Как должна работать каждая живая система: правила игры

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.

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.

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».

_{Отрывок из книги Джеймса Трефила, Майкал Саммерса «Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных». М.: Издательство Бомбора (Эксмо), 2024.}