Как варить «первичный бульон»?

 

«Нам неизвестно, какое химическое сырье имелось на Земле в изобилии до возникновения жизни, – пишет американский биолог Ричард Докинз. – Однако среди возможных химических веществ, по всей вероятности, были вода, двуокись углерода, метан и аммиак – все это простые соединения, имеющиеся, по крайней мере, на некоторых других планетах нашей Солнечной системы».

И вот взяв эти вещества, химики уже в наши дни попытались повторить процесс, который, по их мнению, мог в те давние времена самопроизвольно произойти на нашей планете. Для этого они воспроизвели условия, существовавшие некогда на юной Земле. В сосуд, где помещалась исходная смесь, они подавали энергию в виде электрических разрядов, имитирующих молнии, освещали ультрафиолетовой лампой (ведь Солнце излучает и ультрафиолет), даже подогревали, решив, что смесь вполне могла нагреться, скажем, в результате процессов, происходящих в жерлах вулканов и их окрестностях…

И в конце концов добились своего. После нескольких недель такого воздействия в сосуде обнаружилось нечто интересное: жидкий коричневатый «бульон» содержал множество молекул более сложных, чем те, что были помещены сюда первоначально. В частности, в «бульоне» нашли аминокислоты – блоки, из которых построены белки, составляющие один из двух главных классов биологических молекул.

«Если бы такие аминокислоты были обнаружены, скажем, на Марсе, то наличие жизни на Красной планете практически не вызывало бы сомнений, – обрадовались экспериментаторы. – Ну а для тех, кто в том сомневается, мы готовы повторить эксперимент еще и еще раз…» И повторили. И в конце концов добились того, что, кроме аминокислот, в сосуде удалось синтезировать пурины и пиримидины – вещества, из которых построена главная молекула жизни. Она называется дезоксирибонуклеиновая кислота, или, сокращенно, ДНК. Именно это соединение, как мы убедимся немного позднее, является главным на «фабрике» воспроизводства молекул, которая работает в каждой живой клетке. А стало быть, теперь уж в возникновении жизни в пробирке (или в сосуде) сомневаться не приходится.

 

* * *

 

Но вернемся к «первичному бульону». Именно из него, как полагают биохимики, состоял Мировой океан 3–4 миллиарда лет назад.

В какой‑то момент времени, после многочисленных бесплодных попыток, появилась особенная молекула. Давайте назовем ее репликатором, что в переводе с латыни означает «повторитель». Это не обязательно была самая большая и сложная молекула, но она обладала действительно замечательным свойством – она умела повторять, воспроизводить саму себя.

С возникновением репликатора, его копии довольно быстро, по историческим меркам, стали распространяться по морям и океанам Земли, воспроизводя самих себя из подручного материала – тех органических молекул, которые имелись по соседству.

На том бы, возможно, все и закончилось, если бы при повторении не случались время от времени какие‑то сбои.

Я очень надеюсь, что в этой книге нет ошибок и опечаток, но внимательный читатель наверняка обнаружит хоть одну. Впрочем, они не помешают понять суть дела, поскольку скорее всего относятся к «ошибкам» «первого поколения». Однако представьте себе, что происходило с книгами в те времена, когда книгопечатания еще не было и такие фолианты, как, скажем, Библия, переписывались от руки. Каждый из переписчиков, сколь бы внимателен он ни был, неизбежно допускал сколько‑то ошибок, а некоторые вообще были склонны сознательно вносить свои «улучшения» в текст. Это было бы небольшой бедой, если бы все они переписывали с одного оригинала. Но копии делались с более ранних копий. А те, в свою очередь, служили оригиналами для последующих поколений переписчиков… Так что, получается, ошибок ныне в той же Библии видимо–невидимо.

Но то, что плохо для книги, оказалось весьма неплохо для зарождающейся жизни. По мере того как возникали и множились ошибки репликаторов, «первичный бульон» наполнялся молекулами, все больше отличавшимися друг от друга. Многие отличия были вредными, и получившие их молекулы вскоре разлагались. Но некоторые оказывались полезными, обеспечивали репликаторам большую стабильность, высокую скорость воспроизводства и т. д. Такие молекулы получали очевидные преимущества по сравнению с другими, их становилось больше, качественные изменения в них накапливались…

Конечно, все это куда быстрее сказать, чем сделать… Проходили века за веками, тысячелетия за тысячелетиями, природа вела счет даже на миллионы лет, пока, наконец, первичные молекулы, объединяясь между собой, не образовали простейшие одноклеточные микроорганизмы.

 

ЖИЗНЬ РОДИЛАСЬ ВОВСЕ НЕ ТАК…

 

В наши дни научные исследования настолько специализированы, что дилетантам в науке, кажется, делать нечего. Но вспомните, как делаются открытия по словам А. Эйнштейна: «Все знают, что этого не может быть. Наконец, находится кто‑то, кто этого не знает– он‑то и делает открытие…» Очередным подтверждением данного афоризма и стала научная концепция, выдвинутая германским юристом Гюнтером Векстерсхойзером и опубликованная журналом «Сайнс».

Впрочем, справедливости ради отметим, что скромный юрист–патентовед из Мюнхена вовсе не такой уж невежда. В свое время он начал изучать органическую химию в Магдебургском университете и даже защитил докторскую диссертацию. И лишь потом, разочаровавшись в мире формул, стал заниматься юриспруденцией. Но тяга к непознанному, как видим, у него осталась.

Как осознает сам исследователь, многое в его труде противоречит традициям. Так, например, он начал не со сбора фактов, на которых должна, по идее, базироваться его концепция, а прямо с ее изложения, отложив экспериментальное подтверждение на потом.

История, впрочем, знает еще одного патентоведа, поступившего сто лет назад точно таким же образом. Альберт Эйнштейн сначала изложил на бумаге пришедшие в его голову мысли, предложив уже своим последователям искать им подтверждение в реальной жизни. И то сказать, тем он в значительной степени облегчил поиски. Ведь было уже известно, что именно надо искать.

Аналогичным образом рассуждал и известный английский философ Карл Попер. «Истинная наука, – говорил он, – развивается так. Сначала она конструирует теорию, а уже вслед затем доказывает ее, пытаясь опровергнуть опытом». Таким образом, любая теория должна нести в себе возможность ее опровержения. А коли так, рассудил Векстерсхойзер, то и нечего время терять на поиски фактов. Тем более что реально исследовать зачатки жизни, которая, по словам некоторых исследователей, зародилась на Земле порядка двух миллиардов лет тому назад, в действительности не представляется возможным. Все теории опять‑таки зиждятся на логических рассуждениях, уже потом подтверждаемых кое–какими опытами.

Если помните, до сих пор большинство ученых полагало, что родоначальником жизни на нашей планете стал еще не остывший океан. Над ним нависала богатая кислородом атмосфера, а в качестве катализатора служили электрические разряды бесконечных гроз.

Методом проб и ошибок авторы теории «бульона», например академик А. И. Опарин, создавали в своих лабораториях более или менее точные модели. Они наливали в колбы растворы различных веществ, пропускали через них электрические разряды, имитировавшие молнии, и смотрели, что из этого получается. Иногда у них выходило, что в результате реакций в «бульоне» образовывались более–менее сложные органические соединения. «Ага! – ликовали исследователи. – Именно так и зародилась жизнь на нашей планете…»

Герой нашей истории и сам долгое время верил в теорию «первичного бульона». Однако познакомившись с Карлом Везе, микробиологом из Иллинойского университета, ознакомившего его с некоторыми деталями подобных работ, понял, что теория «не звучит»; многие ее аспекты далеки от реальности.

Тогда Векстерсхойзер решил сам попытать счастья и в конце концов разработал некую логическую концепцию. Теория «первичного бульона» предполагает, что первые органические соединения зародились в среде, имеющей три измерения, рассуждал исследователь. Однако вещества, свободно перемещающиеся в воздухе или воде, не остаются вместе надолго. Обычно реакции происходят на какой‑нибудь поверхности. Это знают все экспериментаторы, старающиеся обеспечить именно наибольшую поверхность реагирующим веществам, ввести какие‑то катализаторы, обеспечивающие эффективность соединения.

Поверхность, на которой формировались предшественники жизни, полагал исследователь, должна была омываться водой. Кроме того, она должна была нести на себе положительный заряд – в противном случае вещества жизни, заряженные чаще всего отрицательно, просто на ней не удержались бы. Вещество же самой поверхности должно представлять собой сульфит некоего металла, соль сероводородной кислоты, обеспечивающей хорошие исходные условия для протекания реакций.

«Все гипотезы о происхождении жизни можно разделить на три класса, – пишет сам исследователь. – Одни считают, что жизнь началась с клеточных мембран, но тогда нужно пояснить, как питательные вещества проходили через такие мембраны. Другие полагают, что первоосновой всего стали нуклеиновые кислоты; но тогда надо разобраться, как могли образоваться столь сложные соединения. Я полагаю, что жизнь началась с метаболизма, обмена веществ…»

Другими словами, он уповает на повторяющиеся циклы химических влияний. Проходя раз за разом, эти реакции потом и потребовали усовершенствования механизма их происхождения. Так появились и мембраны, и нуклеиновые кислоты… Участвовали же в обмене веществ прежде всего атомы углерода, весьма распространенного на Земле элемента. При метаболизме они соединялись попарно – в науке это называется циклом фиксации углерода.

Побочным и поначалу бесполезным продуктом этого метаболизма и оказались аминокислоты – строительные блоки будущих белков. Накапливаясь, со временем они стали служить катализаторами – ускорителями тех химических перемен, которые творились вокруг. Нуклеиновые кислоты тоже появились как побочные продукты, но, обладая опять‑таки способностями самокатализа, они также стали быстро накапливаться. И в конце концов вышли в передовики самопроизводства…

Рано или поздно они еще повысили интенсивность производства, отгородившись от мешавшей им среды специальной пленкой – мембраной. Вот тогда‑то и родилась первая клетка.

 

* * *

 

Такова схема. Ну а как она выглядит при проверке экспериментом? Оказалось, что гипотеза Векстерсхойзера получила экспериментальную поддержку в опытах биохимиков. Причем они подтвердили реальность самого главного элемента – возможности фиксации углерода при описываемых исследователем условиях.

Так скажем, современные бактерии до сих пор сохраняют редкую способность, родившуюся вместе с ними – они умеют синтезировать уксусную кислоту – простое вещество, охотно вступающее в различные химические реакции. В основе же уксусной кислоты лежат как раз два атома углерода, соединенные в молекулу. Но может ли где‑нибудь и сегодня идти такой синтез прямо в природе? Да, может. Он происходит в горячих серных газах, вырывающихся из подводных вулканов…

Как, стало известно относительно недавно, именно там, при температуре в сотни градусов, привольно обитают бактерии, питающиеся серой. И там же полным–полно всевозможных сульфидов металлов. Таким образом, именно подводные вулканы претендуют сегодня на роль тех реакторов, где когда‑то впервые родилась жизнь. «Первичный бульон», получается, действительно родился в океане, но отнюдь не на его поверхности, как полагали еще недавно большинство исследователей.

Векстерсхойзер вспомнил молодость, раздобыл пробы вулканических газов и стал помешивать их в присутствии железных и никелевых сульфидов. И что же: синтез уксусной кислоты не заставил себя ждать! А она, как уже говорилось, самый вероятный кандидат для возникновения метаболизма – предшественника жизни. Уксусная кислота – весьма активное вещество, и значит, вероятность реакции куда выше, чем при теории «первичного бульона», где действуют вещества достаточно пассивные. Не случайно они могут вступать в реакцию лишь при молниевых разрядах.

Впрочем, сторонники традиционной теории вовсе не намерены складывать оружие вот так запросто. Например, уже упоминавшийся нами Стенли Миллер – патриарх теории «первичного бульона», еще в 1953 году проведший эксперимент, который показал, как в первичном океане могли бы образоваться первичные аминокислоты, ехидно намекает, что вот в экспериментах Векстерсхойзера таких аминокислот пока не видно. По мнению Миллера, возможность происхождения органических реакций и самой жизни в высокотемпературной среде подводных вулканов – попросту чушь!

Кстати, Миллер не хочет знать и о тех бактериях, которые обнаружены при подводных исследованиях донных вулканов. Ему, видимо, уже поздно менять свою точку зрения.

А вот ученые помоложе относятся к идее химика–юриста довольно спокойно. Скажем, Норман Рейд из Калифорнийского университета в Беркли считает, что Векстерсхойзер сделал полезное дело уже тем, что создал альтернативу «бульонщикам». «Данная работа, – полагает он, – дает возможность сменить парадигму, а это уже хорошо…»

Надеется ли исследователь воспроизвести более полный цикл своих исследований экспериментально? Такой вопрос Векстерсхойзеру задают нередко. «Все дело в определении, что такое жизнь, – рассуждает ученый. – Цикл метаболических реакций на поверхности не может остановиться, не может умереть. А значит, есть возможность проследить за ходом механизма и далее…»

 

ОТКУДА ПОСЫЛКА?

 

Еще в 60–е годы XX столетия Дж. Оро из Хьюстонского университета высказал предположение, что на поверхности некоторых «небесных камней» – метеоритов – можно обнаружить органические соединения, аминокислоты, которые затем и стали основой жизни на нашей планете. Поначалу на эту гипотезу никто не обратил внимания. Однако позднее она подтвердилась экспериментально: на поверхности так называемых углистых хондритов, составляющих около 5% падающих на Землю метеоритов, действительно были обнаружены подобные соединения.

Найдены ответы и на вопросы такого рода: «Как именно аминокислоты уцелели, когда метеорит «продирался» сквозь атмосферу?» Одна из наиболее распространенных версий гласит, что эти вещества попросту сдуло с поверхности метеорита в самых верхних слоях атмосферы и они уж потом самостоятельно «парашютировали» на поверхность Мирового океана, где и получили надлежащие условия для дальнейшего развития. Те же соединения, которые остались на поверхности самого метеорита (где потом и были обнаружены), могли уцелеть, прикрытые толстым слоем льда, которым был первоначально покрыт метеорит.

Таким образом, полагает исследовательница внеземной жизни Анна Ткачева, мы неожиданно для себя получили доказательство существования во Вселенной еще неких источников разума, кроме нашей Земли. Ведь согласно этой гипотезе, само наше существование является доказательством наличия такого разума. Мы – его порождение; те существа, которые выросли, развились из «семян», посланных некогда со звезд.

 

* * *

 

В октябре 2000 года один из самых авторитетных в мире научных журналов «Нейчур» опубликовал сообщение, что исследователи обнаружили и без особых затруднений пробудили к активной жизни споры бактерий, пролежавшие в соляном кристалле 250 миллионов лет.

Получается, что микроорганизмы, существуя в виде спор, практически бессмертны. Для непосвященного это не более чем странный факт. Популярная пресса на него почти не отреагировала. Однако в самой научной среде начался форменный переполох. Потому что из живучести бактерий в конечном счете вытекала возможность того, что все мы, обитатели Земли, по происхождению своему – инопланетяне, что наша планета заразилась жизнью через микроорганизмы из космоса.

«Я намеревался издать работу, где доказывал, что для живого существа межзвездное путешествие – вещь абсолютно нереальная. Но ряд обстоятельств, включая публикацию в «Нейчур», вынуждают меня пересмотреть свою позицию», – признался известный физик Джо Мелош из университета Аризоны.

Едва ученый успел сделать это признание, как появилась еще одна сенсационная статья, теперь уже в журнале «Сайнс». В ней сообщалось, что кометы и метеоры могут успешно транспортировать живые организмы от одной планеты к другой. И вот уже целый ряд специалистов в области астрономии, физики и биологии высказывают мнение, что сегодня теория космического происхождения жизни на Земле выдвигается на передний план. К ней возникает куда меньше вопросов, чем к экспериментально не подтвержденным домыслам о самозарождении живых организмов из химического супчика, который булькал на нашей планете миллиарды лет назад. Домыслы эти, между прочим, берут на веру даже многие нобелевские лауреаты.

Панспермия, теория о том, что семена жизни рассеяны по всему космосу, весьма стара – первым ее высказал еще древнегреческий философ Анаксагор. В XIX веке, из знаменитостей, такой точки зрения придерживался, например, французский химик Луи Пастер, которому мы обязаны пастеризованным молоком. Во второй половине XX века относиться к панспермии всерьез считалось в науке дурным тоном. Упорно отстаивали ее на протяжении последних 30 лет лишь двое британских ученых, которые ныне торжествуют победу, – сэр Фред Хойл, получивший рыцарское звание за изучение химического состава звезд, и его сподвижник Чандра Викрамасингх. Еще в конце 70–х годов они заявили, что обнаружили следы жизни в пыли далеких звезд.

Что ж, почему бы и нет, пожимали плечами коллеги Хойла и Викрамасингха, да только лететь до этих звезд тысячи и миллионы лет. Так что к возникновению жизни на Земле найденные следы никакого отношения иметь не могут. Но раз споры бактерий сохраняют жизнеспособность едва ли не вечно, утрачивает силу и возражение о том, что рейс микроорганизма с одной планеты на другую будет чересчур долог. Сколько потребуется, столько и будут лететь.

 

* * *

 

Кое‑кто, правда, пытается намекнуть, что авторы публикации в «Нейчур» могли ошибаться, что материал, с которым они работали, мог быть случайно загрязнен спорами современных бактерий. Вот эти наши современники, а вовсе даже не ископаемые, к жизни‑де и воспряли.

Однако тут получается натяжка. Хотя бы потому, что чуть–чуть раньше у другой группы ученых бодренькие и здоровые микроорганизмы вылупились из кусочка янтаря возрастом 30 миллионов лет. Такого срока вполне хватит, чтобы долететь с ближайшей планеты, условия которой напоминают земные, даже если та находится далеко за пределами Солнечной системы, а сами «пассажиры» будут пользоваться исключительно попутным транспортом в виде метеоров или комет, а вовсе не путешествовать с удобствами на специальных кораблях.

Нашли и планету, с которой некогда могла стартовать «звездная посылка». Расположена она на расстоянии 56 световых лет от нас и, судя по первым признакам, мало чем отличается от планет земной группы.

Несколько весомее выглядят сомнения, связанные со смертоносными лучами, которыми пронизан космос. Мэтью Гендж, исследователь метеоритов из лондонского Музея естественной истории, говорит: «В условиях Земли споры могут сохраняться многие миллионы лет потому, что они защищены от радиации.

Летящий сквозь космос метеор подвергается бомбардировке ядерными частицами. Если снаряд этой космической артиллерии попадет в живой организм, его ДНК будет повреждена, а при многократном попадании пассажир метеора погибнет».

Однако эксперты уже успели прикинуть, что, спрятавшись в глубь своего каменного космического корабля метра на три, бактерии могут пережить атаку космических частиц. Диаметр же в десяток метров для метеора не редкость. А если какая‑нибудь из радиоактивных частиц по ДНК бактерии все‑таки изловчится шарахнуть, то, кто знает, может, последующая мутация пойдет микроорганизму только на пользу – поможет освоиться в условиях новой планеты. И вообще для зарождения жизни на Земле достаточно, чтобы из тысяч бактерий, отправившихся в путешествие на метеоре, до пункта назначения добралось хотя бы несколько.

 

* * *

 

Дружно принять на ура теорию звездного происхождения земной жизни научному сообществу по большому счету мешает только одно. Уж чересчур велик космос. Уж чересчур мала вероятность, что напичканный бактериями метеор, вырвавшись за пределы своей звездной системы, успешно преодолеет гравитационные соблазны других звезд и планет, а затем приземлится аккурат на созревшей для приема гостей Земле, которая радушно предложит им хлеб–соль, то бишь воду и воздух. Вышеупомянутый Мэтью Гендж в интервью изданию «Спейс» заявил:

«О нет, конечно, в принципе подобное не исключено. А что до шанса, то он примерно таков же, как если бы некий джентльмен, которого ослепили и отвезли на другой континент, затем пешим ходом добрался бы до дому».

Но зачем искать источник земной жизни в звездной дали? У Земли есть добрый старый сосед, лететь до которого совсем недолго. Наукой установлено, что осколки небесных тел покрывают расстояние от него до нас меньше чем за год. Речь, разумеется, идет о Марсе. Сувениры с этой планеты на Земле найдены. Например, восемь однотипных метеоритов, названных LUHLU – по месту их обнаружения в Шерготти (Индия), Накле (Египет) и Шассиньи (Франция), – имеют марсианское происхождение.

Недавнее открытие, что в недрах Марса плещется вода, привело ученых в крайнее волнение. Оно означает, что жизнь там может сохраняться до сих пор. Холодно? В Антарктиде, где обнаружены процветающие под ледяным покровом микробы, тоже не жарко.

«Полагаю, перелет микроорганизмов с Марса на Землю в теле астероидов имел место со стопроцентной достоверностью, причем далеко не однократно, – утверждает физик Пол Дэвис, автор бестселлера «Пятое чудо: в поисках происхождения и смысла жизни». – Несколько миллиардов лет назад условия Марса вполне соответствовали требованиям, необходимым для живых существ. Находясь дальше от Солнца и будучи планетой меньшей, чем Земля, он остывал гораздо быстрее, чем она, создавая тем самым комфортные условия для развития жизни. Сила гравитации на Марсе тоже меньше земной. Значит, небесному телу куда легче было лететь с Марса на Землю, а не в обратном направлении».