Текст книги "Все эти миры – ваши: Научные поиски внеземной жизни"

Триумф Дарвина

В результате эволюционного развития на Земле возникло множество сложных и разнообразных жизненных форм. Мы видим примеры невероятной специализации и приспособляемости: если проиллюстрировать это утверждение примерами из фильмов о живой природе, то на экране замелькали бы в замедленной съемке колибри, львы, антилопы, древесные лягушки и другие невероятные существа.

Если немного изменить угол зрения и взглянуть на жизнь как на последовательность связанных между собой биохимических процессов, мы увидим, что все – действительно все без исключения – формы жизни на Земле обладают одним и тем же небольшим набором фундаментальных характеристик. Основная единица, из которой состоят все живые существа, – это клетка, небольшая капелька солоноватой воды, напичканная таким количеством органической химии, что для ее описания нужно несколько толстенных учебников. Что особенно удивительно, так это то, что каждая клетка повторяет фундаментальный набор общих правил, взятых из учебника биохимии для первого курса.

Все живое кодирует свою генетическую информацию, используя дезоксирибонуклеиновую кислоту. ДНК – это не что иное, как длинная цепочка из нуклеотидов, обозначаемых четырьмя буквами (C, A, G, T), связанных между собой в элегантную двойную спираль. Последовательность этих букв служит своеобразной молекулярной базой данных, содержащей всю информацию, с помощью которой кодируются все химические процессы в организме, а также обеспечивающей механизм передачи информации следующим поколениям. Аналогичным образом один и тот же универсальный элемент служит основным источником энергии для всех химических процессов в клетке: в процессе переноса задействованы молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которые способны накапливать энергию и отдавать ее в ходе реакции.

Язык белковой биохимии живой материи использует алфавит, состоящий из 20 аминокислот. Однако заметим, что в природе существует гораздо больше аминокислот – около 500. В связи с этим возникает вопрос, почему жизнь использует только эту фундаментальную, но все же ограниченную выборку? Еще одно общее свойство живой материи заключается в единой хиральности – оптической изометрии молекул – аминокислот (и сахаров). С учетом огромного разнообразия современных форм жизни, каким образом получилось, что такой простой набор строительных материалов наложил отпечаток на всю земную жизнь?

Чтобы примирить эти две противоположные друг другу характеристики жизни – разнообразие внешних форм и сходное биохимическое строение, природа придумала два механизма: деление клеток и эволюцию. Клетка воспроизводится делением на две почти идентичные копии. Естественный отбор закрепляет небольшие различия в генетических свойствах и отделяет наиболее приспособленные к внешней среде организмы как зерна от плевел. Сложность и многообразие форм жизни – следствие эволюционного развития, в ходе которого животные и растения приспосабливаются к различным условиям окружающей среды, существующим на Земле{25}25
  Этот абзац можно считать коротким вступлением к теории эволюции. Если вы хотите глубже понять теорию Дарвина, я бы посоветовал вам следующий подход, состоящий из двух этапов: первый – прочтите книгу Ричарда Докинза «Слепой часовщик», второй этап – вернитесь в начало и повторяйте первый этап до тех пор, пока не достигнете понимания (Докинз Р. Слепой часовщик. – М.: Corpus, 2015).


[Закрыть].

Но что, если мы отмотаем наш фильм назад? Мы увидим, как сложная жизнь постепенно лишается своих последних достижений. Вот перед нами древние одноклеточные организмы. Их биохимическая архитектура довольно проста, но в то же время устойчива: генетический алфавит, основанный на ДНК, обмен веществ, осуществляемый за счет АТФ, и белковое строение, в котором задействован набор из 20 аминокислот. Общие биохимические характеристики современной жизни дают нам возможность составить общую картину отдаленного предка всех существующих на сегодня живых организмов. Это удивительное и очень важное открытие: мы связаны – эволюцией и непрерывной последовательностью клеточных делений – с самыми ранними моментами зарождения жизни на Земле. Неизменность основных биохимических принципов строения жизни указывает на то, что с самого раннего времени жизнь сделала правильный выбор и в дальнейшем строго его придерживалась.

Еще в 1871 г. Чарльз Дарвин в письме своему другу Джозефу Хукеру рассуждал о том, как могла зародиться жизнь: «…в одном из небольших теплых водоемов из всех содержащихся в нем производных аммиака и солей фосфорной кислоты под влиянием света, тепла, электричества и т. д. возникло белковое соединение, готовое к дальнейшим более сложным превращениям». Это мощное научное прозрение, позволившее заглянуть в глубины времени и рассмотреть там момент зарождения жизни, лишь одно из множества достижений Дарвина. Нам потребовалось 140 лет непрерывных научных изысканий, чтобы убедиться в его правоте. Однако мы можем ухватиться за нить развития жизни и с помощью палеонтологической летописи и радиометрического датирования горных пород отмотать ее назад, до самых ранних эпох в истории Земли.

Царство Аида

Геология повествует о физической истории планеты Земля, и во многом ее можно рассматривать как старшую сестру эволюции. В 1830 г. Чарльз Лайель опубликовал свой основополагающий труд «Основные начала геологии»[4]4
  Лайель Ч. Основные начала геологии, или Новейшие изменения земли и ее обитателей: В 2-х тт. – М.: Изд. А.И. Глазунова, 1866.


[Закрыть]. В этой книге Лайель утверждал, что геологическая история Земли складывается на протяжении невероятно долгих интервалов времени в результате медленного и непрерывного воздействия ряда сил, работу которых можно увидеть и сегодня, если внимательно присмотреться. Молодой Чарльз Дарвин взял с собой первый том «Основных начал», когда в 1831 г. отправился в путешествие на корабле «Бигль» (второй том ему должны были доставить по почте), и подход Лайеля оставил глубокий отпечаток на его собственных научных взглядах. Получалось, что эволюция и геологическое развитие шли параллельно: геология описывала долгую историю Земли и предусматривала временны́е интервалы, за которые небольшие эволюционные изменения могут закрепиться в поколениях живых организмов и привести к тому биоразнообразию, которое существует на сегодняшний день.

Современная геология делит историю Земли на четыре основных эона: катархей (самый ранний), архей, протерозой и фанерозой (самый поздний). О тесной связи между геологической историей Земли и историей существования на ней жизни свидетельствует тот факт, что геологическое развитие нашей планеты подразделяется на этапы в соответствии с характеристиками (или отсутствием) органического мира, определяемым по горным породам каждого периода.

Катархейский эон охватывает самые ранние эпохи истории Земли. Древнейшие доступные нам геологические данные содержатся в крошечных кристаллах циркона, возраст которых, определенный с помощью радиометрических методов, составляет 4,4 млрд лет{26}26
  Для сравнения хочу напомнить, что самые старые метеориты имеют возраст 4,57 млрд лет, что считается верхним пределом возможного возраста Солнечной системы.


[Закрыть]. Эти крошечные кристаллы, представляющие собой не что иное, как фрагменты поверхности ранней Земли, обычно встречаются в виде мелких вкраплений в других, также древних, но значительно более молодых горных породах. В катархей наша планета была молода: ее тонкая кора только-только начала затвердевать над расплавленными недрами. Изнутри поверхность Земли разрывала буйная вулканическая деятельность, а сверху поливал беспрерывный поток планетных обломков – астероидов и комет, согласно современной терминологии.

Следы этих древних бомбардировок были стерты с лица Земли за 4 млрд лет геологической активности (вулканизм, тектоника плит и старая добрая эрозия). Однако бурная история тех давних времен запечатлелась во всей своей красе на неровной поверхности Луны. Наибольшая плотность кратеров наблюдается на самых старых возвышенностях, возраст которых был установлен радиометрическим методом по горным породам, доставленным «Аполлоном-16 и 17», а наименьшая – на относительно более молодых участках лунных морей («Аполлон-11, 12, 14 и 15»). На основании этих данных мы можем сделать вывод, что бомбардировка прекратилась примерно 3,9 млрд лет назад, причем большинство столкновений произошло в последний, относительно короткий интервал времени. На этом завершился катархейский эон истории Земли – катастрофический, бурный и губительный для любой формы жизни.

Архей: отголоски древней жизни

Архейский эон начался 3,9 млрд лет назад: на смену тяжелой бомбардировке пришел период относительного спокойствия. Самые древние горные породы на Земле датируются чуть более ранним периодом и служат надежным подтверждением существования твердой коры. Самые ранние признаки жизни спрятаны в глубине архейских пород: в древних микрофоссилиях возрастом 3,5 млрд лет можно усмотреть отдаленное сходство с живыми клетками. Одиночные микрофоссилии неизменно находят в слоистых окаменелостях, замечательно именуемых также криптозоонами (т. е. «скрытоживыми»). Эти минерализованные колонии древних микроорганизмов удивительно похожи на современные строматолиты – примитивные сообщества архей и бактерий, образующие небольшие, размером с табуретку, каменные холмики на мелководье соленых лагун.

Такие микрофоссилии – единственное материальное подтверждение существования архейской жизни. Колонии простейших одноклеточных организмов были единственными живыми обитателями нашей планеты в то время. Эти клетки не обладали ядром, и молекула ДНК с их генетическим кодом свободно плавала внутри клеточной структуры.

Характерная и повсеместно распространенная особенность земной жизни позволяет нам провести остроумный геохимический эксперимент, с помощью которого мы можем удостовериться, что в ранние геологические эпохи на нашей планете уже присутствовали живые организмы. Вся современная жизнь зависит от проникновения углерода сквозь клеточную мембрану и реакций, в которые он вступает, находясь во внутриклеточной жидкости. В природе существует два стабильных изотопа углерода: углерод-12 (12C – содержащий 6 протонов и 6 нейтронов), который составляет приблизительно 99 % от всего встречающегося в природе углерода, и углерод-13 (13C – 6 протонов и 7 нейтронов){27}27
  Возможно, вы также знакомы с углеродом-14 (6 протонов и 8 нейтронов). В отличие от обычного углерода, 14C неустойчив и превращается в азот с периодом полураспада приблизительно 5000 лет – в геологическом масштабе почти мгновенно.


[Закрыть]. Более тяжелый изотоп 13C не может проникнуть через клеточную мембрану так же легко, как 12C, и поэтому его содержание в живых организмах существенно ниже, чем в природе. Таким образом, живая материя служит хорошим фильтром для изотопов углерода, а умирая, древние живые существа откладывались на дне океана в виде осадочных пород. Следовательно, если сравнить процентное содержание изотопов углерода в различных осадочных породах, то можно определить, какие из них образовались в результате процессов жизнедеятельности, а какие состоят из минеральных отложений{28}28
  Геохимическая летопись не позволяет нам определить, как эта ранняя жизнь преобразовывала углерод – как правило, в форме CO2 – в энергию. Мы не знаем, происходило это в результате реакции фотосинтеза (с выделением кислорода или без) или посредством биосинтеза метана (метаногенеза). Сведения не сохранились. Приходите в следующем эоне, может, ситуация прояснится.


[Закрыть].

Изотопно-углеродная летопись складывается из отдельных фрагментов, поэтому нам нужны древние морские осадочные породы, которые сейчас выходят на поверхность Земли. Старейшие отложения подобного типа были обнаружены в провинции Исуа в Гренландии. Они датируются 3,8 млрд лет. Хотя эти геологические данные выглядят не так эффектно, как легко узнаваемые отпечатки древних окаменелостей, они подтверждают, что жизнь на Земле перерабатывала углерод на протяжении 4 млрд лет и что с определенными допущениями (обусловленными тем, что не так часто нам удается заполучить древние осадочные породы) такая жизнь существовала на Земле непрерывно с начала архея.

И стала Земля зеленой на триллионный день

Из обсуждения первых двух эонов вы уже, я полагаю, поняли, что в геологическом масштабе все события происходят очень медленно. Это в равной мере справедливо для протерозойского эона – эона примитивной жизни. Протерозой пришел на смену архею примерно 2,5 млрд лет назад. Окаменелости, датируемые этим периодом, сходны с архейскими: они также представляют собой клеточные микрофоссилии, объединенные в колонии наподобие строматолитов, однако их количество и разнообразие существенно возросло. Отчасти это объясняется изменениями в самих организмах, но отчасти и тем, что на протерозойские породы пришлось гораздо меньше разрушительных воздействий и они по-прежнему в больших количествах выступают из земли в ожидании молотка геолога. При ближайшем рассмотрении в отдельных окаменелых клетках можно разглядеть совершенно новую структуру – клеточное ядро. Сегодня все живые организмы, чьи клетки содержат ядро, называют эукариотами, и в эту группу попадают все формы земной жизни, кроме бактерий и архей, которые, как оказалось, совсем лишены эволюционных амбиций.

Однако на протяжении этого эона произошло значительно более важное событие: атмосфера начала пополняться кислородом. Кислород возник в результате фотосинтеза – процесса преобразования углекислого газа (CO2), присутствующего в атмосфере или растворенного в воде, в простые сахара, служащие энергией для клеточной жизни. Фотосинтез можно записать в виде относительно простой химической реакции, в которой углекислый газ, вода и энергия двух световых фотонов, взаимодействуя с молекулой хлорофилла, преобразуются в сахар (глюкозу) и молекулярный кислород{29}29
  Формула такова: 6CO2 + 6H2O + энергия → C6H12O6 + 6O2.


[Закрыть]. Хотя сам фотосинтез выглядит простой реакцией, молекула хлорофилла, которая в нем участвует, устроена отнюдь не просто. Таким образом, если рассматривать развитие жизни как процесс последовательного усложнения биохимических реакций, то возникновение фотосинтеза знаменует качественный переход, ставший результатом длительного эволюционного развития.

Так когда же возник фотосинтез? Эволюция протекает постепенно. Возможно, сначала появился аноксигенный фотосинтез, который не производит в качестве побочного продукта кислород. Аноксигенный фотосинтез присутствует у нескольких современных видов бактерий. В этом случае для реакции с углекислым газом бактерия использует закись железа, сульфиды или молекулярный водород и не производит кислород как побочный продукт. Был ли данный вариант метаболизма эволюционным предшественником оксигенного фотосинтеза? Трудно сказать наверняка. Но вполне можно допустить, что подобная стадия действительно имела место в эволюции оксигенного фотосинтеза.

Свидетельства присутствия кислорода в атмосфере Земли появились примерно 2,4 млрд лет назад, и на этот раз обнаружить их удалось геохимическими методами: с помощью радиометрического анализа содержания изотопов серы в протерозойских горных породах. Как ни странно, породы, отложенные за несколько сотен миллионов лет до повышения уровня кислорода в атмосфере, указывают, что наша планета буквально ржавела в планетарном масштабе, пока не разразилась «кислородная катастрофа». В этот период геологической истории откладывались главным образом полосчатые железорудные формации – толщи ржаво-красных железистых минералов. Эрозия смывала богатые железом минералы в океан точно так же, как это происходит сегодня. В воде они вступали в реакцию с растворенным кислородом, произведенным фотосинтезирующими бактериями, и осаждались на дно океанов, образуя характерные слои минералов оксида железа.

Другой возможный механизм создания полосчатых железорудных формаций – прямое окисление железа в результате аноксигенного фотосинтеза, осуществляемого определенным видом пурпурных бактерий. Хотя у нас нет достоверных сведений о том, какой из этих двух процессов был более распространенным, мы можем предположить, что по крайней мере часть растворенного в океанах Земли железа служила ловушкой или резервуаром для слабенькой струйки кислорода, произведенного в результате оксигенного фотосинтеза. Как только все доступное железо прореагировало с кислородом, резервуар заполнился; лишний кислород стал выделяться из океанов и накапливаться в атмосфере.

Дополнительные сведения относительно обмена веществ первых форм жизни можно получить, изучая современные метаногены – примитивные археи, которые преобразуют CO2 в метан (CH4) как побочный продукт жизнедеятельности. Прямых методов определения уровня метана в древней атмосфере, подобных тем, что используются для определения уровней кислорода, не существует. Но метаногенная жизнь позволяет нам строить предположения о том, как могли осуществляться другие возможные сценарии развития. В результате бурной вулканической деятельности атмосфера древней Земли, вероятно, была насыщена углекислым газом. При этом стоит отметить, что в ней практически не было молекулярного кислорода. Современные метаногены – это исключительно археи, простейшие одноклеточные организмы, сходные по своему строению с ранними прокариотами, о строении которых можем судить по их окаменелым остаткам. Сегодня они могут существовать только в бескислородных средах, которые, по-видимому, были широко распространены на Земле до возникновения фотосинтеза.

Однако следует отметить, что «вероятно» – не совсем то же самое, что «достоверно установлено». Ископаемые архея не содержат никаких признаков того или иного типа обмена веществ. Нам точно известно только то, что современные метаногены не переносят контакта с кислородом. Как химический элемент кислород слишком активен. Он заявился в мир метаногенных архей с повадкой запоздалого пьяного гостя, пришедшего на вашу милую вечеринку, и всякая жизнедеятельность сразу же затихла. Если в начале архея жизнь состояла из метаногенных микробов, то возникновение фотосинтеза и дальнейшее появление на Земле кислорода стало причиной первого и, вероятно, величайшего вымирания в истории нашей планеты{30}30
  Правила приличия не позволяют мне назвать это событие величайшим отравлением в истории планеты.


[Закрыть].

Но какое отношение это все имеет к астробиологии? Появление кислорода в земной атмосфере – отчетливое свидетельство того, что жизнь становится важным фактором, способным коренным образом изменить физические условия на планете, и проницательный инопланетный разум, наблюдающий за Солнечной системой, вполне способен распознать его влияние. В этом плане Земля сформировалась как интересный объект для астробиолога примерно 2,4 млрд лет назад. Справедливости ради надо отметить, что метаногенные археи могли настолько повысить уровень метана в атмосфере, что наш инопланетный астроном мог заинтересоваться происходящим на Земле на миллиард лет раньше. Но, поскольку у нас нет никаких геологических данных относительно присутствия в древней атмосфере метана, мы можем только строить догадки.

Приближаясь к окончанию протерозойского эона, не стоит упускать из виду, что фотосинтез возник главным образом в результате эволюции хлорофилла, который, как известно, имеет характерный голубовато-зеленый цвет. Следовательно, рост содержания кислорода в земной атмосфере сопровождался позеленением океанов. Поверхность суши была по-прежнему лишена какой-либо жизни. Но появление в атмосфере молекулярного кислорода сопровождалось дополнительным бонусом – озоном (O3). До тех пор океаны, вероятно, были единственным прибежищем жизни, поскольку вода поглощает ультрафиолетовое излучение, одновременно необходимое и губительное для всего живого. Следовательно, накапливаясь в атмосфере на протяжении всего протерозойского эона, озон со временем прикрыл нашу планету от разрушительного солнечного излучения. Если говорить о более тонких материях, то кислород обеспечил «биохимический турбонаддув» метаболизма глюкозы – по крайней мере у тех организмов, которые предусмотрительно выработали механизм, позволяющий его использовать. Таким образом, благодаря увеличению содержания кислорода в атмосфере в конце протерозоя открылись величайшие за всю историю Земли возможности освоения новых территорий как в географическом, так и в эволюционном плане.

Эволюционная вечеринка

Начало фанерозойского эона – один из ярко выраженных геологических переходных периодов. В горных породах, отложенных 540 млн лет назад – в относительно короткий геологический период, – наблюдалось резкое увеличение количества остатков разнообразных живых существ, получившее название кембрийского взрыва. Появление новых, более сложно организованных живых организмов, очевидно, зависело как от особенностей окружающей среды, к которым они приспосабливались, так и от различных случайных факторов, как, например, падение гигантского метеорита, которое произошло 65 млн лет назад и вызвало вымирание динозавров (расчистив таким образом место для эволюционно более совершенных млекопитающих). В связи с этим попытки выработать какие-то общие правила развития сложных форм жизни на примере эволюции организмов, которые населяли Землю сразу после кембрийского взрыва, не слишком подходят для наших поисков. Мне бы не хотелось принижать значение фанерозойского эона: нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что подобное сочетание механизмов приспособления и случайных факторов влияло на формирование жизни на протяжении всей ее истории. Однако резонно предположить, что примитивная жизнь приспосабливалась к условиям существования, которые были одинаковы на всей планете, тогда как более сложные организмы вынуждены вырабатывать механизмы приспособления к широкому спектру местных условий, существующих на современной Земле.

Такова наша история развития жизни. В конечном итоге вы сидите и читаете эту книгу. Возможно, теперь вы прониклись еще большим уважением к прозорливости Дарвина, когда он мысленным взором рассмотрел в глубинах времен маленькую теплую лужицу, положившую начало истории жизни на Земле. Наше биохимическое строение несет в себе память об этом событии, и если мы хотим найти истоки жизни как таковой, то нам ничего не остается, кроме как отправиться в то время и на то место.