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

Под грузом чисел

После краткого экскурса в историю жизни на Земле я хотел бы на мгновение остановиться и задать себе простой вопрос: допустим, вы – занятый поисками жизни астробиолог-инопланетянин, которого занесло на Землю в какой-то случайный момент ее истории. Какого рода организмы вы тут обнаружите?

Скорее всего, вы наткнетесь на примитивную микробную жизнь. Ведь если задуматься, бактерии и археи существовали на Земле непрерывно с момента зарождения жизни. На самом деле они были единственной формой жизни почти 3 млрд лет. Нет, я ничего не имею против высших форм жизни, но микробы и сегодня остаются доминирующей формой жизни на Земле: даже если мы ограничимся одноклеточными организмами, обитающими в Мировом океане, биомасса микроорганизмов и архей в 3000 раз превысит общую биомассу человечества. Оглянитесь вокруг себя: на каждого человека приходится 3000 его микробных копий, незаметно управляющих экосистемами Земли. Вам может показаться, что я излишне драматизирую ситуацию, но именно бактерии победили пришельцев с Марса в «Войне миров», когда человечество оказалось бессильно.

Бактерии и археи способны быстро приспосабливаться к изменениям среды, это одни из самых жизнестойких организмов на Земле. Бактерии могут существовать в безводных горных породах на границе вечных льдов Антарктиды, они прекрасно себя чувствуют в жерлах подводных вулканов, где температура воды превышает точку кипения, они живут даже в земных недрах – их находили в большом количестве в образцах пород, взятых с больших глубин. Эти микробы, способные жить и размножаться в совершенно невыносимых для высших форм жизни условиях, получили название экстремофилов. Они подразделяются на классы в зависимости от их экологической ниши, отличающейся от комфортных для всей остальной жизни условий. Термофилы обитают в горячих источниках и жерлах подводных вулканов, галофилы и алкалифилы – в содовых озерах, психрофилы способны расти и размножаться при отрицательных температурах. Мой любимый микроорганизм – Deinococcus radiodurans – полиэкстремофил, который одинаково хорошо переносит низкую температуру, кислотную и безводную среды и даже вакуум{31}31
  Его также находили в ядерных реакторах. Это живое воплощение утверждения Ницше: «То, что нас не убивает, – делает сильнее».


[Закрыть]. Мы еще вернемся к обсуждению экстремофилов в следующих главах главным образом потому, что я хочу поговорить о них в контексте неблагоприятных (но в принципе пригодных для жизни) условий окружающей среды в пределах Солнечной системы. Но, чувствую, вы уже поняли, к чему я клоню: какие бы биохимические процессы вы ни проводили, на свете существует микроб, у которого это получается лучше, чем у вас.

Искра жизни?

Итак, мы проследили историю нашей планеты от глубин архея – 3,8 млрд лет назад – до сегодняшнего дня. Теперь мы встали перед самой большой научной загадкой: как на Земле зародилась жизнь? Каким образом из безжизненных химических веществ возникла биологическая среда? Если мы сумеем найти удовлетворительный ответ на этот вопрос, тогда за ним логично последует другой: возникнет ли жизнь снова в аналогичных условиях на отдаленной планете или спутнике?

Как мы представляем себе Протоземлю, на которой зародилась жизнь? Какие у нас есть данные, позволяющие рассуждать о химическом составе окружающей среды в архее? Скорее всего, атмосфера формировалась из вулканических газов и испарившихся остатков ледяных комет. В таком случае, согласно современным представлениям о вулканах и кометах, земная атмосфера должна была состоять из углекислого газа, воды, азота и сероводорода (и прочих соединений).

История научных поисков возобновляется в 1924 г., когда через 50 с лишним лет после рассуждений Дарвина о небольшом теплом водоеме русский биолог Александр Опарин заинтересовался вопросом возникновения жизни. Он полагал, что основным источником кислорода в атмосфере древней Земли мог быть только фотосинтез. Поскольку фотосинтез – очень сложный процесс, он не мог возникнуть у самых ранних форм жизни. В таком случае зарождение жизни должно происходить в отсутствие молекулярного кислорода, реагирующего почти со всеми простыми веществами. Несколькими годами позже британский биолог Джон Холдейн независимо пришел к такому же заключению: в атмосфере древней Земли практически не было свободного кислорода, и в результате простые органические вещества, прореагировав друг с другом, породили множество более сложных молекул, ставших предшественниками живых организмов. Как Опарин, так и Холдейн считали, что энергия для осуществления таких реакций могла взяться только из природных источников – либо от удара молнии, либо от ультрафиолетового излучения Солнца, от которого Земля в то время была не защищена.

В последующие 30 лет в истории древней Земли ничего не менялось, пока наконец любознательный студент-старшекурсник Стэнли Миллер не решил проверить рассуждения Опарина и Холдейна на практике. В 1953 г. он сконструировал необычайно простую, но в то же время эффектную модель химической активности на раннем этапе развития Земли. Научным руководителем Миллера был Гарольд Юри, получивший в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие изотопа водорода – дейтерия. Их совместная работа получила известность как эксперимент Миллера – Юри.

Экспериментальная установка являла собой замкнутую систему стеклянных трубок и колбу с водой, представляющую земные океаны. В первоначальном варианте вода при нагревании испарялась и по трубке поступала в колбу, в которую была закачана смесь аммиака (NH3), метана (CH4) и водорода (H2), выполнявшая роль древней атмосферы. Впоследствии Миллер несколько изменил свой эксперимент, добавив электрический разряд (в других вариантах он использовал ультрафиолетовое излучение, а также иные источники энергии). Газы из колбы, служившей атмосферой, поступали в охлаждаемую трубку, где конденсировались и снова стекали в «океан». Эксперимент Миллера, во многих смыслах революционный, был невероятно простым, но, как ни удивительно, прошло почти 30 лет, прежде чем экспериментаторы обратили внимание на идеи, высказанные Опариным и Холдейном.

Но самое удивительное – полученные результаты. После нескольких дней непрерывного цикла Миллер заметил, что первоначально прозрачная вода океанов постепенно стала окрашиваться в различные оттенки – от розового до коричневого. Вскоре колба, представляющая океан, покрылась черной смолой – его модель ранней Земли работала. Анализируя содержимое колбы, Миллер обнаружил густой бульон из органических соединений. Самое главное, что в коричневой слизи оказались аминокислоты. Аминокислоты – это кирпичики белковых молекул, фундаментальной основы нашей биохимии.

Эксперимент Миллера – Юри много раз повторяли с различными модификациями. Подобно поварам, экспериментирующим с классическим рецептом, ученые добавляли в первоначальную атмосферу новые ингредиенты: одни – сложные и разнообразные, другие – простые и незатейливые. Среди молекул, находящихся в итоговом смолоподобном веществе, всегда обнаруживались сложные сахара и нуклеотидные основания, присутствующие в нашей ДНК.

Чей рецепт был самым правильным, т. е. наиболее полно описывающим ранние условия существования Земли? Согласно последним представлениям, атмосфера древней Земли состояла из углекислого газа и молекулярного азота, а не аммиака и метана, как это было у Миллера – Юри. Повторение их эксперимента по современному рецепту дает меньше аминокислот, чем получалось раньше (главным образом потому, что такие молекулы, как CO и N2, гораздо труднее расщепить, чем CH4 и NH3). Второй момент, вызывающий жаркие споры, – присутствие в атмосфере Протоземли молекулярного водорода. В присутствии водорода многие реакции, ведущие к созданию сложных органических молекул, протекали бы совсем по-другому. Но поскольку водород – самый легкий из всех газов и легко утекает из планетной атмосферы в космос, специалисты до сих пор жарко спорят о его возможном наличии (при почти полном отсутствии каких-либо надежных данных на этот счет).

Со всех точек зрения состав газовой смеси в эксперименте Миллера – Юри не так важен, как экспериментальное подтверждение того факта, что условия, существовавшие на Земле 4 млрд лет назад, могли привести к образованию относительно сложных органических молекул. Такие молекулы очень важны для жизни, но все же надо отметить, что сами по себе они не составляют живую материю. Эксперимент Миллера – Юри лишь показывал возможную последовательность шагов на пути к зарождению жизни. Но эксперимент не может с абсолютной точностью сказать, какие именно реакции происходили на Земле 4 млрд лет назад{32}32
  Вы можете заменить эксперимент Миллера – Юри с маленьким теплым водоемом на другой, в котором будут воспроизводиться, например, условия в гидротермальных источниках срединных океанических хребтов. Постановка эксперимента изменится, но идеи, которые за ним стоят, останутся, в сущности, такими же.


[Закрыть]. В этом смысле эксперимент Миллера – Юри указывает на то, что догадки Опарина и Холдейна действительно имели под собой веские основания, но, как ни обидно, большего от него требовать нельзя. Мы можем удостовериться, что наши идеи вполне разумны, но не можем доказать, что на самом деле все так и было.

Однако стоит отметить: ничто не мешает нам допустить реализацию идей Миллера – Юри. Предположим, у нас есть планета, на которой существуют те же условия и ингредиенты, тогда мы можем ожидать того же результата, а именно среду, богатую сложными органическими молекулами, балансирующими на грани жизни.

Они пришли из открытого космоса

Удивитесь ли вы, если вам скажут, что в течение последних 13 млрд лет во Вселенной происходит эксперимент, подобный эксперименту Миллера – Юри, и что на рассыпанных в космосе частичках межзвездной пыли можно найти органические молекулы, подобные тем, что обнаружил в своей колбе Стэнли Миллер? Думаю, это и впрямь удивительно, поскольку доказывает, что химический набор, который использует природа, гораздо более разнообразен и гибок, чем можно себе представить.

Иногда самые неожиданные сюрпризы падают к нам прямо с неба и служат напоминанием о том, что Вселенная гораздо умнее нас. Одно из таких событий произошло в маленьком городке Мерчисон в Австралии. Большой метеорит упал рядом с городом в 1969 г., и в руки ученых попало около 100 кг его фрагментов. Мерчисонский метеорит относится к типу углистых хондритов и состоял из слабо сцепленных между собой частично оплавленных пород. Сюрпризом стало обнаружение в метеорите вкраплений сложных органических молекул, в том числе аминокислот и нуклеотидных оснований, радиометрический анализ которых показал, что встречающиеся в них изотопы, вероятно, имеют космическое, а не земное происхождение. Доля этих молекул в общем составе метеорита Мерчисон невысока: их относительное содержание измеряется в миллионных долях процента.

Воодушевленное подобными открытиями, НАСА в 2004 г. решилось сделать еще один решительный шаг в исследовании исходных материалов, из которых состоит Солнечная система. С этой целью был создан и запущен космический аппарат «Стардаст», который должен был пролететь через хвост кометы Вильда 2 и доставить собранные образцы кометного вещества на Землю. И снова среди частичек льда и пыли, попавших в ловушки аппарата, оказались органические молекулы – и снова это была аминокислота глицин. Мы по-прежнему точно не знаем, как образуются такие молекулы, хотя существует гипотеза, что химические реакции происходят на микроскопических гранулах космической пыли под воздействием ультрафиолетового излучения{33}33
  Вы можете спланировать собственный вариант эксперимента Миллера – Юри, но для этого потребуется воспроизвести условия космического вакуума и запастись изрядным терпением.


[Закрыть]. Но так или иначе такие молекулы образуются и в Солнечной системе, и в облаках межзвездной пыли, которые мы наблюдаем в нашей галактике Млечный Путь.

Потоки метеоритов интенсивно бомбардировали Землю в ранний период ее истории – и отсюда возникает вопрос: так ли нам необходима гипотеза, что на ранней Земле происходило нечто подобное эксперименту Миллера – Юри, если Солнечная система исправно снабжала нас сложными органическими молекулами? Такие молекулы, вероятнее всего, появились на Земле двумя путями: были занесены метеоритами из космоса и произведены на месте в результате природного синтеза, как в опыте Миллера – Юри. Их относительный вклад в органическую диету Земли в значительной степени зависел от того, насколько эффективно шел здесь процесс Миллера – Юри: если в атмосфере присутствовали все необходимые ингредиенты, тогда вполне возможно, что на отдельных участках обилие сложных органических соединений в целом соответствовало бы тому, что мы видели в современных экспериментах. Важное дополнительное следствие воссозданной Миллером – Юри картины: достаточно высокая для осуществления дальнейших реакций концентрация сложных молекул. Эти реакции совершенно необходимы – без них невозможно перейти грань между живой и неживой материей. Наш эксперимент подвел нас к границе возникновения жизни, а дальше мы ступаем в неизведанную область.

Неизведанные земли

Трудно путешествовать по незнакомым местам без хорошей карты. Однако, чтобы ее составить, кто-то должен пройти этим путем до вас и произвести тщательные измерения, чтобы достоверно воспроизвести все топографические особенности местности. Существует ли такая карта, которая могла бы помочь нам в путешествии через загадочный протомир Миллера – Юри к началу жизни на Земле?

К сожалению, нет. Наша карта в лучшем случае будет неполной. У нас есть определенные знания о периоде, предшествующем возникновению жизни, – мире Миллера – Юри. Мы знаем, где находимся сейчас, а также нашу ближайшую историю, равно как и свойства современной жизни на Земле. Но мы только в самых общих чертах наметили этапы пути между этими двумя точками, и каждый этап соответствует отдельной стадии в процессе зарождения жизни. Нам остается только ждать, пока не придет новое поколение картографов, которое сможет связать эти этапы в целостную картину зарождения и развития ранней жизни.

Прежде в этой главе мы, немного подумав, определили жизнь как совокупность связанных между собой физических процессов. Я хочу распространить эти идеи на царства простейших организмов, которые находятся на границе между живым и неживым. Американский ученый Стивен Беннер предложил простое и эффектное определение жизни: «Жизнь – это самоподдерживающаяся химическая система, подверженная дарвиновскому отбору». Это утверждение сводит жизнь к явлениям упорядоченности, метаболизма и (приблизительного) самовоспроизводства. Может ли подобный взгляд на жизнь в самом фундаментальном смысле оказаться полезен в размышлении об ее истоках?

Как из случайных реакций, протекающих в мире Миллера – Юри, может возникнуть порядок? Природа гораздо больше структурирована, чем может показаться на первый взгляд. Так, например, структура периодической таблицы строится на количестве протонов и электронов в каждом атоме. Взаимоотношения между атомами – сколько у них общих электронов и как прочно они связаны – определяют строение более сложных молекул. Для иллюстрации этой мысли можно, например, рассмотреть, как смешение простого химического соединения с водой может приводить к образованию мембран наподобие клеточных: когда будете мыть посуду, обратите внимание, как моющая жидкость в сочетании с водой образует пузыри. В вашей моющей жидкости содержится молекула, состоящая из двух частей: гидрофильной и гидрофобной. Гидрофильная часть притягивается к воде, а гидрофобная отталкивается, и в результате между ними образуется тонкая пленка – в нашем случае довольно неплохое подобие протоклетки.

Не хочу сказать, что Стэнли Миллеру надо было только добавить в свой эксперимент немного мыла и – вуаля! – у него получилась бы первая живая клетка. Встречающиеся в природе органические молекулы – жирные кислоты в данном случае – могут в сочетании с водой произвести клеткоподобные липидные пузыри, соответствующие нашим представлениям о спонтанном зарождении первых клеток, поскольку наши собственные клеточные мембраны представляют собой двойной слой липидных молекул.

Говоря об обмене веществ, мы должны помнить, что жизнедеятельность любого организма основана на реакции расщепления химического соединения с высвобождением энергии. В нашем случае мы называем это химическое соединение завтраком, обедом либо ужином или на клеточном уровне – глюкозой. Простые сахара могут возникать по схеме Миллера – Юри и спонтанно расщепляться с высвобождением энергии. Если в какой-то момент такая реакция будет встроена в клетку, ваша клетка сможет вырабатывать энергию: правда, спустя какое-то время она проголодается и ей потребуется следующая порция топлива. И это лишь один пример из множества возможных вариантов первой метаболической реакции.

Как могли эти реакции сохраниться в других, менее благоприятных для них условиях? Чтобы приводить их в действие, необходимы как набор команд, так и механизм. В современных клетках такая «инструкция» закодирована в последовательности генов, которые составляют нашу ДНК. Но ДНК – очень сложная молекула. Ее биохимическая родственница – рибонуклеиновая кислота (РНК) – проще, но тем не менее она также выполняет двойную функцию хранилища информации и самовоспроизводства. Мы не знаем, были ли первые организмы основаны на РНК или на какой-либо другой, более примитивной молекуле.

Ричард Докинз выдвинул гипотезу, что на самом начальном этапе зарождения жизни образовался «репликатор» – простая молекула, обладавшая одним замечательным свойством: она могла собирать фрагменты других молекул и создавать из них копию самой себя. Мы можем дальше рассуждать, не требовало ли возникновение такой специализированной органической молекулы небиологического каркаса или толчка на первую ступеньку лестницы жизни. Могла ли кристаллическая структура влажной глины или железного колчедана стать своеобразным каркасом, который позволил бы прикрепившимся к нему органическим молекулам приобрести свойства репликатора?

Ступая на территорию неизведанного, скрывающую в своих глубинах тайну зарождения жизни, мы можем различить в туманной дали очертания порядка, метаболизма и самовоспроизводства. Потом мы можем вернуться в наши лаборатории и сделать приблизительные наброски их биохимических контуров. Но все наши эксперименты будут не чем иным, как проверкой физической возможности осуществления того или иного события, а вовсе не доказательством того, что оно имело место в действительности. В конце концов мы сможем продемонстрировать, что последовательность каких-то физических процессов может привести к образованию примитивных организмов, похожих на те, как, согласно нашим представлениям, выглядели древнейшие обитатели Земли. Но даже в этом случае необходимо помнить, что наши представления основаны на знаниях о дальнейшей, более сложной жизни, но на деле одного и того же результата можно добиться разными путями. Поэтому пока не ясно, как наука сумеет перейти от правдоподобных гипотез относительно возникновения жизни к точному выяснению того, каким микробиологическим путем шли наши древнейшие предки.

Вторая попытка?

Возможно ли, что жизнь возникала на Земле неоднократно? И могла ли в таком случае существовать независимая форма жизни с отличной от современной биохимической организацией? Сохранились ли ископаемые останки таких организмов? А может, они скрытно существуют на Земле в настоящее время – эдакая незаметная, теневая биосфера? Может показаться, что этот вопрос больше подходит для книги, посвященной жизни на Земле, а не поискам жизни на других планетах, однако было бы непростительной оплошностью сосредоточить свое внимание на дальних мирах и не разглядеть чужую жизнь «у себя под ногами».

Так возможно ли, что жизнь возникала на Земле несколько раз? На сегодняшний день у нас нет никаких достоверных данных в пользу такой гипотезы. Если другая жизнь действительно существовала, то в палеонтологической летописи могли сохраниться ее следы. Однако распознать их – непростая задача. Утверждения, что древние ископаемые останки принадлежат нашим эволюционным предкам, подвергаются тщательному научному анализу и принимаются или отвергаются на основе клеточного сравнения с современными организмами. Но как распознать совершенно иную ветвь древней жизни по окаменелым останкам, когда все наши методы основаны на поиске общих черт с современной жизнью? Такой «иголке» древних окаменелостей ничего не стоит затеряться в «стоге сена» палеонтологической летописи, и, как ни обидно, мы, скорее всего, не можем ее распознать.

Может такой изолированный тип жизни существовать сегодня на Земле? И снова я вынужден сказать твердое «да»: до тех пор пока на нашей планете имеются обширные неизведанные области – под этим я подразумеваю геохимическое строение земной коры, – есть возможность обнаружить изолированные (но, вполне возможно, процветающие) природные среды, пригодные для иных форм жизни.

Кроме того, остается интересный, но, к сожалению, не имеющий ответа вопрос: если допустить, что независимые формы примитивной жизни возникали на нашей планете в разное время и в разных местах (каждая из них – результат удачно выпавшей молекулярной комбинации), то почему выжила и сохранилась до наших дней только одна?{34}34
  Я часто задумывался над этим вопросом, когда играл в настольную игру «Первичный бульон».


[Закрыть]