Глава 15. Жизнь и история Земли

 

Раньше мы считали, что наша судьба написана на звездах. Сегодня мы знаем, что наша судьба в большей степени написана в наших генах.

ДЖЕЙМС УОТСОН

 

 

На страницах этой книги то и дело появлялись фантастические формы жизни: трисоляриане с пугающими жизненными циклами, жители подводных океанов спутников Юпитера и Сатурна с космологиями, чем-то напоминающими науку средневековой Европы, зеленая слизь суперземель. Конечно, все это – лишь игра ума, Вселенная устрашающе молчалива. Если где-то в Галактике и есть жизнь, пока она не дает о себе знать. Все, чем мы располагаем, это лишь одна форма жизни – земная. Насколько распространена жизнь в нашей Галактике? Похожа ли внеземная жизнь на то, что мы видим вокруг себя, или она принципиально иная? Сможем ли мы когда-нибудь поговорить с инопланетянами? Ответов на эти вопросы до сих пор нет, мы можем только строить гипотезы или сочинять фантастические рассказы. Но ведь с чего-то нужно начинать поиски. Самый логичный первый шаг – попытаться понять, почему жизнь возникла именно на Земле. Другими словами, определить, какие из условий, сложившихся на Земле, оказались необходимыми для того, чтобы здесь зародилась и развилась жизнь. Когда мы это поймем, мы сможем найти во Вселенной места, лучше всего приспособленные для жизни, и, быть может, встретим там инопланетян. Разве эти условия так уж уникальны? Ведь Земля кажется ничем не примечательной планетой у рядовой звезды в случайном месте Галактики.

Для начала нам стоит договориться о том, что мы считаем жизнью. Ведь действительно, если мы попадем на другую планету, как мы узнаем, что эта зловонная дергающаяся субстанция и есть первая внеземная жизнь, обнаруженная людьми? Было бы здорово иметь ясное определение, с которым согласились бы все. Да, было бы здорово, но его нет. Вселенная – слишком интересное место, чтобы разбрасываться простыми ответами. Хотя мне лично нравится другая мысль, высказанная, к сожалению, неизвестным мне человеком: «Природа проста. Вся сложность от нашего непонимания».

В древности верили, что что-то является живым благодаря наличию у этого чего-то некой нематериальной субстанции – души. С XVII века под эти представления неоднократно пытались подвести научную основу. Однако корень непонимания явления жизни состоит в том, что жизнь нельзя измерить – приписать ей какую-то числовую характеристику. Жизнь – это процесс, протекающий в материальных объектах. Она подобна огню. И как бы ни было сложно дать определение огню, дать определение жизни еще сложнее.

Какими свойствами, как мы ожидаем, должно обладать нечто, чтобы мы посчитали это нечто живым? Во-первых, живой организм отделен от внешней среды. Наименьшей структурной единицей организма является клетка – изолированный кусочек пространства, окруженный мембраной и заполненный содержимым клетки – цитоплазмой. Мембрана делит весь мир клетки на две неравные части, на свое и чужое. Это главное предназначение мембраны. То, что является своим, работает на благо всей клетки, «тащит» все ее содержимое из прошлого в будущее, не позволяет распасться. С чужим надо как-то взаимодействовать: получать от него энергию или защищаться. Каких бы примитивных существ мы ни рассматривали, мы неизменно обнаруживаем клеточную структуру.

Во-вторых, живой организм преобразовывает один вид энергии в другой. Клетки вашего организма поглощают кислород, который вступает в окислительную реакцию с глюкозой в митохондриях ваших клеток, и в результате образуется кислота АТФ – основной источник энергии для всех внутриклеточных биохимических процессов.

Третье свойство любых живых организмов состоит в том, что они способны воспроизводить свои копии или потомков, похожих на себя. Было бы ошибочным считать, что воспроизводство себе подобных – цель любого живого организма. Просто так сложилось, что те, кто делали это, дожили до наших дней, а остальные нет.

Чтобы выживать в постоянно меняющейся среде, у живых организмов должен быть механизм, позволяющий их потомкам приспосабливаться к окружающим условиями. Эту задачу природа решила, придумав половое и бесполое размножение. При бесполом размножении клетка делится на две части – точные копии исходной клетки. Иногда, в результате какого-то сбоя, эти новые клетки могут отличаться от исходной клетки. При половом размножении потомки наследуют случайные признаки обоих родителей, что создает уникальных организм. Если определенный признак дает живому организму преимущество, у него больше шансов оставить потомство, нежели у тех, у кого этого признака нет. Изменчивость организмов – краеугольный камень естественного отбора, пресловутого закона, согласно которому выживает наиболее приспособленный. Подверженность отбору и есть четвертое и последнее свойство живого организма.

Первое и второе из выделенных свойств имеют непосредственное отношение к метаболизму, процессу индивидуального существования живого организма, а третье и четвертое свойства – к истории коллективов организмов.

Если однажды исследователи найдут нечто инопланетное, обладающее метаболизмом, использующее внешние источники энергии и вещества для борьбы с беспорядком, контролирующее и управляющее потоками энергии и веществ внутри себя на благо самого себя и при этом проявляющее способность к эволюции, адаптации к внешним условиям, то бесспорно, мы вправе будем назвать это инопланетное нечто живым организмом.

В качестве отступления замечу, что, перечислив свойства живого организма, я неявно предположил наличие на обитаемой планете трех обязательных компонентов: источника энергии для метаболизма, жидкого растворителя, чтобы поддерживать химию метаболизма, и набора питательных веществ, необходимых для наращивания биомассы110. Источником энергии могут быть звезды или геотермальные источники; растворителем, скорее всего, является вода (с одной стороны, в силу распространенности во Вселенной, а с другой – благодаря уникальным свойствам, которые мы обсудим чуть позже); питательные вещества и минералы могут поступать из недр планеты, с метеоритами или производиться другими организмами на более низкой ступени пищевой цепочки. Эти неявные предположения полезно держать в уме, рассуждая о разных экзотических формах жизни.

Наследственность и изменчивость, те свойства, в силу которых организмы Земли подвержены эволюции, реализуются благодаря одной макромолекуле – дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК)[74]. ДНК представляет собой длинную спираль, состоящую из четырех типов специальных молекул – нуклеотидов: аденина, гуанина, тимина и цитозина. Каждый наследственный признак организма кодируется определенными участками ДНК, которые называют генами. Все разнообразие жизни на Земле и все индивидуальные отличительные признаки обязаны бесчисленным вариациям генов – взаимному расположению нуклеотидов.

Спонтанное изменение, или мутация, генов при размножении обеспечили жизни поразительную приспосабливаемость. Ученые находят живые организмы практически везде, даже в местах с самыми экстремальными условиями: в самой глубокой точке земного шара – на дне Марианской впадины, в самой засушливой пустыне мира – пустыне Атакама, во льдах Антарктики и возле жерл вулканов. Кажется, на Земле не осталось ни одного места, где бы отсутствовала жизнь.

Генетическая информация, закодированная в ДНК, реализуется посредством белков, состоящих, в свою очередь, из аминокислот. Из всех возможных аминокислот, а их насчитывается около 400, в составе белков присутствуют только 20. Почему-то природа из всего разнообразия аминокислот выбрала лишь эти. Отматывая пленку жизни назад, мы видим перед собой все более и более простые организмы, пока в конечном счете не приходим к первой клетке. Именно от нее произошла вся жизнь на Земле. Эту первую клетку ученые называют «последний универсальный общий предок»[75].

 

 

Почему ученые уверены, что вся жизнь на Земле произошла от одной клетки, а не от двух, например, появившихся независимо в разных точках планеты? Эта уверенность основана на поразительном наблюдении. Несмотря на кажущиеся различия в формах, которые может принимать жизнь, от плесени до осьминогов, на молекулярном уровне все биологические организмы демонстрируют поразительное биохимическое единство: помимо общего набора аминокислот и использования ДНК в качестве наследственного материала, все они кодируют информацию сходным образом и у каждого из них проявляются вариации одних и тех же энергетических механизмов111.

ДНК и белки по большому счету представляют собой длинные углеродные цепочки с включением некоторых других элементов. Углерод не случайно оказался каркасом всей живой материи на Земле. Главной его отличительной чертой является способность образовывать множественные и прочные химические связи. Он это делает эффективнее, чем любой другой элемент во Вселенной (с оговоркой на то, что мы рассматриваем температуры, лежащие недалеко от температур кипения жидкости). Соединения на основе углерода могут быть окислителями, восстановителями, кислотами и основаниями. Кроме того, углерод превосходно образует связи с другими химическими элементами, облегчая метаболизм живых организмов.

Конечно, нельзя отрицать, что где-нибудь во Вселенной есть неуглеродные формы жизни. Самые напряженные дискуссии ведутся относительно возможности существования кремниевой жизни. У кремния и углерода много схожих химических свойств. Как и углерод, кремний способен образовывать длинные молекулярные цепочки и переносить генетическую информацию. Кремниевая жизнь, предположительно, могла бы существовать в условиях, где невозможна жизнь углеродная, например на планетах с экстремально высокими температурами или в среде, богатой серной кислотой. Но все же кремний проигрывает углероду в химической универсальности, в способности образовывать стабильные соединения. Быть может, когда-нибудь кремневая жизнь и станет предметом исследований астробиологов, но пока большинство из них сошлись на том, что если во Вселенной и есть жизнь, то она, скорее всего, углеродная.

Другое важное вещество – вода, которая благодаря своим уникальным химическим свойствам стала основой всей известной нам жизни112. Во-первых, вся сложная химия жизни нуждается в растворителе, чтобы осуществлять транспорт питательных веществ из внешней среды в клетку и внутри клетки. Молекула воды, как известно, состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, образующих прочные (ковалентные) связи. Кислород перетягивает на себя общую с водородом пару электронов, приобретая отрицательный заряд, а водород становится заряженным положительно. Молекулы с такой зарядовой асимметрией называются полярными. Так удачно сложилось, что и большинство органических молекул из-за своей сложности и несимметричности являются полярными. Молекулы воды образуют связи с положительно и отрицательно заряженными частями таких молекул и эффективно разбивают их на части. Именно это свойство и позволило воде стать универсальным растворителем для жизни.

Во-вторых, вода участвует в образовании клеточных мембран, протекании многих важнейших реакций внутри клетки. Именно поэтому везде, где мы ищем жизнь, мы ищем условия, при которых вода может находиться в жидкой форме.

Что касается происхождения воды на Земле, есть вопросы, на которые пока не удается получить однозначные ответы. Существуют две основные гипотезы о происхождении поверхностных вод на Земле: эндогенная и экзогенная113. Согласно первой, Земля во время своего формирования захватила основную массу воды из протопланетной туманности. Оказавшись «запертой» внутри планеты, впоследствии вода вырвалась из ее недр в процессе извержения вулканов. Вторая, экзогенная, гипотеза гласит, что вода имеет космическое происхождение и была доставлена на Землю метеоритами и кометами, бомбардировавшими планету на протяжении миллиардов лет.

Какая гипотеза верна, можно выяснить, точно измерив количество воды на Земле. Однако до сих пор неизвестно, содержат ли глубокие слои нашей планеты воду или же ее присутствие ограничено только верхними слоями. Если верна эндогенная гипотеза, недра Земли должны быть богаты водой. На наличие залежей льда глубоко под землей указывают обнаруженные включения особой модификации льда (лед-VII) в алмазах, образование которых происходит в земной мантии на глубине в несколько сотен километров при высоких температуре и давлении114. Дальнейшие открытия показали, что наша планета содержит водород на глубине как минимум до 1 000 км. А это доказывает, что воды на Земле гораздо больше, чем ожидалось до сих пор, – но насколько? Если окажется, что вода присутствовала в глубинах Земли постоянно, а не была перенесена в мантию с поверхности, это станет весомым аргументом в пользу эндогенной гипотезы.

Но все же большинство ученых склоняется к экзогенной гипотезе. Подтвердить или опровергнуть ее могут изотопные исследования. Один или даже два атома водорода в молекуле воды могут быть замещены дейтерием (обозначается D) – «тяжелым» водородом[76]. Содержание дейтерия в воде варьируется даже в Солнечной системе. Например, у планет-гигантов оно примерно в шесть раз ниже, чем на Земле. Теоретически, имея известное отношение D/H, свойственное земным океанам, можно найти в космосе тела с таким же отношением D/H  – они-то и будут ответственны за «транспорт» воды на Землю.

Долгое время считалось, что наличие воды на Земле связано с кометами, но многочисленные исследования заставили усомниться в этом предположении. Кометы Хейла – Боппа и Галлея имеют значения отношения D/H в два раза большие, чем морская вода Земли, комета 67 P /Чурюмова – Герасименко – в три раза бо́льшее. У еще одной кометы, 103 P /Хартли, отношение D/H согласуется с отношением D/H в морской воде Земли, но изотопный состав азота не совпадает с земным. Такие различия в изотопных отношениях сильно пошатнули позиции «кометной теории» происхождения воды.

Сейчас многие ученые считают, что основную часть воды на Землю принесли метеориты, которые бомбардировали поверхность нашей планеты в самом начале ее эволюции и во времена поздней тяжелой бомбардировки. Анализ изотопного состава метеоритов из Главного пояса астероидов показал схожие с земными значения отношения D/H. Также, согласно моделям, почти равное земному отношение D/H имеют кометы, чьи орбиты лежат в области пояса астероидов[77].

 

* * *

 

Итак, давайте вернемся к тому, с чего мы начали: в каких условиях на Земле зарождалась жизнь?

На сегодняшний день мы достаточно неплохо представляем, как проходил процесс эволюции Земли и ее биосферы. Один из самых интересных выводов, которые можно сделать, состоит в том, что не только температура Солнца, метеориты, скорость остывания Земли и подобные геофизические условия оказывали воздействие на биосферу, но и органический мир преобразовывал планету, влиял на ее геологическую историю. Более того, именно из-за этого влияния у нас есть шанс найти обитаемые миры с помощью телескопов.

Геологи делят историю нашей планеты на четыре больших эона – отрезка геологической истории: катархей (или гаден), самый древний, архей, протерозой и, наконец, фанерозой, в котором мы с вами и живем. Чем дальше в прошлое мы хотим заглянуть, тем меньшим количеством материала, сохранившего свидетельства эпохи, мы располагаем, тем более схематичными оказываются описания вех нашей истории. С самым первым эоном, длившимся первые 500 миллионов лет истории Земли, ситуация самая сложная. По-видимому, никаких горных образований, оставшихся с тех времен, не сохранилось вообще – все разрушилось в горниле катастрофических событий, сопровождавших формирование нашей планеты.

Непрерывные соударения Земли с метеоритами и процессы, сопровождавшие выделение ядра из магмы, почти полностью расплавили ее поверхность. Возникли настоящие океаны из лавы, просуществовавшие около 100 первых миллионов лет. Следы этих океанов в виде переплавленных пород мы находим как на Земле115, так и на Луне116.

Затем все еще горячая и покрытая сетью разломов и вулканов молодая планета подверглась новому испытанию. Большинство ученых сходится на том, что около 4,1 миллиарда лет назад началась поздняя тяжелая бомбардировка117: на Земле ее следы были уничтожены эрозией, но на Луне они есть (на ее возвышенностях, по возрасту соответствующих земному катархею, плотность метеоритных кратеров гораздо больше, чем на более молодых). Каждый метеоритный удар поднимал температуру поверхности Земли на сотни градусов, испарял уже образовавшиеся водоемы и уничтожал любую успевшую закрепиться на планете жизнь. Это привычная точка зрения на раннюю историю Земли, сформированная в XX веке. Однако открытия, сделанные уже в новом столетии, заставляют ее пересмотреть. Я хочу рассказать всего о трех открытиях, которые способны перевернуть все наши представления о времени возникновения древней жизни.

Для начала перенесемся в Австралию. Сегодня ученым не известны никакие горные породы достоверно старше 4 миллиардов лет. Сохранились лишь крупицы катархейских минералов (размером намного меньше 1 мм), которые не были уничтожены. Есть несколько мест, где такие минералы можно найти. Один из них – горный хребет Джек Хиллс в Австралии. В его осадочных породах в 2001 году группа профессора Джона Вэлли обнаружила древнейшие катархейские кристаллы циркона, невероятно прочные и долговечные, возрастом 4,374 миллиарда лет. Их возраст совсем немного уступает возрасту самых старых из известных метеоритов (4,565 миллиарда лет)118, по которым определяется возраст всей Солнечной системы и Земли в частности. Когда образовались эти кристаллы циркона, Земле было всего 160 миллионов лет! Однако ценность этих кристаллов заключается даже не столько в их возрасте, сколько в той информации о ранней Земле, которую удалось получить благодаря им.

Изотопный анализ кристаллов циркона из Джек Хиллс показал, что климатические условия на Земле 4,4 миллиарда лет назад были сходными с условиями в период 3,8–2,6 миллиарда лет назад119, то есть с условиями той эпохи, когда на Земле уже плескались океаны жидкой воды, полные микроорганизмов. Это означает, что 4,4 миллиарда лет назад у Земли уже была твердая и относительно холодная кора, на которой могли находиться водоемы с жидкой водой.

Чтобы увидеть второе свидетельство древней жизни, необходимо отправиться в Канаду, но для начала заглянуть на дно Тихого океана, в район Галапагосских островов, где в 1970-х годах впервые были обнаружены «черные курильщики». Потом их будет открыто множество: вдоль краев тектонических плит, подводных гор и срединно-океанических хребтов. «Черными курильщиками» называют источники нагретой магмой до 350–400 °C воды, поднимающиеся из трещин земной коры, черные из-за сульфидов металлов. В отсутствии любого другого источника энергии «черные курильщики» становятся просто оазисами для жизни. Глубоководные, невосприимчивые к таким высоким температурам бактерии преобразуют растворенные в воде минералы, поступающие из недр, в пищу и, размножаясь, привлекают мелких животных, которые ими питаются, а те, в свою очередь, становятся пищей для более крупных глубоководных существ. На заре времен «черные курильщики» тоже дымили на дне океанов.

Из обнаруженных на сегодня неразрушенных скал наиболее древними считаются породы в поясе Нуввуагиттук в Канаде возрастом около 4 миллиардов лет120. Здесь были найдены трубкообразные отложения и нити, по структуре и минеральному составу сильно напоминающие те, что образуют микроорганизмы, живущие возле выходов геотермальных вод на дне океанов сегодня21. Если найдутся неоспоримые доказательства того, что эти структуры пояса Нуввуагиттук действительно были образованы древними микроорганизмами, то они станут древнейшими свидетельствами наличия жизни на Земле. Более того, эти структуры укажут, где эта жизнь возникла и где она может возникнуть на других планетах.

Кстати, в 2015 году было выполнено изотопное исследование графитовых включений возрастом 4,1 миллиарда лет в более молодых кристаллах циркона из Джек Хиллс. Оказалось, что с большой долей вероятности они имеют биогенное происхождение122, что также указывает на наличие биосферы уже в те далекие времена.

За третьим неоспоримым свидетельством древней жизни вернемся в Австралию, но теперь на запад континента, где на окаменевшем дне мелководных бассейнов в формации Стрелли-Пул были найдены маленькие, около 10 мкм в диаметре, полые органические сферы. Возраст формации, где обнаружены находки, составляет около 3,4 миллиарда лет. Эти сферы являются остатками крупных микроорганизмов, имевших защитную оболочку123. И хотя сложности эукариотических клеток они не достигли, столь любопытная биологическая структура, очевидно, не могла возникнуть спонтанно – ей предшествовал долгий эволюционный путь. Когда он начался, никто не знает.

Три описанных выше свидетельства древней жизни фиксируют временные рамки ее происхождения. Благодаря исследованиям кристаллов циркона стало известно, что океаны жидкой воды существовали на Земле как минимум с середины катархея. Видимо, во время поздней тяжелой бомбардировки падения крупных метеоритов, способных вскипятить океаны, перемежались продолжительными периодами относительного спокойствия. Эти периоды позволили существовать океанам воды и дали возможность развиваться в них жизни.

Еще совсем недавно казалось удивительным, что возраст первых обнаруженных свидетельств древней жизни необъяснимым образом совпадает со временем конца поздней бомбардировки. Однако сейчас уже следует удивляться другому. Вероятно, жизнь на Земле возникла почти сразу же после того, как на ней образовалась твердая кора. Но до сих пор нам удавалось найти только косвенные доказательства присутствия жизни. С уверенностью можно сказать лишь, что где-то между 4,4 и 3,4 миллиарда лет назад появилась первая живая клетка.

Как же она образовалась? В начале главы я уже отмечал, что метаболизм и эволюция представляют собой основу жизни. В земных жизненных формах метаболические и генетические функции тесно переплетаются. Все теории, которые стремятся объяснить происхождение жизни, сталкиваются с дилеммой: что важнее и что первично – метаболизм или генетика?

Приверженцы первого подхода считают, что жизнь начинается с развития примитивного метаболизма. Они пытаются реконструировать окружающую среду, химические и физические процессы, связанные с происхождением жизни. Один из главных вопросов в рамках этого подхода заключается в том, что считать переходом от химической к биохимической эволюции.

Вплоть до 1920-х годов представления о происхождении жизни были в значительной степени спекулятивными. В 1924 году русский биохимик Александр Опарин предложил теоретическую модель химической эволюции. Согласно его модели в атмосфере ранней Земли неорганические молекулы самопроизвольно образовывали органические молекулы (простые сахара и аминокислоты), которые стали первыми кирпичиками жизни. Благодаря работам Опарина в научную парадигму прочно вошло понимание того, что жизнь на Земле возникла в результате физико-химических процессов, которые можно понять, смоделировать и проверить в ходе экспериментов. Несмотря на множество изменений и дополнений, сценарий Опарина остается частью модели, используемой сегодня.

Например, в 1952 году Гарольд Юри[78] и его аспирант Стэнли Миллер проводили эксперименты, в которых пытались воссоздать условия на ранней Земле124. Для этого они частично заполнили одну стеклянную сферу водой (представляющей океан), а вторую, соединенную с первой стеклянными трубками, – смесью газов, которые, по их мнению, составляли атмосферу древней Земли: метана, воды, водорода и аммиака. Вода в сфере подогревалась для имитации воздействия Солнца, а в «атмосфере» периодически генерировались электрические заряды, моделировавшие молнии. Через несколько недель после начала эксперимента вода изменила цвет на буро-коричневый, а вскоре «океан» и вовсе покрылся черным смолянистым налетом. Последующий анализ показал наличие в сосуде бульона из самых разнообразных органических веществ и аминокислот – так идеи, высказанные Опариным, получили свое экспериментальное подтверждение.

Эксперимент Юри – Миллера в первую очередь продемонстрировал, как некоторые биологические молекулы, например простые аминокислоты, могли возникнуть в результате небиологических процессов. И хоть Юри и Миллер исходили из ошибочных представлений о составе земной атмосферы, их ошибка не повлияла на главный вывод: на древней Земле могли самопроизвольно возникать сложные органические вещества125. С тех пор было предложено множество различных химических небиологических реакций, в частности синтез большинства аминокислот, липидов и других простых биологических молекул, для объяснения происхождения органической материи в самых неблагоприятных условиях – даже в межзвездном пространстве, на астероидах и кометах126.

Оппонентами сторонников гипотезы о первичном метаболизме выступают те ученые, которые считают, что жизнь началась с появления самокопирующихся молекул. Причина, по которой вообще стали говорить о том, что генетика первичнее метаболизма, заключается в желании преодолеть биохимическую проблему курицы и яйца. Для протекания многих химических реакций в биологических системах требуются белковые ферменты – вещества, присутствие которых ускоряет скорость реакций в миллионы, миллиарды и даже триллионы раз. Помимо ДНК, важным участником мистерии жизни является РНК. Это макромолекула, которая считывает инструкции, переносимые ДНК, и участвует в синтезе белков, в том числе белковых ферментов. Структура РНК хранится в молекуле ДНК. Долгое время разделение «обязанностей» между молекулой – хранителем информации и молекулой, считывающей эту информацию, считалось одним из основных принципов молекулярной биологии. Но в этом и лежит корень проблемы.

С одной стороны, нам нужны ферменты, чтобы создать ДНК, и РНК, а с другой – нам нужна ДНК, чтобы создать эти ферменты. Эту дилемму пытались решить множеством способов, но все попытки оказались безуспешными. Перелом наступил, когда в начале 1980-х годов Томас Чех и Сидней Альтман обнаружили, что РНК может также выступать в роли фермента (за это они получили Нобелевскую премию 1989 года). Эта двойственная функция РНК, участвовать в синтезе белков и действовать как фермент, позволила найти элегантное решение – создать концепцию РНК-мира.

 

Томас Чех

 

Впервые идею РНК-мира озвучил американский ученый Александр Рич в 1962 году127. Он полагал, что в течение какого-то времени именно РНК была молекулой, переносящей генетическую информацию, то есть являлась основой жизни. Когда Рич высказал эту гипотезу, никаких доказательств у него и его коллег не было. Бурное развитие концепции РНК-мира началось лишь после публикации работ Чеха и Альтмана. Теперь от ученых, занимавшихся проблемой происхождения жизни, требовалось понимание того, как из «первичного бульона» создать молекулу РНК, которая будет производить ферменты для протекания химических реакций в протоклетке и в то же время выполнять функцию переносчика информационного кода. Макромолекула РНК, хоть и имеет достаточно сложную структуру, проще ДНК. Остальные сложности внутреннего устройства клетки предлагалось оставить естественному отбору.

Тем не менее не все ученые согласны с этой концепцией, поскольку она предполагает возникновение сложности и порядка, не предлагая правдоподобный и эффективный способ управлять энергией в системе128. В общем, дискуссия на тему РНК-мира все еще далека от завершения129.

 

Сидней Альтман

 

Помимо вопроса о первичности метаболизма или генетики, существует и еще ряд подобных фундаментальных вопросов. Например, была ли первая жизнь самоподдерживающейся системой или использовала для функционирования химически сложную среду (как предполагал Опарин)? Даже появление границы клетки, мембраны, до сих пор вызывает споры. Было ли это ранним или поздним явлением в процессе развития жизни?

Внутренняя среда клетки химически и физически отличается от внешней, а следовательно, клеточная мембрана принимает активное участие в регуляции потоков вещества и энергии. Это достаточно сложная структура, и трудно представить, как она могла эволюционировать в РНК-мире. С другой стороны, наличие мембран, ограничивающих распространение продуктов реакций, в которых участвуют катализаторы, – необходимое условие для разделения на свое и чужое, а значит, и возникновения естественного отбора130. Некоторые ученые полагают, что первые мембраны представляли собой неорганические структуры. Например, в местах, где продукты вулканической деятельности просачиваются на дно океана, железосерные минералы образуют трубчатые структуры и пористые отложения. Такие пузырьки и трубочки в геотермальных источниках могли быть первыми мембранами для первых клеток131.

После своего возникновения жизнь сотни миллионов лет почти не давала о себе знать: ее влияние на геологические процессы на Земле было минимальным вплоть до следующего эона. 2,5 миллиарда лет назад начался протерозой – эон примитивной жизни, самый долгий эон в истории нашей планеты, продлившийся почти 2 миллиарда лет. В начале этого эона, примерно 2,3 миллиарда лет назад, океан, а потом и атмосфера стали интенсивно обогащаться кислородом, что привело к так называемой кислородной катастрофе132. Очень резко уровень кислорода в атмосфере вырос с 0 до почти 1 % от современного уровня. Причиной послужил фотосинтез: реакция, в ходе которой молекулы воды и углекислого газа, взаимодействуя с молекулой хлорофилла при участии фотонов света, преобразуются в глюкозу и молекулярный кислород. Считается, что аноксигенный фотосинтез (то есть тот, в результате которого не вырабатывается кислород) возник еще в архее. Появление молекулы хлорофилла сделало фотосинтез еще более эффективным, но в качестве побочного продукта реакции высвобождался кислород. Изменение атмосферы неминуемо сказалось на биоразнообразии: кислород – это смертельный яд даже для современных анаэробных организмов (для их жизнедеятельности им не требуется кислород), и он был им для древней бескислородной жизни. Возможно, в этот период произошло первое крупнейшее вымирание в истории нашей планеты. К сожалению, следы этой катастрофы до нас не дошли.

 

 

Гораздо более революционным событием и, пожалуй, самым радикальным эволюционным переходом со времен последнего общего предка стало появление эукариот. Эукариотические клетки принципиально отличаются от клеток бактерий и архей практически на всех уровнях организации. Во-первых, у бактерий нет ядра. Во-вторых, размер генома (то есть совокупности всех генов) у бактерий гораздо меньше, чем у эукариот (общее количество ДНК у эукариот в сотни тысяч раз больше, чем у бактерий[79]). К тому же ДНК эукариот устроено гораздо сложнее по сравнению с простыми, замкнутыми в кольца хромосомами бактерий.

Долгое время биологи были озадачены этими гигантскими различиями между бактериями и эукариотами. Казалось невозможным, что вторые произошли от первых. И действительно, прямого эволюционного пути между ними нет. Сегодня считается, что эукариоты возникли в результате слияния двух видов бактерий, изначально находившихся в тесном симбиозе: крупной анаэробной археи и более мелкой аэробной бактерии, ставшей предком митохондрий[80]. Возможно, для того чтобы это произошло, потребовались уникальные условия, которые больше не повторялись в истории Земли.

Дальнейший путь до многоклеточных организмов занял миллиарды лет. Сегодня мы живем в фанерозойском эоне – эоне явной жизни, который начался 542 миллиона лет назад. Но все, что мы привыкли называть жизнью, – лишь ее небольшая доля на планете. Основная биомасса жизни на Земле приходится на растения и бактерии (далее идут грибы и археи). Животные на их фоне практически не заметны и составляют лишь 0,3 % от всего биоразнообразия. Интересно, что животные в основном – это членистоногие и рыбы, а масса людей почти в 10 раз больше, чем масса всех диких млекопитающих, вместе взятых, и на столько же меньше массы всех рыб133.

Все наши знания об эволюции жизни говорят нам, что для ее возникновения не нужно каких-то специфических условий. Мы не видим никаких принципиальных различий между молодой Землей, уже способной поддерживать жизнь, и молодыми экзопланетами земного типа. Кажется, что как только на планете появляется твердая поверхность, а температура позволяет существовать жидкой воде, так тотчас и возникает жизнь. Если мы ничего не пропустили, Млечный Путь должен быть просто переполнен жизнью. Так почему же по нашему небу не летают корабли пришельцев и мы не принимаем от них радиосообщения? Неужели единственные обитатели экзопланет – это или микробы, или голые камни? В последней главе мы немного окунемся в астробиологию – науку, задачей которой является поиск и изучение инопланетной жизни, пока самую бесплодную, но, несомненно, весьма перспективную в XXI столетии.