Фрэнсис Крик - Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Так как атмосфера взаимодействует с химическими веществами на поверхности Земли, то химический состав древнейших осадочных пород должен дать нам некоторые сведения о составе древней атмосферы. Некоторые из этих пород наводят на мысль, что они образовались в восстановительных условиях. Это восприняли как подтверждение гипотезы, что атмосфера тогда была восстановительной. С некоторых пор это также подвергают сомнению. Даже сегодня некоторые осадочные породы носят восстановительный характер, например, серные грязи, несмотря на весь кислород, содержащийся в воздухе вокруг нас. Такие условия обычно создает анаэробное гниение органических веществ в грязи. Сейчас утверждается, что если принять во внимание все имеющиеся в нашем распоряжении породы данного периода, то при усреднении, на основании этих данных, можно предположить, что атмосфера в прошлом была довольно похожа на современную. К сожалению, эти данные относятся лишь к периоду 3,2 миллиарда лет назад. Данные, относящие к более раннему периоду, слишком скудны, потому что в нашем распоряжении имеется слишком мало соответствующих пород. Вывод о том, что атмосфера 3,2 миллиарда лет назад была не восстановительной, не слишком удивляет, потому что мы считаем, что организмы, осуществляющие фотосинтез, уже существовали, по крайней мере, 3,6 миллиарда лет назад. К сожалению, сейчас мы не можем установить, сколько их было, поэтому трудно оценить, в больших или малых количествах они вырабатывали кислород.
Итак, нам хотелось бы знать приблизительный состав атмосферы Земли в период времени, предшествующий зарождению жизни, и, в частности, какой именно она была, восстановительной или окислительной. Сейчас, по-видимому, трудно прийти к какому-либо определенному выводу по этому вопросу.
Температура первозданной Земли также точно неизвестна, так как это в значительной степени зависит от того, насколько быстро она формировалась. Если температура падала одновременно с образованием Земли в течение короткого промежутка времени, то у тепла, порождаемого столкновениями, не было времени улетучиться, и, таким образом, на первой стадии Земля, вероятно, была очень горячей. Если процесс шел медленнее, то на первозданной Земле могла быть более умеренная температура, хотя, вероятно, были и неустойчивые локальные горячие точки, возникшие вследствие толчков во время последних этапов агрегации. Каким бы ни был характер процесса, по-видимому, в какой-то момент времени Земля успокоилась, создав достаточный запас жидкой воды для образования первозданных океанов, морей, рек, озер и заводей.
Каким бы ни был состав атмосферы, несомненно, что она получала большие потоки солнечной энергии. Точно неизвестно, какой именно была в то время температура Солнца, хотя возможно, что его излучение не отличалось значительно от того, что мы получаем сегодня. Одним возможным отличием воздействия излучения, достигавшего поверхности Земли, могло быть отсутствие современного озонового слоя (O3), так как если в атмосфере было немного кислорода (за исключением того, что входил в состав воды, CO и CO2), то, вероятно, озоновый слой отсутствовал. Сегодня этот слой во многом защищает от ультрафиолетового света, излучаемого Солнцем. Вероятно, тогда, как и сегодня, часто случались электрические бури (похожие на наши грозы) и велась довольно бурная вулканическая деятельность, как на суше, так и на дне океанов. Кроме того, происходили ионно-молекулярные реакции в ионосфере и верхних слоях атмосферы, поэтому существовало несколько источников энергии того вида, который необходим для активизации химического обмена. Все это предполагает, что первозданные океаны состояли не только из воды и немногих простых солей, но и накопили достаточное разнообразие мелких органических молекул, образованных из молекул в атмосфере и растворенных в океанах с помощью электрических разрядов, ультрафиолетового света или других источников энергии.
Мысль о том, что древняя атмосфера была не похожа на современную, а содержала намного меньше кислорода, по-видимому, получила впечатляющее подтверждение в 1953 году от Стенли Миллера, студента Гарольда Урея (Harold Urey), который пропускал электрический заряд через смесь CH4, NH3, H2 и H2O, помещенную в закрытую систему. Система состояла из фляги воды, которую кипятили для того, чтобы ускорить циркуляцию газов, и которая служила для поглощения любых летучих, растворимых в воде продуктов реакции и их защиты от разделения электрической искрой. Через неделю (или около этого) разряд прекращался. Оказывалось, что вода содержит ряд мелких органических соединений, включая значительное количество двух простых аминокислот, глицина и аланина, найденных во всех белках. С тех пор проводилось много подобных экспериментов с использованием различных смесей сазов и множества источников энергии и условий эксперимента, включая пропуск газов через нагретые неорганические поверхности. Их результаты слишком сложны, чтобы кратко их здесь описать, за исключением одного поразительного факта. Если смесь газов включает значительное количество кислорода, то мелких молекул, похожих на молекулы, имеющиеся в живых системах, не обнаруживали. Если газообразный кислород отсутствует, то такие мелкие молекулы образуются при условии, что смесь газов содержит, в том или ином виде, азот и углерод. Некоторые смеси газов создают большее разнообразие аминокислот по сравнению с другими, особенно если в них не содержится H2. На первозданной Земле H2 обычно терялся в космическом пространстве, тогда как в Первоначальном эксперименте Миллера, который проводился в закрытом сосуде, у любого образованного H2 не было такой возможности, и поэтому он накапливался в установке, пока шел эксперимент.
Таким образом, если атмосфера была восстановительной, то вода на первозданной Земле, вероятно, содержала довольно разбавленную смесь мелких органических молекул, многие из которых могли послужить исходным материалом для древнейших живых систем. Какие именно образовались молекулы, в каком количестве и где — в верхних ли слоях атмосферы, в океанах, около подводных вулканов или в приливных заводях, в небольших озерах, в горячих источниках, вблизи вулканических трещин или же во всех этих местах, — этот вопрос остается открытым. Многие из этих молекул неустойчивы в воде в течение очень длительных периодов времени, поэтому, в конечном итоге, окажется, что установленные их количества появились благодаря равновесию между их непрерывным образованием в течение тысяч или миллионов лет и их разрушением вследствие теплового движения. Большинство аминокислот имеют как отрицательный, так и положительный заряд, поэтому, несмотря на то, что они небольшие и в сумме электрически нейтральные, они скорее останутся в воде, чем попадут в воздух. По этой причине они обычно не терялись при испарении. Этот первозданный бульон, как его часто называют, «получился плохим» в обычном смысле, потому что тогда не было микроорганизмов, которые жили бы в нем и питались бы его молекулами.
Однажды я спросил своего коллегу Лесли Оргела, который работает над проблемой происхождения жизни: какой могла быть концентрация этого бульона. Он рассказал мне, что провел весьма приблизительные расчеты и что, судя по всему, этот бульон содержал примерно столько же органического вещества (хотя главным образом мелких органических молекул), сколько содержит куриный бульон. Я был поражен. Я хорошо помнил, что однажды в один из редких случаев, когда я вынужден был готовить себе сам, я открыл банку с куриным бульоном и что, кроме маленьких кусочков мяса, в ней была еще густая, жирная, питательная смесь. Существование целого океана подобной смеси представлялось мне крайне невероятным. Однако оказывается, что это вещество правильнее охарактеризовать как куриный отвар. Оргел имел в виду именно прозрачный, довольно жидкий куриный бульон. На самом деле ему удалось даже измерить количество органического вещества в отдельной его пробе. Возможно, не каждый согласится с его оценкой, но она дает самое приблизительное представление об общем количестве органического сырья, которое, вероятно, имелось на Земле до зарождения на ней жизни.
Если окажется, что древняя атмосфера была не восстановительной, а содержала значительное количество кислорода, то картина усложняется. На первый взгляд, может показаться, что, поскольку не было подходящего исходного материала, жизнь едва ли могла зародиться здесь. Если это действительно так, значит, это доказывает гипотезу о направленной панспермии, потому что где-нибудь в другом месте Вселенной планеты могли иметь более восстановительную атмосферу (что мы обсудим в главе 8), и поэтому там был более благоприятный пребиотический бульон. Однако даже в условиях окислительной атмосферы на Земле могло быть несколько мест, где были восстановительные условия, например, под горными породами и на дне озер и океанов. Возможно, на дне моря были горячие источники, которые обеспечили поблизости подходящие условия для пребиотического синтеза.
