Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Подведем некоторые итоги. Мы увидели, что все основные строительные блоки живого могут образоваться из одних и тех же исходных веществ. Это делало возможным образование на ранней Земле напоминающих хемотон протоклеток (тех, что исследовал Шостак). Наверняка такие протоклетки были далеки от совершенства, однако сообща они вполне могли выжить. Данная гипотеза вобрала в себя все лучшее, что было в ее предшественницах (вроде гипотезы Мира РНК), обойдя при этом стороной мешающие им парадоксы “курицы и яйца”. И сейчас она дает лучший ответ на вопрос о том, как зародилась жизнь на нашей планете.
Но остается еще одна загадка: где именно все это могло произойти? Последние десять лет многие ученые склоняются к тому, что жизнь возникла в горячих, насыщенных химическими веществами
Это оспаривают Рассел и его сторонники, по-прежнему убежденные в том, что жизнь зародилась в щелочных гидротермальных источниках. По их мнению, суши поначалу не существовало вовсе, так как океаны были слишком глубокими. Данной проблеме уже много лет: гипотезы зарождения жизни часто противоречат новым данным об условиях на ранней Земле (мы обсуждали это в главе 6). Многие тешат себя словами, которые приписывают Лесли Орджелу: “Подождите несколько лет, и условия на древней Земле опять изменятся”[562]. Звучит довольно цинично, но зато хорошо отражает суть того, как резко меняются представления ученых.
На самом деле все больше фактов свидетельствует о том, что суша на ранней Земле тем не менее была. Вероятно, первые два миллиарда лет наша планета и вправду просуществовала без крупных континентов. (Об этом говорит тот факт, что не было найдено особых горных пород, которые могли возникнуть только на крупных материках, возрастом более 2,5 миллиарда лет[563].) Однако отсутствие континентов не обязательно означает отсутствие суши. Тогда на Земле активно росли вулканы – что, видимо, означает и существование вулканических островов (вроде современных Гавайев)[564]. То есть суша могла быть уже 3,5 миллиарда лет назад. Как мы помним из главы 1, самые древние достоверные образцы микроорганизмов относятся как раз к этому времени – их удалось обнаружить в Австралии. Последние данные говорят о том, что эти микроорганизмы были обитателями вулканической кальдеры, усеянной горячими источниками, – то есть жили на суше[565].
Димер полагает, что колыбелью жизни стал водоем геотермального происхождения: вода в нем подогревалась, проходя сквозь нагретые горные породы, и была насыщена растворенными веществами[566]. На современной Земле подобные водоемы есть, например, возле Лэссен Парк – это действующий вулкан в Калифорнии. Там находится долина кипящих источников и участков, где на поверхность выходит горячий пар; вокруг стоит резкий запах серы. Это место было названо Бампас Хелл в память о ковбое, который, имея несчастье зваться Кендалл Ванхук Бампас[567], стал еще несчастнее, когда лишился ноги – после того, как она провалилась в обжигающе горячую грязь. Похожие горячие водоемы есть также на Камчатке на российском Дальнем Востоке, неподалеку от Мутновской Сопки[568].
У таких источников есть несколько важных преимуществ. В них вновь и вновь повторяются циклы увлажнения и высыхания, имевшие большое значение в экспериментах Димера. Они освещены солнечными лучами, а значит, и ультрафиолетом, который способствует возникновению биологических молекул. Именно его использовал Сазерленд для своего синтеза нуклеотидов. Идея заключается в том, что в воздухе из цианида образуются его производные, которые там же вступают в различные реакции. В результате получаются аминокислоты, нуклеотиды и подобные им вещества. Далее они попадают в водоемы, где могут соединяться в длинные молекулы вроде РНК и белков. В таких водоемах находились и минералы (может, в том числе и монтмориллонит), которые стимулировали химические процессы.
В подобных источниках не раз проводил свои эксперименты Димер. Во время экспедиции на Камчатку он вылил в геотермальный источник смесь простых биологических молекул, включая аминокислоты и основания нуклеиновых кислот[569]. К сожалению, цепочек длинных молекул вроде РНК не получилось – вероятно, дело в кислой реакции среды. В одной из последних своих статей
Роберт Шапиро отметил, что проделанный опыт “напоминает нам, что лабораторные эксперименты не всегда можно перенести на происходящее в природе”[570].Однако геотермальные источники сработали лучше при попытке Димера получить в них протоклетки. В частности, его команда добавляла липиды к образцам воды из Йеллоустоунского национального парка[571]. Те очень быстро собрались в везикулы. А вот в морской воде этого не происходило – что стало ударом по гипотезе образования протоклеток в море. Позднее ученые под руководством Димера также получили похожие на РНК молекулы-цепочки внутри[572].
Следующий аргумент в пользу геотермальных источников (и против моря) представил в 2012 году Армен Мулкиджанян – биофизик армянского происхождения, занимающийся возникновением жизни с 1990-х годов. Эта проблема заинтересовала его после одной конференции, на которой ученый услышал о гипотезе щелочных гидротермальных источников. “Мне не верилось, что кто-то может в такое верить”, – говорит Мулкиджанян. Сам он склоняется к “мягкой” версии Мира РНК, а именно – к идее о том, что некая реплицирующаяся РНК стала основой для первой жизни – наряду с другими компонентами вроде липидных мембран.
Мулкиджанян и его сотрудники задались вопросом, который на первый взгляд кажется простым[573]. Какие металлы содержатся в клетке, и как этот состав соотносится с тем, что было доступно в древних водоемах? Смысл здесь в том, что химический состав клеток должен соответствовать составу той среды, в которой они образовались. Действительно: не могли же первые клетки с самого начала иметь насосы, позволяющие контролировать поток входящих в них и выходящих из них веществ. Поэтому, находясь в воде с определенными растворенными металлами, клетки скорее всего вбирали бы любые металлы.
Ученые отметили, что калия внутри клетки намного больше, чем натрия. Это очень любопытно, поскольку некоторые древние белки для своей работы нуждаются в калии, но не в натрии[574]. Это предпочтение калия натрию – еще один чувствительный удар по гипотезе зарождения жизни в море: ведь в морской воде содержится много натрия (в форме хлорида натрия, то есть поваренной соли). Такой результат, похоже, указывает на какую-то локацию, где калия было больше, чем натрия, а также хватало цинка, магния и фосфора. Подобный состав могут иметь только геотермальные источники – вроде тех, что сейчас существуют на Камчатке.
Сазерленд предложил альтернативный вариант: потоки воды, текущие по склонам кратера на месте падения метеорита и образующие на его дне водоем[575]. На эту мысль ученого натолкнул многолетний опыт изучения соединений-производных цианида, которые с успехом используются для получения нуклеотидов и других биологических молекул. В метеоритном кратере содержались все необходимые соединения. Само падение небесного тела могло вызвать образование циановодорода и, как следствие, цианамида – основы всех этих синтезов. Сам метеорит привнес металлы вроде железа и никеля, необходимые для ускорения различных химических реакций, а также очень важный фосфат. И все это купалось в ультрафиолетовых лучах, а также могло периодически намокать и высыхать.
Приводящие к получению белков, нуклеиновых кислот и липидов реакции отличаются друг от друга и не могли происходить в одном и том же водоеме. Чтобы обойти это препятствие, Сазерленд предположил существование на склонах своего кратера нескольких потоков дождевой воды[576]. Данная гипотеза выглядит очень сомнительно, что подтвердит любой, кому довелось гулять по холмам. “По-видимому, тут необходимы четыре потока воды, которые затем сливаются”, – полагает Сазерленд. На своем пути каждый из потоков встречает различные камни и химические вещества, бывает и на солнце, и в тени, – и все это заставляет исходно одинаковые реакции происходить по-разному. “Получаются не то чтобы различные мелодии, а скорее вариации на одну и ту же тему”, – считает Сазерленд. Когда же все строительные блоки встречались в озере на дне кратера, они могли образовать что-то наподобие протоклеток Шостака, положив тем самым начало жизни.