Горизонты научного поиска

Марчело ГЛАЙЗЕР

Факультет физики и астрономии,
Дартмутский колледж, Ганновер, США

От зарождения Вселенной до появления разумной жизни

Четыре этапа развития астробиологии

(Продолжение. Начало в N1.)

ХИМИЧЕСКИЙ ЭТАП

Поскольку тщательное изучение спектральных линий космического излучения позволило обнаружить богатое разнообразие неорганических и органических молекул в межзвездной среде, можно утверждать, что область применения химических законов не ограничивается только планетами и их атмосферой.

Один из ключевых вопросов в отношении происхождения жизни может быть сформулирован так: "Могли ли первые составляющие жизни быть доставлены на "молодую" Землю путем метеоритного дождя, или же просто за счет постоянного падения космического вещества на поверхность Земли, либо они были синтезированы на самой нашей планете? Действительно, с одной стороны аминокислоты были обнаружены в углеродистых хондритах (каменных метеоритах, состоящих из капелек силикатного вещества, застывшего в форме шариков, т.е. хондр - прим. ред.), а с другой, они были синтезированы в лаборатории из простых химических блоков в тех условиях, которые моделировали первичную атмосферу Земли. Реальность, похоже, такова, что для возникновения жизни на Земле понадобился как местный синтез, так и доставка необходимого материала извне.

Среди планет, астрономически расположенных в потенциально благоприятной для жизни зоне (оставим без четкого определения это понятие), только часть будет иметь подходящие предпосылки для ее возникновения. Это вода в виде жидкости и элементы С (углерод), О (кислород), H (водород), N (азот) и реже встречающиеся, но не менее необходимые P (фосфор), S (сера), Fe (железо), Ca (кальций), Na (натрий), Cl (хлор) и другие. Предполагается, что кроме воды должны присутствовать также простые молекулы типа метана CH4, углекислого газа CO2, аммиака NH3. Как показано в экспериментах по типу Миллера, чтобы получить аминокислоты в земных условиях, необходимо также иметь восстановительную (разряженную) среду. Планетарные системы, где есть вулканическая активность, имеют в этом смысле преимущество.

Если принять возраст Земли за 4,54 миллиардов лет и считать, что последняя тяжелая космическая бомбардировка обрушилась на Землю примерно 4,1-3,8 миллиардов лет назад, мало что можно сказать по поводу характера развития добиологической химии на протяжении первых 740 миллионов лет истории Земли.

Например, Дейвис и Лайнуивер высказывали предположение о нескольких опытах-попытках зарождения жизни, которые начинались заново из-за интенсивных потрясений окружающей среды. Принимая во внимание тот факт, что такие рассуждения в какой-то степени размывают границы между химическим и биологическим этапами, в качестве рабочей версии можно считать, что химический период характеризуется добиологическими химическими процессами, которые позволили провести первый успешный "эксперимент" возникновения жизни, независимо от того, когда это произошло.

Имеются достаточно серьезные доказательства того, что 3,5-3,4 миллиардов лет назад на Земле существовала жизнь в форме одноклеточных прокариотов (организмов, клетки которых не имеют оформленного, ограниченного мембраной ядра, буквально - "доядерные" - прим. ред.). Это значит, что уже тогда биологический этап начался в полном объеме. Таким образом, фундаментальный вопрос, который лежит на границе двух эпох, состоит в том, когда именно произошел абиогенез, т.е. переход от неживой материи к живой.

Если принять в качестве рабочей (и безусловно, слишком упрощенной) трактовки жизнь как самоподдерживающуюся последовательность химических реакций, способную обмениваться энергией с окружающей средой и обладающую дарвинистской репродукцией, то можно считать, что именно добиологическая химия ответственна за возникновение такой последовательности реакций.

В широком смысле, химия описывает стремление материи к образованию связанных систем с целью понижения степени асимметрии в распределении электрических зарядов атомов и молекул. Жизнь - это очень сложное проявление такого стремления, это своеобразная неустойчивость, которая воссоздает сама себя. Получается, что главное здесь не материя, а процесс, который с ней происходит. Несмотря на то, что все существовавшие до нашего времени организмы происходят от некоторого единого и универсального общего предка (a last universal common anceslor, LUCA), - мало что известно о тех абиотических (не относящихся к жизни) составляющих и добиологических химических превращениях, имевших место на ранней Земле, из которых "возник" LUCA.

Спектр возможных механизмов простирается от моделей типа "метаболизм сначала", например в виде гипотезы Вахтершаузера - о мире на базе сульфида железа и варианта "мембраны сначала" - для липидного мира, который изучал Димер и его коллеги, до моделей типа "пептиды сначала", предложенных Фоксом и другими, а также до популярных гипотез типа "генетика сначала", таких как РНК- и до-РНК сценарии мира. Все эти механизмы можно сгруппировать в виде двух школ или направлений. Первая - "метаболизм сначала", как предложил Опарин в своей основополагающей работе, и вторая - "сначала гены".

Происхождение гомохиральности также тесно связано с абиогенезом, или другими словами, с вопросом о том, почему биомолекулы демонстрируют почти полную пространственную асимметрию.

В своей книге "Происхождение жизни" в 1924 году Опарин указывал, что капли маслянистых жидкостей обычно не могут хорошо растворяться в воде. Вместо этого они образуют небольшие капли, похожие на пузырьки. Эти жирные капли, согласно Опарину, могли бы создать хорошую защитную среду, позволяя молекулам, случайно оказавшимся внутри них, взаимодействовать друг с другом в условиях ослабленного воздействия извне. Время от времени, в результате таких взаимодействий возможно образование новых химических соединений, в том числе и более сложных.

Начиная с некоторого критического момента, эти молекулы могут создавать все больше собственных копий с помощью самодостаточной (автокаталитической) последовательности реакции; в результате маленькие жирные шарики становятся первыми протоклетками.

В противоположность репродукции в более организованных генетических условиях, репродукция здесь первоначально происходила бы случайно, так как турбулентное внешнее воздействие вызывало бы разделение капель на части. В редких случаях продукты такого разделения будут содержать правильный состав химических веществ, что позволит продолжиться отмеченным выше автокаталитическим реакциям, в результате популяция этих протоклеток начнет развиваться.

Дорон Лансет и его коллеги в Институте Вайцмана провели компьютерное моделирование таких сценариев липидного мира, показав, что если родительская клетка способна произвести больше одной "самоактивирующейся" дочерней клетки, то может возникнуть цепная реакция, которая приведет к тому или иному варианту примитивной жизни. Генетика будет развиваться позже, поскольку репродуктивный процесс самосовершенствуется посредством бесчисленных поколений, управляемый невидимой рукой некоторой добиологической версии естественного отбора.

Можно ожидать, что протоклетки, содержащие молекулы, которые более эффективно воспроизводились и могли лучше извлекать и "метаболизировать" энергию из внешней среды, возобладали над другими и постепенно стали доминировать в популяции.

Противоположная точка зрения заключается в том, что вначале появилась генетика, т.е. дублирование предшествовало метаболизму. Самая распространенная идея здесь - это гипотеза о мире РНК, т.е. о двух переносчиках генетической информации, ДНК и РНК, где РНК способна "запустить с резкого старта" процесс самовоспроизведения.

В отличие от ДНК, она может функционировать как энзим (фермент), поэтому способна активизировать свою собственную полимеризацию (другими словами, выстраивать цепочку более мелких частей в более длинные молекулы, как бусинки в ожерелье), и самодублирование. Если мы предположим, вполне обоснованно, что жизнь началась с простых форм, то такой "самодостаточный повторитель" - это вполне подходящий вариант для ее объяснения.

Как отмечал Том Фенкель в книге "Происхождение и ранняя эволюция жизни", реальное преимущество сценария "РНК сначала" состоит в том, что он позволяет вести подробные лабораторные исследования. Серии весьма интересных экспериментов, проведенные, например, Манфредом Айгеном и Лесли Оргелем и позднее группой Джеральда Джойса в исследовательском институте Скриппса в Сан Диего, Калифорния, прояснили взаимосвязь между генетикой и естественным отбором на молекулярном уровне путем прямых манипуляций с РНК и ДНК, иллюстрируя при этом связь между химией и биологией. Однако с точки зрения происхождения жизни интересно знать, что именно на ранней Земле вызвало необходимое количество сложных процессов химического синтеза, прежде чем на ней появились РНК.

Возможно, как предположил Дайсон в "Происхождении жизни", оба сценария сработали вместе при создании первого чего-то такого, что можно было бы назвать живущим. Иными словами, в какой-то момент протоклетки с примитивным метаболизмом и простыми липидными границами ("клеточное оборудование") были захвачены или случайно поглощены предшественниками генетической репликации ("клеточное программное обеспечение") по образу того, как паразиты захватывают питающую их особь. Спустя целую вечность методом проб и ошибок происходит таки симбиотическое слияние этих двух сущностей, и образуется клетка с оптимальной способностью к самовоспроизводству.

В любом случае данное обсуждение показывает, что границы между химической и биологической эпохами достаточно размыты. Поэтому вполне разумно предположить, что в какой-то момент от 3,8 до 3,5 миллиардов лет назад появилась LUCA, и начался настоящий биологический период. Конечно, он мог начаться и гораздо раньше на иной планетарной системе в нашей или другой галактике. В любом случае, переход от неживой к живой материи произошел бы и там при условии, что жизнь не была туда доставлена в готовом виде из космоса. Однако если даже согласиться с этой гипотезой панспермии (автор данной работы, однако, считает ее очень надуманной), абиогенез должен был произойти по крайней мере один раз где-то во Вселенной.

Перевод с английского Ирины КРОНШТАДТОВОЙ
под общей редакцией Вадима БЕДНЯКОВА

(Продолжение следует.)