как с другими атомами углерода, так и со всевозможными элементами, особенно с водородом, кислородом, азотом и серой, до четырех связей одновременно. Углерод способен образовывать из атомов длинные цепочки, замкнутые кольца, сложные разветвленные структуры — и вообще практически любую форму, какую только можно вообразить. Это дает возможность строить основу белков и углеводов, жиров и масел, ДНК и РНК. Только разнообразные по форме молекулы углеродных соединений могут соответствовать двум важнейшим характеристикам жизни: способности воспроизводиться и способности эволюционировать.
Каждый кусок пищи, которую мы поглощаем, каждый глоток лекарства, каждый участок нашего тела и тел всех других живых организмов содержит углерод. Химические вещества на основе углерода распространены повсюду: в красках, клее, красителях, пластмассах и волокнах нашей одежды и обуви, в страницах и переплетах, в чернилах и, конечно, во всех видах топлива — от угля и нефти до природного газа и бензина. Далее, в главе 11 мы увидим, как возрастает наша зависимость от углеродсодержащих видов топлива и других химических веществ, последствия чего сказываются на тревожных сигналах из приповерхностных слоев планеты — изменениях, которые происходят со все возрастающей скоростью.
И все же углерод не мог сам по себе обеспечить столь поразительный скачок от геохимии к биохимии. Для порождения жизни потребовались все мощные силы планеты: вода, тепло, грозовые разряды и химическая энергия горных пород.
Шаг 1. Кирпичи и цемент
Никто не знает наверняка, как (и когда) произошел переход от безжизненного мира к живой планете, но основные принципы этого перехода постепенно выявляются в десятках лабораторий по всему миру. Биогенез происходил постепенно, шаг за шагом, постепенно усложняя химические формы развивающегося мира. Сначала должен был появиться строительный материал для молекул. Затем мелкие молекулы должны были пройти отбор, собраться и образовать основные элементы жизни: мембраны, полимеры и другие функциональные компоненты клетки. В какой-то момент молекулы начали копировать сами себя, при этом вырабатывая механизм передачи генетической информации от одного поколения к другому. Затем сработал закон естественного отбора — и возникла жизнь.
Первая, наиболее понятная ступень биогенеза заключалась в энергичном образовании молекулярных блоков: сахаров, аминокислот, липидов и прочих соединений. Эти основные вещества, образованные на основе вездесущего углерода, возникали повсюду, где энергия взаимодействовала с простейшими молекулами вроде углекислого газа и воды. Сырьевые ресурсы живого вещества образовывались там, где грозовые разряды пронзали атмосферу, где вулканическая тепловая энергия доводила до кипения океан, даже там, где ультрафиолетовое излучение облучало молекулярные скопления в глубоком космосе задолго до рождения Земли. Древние моря на Земле все более насыщались живым веществом по мере того, как проливались с небес дождем и поднимались из морских глубин биомолекулы.
Современные исследования происхождения жизни начались в 1953 году с эксперимента по биогенезу, который и по сей день остается самым известным событием в этой области науки.
Химик Гарольд Юри, Нобелевский лауреат из Чикагского университета, вместе со своим преданным аспирантом Стэнли Миллером разработали простой и элегантный настольный стеклянный аппарат, моделирующий раннюю ступень формирования Земли. Кипящая вода имитировала гадейский океан, а смесь различных газов воссоздавала первоначальную атмосферу, в которой искровые разряды искусственно воспроизводили молнии. Через несколько дней чистейшая артезианская вода, совершенно бесцветная, окрасилась в розоватый цвет, затем приобрела бурый оттенок — за счет сложной смеси органических молекул. Прозрачное стекло покрылось липкими черными органическими осадками.
Миллер произвел химический анализ и обнаружил в этих осадках огромное количество аминокислот и других «строительных блоков» жизни. В 1953 году он опубликовал в журнале Science статью с результатами эксперимента, вызвавшую настоящую сенсацию во всем мире. Вскоре ученые толпами бросились исследовать добиологическую химию. Точность смеси атмосферных газов в эксперименте Миллера-Юри подвергалась сомнению, но буквально тысячи последующих экспериментов подтвердили, что, вне всякого сомнения, уже на ранней стадии существования Земля изобиловала органическими веществами. Эксперимент 1953 года и его последующие модификации оказались такими успешными, что многим казалось: тайна происхождения жизни в основном разгадана.
Этот первоначальный энтузиазм мог иметь негативные последствия. В эксперименте Миллера все внимание было сосредоточено исключительно в области органической химии. Экспериментаторы считали, что развитие жизни происходит в «первичном бульоне», возможно, в «маленьком теплом пруду» (о чем говорил еще Чарльз Дарвин 100 лет назад). Мало кто из исследователей 1950-х годов учитывал сложные условия естественной геохимической среды, менявшиеся по ходу суточных циклов смены дня и ночи, жары и холода, влажности и сухости и многих других. Не принимали они во внимание и масштаб естественных перепадов физических параметров, например, температуры при взаимодействии вулканической магмы с ледяным океаном или изменений солености при впадении потоков пресной воды в соленый океан. Ни один из экспериментов Миллера не включал горные породы и минералы с их разнообразием химических микрои макроэлементов и химически активных кристаллов. Исследователи считали, что весь процесс происходил на поверхности Земли, освещенной лучами Солнца.
Влияние Миллера оказалось весьма значительным, и он со своими последователями более трех десятилетий царил в области исследования происхождения жизни. Все это сопровождалось потоком публикаций, открытием новых научных журналов, получением наград и премий. Правительственные гранты мощным потоком изливались на «последователей Миллера». Затем, в конце 1980-х годов появилась вполне жизнеспособная альтернатива «первичному бульону», связанная с открытием глубоководных термальных зон. В этих темных глубинах, весьма далеких от освещенной Солнцем поверхности океана, насыщенные минералами жидкости вступают во взаимодействие с раскаленной вулканической корой, порождая глубоководные гейзеры. Струи горячей воды из таких подводных гейзеров взаимодействуют с холодными, глубинными океанскими водами, что сопровождается постоянным выпадением минералов в осадок (этот осадок состоит из микроскопических частиц, образующих своего рода черную «накипь»). В этих невероятно укромных глубинах живое вещество присутствует в изобилии, питаемое энергией химических реакций на границе между глубинной корой и океаном.
Битва между научными моделями происхождения жизни объясняется социологией научного мира. С одной стороны, опыт Миллера-Юри позволил получить биомолекулы, поразительно похожие на те, которые действительно лежат в основе живого вещества. Смесь аминокислот, углеводов, липидов и щелочей похожа на хорошо сбалансированную диету. Как пошутил Гарольд Юри, «если Господь не воспользовался этим способом, он много потерял». Но истинные последователи Миллера не просто поддержали активизированный электрическими разрядами «первичный бульон»; во всех докладах и публикациях они рьяно отвергали любое инакомыслие.
Влияние этой научной клики начало приходить в упадок с момента поразительного открытия глубоководных геотермальных отложений, описанных выше, а также в связи с растущим влиянием и далекоидущими, честолюбивыми планами НАСА. Наличие черных отложений в глубоководных впадинах совпало с растущим убеждением в том, что жизнь встречается в экстремальных средах — местах, куда предыдущие поколения биологов даже не заглядывали. Теперь мы знаем, что микроорганизмы выживают в кислотных потоках, вытекающих из отходов при добыче полезных ископаемых, а также в кипящих озерах рядом с действующими вулканами. Они выживают в ледяных толщах Антарктиды и сохраняются в частицах пыли в стратосфере на высоте многих километров над поверхностью Земли. Обширные колонии микроорганизмов существуют глубоко под твердой поверхностью Земли, где живые клетки обитают в мельчайших расщелинах и полостях и подпитываются скудной химической энергией минералов, — эти формы жизни составляют не меньше половины всей биомассы Земли — столько же, сколько все растения, слоны, муравьи и люди вместе взятые. Если такие биоэкстремалы могут существовать, если значительная часть живых организмов сохраняется в глубинах, защищенных от падения астероидов и комет, — почему бы не предположить, что жизнь именно там и зародилась?
Финансирование НАСА напрямую зависит от перспективы грандиозных открытий, а потому ученые ухватились за эту идею. Если происхождение жизни ограничить только теорией, основанной на экспериментах Миллера-Юри, т. е. жизнь возникла в согретой солнечными лучами воде, тогда Земля и, возможно, Марс (на ранних стадиях его существования, примерно первые 500 млн лет) являются единственными живыми планетами в нашем ближайшем окружении. Но если жизнь способна зарождаться в темных, горячих недрах подповерхностной вулканической зоны, то многие небесные тела могут претендовать на внимание исследователей. Марс до сих пор сохранил глубокие гидротермальные зоны: возможно, жизнь продолжается и там. Интерес биологов вызывают и некоторые спутники Юпитера, так же как насыщенный органическими молекулами спутник Сатурна Титан, по размерам близкий Земле. Даже на некоторых крупных астероидах могут глубоко в недрах скрываться сырые, теплые области, пригодные для зарождения жизни. Если жизнь зародилась глубоко в недрах Земли, то у исследований (и соответственно — финансирования) НАСА в области экзобиологии есть будущее на многие десятилетия.
Я и мои коллеги по Институту Карнеги сравнительно недавно вступили на стезю исследований происхождения жизни. Первые, финансируемые НАСА, эксперименты нашей лаборатории начались в 1996 году и были нацелены на изучение органического синтеза в условиях глубоководных гейзеров, где преобладают высокие температуры и давление. Подобно Миллеру, мы подвергли смеси простых газов различным энергетическим воздействиям, в нашем варианте — тепловой энергии и химически активным поверхностям минералов, какие можно встретить в глубоководных вулканических областях. Как и Миллер, мы получили аминокислоты, липиды и другие биостроительные блоки. Наши результаты были проверены исследованиями во многих других лабораториях, и подтвердилось, вне всякого сомнения, что набор органических молекул легко синтезируется в условиях «скороварки», которую и представляет собой подповерхностные области коры. Вулканические газы, содержащие углерод и азот, охотно вступают в реакцию с простыми породами и морской водой, производя при этом практически все необходимые для живого вещества «строительные блоки».
Более того, процессы синтеза управляются сравнительно спокойными реакциями восстановления и окисления (окислительно-восстановительные реакции) вроде коррозии железа или выпекания суфле. Именно эти мягкие реакции обеспечивают метаболизм живой материи, в отличие от таких бурных процессов, как ионизирующий эффект электрического разряда или ультрафиолетового излучения. На самом деле если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же способен и растерзать их в клочья. Многим из нас, занятых исследованиями в этой области, представляется более логичным представить, что добиологические молекулы на Земле образовались с помощью гораздо менее затратных химических реакций, более или менее похожих на функционирование современной живой клетки.
Стэнли Миллер и его единомышленники делали все, что могли, чтобы опорочить наши выводы и сорвать наш исследовательский проект. На нас обрушился шквал критических публикаций, в которых доказывалось, что высокие температуры подводных гейзеров должны немедленно разрушить любые биомолекулы. «Гипотеза, связанная с подводными вулканами, никуда не годится, — недовольно вещал Миллер в одном из интервью 1998 года — Я не вижу смысла даже обсуждать ее». Они основывали свои доводы на тщательно проведенных экспериментах, в ходе которых биомолекулы погибали в кипящей воде. Но этот упрощенный подход к исследованиям не учитывал всей сложности условий эпохи формирования Земли; не принимались во внимание ни запредельные температуры и состав глубинных морских вод, ни бурные потоки и цикличность вулканических выбросов, ни сложность химического состава насыщенной минералами морской воды, ни защитная поверхность скал, на которых, как стало теперь ясно, и укреплялись биомолекулы. Как бы то ни было, исследования в этой области продолжались уже не по сценарию Миллера, и теперь для многих специалистов в области биогенеза интерес представляют именно темные глубоководные зоны.
Как уже говорилось выше, все первоначальные среды, где имелись источники энергии и миниатюрные углеродсодержащие молекулы, по-видимому, внесли свой вклад в производство аминокислот, сахаров, липидов и других молекулярных «строительных блоков» жизни. В теории биогенеза нашлось место и рассекаемой электрическими разрядами и пронизанной жестким излучением атмосфере, и глубоководным вулканическим гейзерам, и иным глубинным высокотемпературным средам. Биомолекулы образуются во время падения метеоритов, на опаленных лучами Солнца пылинках высоко в стратосфере и даже в молекулярных скоплениях в глубоком космосе, открытом космическому излучению. Ежегодно тонны насыщенной органикой пыли обрушиваются на поверхность Земли из космоса, и так все 4,5 млрд лет. Нам известно теперь, что строительные блоки живого вещества буквально разбросаны по всему космическому пространству.
