Питер Уорд - Новая история происхождения жизни на Земле
Белок, последний из обсуждаемых ключевых материалов, имеет четыре функции для земной жизни: строительство других больших молекул, ремонт других молекул, перемещение материалов и обеспечение энергетических запасов. Белки также преобразовывают большие и малые молекулы для самых разнообразных целей и служат средством сигнализации между клетками. Существует огромное количество разнообразных белков, и мы только еще изучаем, как они работают и что именно они делают. Новым открытием, например, является то, что в выполнении своих функций для белка очень важна его схема, структура.
Все белки на Земле строятся на основе одних и тех же двадцати аминокислот. В начале XXI века мы задаем себе все тот же вопрос: эти постоянные 20 кирпичиков используются потому, что являются самым удобным строительным материалом, или потому, что они были обычным материалом в тот момент, когда возникла жизнь, а потом стали постоянно копироваться жизненными формами? Кажется, скорее всего, причиной послужило первое — они самые лучшие, по крайней мере, согласно исследованиям 2010 года[48]. Эта группа из 20 аминокислот является специфичной для Земли и, вероятно, признаком жизни именно на Земле.
Белки конструируются в клетках нанизыванием различных аминокислот в одну длинную линейную цепочку, которая в своем окончательном виде сворачивается, лишь когда все аминокислоты оказываются в ней на своих местах. Иногда белковая цепочка сворачивается в момент своего создания. Поскольку создание белка происходит добавлением аминокислот по одной в линейном специальном порядке, этот процесс часто сравнивают с построением письменного предложения, роль слов в котором играют аминокислоты.
Клетка, покрытая мембраной, полна разных молекул, объединенных в стержни, шары и листы, и все плавают в соленом растворе. В клетке насчитывается около 1000 нуклеиновых кислот и более 3000 разных белков. Все они участвуют в химических реакциях, которые, объединяясь, создают процесс, называемый жизнь. В этой однокомнатной квартирке может происходить множество химических процессов одновременно.
В клетке также находятся около 10 000 отдельных шаров, известных как рибосомы, которые довольно равномерно распределены по внутриклеточному пространству. Рибосомы состоят из трех определенных типов РНК и около 50 видов белков. Также в клетке есть хромосомы, длинные цепочки ДНК, к которым присоединяются специальные белки. ДНК в бактериях обычно расположены в одной части клетки, но не отделены от прочих внутриклеточных элементов мембраной, как это бывает у высших жизненных форм — эукариотов, в клетках которых есть ядро. Спрашивается, что же в клетках «живое»?
Современное представление «дерева жизни». Затемненные области обозначают организмы, выживающие при высоких температурах. На нем отсутствуют многие виды организмов и «до-организмов», предположительно развившихся из неорганических химических элементов и образовавших первую живую клетку.
Бактерия состоит из неживых молекул. Молекула ДНК определенно неживая в любом смысле, который может представить себе здравомыслящий человек. Клетка сама по себе содержит многие множества химических механизмов, каждый из которых по отдельности является неживой химической реакцией. Возможно, клетка жива только как единое целое. Если нам суждено узнать, как возникла жизнь в самом начале, нам необходимо будет найти клетку с наименьшим набором молекул и реакций, которые обеспечивают жизнь.
Одной из основных проблем, возникающих при рассмотрении такой простейшей клетки, является то, что как ни посмотришь, а она не такая уж и простая. Фриман Дайсон выразил этот аспект современности, задав вопрос: «Почему жизнь (по крайней мере, сегодня) такая сложная?»[49] Если гомеостаз есть необходимый атрибут жизни и если все известные на сегодня бактерии содержат несколько тысяч химических соединений (закодированных несколькими миллионами основных пар ДНК), то, кажется, это и есть минимальный геном. А ведь все бактерии пришли к нам в сегодняшний день после более чем трех, а то и более четырех миллиардов лет эволюции. Возможно, самая простая жизнь на Земле — одна из самых сложных во всей Вселенной[50].
Глава 4
Появление первой жизни на Земле:
4,2(?)-3,5 миллиарда лет назад
Двадцать восьмого июля 1976 года из тяжелого, в одну тонну, аппарата, который буквально пару дней назад успешно приземлился на Марсе после своего долгого полета с Земли, высунулся механический щуп и взял пробу марсианской почвы. Потом образец с посадочного модуля был передан на космический корабль «Викинг». Это был первый подобный образец, добытый за пределами Земли, — большое достижение инженерии. С этим образцом на «Викинге» были проведены четыре основных эксперимента, и все чтобы проверить наличие жизни или ее процессов. Это вообще было единственной задачей «Викинга» на Марсе — поиск жизни.
Первые эксперименты[51] дали надежду, что на Марсе действительно есть жизнь, поскольку оказалось, что в почве содержится больше кислорода, чем ожидалось, и более того, химические процессы в собранной почве, по крайней мере, намекали на присутствие микроорганизмов в поверхностном слое Марса. Эти первые проблески спровоцировали такой небывалый прилив оптимизма у научной команды «Викинга», что один из ведущих исследователей проекта, доктор Карл Саган, даже сообщил в New York Times: «Возможность существования жизни на Марсе, даже крупных форм, не вызывает никаких сомнений». Под крупными формами он подразумевал по-настоящему большие, поскольку в том же интервью он развил тему до существования марсианских белых медведей!
Но после тщательного анализа марсианской почвы бортовой спектрограф не выявил никаких следов органической жизни. Марс, как показало это первое исследование «Викинга», казался не только мертвым, но и враждебным жизни. Это навело на мысль, что любую форму жизни, даже если бы она там и появилась, погубили бы ядовитые вещества марсианской почвы. Прежде оптимистичный, Саган теперь мог только надеяться, что второй посадочный модуль «Викинга», который уже кружил вокруг Марса, раздобудет еще какое-нибудь доказательство существования жизни на этой планете.
Третьего сентября 1976 года второй модуль благополучно спустился на поверхность Марса в месте, которое назвали Равнина Утопия. Как и первый, этот здоровенный агрегат успешно справился с задачей[52]. И, как и в первом случае, не было найдено никаких признаков жизни. Полет «Викинга» был задуман как многоцелевая исследовательская программа, но основной целью был поиск внеземной жизни, помимо изучения химического состава почвы и атмосферы.
Результаты «Викинга» показали, что на Марсе жизни нет[53], и в NASA стали терять интерес к марсианским исследованиям, поскольку в NASA ориентированы на изучение жизни вне Земли. Однако недостаток интереса со стороны NASA стимулировал развитие другой отрасли науки, той, что тоже сосредоточена на познании чужих миров и, возможно, инопланетной жизни — океанографии.
В первые годы сразу после осуществления проекта «Викинг» стали инвестироваться огромные суммы в технологии, необходимые для исследований океанских глубин, и вскоре аппарат совсем другого типа совершил посадку на чужеродную поверхность. На этот раз жизнь была-таки обнаружена, но совершенно неожиданная по форме. Сперва в Атлантическом океане, а затем, очень быстро, одно за другим были проведены исследования на глубоководье у Галапагосских островов и в Калифорнийском заливе — маленькая желтая субмарина ALVIN сфотографировала и взяла образцы такого вида жизни, который использует источник энергии, радикально отличный от солнечного света.
Это открытие «фауны разломов» может кардинально изменить наше представление о том, где и как возникла жизнь на Земле, если она вообще возникла именно на Земле. Если жизнь на Земле появилась вскоре после срастания нескольких небесных тел в одну обитаемую планету, то получается, что жизнь не так уж и сложно создать. Но насколько древними являются самые древние жизненные формы и где именно эти первые формы зародились?
Обычно, когда историки пытаются обнаружить что-то «самое раннее», они смотрят в записи еще более древние, то же самое делают исследователи естественной истории Земли. В их случае проблемой становится недостаток пород соответствующего возраста, а также почти полная невозможность для древних бактерий образовывать ископаемые останки.
На протяжении более чем двух десятилетий аксиомой полагалось то, что самый старый след жизни на Земле тянется из заледенелого уголка Гренландии под названием Исуа[54]. Никаких фоссилий найдено не было. Вместо этого сообщалось, что мелкие минералы-апатиты содержат микроскопические количества углерода — такого, который химически похож (близкий изотоп) на производимый живым организмом. Изученные при этом породы были датированы примерно 3,7 млрд лет, а позже новые данные дали возможность предполагать, что они на самом деле даже старше, около 3,85 млрд лет, и этот факт надолго был «узаконен» учебниками.
