Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Однако завязавшиеся споры не были замечены широкой публикой. Еще бы: ведь исследователи зарождения упорно придерживались прежнего сценария, твердя журналистам, что разгадка уже близко и что в общих чертах старые теории верны. К примеру, в своем телесериале 1980 года “Космос” Карл Саган радостно заявил, что гипотеза первичного бульона не вызывает ни малейших сомнений^[156].

Хотя многие ученые и прибегали к отрицанию, поддерживая внешнюю уверенность на людях и пряча раздрай от посторонних глаз, такое поведение было характерно не для всех. Американский биохимик Роберт Шапиро, который принадлежал к числу тех, кто ясно осознавал происходящее, писал: “Результатом подобных публичных заявлений станет рост кризиса доверия к исследованиям зарождения жизни со стороны остальной науки”^[157]. Притворяться знающим, когда вы явно ничего не знаете, попросту глупо.

К тому времени в отношении гипотезы первичного бульона в формулировке Опарина и Холдейна и ее экспериментального подтверждения Миллером назрели две серьезные проблемы.

Первая из них связана с ультрафиолетовым излучением. Солнце постоянно и в приличных количествах испускает ультрафиолет, однако сейчас мы неплохо защищены от него озоновым слоем. Это радует, поскольку большие дозы ультрафиолета опасны. Но озон – это молекула, состоящая из трех атомов кислорода, поэтому он может образоваться, только если в воздухе имеются молекулы кислорода. Выполненные в 1960-е – 1970-е годы исследования древних горных пород подтвердили, что в начале истории Земли ее атмосфера не содержала кислород, а значит, и озон в ней отсутствовал^[158].

Опарин подошел к этой проблеме творчески. Он предположил, что ультрафиолет обеспечил энергию, необходимую для образования первых органических молекул. Некоторые из выполненных уже после Миллера исследований это подтверждают – в главе 14 мы убедимся, что оснований для этого становится все больше. Однако ультрафиолет также и разрушает биологические молекулы: именно поэтому он настолько опасен. И если ультрафиолет действительно вначале помог первым биологическим молекулам образоваться, то им сразу следовало поспешить и успеть сделать хоть что-то, прежде чем тот же самый ультрафиолет их уничтожит.

Некоторые современные исследователи полагают, что жизнь зародилась в морских глубинах, защищенных от ультрафиолета большой толщей воды. В этом случае возникает вопрос: как они сумели там образоваться без ускоряющей химические реакции энергии ультрафиолетового излучения?

Тем временем другие ученые считают, что жизнь зародилась на мелководье или на суше и что стимулирующее действие ультрафиолета в этом случае оказалось важнее разрушительного. Эта точка зрения была близка и Сагану. На конференции 1963 года в Уэйкулле он отметил, что живые организмы подозрительно хорошо приспособлены к ультрафиолету. И это несмотря на то, что защищающий от него озоновый слой существует уже сотни миллионов лет^[159]. Саган сделал вывод, что жизнь возникла в “среде с обилием ультрафиолетового излучения” и вскоре приобрела необходимые защитные механизмы. Споры об ультрафиолете привлекли внимание и к одному более общему вопросу. Недостаточно просто показать, что вещества вроде аминокислот могли самопроизвольно образоваться на Земле. Необходимо показать также, как им удавалось уцелеть. В Уэйкулле Джон Рубен Валентайн из Корнеллского университета сетовал, что этим вопросом пренебрегают со времен эксперимента Миллера^[160].

С гипотезой первичного бульона была связана еще одна большая проблема, касающаяся специфики знаменитого эксперимента Миллера. В 1970-х годах ученые начали подозревать (а сейчас они в этом почти уверены), что он использовал неправильный состав первичной атмосферы^[161].

Как мы помним из главы 3, Опарин предположил, что атмосфера на ранней Земле имела восстановительные свойства. Это означает, что в ее составе преобладали метан и аммиак, которые склонны отдавать свои электроны другим веществам. Юри соглашался с этим и рассматривал пример планет-газовых гигантов вроде Юпитера, где таких веществ до сих пор очень много. В этом отношении газовые гиганты могут быть похожи на юную Землю – хотя она меньше их по размеру и имела твердую поверхность. Единственное важное различие заключается в том, что атмосфера Земли вскоре потеряла почти весь водород, а газовые гиганты сумели его удержать. Дело в том, что водород – это самое легкое химическое соединение и потому сохраняется только на крупных планетах с сильным гравитационным полем.

Однако первые сомнения в восстановительной природе атмосферы появились еще до Миллера. Джон Десмонд Бернал в своей лекции 1947 года подчеркнул, что метан в атмосфере быстро разрушается, поскольку превращается в углекислый газ^[162]. К тому же метан не так охотно вступает в химические реакции и потому не может быть сильным восстановителем^[163].

Позднее, в 1950-е годы, американский геолог Уильям Уолден Руби использовал совсем другой подход^[164]. Он считал, что атмосфера образовалась главным образом из газов, выходящих из вулканов, и потому начал изучать их состав. Руби выяснил, что из вулканов выходят главным образом углекислый газ и азот, и, соответственно, предположил, что именно они присутствовали в составе древней атмосферы Земли^[165]. Такая смесь тоже является восстановительной, но в меньшей степени.

Большинство ученых долго игнорировало работы Руби. (Не исключено, что их ослепил успех опытов Миллера.) И все же к концу 1970-х годов доказательств накопилось уже немало^[166]. Планетологи выяснили, насколько быстро Земля должна была потерять свой водород, и это сделало возможными точные вычисления. Оказалось, что атмосфера юной Земли все же была слабовосстановительной^[167]. К началу 1990-х годов ученые согласились на том, что ранняя атмосфера состояла главным образом из азота и углекислого газа и имела слабовосстановительные свойства^[168].

И однако точка в этом споре до сих пор не поставлена. Некоторые исследователи продолжают утверждать, что исходная атмосфера все же имела сильные восстановительные свойства^[169], так как падение астероидов могло высвободить из земных недр большие объемы метана. Но убедить своих коллег в том, что это меняет дело, им не удается. Ключевой момент здесь (как отметил еще Бернал в 1940-е) заключается в нестабильности и разрушении газов с восстановительными свойствами на свету. Джеймс Кастинг выполнил расчеты и выяснил, что полное превращение метана ранней атмосферы в углекислоту могло произойти за тридцать миллионов лет^[170]. В этом случае жизнь имела не так много времени на то, чтобы образоваться из восстановителей до того, как эти последние полностью разрушатся.

Данные о том, что первичная атмосфера имела слабые восстановительные свойства, лишили опыты Миллера (и им подобные) ценности – оказалось, что они просто не соответствуют древней атмосфере. Годы работы оказались потраченными исключительно ради удовлетворения любопытства химиков, без достижения всякого прогресса в науке о зарождении жизни. И все же эксперименты Миллера и сейчас остаются знаковыми, хотя они и не были технически верными. Его опыты имеют безусловное символическое значение: это эффектное доказательство того, что биологические молекулы действительно могут образовываться самопроизвольно. Получается, что Юри был неправ: природа в свое время не предпочла использованный Миллером синтез.

В слабовосстановительной атмосфере получить биологические молекулы оказалось куда сложнее. В 1970-е такие попытки предпринимал Миллер, когда проводил эксперименты в нейтральной атмосфере, в среде, которая не склонна ни отдавать, ни захватывать электроны. В результате аминокислот получалось очень мало или они не возникали вовсе. Спустя десятки лет бывший ученик Миллера Джеффри Бада попросил своего постдока^[171] повторить этот эксперимент^[172]. Исследователи выяснили, что в смеси образуется кислота, которая в дальнейшем мешает синтезу аминокислот. Когда для ее удаления добавили известняк, синтез наконец начался, хотя и произвел лишь очень небольшие количества аминокислот.

Но по-настоящему серьезный удар обрушился на гипотезу Опарина – Холдейна – Миллера в 1986-м. Космическая гонка завершилась убедительной победой США; СССР, безнадежно в ней отставший, доживал последние годы. Видимо, в новых реалиях американские ученые больше не испытывали необходимости претендовать на то, что им в деталях известно, как именно зародилась жизнь.

Роберт Шапиро надлежащим образом описал ситуацию, сложившуюся в то время в науке о происхождении жизни, в своей книге “Зарождения” (Origins)^[173]. Шапиро тут логичен, конкретен и зол. Большая часть его книги построена следующим образом: автор берет различные предположения, которые ранее принимали как нечто само собой разумеющееся, – и с ходу доказывает их несостоятельность. К примеру, Шапиро разносит в пух и прах идею о том, что гипотезу первичного бульона можно спасти небольшими отделочными работами, и обосновывает необходимость ее полного пересмотра. Студенты прозвали Шапиро “Доктор No” – именно так односложно ученый отвечал на очередные выдвинутые гипотезы. Многие из этих проблем замечали и ранее, однако Шапиро впервые заговорил о них во всеуслышание.