Марк Мосевицкий - Распространненость жизни и уникальность разума?
Изложенные выше представления об условиях, существовавших на ранней Земле, являются доминирующими, но не единственными. Соответствующей этим представлениям концепции нормально теплой ранней Земли (вода в океане – жидкость), временами раскаленной до плавления коры столкновениями с астероидами, противостоит альтернативная концепция нормально обледеневшей Земли, временами оттаивавшей благодаря столкновениям с астероидами. Во времена, о которых идет речь (4.4–4.0 млрд лет тому назад), светимость Солнца была ниже нынешней в начале этого срока на 40 %, а в конце – не менее чем на 30 %. Расчеты показывают, что в этих условиях даже при высоком содержании углекислоты и метана в атмосфере нормальным состоянием Земли было оледенение. Предполагается, что толщина ледяного покрова на океане могла составить 300 м (Bada et al., 1994). Достаточное для прекращения оледенения количество тепла могло быть выделено при столкновении Земли с крупным (размером около 100 км) астероидом или с дождем астероидов меньшего размера. Эти события в те времена происходили достаточно часто. Необходимость расплавить громадный массив льда снижала величину разогрева. В результате Земля избегала раскаленного состояния, но становилась теплой. За время оледенения подо льдом скапливались газы, поднимавшиеся от дна, где действовали термальные источники, происходили извержения и истечения лавы. Накопленные подо льдом газы поступали в потеплевшую атмосферу и вступали в химические реакции, производя разнообразные органические соединения. Углекислота и метан создавали парниковый эффект, продлевавший теплый период на Земле. Циклы глобальное оледенение – индуцированное потепление могли многократно повторяться, причем органические соединения, синтезированные в течение теплых периодов, сохранялись в холодные периоды оледенения и могли быть впоследствии использованы для получения более сложных соединений. Правдоподобность такого подхода подтверждается длительными глобальными оледенениями, действительно имевшими место около 2 млрд и 600 млн лет тому назад, т. е. в периоды, активно исследуемые геологическими и палеонтологическими методами. Каждое из них продолжалось многие миллионы лет, и выход в состояние теплой Земли был принудительным: помимо мощных импактов (столкновений с астероидами) называлась вулканическая активность. Окончательный выбор между гипотезами, моделирующими условия, существовавшие на ранней Земле, еще не сделан. Некоторые новые данные еще более обостряют полемику. Так, согласно Tian et al. (2005), водород, которого было очень много в первичной атмосфере Земли, убывал в сотни раз медленнее, чем следовало из данных других авторов, и, следовательно, восстановительная атмосфера “по Опарину” могла продержаться значительно дольше, чем полагают сторонники раннего формирования окислительной (бедной метаном и богатой окислами углерода) атмосферы. Но в таком случае синтезы сложных органических соединений в достаточном для этапа химической эволюции объеме могли быть в необходимый срок осуществлены на Земле без непременного участия космической органики (см., однако, Catling, 2006).
2.4. Возможные сроки осуществления доклеточной эволюции
Необходимо принять во внимание, что химическая эволюция, начавшись, как полагает большинство исследователей, не ранее 3.9 млрд лет тому назад, должна была привести к появлению клеточных форм жизни менее чем через 50 млн лет. Это ограничение накладывается обнаруженными недавно признаками существования жизни 3.8–3.85 млрд лет тому назад. Основанием для такого утверждения явилась повышенная доля легких изотопов углерода, железа и других элементов в древнейших обнаруженных осадочных породах, формирование которых относят именно к этому интервалу времени (Schidlowski, 1992, 1995; Mojzsis et al., 1996). Считается, что клеточная мембрана несколько более проницаема для легких изотопов. Это приводит к их более высокому содержанию в молекулах биологического происхождения по сравнению с молекулами, образованными небиологическим путем. Преобладание легких изотопов над тяжелыми в биологических молекулах незначительно. Так, для углерода С12/с13)биол. /(С12/С13)небиол. =1.01. Однако это превышение вполне регистрируемо. Принимая приведенные результаты, необходимо учитывать их предварительный характер. В частности, предстоит еще убедить оппонентов (van Zuilen et al., 2002; Fedo et al., 2006) в том, что исследованные породы действительно являются осадочными.
В настоящее время у исследователей нет единого мнения, достаточно ли было 10–50 млн лет для всей доклеточной эволюции. Многим этот срок кажется недостаточным. С другой стороны, Сидней Миллер и его коллеги полагают, что от начала химической эволюции до появления клеточных форм жизни могло пройти всего 5-10 млн лет (Lazcano and Miller, 1996). Аргументируя в пользу этого постулата, авторы обращают внимание на то, что синтезированные в ходе химической эволюции органические соединения были подвержены деструкции под действием тех же энергетических факторов, которые участвовали в их образовании. Поэтому медленно прогрессировавшие конгломераты (доклеточные образования) были обречены на инволюцию из-за деструкции составлявших их органических молекул. По этой логике вся доклеточная эволюция должна была пройти достаточно быстро, чтобы участвующие в ней конгломераты органических веществ успели превратиться в клетки – заключенные в малопроницаемую оболочку (мембрану) автономные образования, которые оперативно обновляют свой состав, захватывая вещества извне и осуществляя собственные синтезы. Накопив определенный избыток образующих их компонентов, клетки делятся на равноценные дочерние клетки. Именно эти присущие клеткам качества – обновление состава путем многократно ускоренных катализом синтезов и размножение делением – обезопасили их от гибели из-за спонтанной и индуцированной деструкции органических молекул. Весьма конкретный срок, отпущенный на всю доклеточную эволюцию, авторы выводят из предельного срока “жизни” органических молекул в Мировом океане. Согласно их концепции, вследствие циркуляции вод Мирового океана все присутствующие в нем молекулы в течение 10 млн лет обязательно попадают в зону извержения донных вулканов, где органика подвергается термическому разложению. Деструкция органических соединений при нагреве, действии излучений и по иным причинам безусловно имела место и оказывала существенное влияние на темп доклеточной эволюции, однако предложенное Миллером и коллегами обоснование отпущенного ими срока на доклеточную эволюцию не кажется убедительным. Кроме того, океан не был единственным местом, где различные мультимолекулярные комплексы “пытались” трансформироваться в клетки. Предпочтительным полигоном для таких попыток могла оказаться увлажненная твердая поверхность и запыленная влажная атмосфера. К этому вопросу мы еще вернемся. Здесь лишь отметим, что большую роль в темпе доклеточной эволюции имела эффективность нуклеации, т. е. частота зарождения мультимолекулярных комплексов, претендующих на превращение в клетки. В зависимости от многих обстоятельств (эффективности предшествовавших этапов химической эволюции, пространства, доступного для формирования и развития этих комплексов и др.) число этих центров могло бы отличаться на много порядков. Соответственно и сроки, основанные не на конкретном знании, а на предположениях, могут в интерпретации разных авторов кардинально отличаться.
Выше мы придерживались наиболее распространенной версии о начале на Земле эволюции (в первую очередь, химической) около 3.9 млрд лет тому назад, когда на поверхности планеты установились, наконец, благоприятные для того условия. Однако, если не ограничиваться представлением, что жизнь могла зародиться и поддерживаться только на поверхности планеты, то открываются дополнительные ниши, где процессы доклеточной эволюции могли начаться значительно раньше. Это глубины океана и достаточно удаленные от поверхности слои атмосферы. Есть основания полагать, что глубинные области океана не подвергались испарению даже при самых сильных катаклизмах. Там, в придонных участках вблизи выходов горячих газовых струй и извержений подводных вулканов возникли благоприятные условия для процессов, ведущих к становлению жизни (Maher and Stevenson, 1988; Ferris, 1992). Существенным фактором в этих придонных процессах могло стать давление, создаваемое столбом воды высотою несколько километров, смещающее равновесие в химических реакциях в сторону синтеза, в том числе полимеризации.
Несколько позже было обращено внимание на атмосферу Земли как еще один резервуар, в котором могли осуществляться не только ранние органические синтезы, но и сложные процессы предбиотической эволюции (Woese, 1979; Oberbeck et al. 1991). В атмосфере в большей степени, чем в других резервуарах, были доступны все упоминавшиеся выше источники энергии: электрические разряды, тепло, исходящее от Солнца, а также от раскаленной поверхности Земли, ионизирующее и ультрафиолетовое излучения, поступающие из космоса, главным образом от Солнца. Вулканические извержения и метеоритные взрывы пополняли атмосферу газами, влагой, распыленными минералами. Кроме того, как уже обсуждалось выше, значительное количество минеральной пыли и реакционно-способной органики поступало в атмосферу из космоса. На достаточном удалении от поверхности устанавливался благоприятный режим для органических синтезов и других эволюционно значимых взаимодействий. Восходящие потоки тепла и газов поддерживали взвешенные частицы и капли влаги на удалении от поверхности. Реакционно-способные соединения, синтезированные из газов, и органические молекулы, проникающие в атмосферу из космоса, скапливались в капельках влаги, размеры которых не были постоянными. Перемещаясь в нисходящих и восходящих потоках, они могли уменьшиться вплоть до полного высыхания, когда оказывались в нижних (горячих) или в верхних сильно разреженных слоях атмосферы, а затем, вернувшись в насыщенные влагой слои, вновь увеличивались в размерах, обогащались реагентами, в том числе аминокислотами, и цикл повторялся. Эти метаморфозы могли иметь принципиальное значение. При вызванном испарением уменьшении размеров капель содержавшиеся в них вещества концентрировались в десятки и сотни раз. Благодаря этому существенно ускорялись синтетические процессы. Присутствовавшие в каплях пылинки металлов, глин и других минералов не только предоставляли твердую поверхность для ориентированной сорбции реагентов, но благодаря выходу на поверхность определенных, в том числе заряженных, групп оказывались способными катализировать происходящие на их поверхности реакции (Бернал, 1969; Wachtershauser, 1988, 1994; de Duve and Miller, 1991). Важно отметить, что в условиях поверхностной сорбции могли быть осуществлены важнейшие процессы, практически невозможные в чисто водной среде. В первую очередь, это относится к образованию пептидных связей, соединяющих аминокислоты в цепочку, образующую белок (пептид), и фосфоэфирных связей, которые, возможно, формировали ранние автореплицирующиеся молекулы. Большое значение для прогресса доклеточной эволюции могли иметь акты дробления-слияния капель, внешне напоминающие акты деления-слияния клеток, когда осуществляется перераспределение материала, возрастает многообразие синтетических процессов и, соответственно, их продуктов. Если реакции синтеза преобладали над деструкцией, атмосфера обогащалась все более сложной, в том числе полимерной, органикой, сгруппированной в разнообразные комплексы на поверхности пылевых частиц. Очевидно, что достаточно прочная сорбция на поверхностях, выполнявших функции концентратора и катализатора, могла происходить только при умеренной температуре. На этом основании Бада и Лазкано выступили против широко распространившихся представлений о зарождении жизни вблизи придонных горячих источников и вулканов (Bada and Lazcano, 2002). Однако необходимые для зарождения жизни процессы могли осуществляться на некотором удалении от источников тепла (см. Borgeson et al., 2002).
