В САМОМ НАЧАЛЕ

Философы и мыслители тысячи лет размышляют о том, как началась жизнь. Некоторые из них считают, что жизнь существует вечно и не имела начала. Аристотель, оказывавший огромное влияние на развитие мысли в течение двухтысячелетий, считал, что некоторые формы жизни, а может быть и все, возникли самопроизвольно. Эта мысль, которую разделял не только он, основывалась на наблюдении: на плодородной почве после дождя внезапно появлялись растения, а в гниющем мясе материализовались личинки мух. В 1920‑х годах русский биохимик Александр Опарин предложил и разработал идею, согласно которой жизнь возникла в теплой водной среде на поверхности ранней Земли, окруженной атмосферой, состоявшей главным образом из метана – природного газа, который согревает наши дома и питает наши кухонные плиты. Как считал Опарин, первые моря были богаты простыми органическими молекулами, которые реагировали друг с другом, образуя более сложные молекулы, что в конце концов привело к возникновению белков и жизни. Почти тридцать лет после того, как Опарин опубликовал свои идеи, Стэнли Миллер, бывший тогда аспирантом в Университете города Чикаго, и нобелевский лауреат Харолд Юри показали, что аминокислоты – строительные блоки необходимых для жизни белков – могли образоваться в условиях, которые, как полагают, преобладали на ранних этапах развития Земли. Миллер провел элегантный эксперимент. Он пропускал электрические разряды сквозь смесь метана, водорода, аммиака и водяного пара, и когда он проанализировал эту смесь, то оказалось, что в ней присутствуют аминокислоты. Электрические разряды в его опыте играли роль молний, газовая смесь служила разумно обоснованной моделью первоначальной атмосферы. Аминокислоты не могут воспроизводить себя и поэтому сами по себе не являются живыми. Тем не менее, этот эксперимент долгое время считался своего рода вехой на пути познания процесса, представлявшего собой один из важнейших этапов развития жизни на Земле, а именно естественного синтеза аминокислот. И все же, как мы увидим ниже, в настоящее время представляется вероятным, что эксперименты Миллера – Юри едва ли могут быть непосредственно приложимы к событиям, происходившим в начале архея.

Одной из проблем, тормозивших понимание происхождения жизни, является то, что нам почти ничего определенно не известно об обстановке возникновения жизни. Можно делать только правдоподобные оценки. Например, на протяжении довольно долгого периода после своего образования, продолжительностью, вероятно, около нескольких сот миллионов лет, поверхность Земли должна была быть гораздо горячее, чем в наши дни. Продолжавшиеся удары метеоритов, больших и малых, приносили дополнительную тепловую энергию, а в самый ранний период истории Земли падение более крупных тел могло пробивать еще охлаждающуюся тонкую кору и выводить на поверхность лежащий ниже расплавленный материал. При прорывах лавы на поверхность в атмосферу поступали большие количества вулканических газов, создавая так называемый парниковый эффект в гораздо большей степени, чем в результате человеческой деятельности. Вполне возможно, что атмосфера Земли была в те времена во много раз плотнее, чем теперь, и что моря и океаны были горячими. Некоторые ученые даже предполагают, что по причине высокого атмосферного давления температура морей и океанов превышала температуру кипения воды при современном атмосферном давлении – настоящая кастрюля‑скороварка. Но жизнь – та, которую мы знаем, – весьма чувствительна к температуре окружающей среды, и нам неизвестны современные организмы, которые могли бы существовать при температуре намного выше 100 градусов Цельсия. Невероятно, чтобы

жизнь утвердилась па планете до того, как температура поверхности не снизилась до этого уровня или даже ниже. Хотя нам неизвестен точный состав ранней земной атмосферы, в последнее время достигнут немалый прогресс в этом направлении, вполне позволяющий сказать с некоторой определенностью, что богатый метаном состав, который предполагал Опарин, и метано‑аммиачно водородная смесь, которая была использована Миллером в его экспериментах, являются, вероятно, не очень реалистичными моделями. На основании изучения наших ближайших соседей, Марса и Венеры, а также с учетом данных, полученных в результате изучения осадочных пород Земли, ученые полагают, что первоначальная атмосфера Земли была богата углекислотой, а не метаном. Как на Марсе, так и на Венере СO₂является, по‑видимому, преобладающим газом в составе их атмосфер. На Земле он является второстепенной составной частью. Но огромное количество его, погребенное в составе осадочных пород земной коры, достаточно для того, чтобы в случае его освобождения и поступления в атмосферу состав ее сравнялся бы с составом ближайших к нам планет. Каким же образом СO₂ оказался связанным в земной коре? Ответ заключается в том, что геологи называют углеродным циклом. В результате ряда химических реакций углекислота переходит из атмосферы в океаны в растворенной форме. В морской воде она соединяется с кальцием и осаждается в виде окиси кальция, главной составной части известняков, которая забивает водопроводные трубы и образует накипь в чайниках. На протяжении геологического времени в известняки было превращено такое количество углекислоты, что сейчас ее количество в известняках более, чем в 100 000 раз превышает ее общее количество в атмосфере. Значительное количество углекислоты было также извлечено из атмосферы растениями в процессе фотосинтеза, преобразовано в органическое вещество и в конце концов погребено и превращено в уголь, нефть и природный газ. В результате сжигания этих природных ископаемых видов топлива углекислота возвращается в атмосферу и частично обусловливает пресловутый парниковый эффект и глобальное потепление климата.

В атмосфере, богатой углекислотой, метод получения аминокислот с помощью электрических разрядов Миллера – Юри не работает. Если бы первоначальная атмосфера Земли действительно была богата углекислотой, то необходимые для жизни органические вещества должны были образоваться иным способом. Поскольку у нас нет никаких геологических фактов о самых ранних событиях на нашей планете, подробности этого процесса неизвестны и, вероятно, никогда не будут известны. Однако было предложено много правдоподобных идей. Можно предположить, что на Земле, как и в наше время, существовали мириады микросред с различными температурными условиями, разным химическим составом и энергоснабжением. Более того, многие органические соединения, даже аминокислоты, были не раз обнаружены даже в метеоритах. Радиоастрономы выяснили также наличие органических соединений даже в межзвездном пространстве, а исследования кометы Галлея во время ее недавнего наибольшего сближения с Землей показали, что она богата органическим веществом. Можно допустить, что в раннеархейское время многие органические соединения неизбежно должны были поступать на Землю вместе со всем другим падавшим на нее из космоса материалом и при падении рассеивались по всей поверхности Земли. Но жизнь не возникает в развитом виде из таких простых молекул, и ей в своем развитии предстояло сделать гигантский шаг от этих соединений до производства сложных полимеризованных макромолекул и химических систем, способных самовоспроизводиться, репродуцировать самих себя. Различные пути развития, которые могли бы привести от примитивных органических соединений к началу жизни, сейчас активно исследуются химиками; например, одна из линий исследования показывает, что очень важное значение могла иметь химия поверхностных явлений. Возможно, что поверхности естественно встречающихся материалов, как, например, поверхности минеральных зерен, играли роль шаблонов, с помощью которых была возможна организация расположения в пространстве и даже воспроизведение (репликация) сложных молекул. Однако, при отсутствии подробных записей в геологической летописи, все, что мы можем допустить, сводится к тому, что в течение очень длительного промежутка времени химические реакции между все более сложными молекулами в конце концов привели к образованию соединений и структур, способных репродуцировать самих себя, – и вот здесь‑то и началась жизнь.

На какой‑то очень ранней стадии этого процесса появились мембраны – тонкие перепонки или оболочки, состоящие из органических молекул, которые позволили некоторым из этих органических молекул концентрироваться и накапливаться в ячейках среды, слегка отличающихся от частей ее, находящихся по ту сторону мембранной оболочки, – короче, таким образом возникли первые примитивные клетки. В сущности, самыми первыми конкретными данными о возникновении жизни, которыми мы располагаем, древнейшими ископаемыми остатками являются крохотные сохранившиеся клетки, напоминающие современных бактерий. Эти объекты обнаружены в архейских осадках, имеющих возраст около 3,5 миллиарда лет.