Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
После того как непрерывная бомбардировка астероидами прекратилась, а оставшиеся астероиды оказались на определенных орбитах и уже практически не могли причинить вреда Земле, углерод, азот, водород и кислород в различных комбинациях «образовали аминокислоты и другой основной строительный материал живого вещества». Как это объясняет нобелевский лауреат Кристиан де Дюв в своей книге «Живительная пыль» [1], изданной в 1995 г., «осевшие под действием атмосферных осадков, комет и метеоритов продукты этих химических процессов постепенно образовали первые органические вещества на безжизненной поверхности нашей недавно сконденсировавшейся планеты». Эта богатая углеродом пленка подвергалась воздействию как процессов, происходивших в самой Земле, так и падающих на ее поверхность тел из космоса; действие ультрафиолетового излучения было во много раз сильнее, чем сейчас, так как в настоящее время нас защищает земная атмосфера. Все эти материалы в конце концов отлагались в морях, и, как писал в своей известной статье 1929 г. выдающийся ученый Дж. Б. Холдейн, «первичные океаны имели консистенцию горячего разбавленного бульона». Главным побочным продуктом этих процессов было нечто вязкое коричневатое, называемое «тянучим», «липким» и другими словами, пробуждающими воспоминания о детстве. Те, кто уже давно противится выводу Чарлза Дарвина о том, что люди — родственники шимпанзе и орангутанов, по сути ставят человека перед этим последним оскорблением — мы произошли из какой-то слизи!
Итак, мы имеем первичный «бульон», в котором повсюду размешано множество чего-то липкого. Как же из этого сырья могла возникнуть жизнь? Здесь-то и начинается настоящая загадка. Общепризнано, что решающую роль сыграла РНК — рибонуклеиновая кислота, близкий родственник ДНК, определяющей генетический код человека и всех остальных живых существ. Тем не менее ведутся еще многочисленные споры о том, каким образом, когда и где действительно зародилась жизнь. Рассмотрим вкратце некоторые из проблем, питающих эти дискуссии.
Долгое время биологи и химики считали, что жизнь должна была возникнуть не раньше чем через миллиард лет после охлаждения планеты и прекращения интенсивной бомбардировки ее астероидами, а это произошло примерно 3,8 млрд. лет назад. Отсюда следует, что жизнь на Земле существует не более 2,8 млрд. лет. Однако геологические данные и даже органические ископаемые остатки все больше свидетельствуют о том, что бактерии уже существовали задолго до этого. В гренландской формации Исуа, сложенной древнейшими породами Земли, возраст которых определен в 3,2 млрд. лет, содержится углерод — основной строительный материал всех известных форм жизни, причем в соотношениях, характерных для бактериального фотосинтеза. Многие биологи приходят к выводу, что даже в этот столь ранний период должны были существовать бактерии, а если это так, то еще раньше существовали более примитивные организмы, чем бактерии. Совсем недавно геолог из Университета Западной Австралии Бигир Расмуссен обнаружил в кратоне Пилбара на северо-западе Австралии ископаемые остатки нитевидных микроорганизмов возрастом в 3,5 млрд. лет, а также «возможные» ископаемые остатки, датируемые 3,235 млрд. лет назад, в излившихся вулканических отложениях на западе Австралии. Из-за таких находок возникает серьезная проблема: истоки жизни отодвигаются к 200 000 годам после окончания Хэдского периода, что многим биологам представляется слишком коротким сроком для того, чтобы успели произойти необходимые химические процессы.
Более поздняя находка Расмуссена, о которой сообщалось в июне 1999 г. в журнале «Nature», затрагивает суть другой дилеммы. Поскольку необходимые для живого вещества биомолекулы, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, довольно хрупки и лучше выживают при более низких температурах, многие химики уже давно убеждены, что жизнь должна была возникнуть в условиях низких температур, возможно, даже отрицательных. И все-таки Расмуссен откопал свои микроскопические нити в материале, первоначально находившемся вблизи жерла вулкана, где температура была исключительно высокой. В самом деле, наиболее древними организмами, продолжающими существовать и теперь, являются бактерии, живущие в сохранившихся вулканических жерлах или в источниках с температурой воды до 110 °С. Существование этих древних бактерий в жерлах вулканов служит убедительным свидетельством в пользу предположения о высокотемпературных условиях возникновения жизни, поддерживаемого другими учеными.
Одним из приверженцев взгляда на возникновение жизни в холодных условиях является Стенли Миллер, мгновенно ставший известным в 1953 г. после проведения им серии экспериментов в Чикагском университете. Он был тогда аспирантом и занимался у лауреата Нобелевской премии химика Гарольда Юри, который получил Нобелевскую премию за открытие тяжелого водорода, названного дейтерием. По мнению Юри, первоначально атмосфера Земли состояла из смеси молекул водорода, метана, аммиака, водяного пара и была особенно богата водородом. (Отметим, что кислород присутствовал только в составе водяного пара. Лишь после возникновения жизни в атмосфере стал появляться кислород в результате выделения диоксида углерода в процессе фотосинтеза, что в конце концов привело к развитию более сложных биологических форм.) Миллер приготовил смесь указанных Юри элементов в герметичном сосуде и в течение нескольких дней воздействовал на нее электрическими разрядами, имитирующими молнию. К его удивлению, в стеклянном сосуде возникало розоватое свечение, и анализ полученных результатов обнаружил наличие двух аминокислот (составная часть всех белков), а также других органических веществ, которые, как считалось, образуются только живыми клетками. Этот эксперимент, который его руководитель нехотя одобрил, не только сделал Миллера знаменитым, но и привел к появлению новой области науки — абиотической химии, главной задачей которой стало получение биологических веществ в условиях, которые, как полагают, существовали на Земле до возникновения жизни.
Слово «полагают» имеет здесь решающее значение. Предположения о составе земной атмосферы до того, как на Земле развилась жизнь, все время меняются. И хотя после работы Миллера 1953 г. было проведено очень много экспериментов, они не привели к результатам, которые можно было бы связать с понятием «жизнь», несмотря на образование в них разного рода органических молекул. Как замечает де Дюв в книге «Живительная пыль» [1], такие эксперименты часто проводятся «при более надуманных условиях, чем необходимые для истинно абиотического процесса. Среди всех этих опытов первоначальный эксперимент Миллера остается классическим. Он был практически единственным задуманным исключительно с целью воспроизвести правдоподобные добиологические условия без намерения получить определенный конечный продукт». Другими словами, всегда бывает совсем нетрудно организовать эксперимент таким образом, чтобы с наибольшей вероятностью получить нужный результат, но при этом условия эксперимента будут слишком уже подходящими. Во всяком случае, в таких экспериментах не удалось воспроизвести жизнь даже в самой элементарной ее форме — в виде отдельной клетки без ядра. Как писал Николас Уэйд в своей статье в июньском номере «New York Times» 2000 г., где сообщалось о последнем открытии Расмуссена, «наиболее интенсивные попытки химиков создать в лаборатории молекулы, типичные для живого вещества, показали лишь, что это дьявольски трудная задача».
Таким образом, основные проблемы сконцентрированы на двух главных направлениях, по которым ведутся исследования с целью установить, как зародилась жизнь. Момент зарождения жизни отодвигается еще дальше в прошлое, так что остается, по-видимому, слишком мало времени, чтобы успели произойти химические процессы, необходимые для возникновения жизни. Да и сами эти химические реакции, как и прежде, остаются столь же загадочными. Несмотря на колоссальные технические достижения и огромное количество накопленных генетических данных, эксперимент Стенли Миллера 1953 г. остается фактически единственным убедительным результатом таких исследований. Тем не менее само открытие вызвало сомнения — многие ученые теперь считают, что баланс элементов, использованных им на основе работы его руководителя Г. Юри, был неверным. При изменении соотношения компонентов полученные Миллером аминокислоты не образуются.
Из-за новых трудностей стала более туманной вся картина эволюции жизни. Когда-то казалось, что ее можно со всей ясностью проследить по филогенетическим (родословным) древам, отражающим эволюционную историю организма от самых его корней. Филогенетические древа впервые были построены в XIX веке в соответствии с теорией Ч. Дарвина с целью наглядно продемонстрировать эволюционную историю отдельных групп животных. Первое разветвленное древо было построено немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем (предложившим помимо всего термин «экология»). Открытие ДНК сделало возможным создание таких филогенетических древ не только для животных и растений, но и для их генетического материала, что позволило гораздо глубже понять процессы, лежащие в основе понятия «жизнь». Для получения родословных древ исследователи проводят сравнительный анализ последовательностей молекулярных строительных блоков нуклеиновых кислот (нуклеотидов) или аминокислот в белках. Сравниваются результаты, относящиеся к различным организмам. Основываясь на механизмах разветвления эволюции и мутаций, с помощью этой методики удается определить расстояния между двумя ветвями на филогенетическом древе, т. е. узнать, насколько далеко два вида отошли от их общего предка и друг от друга. (Кроме того, этот метод помог ученым найти возраст сохранившихся до сих пор древних организмов, существующих в настоящее время в сверхжарких вулканических жерлах.) Задачу проведения сравнительного анализа последовательностей, быть может, легче всего понять, если провести аналогию с игрой в слова, где задается одно длинное слово с целью образовать как можно больше коротких слов из составляющих его букв.
