Питер Уорд - Новая история происхождения жизни на Земле
Панспермия и Марс
Сегодня приблизительно 75 % поверхности Земли занимают крупные океанические бассейны и материковые массивы, возвышающиеся над средним уровнем моря. Вдоль континентальных разломов возникли новые гранитные породы, осадочные породы нанесены на несколько сотен километров и частично преобразовались в гранит. Таким образом, чем ниже мы погружаемся по геологической лестнице, тем больше воды и меньше суши мы встретим на Земле.
Есть и другие подтверждения этому. Из геологических моделей известно, что сразу после образования Луны около 4,567 млрд лет назад на нашу планету упало гигантское небесное тело, и вся Земля просто расплавилась. Возник океан расплавленной магмы как результат интенсивного теплового воздействия, а также сегрегации никеля и железа в глубине планеты. Первые полмиллиарда или даже более лет после этого события были временем сильнейших тепловых потоков параллельно с постепенным отвердеванием коры в самых верхних слоях земной литосферы. Такой повышенный уровень теплоты ограничивал поднятие твердых элементов относительно среднего уровня моря. Некий континент находился над морским дном просто потому, что «всплывал» над менее плотной субстанцией. При потоках теплоты высокой температуры корни материка таяли, и это не позволяло образовываться высоким горным цепям.
И наконец, геохимики подозревают, что уровень земных океанов со временем падает. После образования Земли, вероятно, большое количество водных паров в общепланетарной системе конденсировалось на поверхности молодой планеты и постепенно просочилось обратно в мантию в процессе плитотектонической деятельности. Этот «обратный» путь, безусловно, химически прослеживается в цирконах возрастом 4,4 млрд лет. Оценки уровня того первичного океана варьируются от почти равных сегодняшнему до превышающих сегодняшний уровень в 3–4 раза. Учитывая все эти обстоятельства, совершенно невероятно, чтобы около 3 млрд лет назад хоть какой-нибудь остров мог торчать над поверхностью воды, за исключением махонькой верхушки одинокого вулкана.
Водный мир — не лучшее место для образования рибозы. Кроме того, это ужасное место для формирования сложных молекул вроде белка и нуклеиновых кислот, которые выделяют некоторое количество воды всякий раз при добавлении очередного сегмента. По этой причине 3 млрд лет назад Земля не могла быть подходящим местом для первичной фазы возникновения жизни. Да и долго еще после этого едва ли существовали места вроде озер в Долине Смерти, богатых боратом кальция настолько, чтобы стабилизировать образование рибозы и прочих углеводов.
Многочисленные эксперименты, проведенные в последнее десятилетие, убедительно доказывают, что метеориты с поверхности Марса могут достигать поверхности Земли, избегая убивающего теплового воздействия, и таким образом могут переносить с собой и жизнь. За последние 4,5 млрд лет такое путешествие от Марса к Земле совершили различные тела общим весом более одного миллиарда тонн. Поэтому для осмысления источников происхождения жизни на Земле следует учитывать и возможность того, что сначала она появилась на Марсе, а затем была принесена на Землю метеоритами[75].
Марс почти вдвое меньше Земли в диаметре, а его масса составляет лишь около 10 % от земной. Как меньшая планета, он имеет и меньшее гравитационное поле. Поэтому метеориту или молекуле газа очень легко полностью потерять связь с Марсом. По этой причине, когда какой-нибудь малый астероид сталкивается с Марсом, это приводит к тому, что с марсианской поверхности большое количество материала улетучивается на орбиту вокруг Солнца, но при этом не испытывает воздействия сильного, «шокового» тепла, которое бы убило возможную жизнь. Напротив, чтобы покинуть поверхность Земли, требуется большое количество энергии из-за сильного притяжения, что приводит к почти полной вероятности расплавления таких вылетающих в космос объектов. Нет никаких свидетельств того, что с поверхности Земли что-то попало в космос естественным путем и сохранило бы форму и/или жизнь.
Поэтому, если бы жизнь и правда зародилась на Марсе, то он могла легко оттуда сбежать. С другой стороны, более сильная гравитация Земли означает более мощное удержание гидросферы и атмосферы, не повреждаемых за существенное геологическое время. Атмосферное давление на Марсе настолько мало, что жидкая вода закипает уже при комнатной температуре. Новые данные с последнего марсохода «Кьюриосити» в 2012 году ясно показали, что в марсианском кратере Гейл существовало озеро или, возможно, море, в которое впадал поток, имеющий веерное устье, а в нем когда-то весело бурлили и парили пузыри. Мир вулканических пород, насыщенный бурлящим парами и морями, с активным круговоротом воды, непременно должен был породить жизнь. Или наверняка был способен это сделать. Мы считаем, что именно там и появилась жизнь, которая теперь обитает на Земле.
При изучении слоев катархея становится очевидным, что 4,4 млрд лет назад океаны на Земле существовали. Возможность зарождения жизни в марсианских, насыщенных боратами и разноуровневыми озерами пустынях подтверждается теорией Беннера и подкрепляется исследованиями Киршвинка[76]. Серия недавних экспериментов показывает, что на Землю с Марса могли переместиться сложные органические молекулы и даже микробы в состоянии спячки благодаря процессу, который назвали планетарной панспермией — крупные столкновения Марса с небесными объектами около 3,6 млрд лет назад вызвали падение на Землю потока метеоритов и таким образом произошло заселение нашей планеты марсианской жизнью, или марсианские химические вещества стимулировали возникновение жизни на Земле.
Существует еще один довод в пользу марсианской теории происхождения жизни, основанный на исследовании Дэвида Димера из Университета Калифорнии[77]. Одной из самых больших проблем в создании РНК является необходимость объединения многих сегментов, называемых нуклеотидами РНК, в длинный «полимер». Димер показал, что замораживание раствора с нуклеотидами вызывает их объединение по краям кристаллов льда. На Земле в древности не было льда. Но на полюсах Марса его было много, особенно на ранних стадиях, когда Солнце было менее ярким.
Возникновение жизни — представления 2014 года
Развитие наших представлений о том, как сформировалась из неживых соединений жизнь на Земле, во многом зависело от того, насколько успешно нам удавалось создавать жизнь в пробирке. Еще пять лет назад почти никак не удавалось. Но благодаря гарвардской группе ученых, возглавляемых Джеком Шостаком, мы теперь так близки к успеху, что общественность и представить себе не может[78]. Шостак и его коллеги экспериментировали с РНК на протяжении почти двух десятилетий. На Земле первичной молекулой, несущей информацию, была РНК или что-то очень близкое к ней, что потом развилось в РНК в ее современном виде. Шостак с командой сделал великое открытие именно в этой области.
Фокус в том, чтобы заставить нуклеотиды соединиться друг с другом в цепочки РНК. Объединить их значительно легче, чем заставить размножаться после объединения. Однако они это сделают, если в цепочку объединятся 30 и более нуклеотидов, поскольку с такой или большей длиной молекула РНК приобретает совершенно новое свойство — она становится катализатором, химическим соединением, которое убыстряет реакцию. А в нашем случае речь идет ни о чем ином, как о реакции репродуцирования молекулы РНК в две идентичные копии.
Чтобы создать цепочку РНК, состоящую не менее чем из 30 нуклеотидов, на (или в) Земле потребовалась, возможно, глинистая порода в качестве заготовки. Подходящей представляется монтмориллонитовая глина. Согласно этой гипотезе, отдельные нуклеотиды, растворенные в жидкости, сталкивались с глиной. Они становились слабо связанными с глиной и больше не перемещались. В некоторых местах глинистой породы образовывались скопления из 30 и более нуклеотидов. Поскольку связи с глиной были слабы, происходило отделение цепочек, и если возникала какая-то концентрация этих цепочек, то они объединялись в некий пузырь с насыщенной липидами жидкостью, что служило первой протоклеткой.
Двумя необходимыми для жизни компонентами являются клетка, способная к воспроизведению, и некая молекула, способная нести в себе информацию, а также служить катализатором для реакции, которая иначе — без этой молекулы — не произойдет. Если в клетку попадает достаточно новых компонентов для РНК, каталитическое действие РНК приводит к появлению еще большего количества РНК уже в самой клетке. В более ранних представлениях клетки и информационные молекулы формировались отдельно друг от друга, а затем сливались. Теперь понятно, что они развивались в тандеме.
