Kitabı oku: «Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных», sayfa 4
Немного о технике
В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, во время раскопок в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении обломков каменных инструментов. Гоминид, позже названный Homo habilis («человек умелый»), был первым из наших далеких предков, кто использовал окружающие его предметы и материалы для изготовления орудий – в данном случае для того, чтобы заострить осколки камней. Homo habilis, мозг которого был примерно вдвое меньше, чем у современного человека, первым ступил на путь технологического развития, ведущий к современному высокоразвитому обществу.
Когда‐то считалось, что изготовление орудий – одна из тех характеристик, которые, наравне с языком, отличают человека от других животных. Сегодня мы понимаем, что границы такого рода размыты гораздо сильнее, чем мы думали раньше. Мы можем наблюдать, как животные пользуются примитивными инструментами – шимпанзе, например, чтобы выманить термитов наружу и съесть их, втыкают палку в термитник. Однако утверждать, что эта палка и, скажем, «Боинг-747» в каком‐то смысле одно и то же, не слишком разумно. Как и с множеством других признаков, отличающих человека от остальных живых существ, в изготовлении орудий главное – степень проявления этого отличия, а не само отличие как таковое.
Вполне очевидно, что способность применять материалы окружающей среды для изготовления орудий – необходимое условие для возникновения технологического общества. Однако, когда мы задумываемся о жизни на экзопланетах, в этой связи возникает интересный вопрос. На Земле возможность изготавливать всё более сложные инструменты нашим предкам дала повсеместная доступность самых разных видов камня. То же самое относится и к работе с легкоплавкими металлами, в большом количестве присутствующими прямо на поверхности Земли или на достаточно небольшой глубине. Не будь этих металлов, мы бы все еще жили в каменном веке.
Но ведь наличие легкодоступных материалов для изготовления орудий не обязательно должно быть особенностью, присущей всем экзопланетам. В мире, покрытом водой, о котором мы поговорим в главе 8, камни и металлы вполне могут оказаться в дефиците, и развитие того, что мы могли бы назвать технологической цивилизацией, может стать по меньшей мере затруднительным. Таким образом, мы должны обращать внимание не только на присутствие жизни на экзопланетах, но и на наличие встречающихся там материалов, из которых местные формы жизни могли бы изготовить орудия труда и, таким образом, в конечном итоге создать технологическую цивилизацию.
4
Правила игры
Как должна работать каждая живая система
Как ни странно, несмотря на то, что определить, что такое жизнь, очень трудно, если вообще возможно, сформулировать свойства, которыми должна обладать жизнь на далеких планетах, – гораздо более простая задача. Дело в том, что мы довольно хорошо понимаем, как развивается и функционирует жизнь – по крайней мере, похожая на нашу – в том окружении, в котором она оказывается. К тому же, как мы расскажем ниже, «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, должны быть верными для большинства видов жизни – и не только основанной на соединениях углерода. Таким образом, мы можем сформулировать правила, управляющие любым гипотетическим видом жизни в любой точке Галактики, если сможем понять, каковы эти правила здесь, на Земле. На основе этого понимания – и того, что зарождение жизни на Земле пока что остается единственным известным нам процессом ее возникновения, – в этой главе мы сначала поговорим о том, что нам известно о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить себе, как подобные процессы могли бы происходить в экзотических условиях экзопланет.
Таким образом, чтобы понять, как жизнь на нашей планете стала такой, какой она есть, нам потребуются ответы на два глобальных вопроса, а уже для того, чтобы получить она них ответы, пригодятся знания из самых разных областей науки. Первый из наших вопросов таков: как что‐то живое появилось из заведомо неживых составляющих, и известен нам как вопрос о происхождении жизни. Второй вопрос звучит следующим образом: уже после того, как возникли первые живые существа, каким образом развивались те разнообразие и сложность видов жизни, которые мы сейчас видим? Второй из этих вопросов несколько ближе к теме нашего разговора о гипотетической жизни на экзопланетах – и, к счастью, мы довольно неплохо понимаем, как этот процесс происходил на Земле. Наши современные представления о развитии жизни основаны на теории естественного отбора (или, что то же самое, дарвиновской теории эволюции), которую мы обсуждали в предыдущей главе в связи с определением жизни, данным NASA.
Происхождение жизни на Земле
Прежде чем мы приступим к подробному изучению происхождения жизни, следует сказать одну очень важную вещь. Живые системы на Земле в наши дни невероятно сложно устроены: они являются результатом миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на нашей планете – мы можем назвать его универсальным общим предком – нисколько не было похоже на тех живых существ, которых мы видим вокруг себя сегодня. Оно должно было быть крайне примитивным и, вероятно, обладало лишь малой частью свойств современных клеток. Мы обнаружим, что всю сложность современных живых существ эти примитивные первоорганизмы обрели позже, в процессе естественного отбора.
В самом начале своей истории наша планета была дрейфующим в космическом пространстве расплавленным шаром – на ней не было ни внятной атмосферы, ни океанов, ни, тем более, какой бы то ни было жизни. Обращаясь вокруг Солнца по своей орбите, молодая Земля подвергалась постоянной бомбардировке космическими обломками – по сути, именно эти столкновения и давали ей количество тепла, достаточное для поддержания ее поверхности в расплавленном состоянии. Собственно, интересующий нас вопрос о происхождении жизни проще всего сформулировать следующим образом: как Земля пришла из этого состояния к появлению на ней хотя бы одного живого организма? При этом мы предполагаем, что большинство экзопланет земного типа (то есть небольших планет, на значительную часть состоящих из камня) имели схожие начальные условия – так, что наши рассуждения о происхождении жизни на этих планетах будут опираться на прошлое Земли.
Мы считаем, что образование газовых гигантов, наподобие Юпитера или Сатурна, шло другим путем: у них вокруг относительно небольшого твердого ядра быстро накапливались водород и гелий. Мы еще обсудим, значит ли это, что жизнь на подобных планетах могла возникнуть способом, отличным от того, как она появилась на Земле. Мы, однако, считаем, что внутренние структуры клеток обитателей газового гиганта будут отличаться от клеток существ, населяющих Землю, – некоторые из таких структур, например, могут напрямую управлять плавучестью.
Итак, первое, что произошло с Землей, когда она вышла из своего первичного расплавленного состояния, – она остыла, и ее наружный слой отвердел, превратившись в камень. Вода – частью из недр планеты, частью принесенная кометами и астероидами в виде льда – заполнила океанические впадины, подготовив тем самым почву для появления жизни. Некоторые геологические находки, например циркониевые кристаллы, внутри которых содержится вода, свидетельствуют о том, что 4,2 миллиарда лет назад жидкая вода на Земле уже была распространена повсеместно. Палеонтологические данные говорят, что жизнь появилась на Земле вскоре после того, как завершилась бомбардировка планеты крупными астероидами – самое позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, тот, кто оказался бы на нашей планете 3,8 миллиарда лет назад, увидел бы океаны, кишащие цианобактериями (плотными сине‐зелеными водорослями). То есть можно сказать, что на Земле жизнь появилась очень быстро – буквально при первой возможности.
Это приводит нас к любопытной мысли. В эпоху «великой бомбардировки» ранней Земли были, вероятно, периоды – возможно даже, протяженностью в миллионы лет, – когда крупных столкновений с астероидами не происходило. И, если бы на протяжении одного из этих спокойных периодов на Земле развилась жизнь, она была бы затем уничтожена очередным ударом крупного астероида. Небесное тело размером всего лишь со штат Огайо, например, уже принесло бы с собой достаточное количество энергии, чтобы вскипятить все океаны Земли и на 1000 лет превратить ее атмосферу в сплошной раскаленный пар. Ни одна из форм примитивной жизни не пережила бы такого столкновения. А, насколько мы можем судить, подобные сценарии могли проигрываться в ранней истории Земли больше одного раза. Другими словами, наши микробиологические предки, вполне вероятно, не были первой формой жизни на нашей планете – они просто оказались первыми, кто сумел выжить и продолжить развиваться после последней крупной космической катастрофы. На протяжении ранней истории Земли жизнь могла возникать и исчезать десятки раз, но у нас сохранились свидетельства развития только той ее формы, которая уцелела после последнего из стерилизовавших планету астероидных ударов.
Первый шаг на пути зарождения жизни представлял собой процесс возникновения сложных молекул, содержащих атомы углерода. Раньше считалось, что сборка сложных углеродных цепочек, которые мы можем наблюдать в составе живых систем, была крайне сложным процессом – по сути, до середины XX века ученые старались просто обходить эту область исследований. По‐видимому, наиболее распространенным в научной среде оставалось мнение, что тема происхождения жизни в целом слишком запутанна (и, возможно, является скорее предметом интереса философии), чтобы стать частью научного мейнстрима.
Можно сказать, что изучение происхождения жизни сдвинул с мертвой точки один‐единственный эксперимент, проведенный в подвале здания химического факультета Чикагского университета в 1952 году. Нобелевский лауреат, химик Гарольд Юри (1893–1981) и его тогдашний аспирант Стенли Миллер (1930–2007) предприняли попытку воссоздать условия, которые могли существовать на юной Земле. Их установка была довольно несложной: она состояла из фляжки с водой (в роли океана), источника тепла (изображавшего воздействие Солнца), электрического разрядника (моделировавшего удары молний) и смеси водяного пара, метана, водорода и аммиака (что, по мнению Миллера и Юри, приблизительно соответствовало составу первичной атмосферы Земли). Экспериментаторы включили источник тепла и разрядник и оставили установку в таком виде на несколько недель. По прошествии этого времени вода превратилась в мутную темно‐бордовую смесь, и анализ показал присутствие в ней молекул аминокислот.
Здесь следует кое‐что пояснить. Одним из наиболее важных видов молекул, существующих в живых системах, являются белки – именно они управляют химическими реакциями во всех живых организмах на Земле. Белки состоят из аминокислот. По сути, молекулу белка можно представить в виде цепочки, каждое звено которой – какая‐либо аминокислота. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут привести к возникновению основных «строительных кирпичиков» живых систем из материалов, совершенно очевидным образом не живых, но, по всеобщему мнению, в изобилии присутствовавших на ранней Земле.
Этот результат имел огромное влияние на изучение проблемы происхождения жизни – уже хотя бы потому, что перевел эту проблему из области философии в сферу науки. В проведенных вслед за экспериментом Миллера – Юри сериях аналогичных опытов были последовательно получены практически все важные молекулы, присутствующие в живых системах, включая участки цепочек ДНК и сложные белки. Как ни удивительно, но то, что, по мнению современных ученых, в своем эксперименте Миллер и Юри исходили из неверных представлений о составе первичной земной атмосферы, не имеет значения. Опыты с различными составами атмосферы и источниками энергии давали в целом сходные результаты, хотя и отличающиеся количественно, в соответствии с выбранным количественным составом атмосферы. Более того, сложные органические молекулы (в том числе аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, межзвездных пылевых облаках и даже в состоящих из обломков околозвездных дисках, в которых образуются экзопланеты. То есть оказалось, что против всех ожиданий основные молекулярные «строительные кирпичики» жизни – довольно рядовой элемент Вселенной; по сути, они встречаются повсюду.
Таким образом, проблема происхождения жизни свелась к вопросу, как именно эти «строительные кирпичики» собираются в нечто, что мы однозначно воспринимаем как жизнь. Уже разработано множество теорий того, как это происходит, но ни одна из них до сих пор не получила всеобщего одобрения. Во всяком случае, опираясь на пример Земли, мы уверенно можем заключить одно: как бы конкретно эта сборка неживого в живое ни происходила, она происходила очень быстро.
Первичный бульон
В теориях, которые стали появляться после эксперимента Миллера – Юри, утверждалось, что в результате смоделированных Миллером и Юри процессов в атмосфере первичной Земли должны были возникнуть дожди из органических молекул, превративших океаны планеты в густую органическую среду – ее стали называть первичным бульоном. Вычисления показали, что это должно было произойти за несколько сотен тысяч лет – по геологической шкале времени практически за мгновение ока. Затем, утверждали теоретики, случайные взаимодействия между органическими молекулами должны были рано или поздно породить химическую конструкцию, способную к поглощению вещества из окружающей среды и к самовоспроизводству, – того самого универсального общего предка. За достаточно долгое время, заключали теории, что‐то вроде этого просто не могло не произойти. Дошло доже до того, что Смитсоновский институт спродюсировал фильм, в котором популярная ведущая кулинарных телепрограмм Джулия Чайльд смешивала первичный бульон у себя на кухне.
Увидело свет сразу несколько вариантов сценария с первичным бульоном: все они рассматривали те или иные варианты появления универсального общего предка. Чарльз Дарвин, например, когда‐то предполагал, что жизнь могла зародиться в «маленьком теплом пруду». Развивая эту идею, некоторые ученые утверждали, что при каждом высоком приливе богатая органическими молекулами вода должна была переливаться в прибрежные лужи. Из них вода постепенно испарялась, оставляя на дне лужи слой органических молекул. Таким образом, именно постепенно растущая концентрация молекул в луже и должна была привести к образованию случайной комбинации молекул – первому живому существу.
Довольно быстро возникли и другие теории. Каждая из них пыталась описать некое условие, облегчающее переход от «строительных кирпичиков» к самовоспроизводящимся клеткам. Была, например, высказана идея, что роль катализатора, запустившего первые необходимые для жизни химические реакции, могли играть электрические заряды на поверхности глинистых отложений. Другие теоретики полагали, что каждый пузырек океанской пены (или, в другой версии, каждую капельку жира в первичном бульоне) можно представить себе как самостоятельный химический эксперимент – ведь каждая такая капелька содержала внутри себя некое уникальное сочетание молекул. Согласно еще одному сценарию, жизнь зародилась внутри полости в камне вблизи глубоководной океанской впадины. (Преимущество этой схемы в том, что в ней нет необходимости в наличии первого общего предка как обладателя клеточной мембраны или клеточной стенки и, таким образом, необходимости в клеточном устройстве живого организма – ведь функционал клеточной мембраны выполняло бы само расположение полости внутри камня.)
Все эти модели происхождения жизни можно классифицировать как варианты теории «замороженной случайности». Их основное содержание состоит в том, что произвольные сочетания молекул продолжали появляться до тех пор, пока одно из них совершенно случайно не оказалось способным к самовоспроизводству. Как только это случилось, колесо жизни завертелось и процесс естественного отбора начался. Первое сочетание молекул, с которого все это началось, оказалось «заморожено», а все возможные конкуренты и опоздавшие остались ни с чем.
Вы можете всю жизнь жить рядом с «замороженной случайностью», даже не догадываясь об этом. Взгляните на клавиатуру вашего компьютера. Видите сочетание букв QWERTY в верхнем ряду клавишей? Эти так называемые QWERTY-клавиатуры были введены в употребление в XIX веке, чтобы уменьшить зацепление рычагов пишущих машинок друг за друга. По сути, эта раскладка оказалась той самой «замороженной случайностью» – хотя клавишами уже давно управляет электроника, а не механические рычаги, мы сохраняем первоначальную раскладку: слишком хлопотно было бы ее менять. Точно так же, если верить этим теориям, первая успешно воспроизводящаяся клетка стала основой всей последующей жизни – не потому, что она была лучшим вариантом из возможных, а потому, что оказалась первой.
Можно было бы продолжать рассказывать о других теориях «замороженной случайности», но вы, наверно, уже уловили главную мысль. Опыт Миллера – Юри породил настоящую лавину идей и гипотез в области происхождения жизни. Но по мере того, как ученые все больше узнавали об основах химии жизни, в этой области стали доминировать два крупных теоретических подхода. Мы назовем их «Мир РНК» и «Сначала обмен веществ».
Мир РНК
Современные клетки функционируют достаточно своеобразно. Для того, чтобы в них могли идти химические реакции, поддерживающие в клетках жизнь, требуются особые молекулы, называемые ферментами или энзимами. В живых системах на Земле ферментами служат белки – это объясняет, почему публикация результатов опыта Миллера – Юри вызвала такой ажиотаж. В клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, из которых состоят белки, закодирована в сложной молекуле, называемой ДНК; эта информация передается белкам еще одной системой сложных молекул – РНК. Но при этом первый шаг в процессе передачи данных представляет собой чтение кода ДНК, а для чтения кода опять‐таки требуются белки. Таким образом, перед нами классическая дилемма курицы и яйца. Чтобы декодировать ДНК, нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не декодируем ДНК.
Возможный способ решения этой проблемы был обнаружен в начале 1980‐х, когда ученые открыли, что некоторые виды молекул РНК, помимо своей обычной роли в раскодировании ДНК, могут выступать также в роли ферментов (такие разновидности РНК называются рибозимы). Это открытие привело к еще одной версии теории «замороженной случайности»: предполагается, что случайным образом возникла некая версия прото-РНК, а затем эта прото-РНК стала функционировать в первых формах жизни одновременно и как фермент, и как шестеренка в цепочке производства белка. Эта гипотеза, названная «миром РНК», – в настоящий момент, вероятно, наиболее распространенная среди ученых теория происхождения жизни.
Ключевым для этой гипотезы является предположение о том, что как только появилась прото-РНК, первая примитивная клетка смогла использовать ее для выживания и для воспроизводства. Эта клетка и стала, таким образом, универсальным общим предком. Сложность же современной клетки – результат миллиардов лет последовавшего за этим событием естественного отбора.
Сначала обмен веществ
Противоположная точка зрения – ее можно назвать «Сначала обмен веществ» – полностью отрицает идею «замороженной случайности». Согласно этой теории, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ни ДНК, ни РНК. Она прошла через ряд простых химических реакций без участия сложных ферментов, исключительно посредством каталитического действия малых молекул. И лишь гораздо позже, в ходе естественного отбора, развилась химия современной клетки.
Вот простой пример, позволяющий представить, как это должно работать. Рассмотрим сеть федеральных скоростных автомагистралей в Америке. Невероятно сложная система, включающая огромную сеть дорог, гигантскую индустрию, обеспечивающую снабжение автомобилей горючим, собственно автомобильную промышленность и так далее. Если бы нам потребовалось объяснить, что представляет собой эта система сегодня, мы начали бы не с нанесения на карту уже существующей сети магистралей и попыток распределить по ним потоки автомобилей. Вместо этого мы бы вернулись в доколумбову Америку и изучили бы самую примитивную транспортную сеть, вроде сети пешеходных индейских троп. Потом поговорили бы о том, как эти тропы сменились немощеными дорогами, по которым ходили первые фургоны, как по ним поехали первые автомобили, как затем дороги стали мостить, строить на них заправочные станции, и так далее. Таким образом, шаг за шагом, мы бы в конце концов добрались и до нынешней системы во всей ее сложности, причем нам не понадобилось бы обращаться ни к каким маловероятным случайным событиям.
Какой из этих двух сценариев – «Мир РНК» или «Сначала обмен веществ» – реализовался на самом деле в ранней истории Земли, нам еще предстоит выяснить. Может быть, на самом деле обе этих гипотезы ошибочны? Все, что мы сейчас можем твердо сказать о том, как на нашей планете появилась жизнь, сводится к двум тезисам: 1) на Земле были богатые запасы основных молекулярных «строительных кирпичиков», необходимых для появления полноценных живых систем, и (2) как бы конкретно ни происходила «сборка» первого живого существа, она произошла быстро.
