Питер Уорд - Новая история происхождения жизни на Земле
Жизнь на Земле предполагает наличие РНК и ДНК. Если появляется РНК, то это открывает путь к возникновению ДНК, поскольку РНК рано или поздно произведет ДНК. Но как появилась первая РНК? При каких условиях? В какой среде? Все это — основные вопросы места и времени происхождения жизни на Земле. И недостатка в предположениях, в каком именно месте возникла жизнь, нет.
Пруд Дарвина
Первая, самая знаменитая и наиболее долго продержавшаяся модель зарождения жизни на Земле принадлежит Чарльзу Дарвину, который в письме к одному своему другу предположил, что жизнь возникла в некоем «мелком, прогретом солнцем пруду». И до конца 70-х годов XX века, пока не состоялись те самые глубоководные экспедиции к разломам, эта гипотеза была самой популярной, да и сейчас такой тип природных условий, будь то пресный водоем или морская отмель, признается убедительным кандидатом на звание колыбели жизни. Другие ученые начала XX века, такие как Джон Холдейн и Александр Опарин, согласились с Дарвином и развили его теорию[64]. Они, независимо друг от друга, предположили, что молодая Земля имела «восстанавливающую» атмосферу, то есть антагонистичную той, где продуцируется кислород. В такой атмосфере, например, никогда не будет ржаветь железо. Атмосфера того времени, возможно, была насыщена метаном и аммиаком, формируя идеальный «первичный бульон», из которого жизнь и появилась в каком-нибудь мелком водоеме.
До 1950–1960-х годов, таким образом, было принято считать, что в атмосфере ранней Земли, предположительно состоящей из метана и аммиака, простые неорганические вещества с помощью воды и энергии могли произвести органические аминокислоты[65]. Все, что было нужно — это подходящее местечко, где могли бы соединиться все эти разнообразные вещества. Вроде бы наилучшим местом для этого является мелкий пруд с запашком сероводорода или котлован на берегу теплого мелкого моря, наполненный водой, доставленной приливной волной. И вот, как предполагает эта теория, в таком месте появляется «первичный бульон» из органических молекул и поджидает своего доктора Франкенштейна, который бы его оживил.
Оценивая возможные природные условия ранних этапов истории Земли, многие ученые сомневаются в правдоподобии такого сценария. Органические соединения, необходимые для формирования жизни, очень усложнены и легко распадаются при нагревании растворов. Более того, чтобы вывести такой «первичный бульон» из равновесия (что необходимо), понадобится очень и очень много энергии. Дарвин в свое время просто не мог учесть того, что механизмы, ведущие к формированию Земли (и других землеподобных планет), порождают мир, который на ранних этапах своего существования является жестоким и ядовитым — это место, максимально непохожее на идиллический маленький прудик, который представляли в XIX–XX веках.
Погружения аппаратов ALVIN в 1980-х годах, упомянутые в начале этой главы, показали возможность другой гипотезы, за которую ратовал Джон Баросс из Вашингтонского университета: жизнь на Земле возникла в недавно открытых глубоководных впадинах[66]. Вскоре новые методики молекулярных исследований, примененные для классификации глубоководных микроорганизмов, подтвердили эту гипотезу ДНК свидетельствует, что жизнь провела свои первые миллионы лет в горячей воде, на самом деле — в очень горячей воде.
Большинство обнаруженных в океанических разломах микроорганизмов принадлежат к биологическому надцарству археи. Последние, скорее всего, являются самой старой из известных на Земле ветвей живых организмов. Старейшие же из них — термофилы. Это такие, которые процветают в почти кипящей воде. Это кое-что, чего в прудах не найдешь. Таким образом, получается, что микроорганизмы глубоководных впадин — очень древние[67].
Во времена сильной космической бомбардировки в период с 4,4 до 3,8 млрд лет назад каждый удар (кометы диаметром около 500 км) частично или полностью превращал земные океаны в пар температурой в несколько тысяч градусов. Именно этот пар и стирал с лица Земли всю только-только зарождавшуюся жизнь. Потом следовало похолодание, однако новый океан не мог пролиться дождем еще несколько тысяч лет, и трудно себе представить, чтобы какие-либо организмы могли выжить на поверхности Земли.
Влияние космической бомбардировки ранее не рассматривалось в исследованиях о происхождении жизни на планете. Но теперь мы знаем, что в период, когда на Земле вообще могли зародиться жизненные формы, единственными местами, где это могло произойти, были либо глубокие океанические впадины, либо недра самой земной коры. Возможно, лишь глубины морей или земной коры и давали защиту первичным формам жизни.
Даже около 4 млрд лет назад суши почти не было. Вулканическая деятельность и извержения лавы были куда более привычным делом, чем теперь, и намного более мощным. Давным-давно глубоководные хребты и разломы (которые исследовались маленькими подводными аппаратами в 1970-х годах) были намного длиннее и активнее: вулканы с огромной энергией выбрасывали в океан большие количества веществ и соединений из земных глубин. Химический состав морской воды совершенно не походил на сегодняшний. Океан был «восстанавливающим» (в отличие от нынешнего «окисляющего»), поскольку в нем отсутствовал свободный кислород, растворенный в воде. И по температуре вода была как кипяток.
Содержание углекислоты в атмосфере превышало сегодняшний уровень, наверное, во много раз — от 100 до 1000. Также на поверхности присутствовало убийственное ультрафиолетовое излучение. Чтобы образовался пруд, необходима суша, а во времена появления первой жизни суши на поверхности Земли, вероятно, не было. Скорее всего, там был только один сплошной горячий, ядовитый океан от полюса до полюса.
Минеральный состав поверхностей гидротермальных впадин
Гидротермальные разломы и их жизненные формы, которые способны выживать в экстремальных условиях, включая многочисленных любителей горячих вод — архей, все еще рассматривают как наиболее вероятное место появления первичной жизни. И в отличие от ранних океанов и атмосферы, химия гидротермальных впадин сильно «восстанавливающая». Впадины выбрасывают химические соединения, вполне подходящие для эволюции жизни, — например, сероводород, метан, аммиак, — и много горячей воды. Химический состав впадин очень отличается от состава атмосферы, а значит, развитие жизни могло происходить независимо от атмосферного влияния. Это снимает проблему непригодности древней атмосферы Земли для существования жизни. Однако теория «разломного происхождения» имеет свои проблемы. Как могла РНК, такая крайне нестабильная молекула, сформироваться в разломах с их-то высокими температурами и давлением?[68] Давайте рассмотрим интересную новую теорию происхождения жизни немецкого ученого Гюнтера Вехтерсхойзера — химика и патентоведа.
Первая жизнь могла сформироваться на поверхностях минералов, содержащих сульфид железа, — так, по крайней мере, утверждает уважаемый Гюнтер Вехтерсхойзер. Он назвал свою теорию «миром железа и серы»[69]. Гипотеза состоит в том, что первая жизнь («организм-первооткрыватель» Вехтерсхойзера) зародилась под высоким давлением в глубине горячих вод гидротермального источника, образованного вулканической деятельностью в море. Вулкан выбросил в морскую воду поток горячих, насыщенных минералами пузырей вдоль морских трещин протяженностью в тысячи километров. Жизнь возникла при температурах, которые на поверхности Земли привели бы к закипанию воды (100 °C). Под давлением, однако, вода так, как на поверхности, не закипает, а вода из разлома была насыщена разнообразными элементами и минералами. Однако для появления какой-либо органики было необходимо, чтобы потоки, вырывающиеся из разлома, сдержали угарный газ, углекислый газ и сероводород, углерод и сера из которых могли бы участвовать в образовании аминокислот, а в дальнейшем — нуклеиновых кислот, белков и жиров.
Наросты минералов, содержащих железо, серу и никель, омываемые горячими потоками вулканического происхождения, образовывали небольшие области, которые улавливали из раствора углеродсодержащие молекулы и химически высвобождали свободные атомы углерода, которые потом объединялись. Когда с атомами железа из различных минералов вступал в реакцию газ сероводород, образовывался минерал серный колчедан («золото дураков»), В результате этой реакции возникали молекулы, содержащие энергию, но очень незначительную. Вехтерсхойзер сообразил, что необходим еще один газ — угарный, который бы служил топливом. Это горючее было чрезвычайно важным элементом того, что происходило потом: медленное накопление и сцепление молекул в частицы, которые в своей итоговой форме станут чем-то принципиально новым и отличным от простой суммы сложенных вместе химических веществ.
