Углерод в алмазах, найденных в древнейших на земле австралийских горных образованиях, возможно хранит следы органической жизни. Фото (SXC license): Dan Shirley

Живой углерод

Летом этого года в информационные агентства пришел пресс-релиз Технологического университета Кертина (Curtin University of Technology) Австралии, в котором сообщалось, что возраст жизни на земле почти на 700 миллионов лет больше, чем принято думать. Подробности исследования под руководством Александра Немчина (Alexander Nemchin) были опубликованы в журнале Nature 3 июля.

Как разъяснялось в этих публикациях, кристаллы циркона, найденные в массиве Джек-хиллс (Jack Hills) на западе Австралии, содержат вкрапления самых древних на земле алмазов. Алмаз, как известно, представляет собой упорядоченные определенным образом в кристаллическую структуру атомы углерода. Примечательны эти циркониевые кристаллы тем, что содержание в них изотопов углерода ¹²C (так называемого «легкого» углерода) по сравнению с изотопом ¹³C, очень высоко. Так, в части найденных включений графита и алмазов содержание ¹³C оказалось почти в два раза ниже среднего значения для других древних образцов углерода.

В обширном семействе изотопов углерода только эти два ¹²C и ¹³C стабильны. Причем ¹²C значительно более распространен — в среднем, на ¹³C приходится чуть больше одного процента. Однако в природе нередко происходит своего рода «разделением» этих двух изотопов благодаря химическим процессам, протекающим в живых клетках, — в частности, при фотосинтезе из углекислого газа выделяется именно ¹²C, а не ¹³C . Поэтому изменения в соотношении концентраций этих изотопов в морских отложениях может служить индикатором изменения среднегодовой температуры океана: при понижении температуры планктона меньше, фотосинтез идет медленнее и, соответственно, доля ¹³C в отложениях будет выше.

Избыток ¹²C в циркониевых кристаллах из Джек-хиллс, по мнению Александра Немчина и его сотрудников, указывает на их органическое происхождение. А поскольку возраст самых древних включений в эти кристаллы составляет 4,25 миллиарда лет, то летопись земной жизни следует «продолжить». Исследовав 22 включения в 18 кристаллах циркония, ученые пришли к выводу, что алмазы и графит образовались независимо от циркониевых кристаллов, а их возраст или совпадает с возрастом кристаллов, или же превосходит его. Этот и другие факты позволяют рассматривать включения как «уникальный химический маркер, который предполагает возможность существования биологической активности спустя небольшое время после формирования Земли», по словам Александра Немчина, приведенным в пресс-релизе.

Феномен жизни представляет собой величайшую загадку. Впрочем, далеко не единственную во Вселенной. Фото (Creative Commons license): Linda Kenney

Впрочем, в журнальной статье исследователи высказываются осторожнее: из-за отсутствия других свидетельств биологической активности в то древнее время «алмазный биомаркер» — ещё не доказательство существования древней жизни.

Подходящая среда

Тема возникновения жизни на нашей планете — безусловно интересная, но опасная: придерживаться только научных воззрений, не углубляясь в вопросы философии и религий, здесь сложно. Из-за давности происходящего и недостатка доказательств это область даже не теорий, а гипотез, многие из которых не подтверждаются или опровергаются результатами новых исследований, а всего лишь, как принято говорить в логике, усиливаются или ослабляются ими. Немало людей придерживаются и той точки зрения, что религиозные и мифологические варианты ответа на вопрос о происхождении жизни вовсе не так противоречат научному подходу, как принято думать. У науки и религии слишком разные вопросы, да и методология их не совпадает. Нетрудно себе представить, как сотворенная высшим разумом жизнь эволюционирует по сценарию Дарвина. А все гипотезы о самозарождении жизни, популярные в начале XIX века, хотя до сих пор любопытны для чтения, но оказались малосостоятельны с научной точки зрения. Однако вопрос о том, как неживая материя может превращаться в живую, остается открытым и активно изучается.

Как ни удивительно, новые факты то и дело ставят под сомнение привычные представления о «сотворении мира» — в частности, возраст континентов и время возникновения жизни на них. Несколько лет назад массив Джек-хиллс уже привлекал внимание ученых. В 2005 году международная ассоциация ученых, включавшая геофизиков из Австралийского национального университета (Australian National University), Колорадского университета в Боулдере (University of Colorado) и парижской Эколь-нормаль (École Normale Supérieure), используя в качестве «маркера» гафний, пришли к выводу, что процесс образования материков шел значительно быстрее, чем принято думать. Один из исследователей профессор Стивен Можис (Stephen Mojzsis) из Колорадского университета в одном из интервью уподобил процесс формирования земной коры Большому взрыву. Всего за каких-то 500 млн лет все было закончено.

К тому же времени относят возникновение на Земле первых водоемов. А это означает, что уже тогда условия для жизни на земле были не хуже современных. «Земная кора, океаны и атмосфера возникли на планете практически сразу, — комментировал тогда результаты своих исследований профессор Можис, — а следовательно, практически сразу возникла и среда, подходящая для развития жизни». Теперь, видимо, появилась возможность говорить и о том, что тогда возникла не только среда, но и обитающие в ней микроорганизмы.

Мы — дети галактики?

Вопрос о времени зарождения органической жизни на Земле самым тесным образом связан с тем, как именно эта жизнь появилась на планете. Как известно, сама Земля сформировалась 4,5–4,6 млрд лет назад. Достоверные свидетельства существования древних организмов — строматолиты (окаменелые остатки бактерий), найденные в Западной Австралии — датируются 3,5 млрд лет, то есть ранним археем. Самые же древние свидетельства о живых организмах найдены в осадочных породах (формации Ишуа (Исуа) в Гренландии): им приписывают возраст в 3,75 млрд лет.

Что же происходило в период между формированием Земли и появлением простейших организмов — область даже не теорий, а гипотез. Самыми «привычными» из них стали две оппозиционные гипотезы: биогенеза (того, что живое может появиться только от живого) и абиогенеза — то есть зарождения жизни из неорганических молекул.

Гипотезу абиогенеза обосновывали независимо друг от друга советский академик Александр Иванович Опарин (1894–1980) и англичанин Джон Холдейн (John Burdon Sanderson Haldane, 1882–1964). Это идея химической эволюции, которая привела к образованию простых органических соединений из неорганических под воздействием ультрафиолетового облучения, электрических разрядов и других факторов. Ученые предполагали, что в океанах в определенный момент образовался пребиотический бульон, из которого случайным образом соединились органические молекулы, затем — подобия организмов — коацерватные капли (coacervate), отделенные от окружающей воды тонкой пленкой, и потом — простейшие организмы.

28 сентября 1969 года вблизи города Мерчисон в Австралии упал метеорит. Через тридцать с лишним лет в его осколках итальянские исследователи впервые обнаружили внеземные органические вещества. Фото: Geraci Giuseppe et al.; Microbes in rocks and meteorites: a new form of life unaffected by time, temperature, pressure // Rendiconti lincei. Scienze fisiche e naturali. 2001. Vol. 12.  Ser. 9. Issue 1. P. 51–68

В лаборатории Опарина были синтезированы не только аминокислоты (в смеси формальдегида и солей аммония под воздействием ультрафиолетового облучения), но даже растительные пигменты, например, порфирин из пиррола и формальдегида. Правда, эта гипотеза не объясняет, как именно мог произойти переход от органических молекул к простейшим организмам, а также как в этом бульоне могли появиться молекулы нуклеотидов — РНК и ДНК, которые как раз ответственны за важнейшее свойство живых организмов — передачу наследственной информации. На такое образование сложных молекул путем случайного соединения вряд ли хватило бы и 5 млрд лет.

Другая гипотеза — о том, что живое может происходить только от живого. Немецкий натурфилософ и естествоиспытатель Лоренц Океном (Lorenz Oken, 1779–1851) сформулировал эту идею в виде афоризма: omne vivum ex vivo — все живое от живого. Философские взгляды Окена были очень популярны в России в XIX веке. Пожалуй, наиболее известных его последователей был другой советский академик — Владимир Иванович Вернадский (1863–1945). Ещё в начале ХХ века он обозначил круг наиболее важных вопросов, на которые наука должна искать ответ. Некоторые из них актуальны и сегодня: «Было ли когда-нибудь начало жизни и живого, или жизнь и живое такие же вечные основы космоса, какими являются материя и энергия? Характерны ли жизнь и живое только для одной Земли, или это есть общее проявление космоса? Имела ли она начало на Земле, зародилась ли в ней? Или же в готовом виде проникла в нее извне с других небесных светил?».

То, что жизнь «проникла… извне с других небесных светил» или теория панспермии предполагает, что она существовала до появления Земли, и могла быть занесена на эту планету из космоса. Смысл ответа, впрочем, сильно зависел от общего научного контекста. Творчество Вернадского относится к тому времени, когда большое распространение имела теория вечной и стационарной Вселенной. Идея панспермии тогда выглядит даже естественно: к чему ломать голову над вопросом о происхождении жизни, если допущение о её вечном существовании сразу дает ответ. Вернадский не раз выражал уверенность, что живая материя сосуществует с неживой, хотя и не мог найти ей подтверждений. После того как в 1960-е годы всеобщее признание получила теория Большого взрыва, гипотеза панспермии утратила свою достаточность. Теперь она лишь отодвигает вопрос о месте, времени и способе появлении жизни, но не решает его.

Тем не менее гипотеза о «заражении» Земли жизнью снова активно обсуждается. Это произошло после открытия жизнеспособных микроорганизмов, способных в спящей форме выжить внутри камней и кристаллов. Такое открытие сделали в прошлом году двое ученых из Университета Федерика II (Неаполь) — профессор геологии Бруно Д’Ардженьо (Bruno D’Argenio) и профессор молекулярной биологии Джузеппе Герачи (Giuseppe Geraci). Мельчайшие организмы (названные CRYMS — от CRYstal Microbes) были обнаружены и внутри нескольких метеоритов. CRYMS чрезвычайно устойчивы к суровым внешним условиям; а будучи извлеченными из породы, возобновляют жизнедеятельность.

Есть и другие свидетельства внеземного происхождения органических молекул. Так, при изучения состава Мерчисонского метеорита в Австралии обнаружились азотистые основания, необходимые для синтеза молекул нуклеиновых кислот ДНК и РНК. С помощью радиоуглеродного анализа удалось установить, что эти молекулы сформировались не на Земле, а кроме того, смогли в целости и сохранности пропутешествовать через космос и земную атмосферу.

Старая жизнь

Однако, если жизнь может существовать в космосе, то, вполне возможно, что её зарождение началось гораздо раньше, чем можно было бы себе представить. Органические молекулы могли появиться ещё на стадии формирования будущих планет, вращающихся вокруг центральной звезды. В газово-пылевых облаках содержался водород, азот, угарный газ, цианистый водород и другие относительно простые молекулы, из которых возможен синтез органики. Ученые из Института катализа СО РАН под руководством академика Валентина Николаевича Пармона провели ряд расчетов и моделирования для доказательства того, что такие реакции были возможны (правда, при участии твердых частиц-катализаторов, содержащих железо, никель и кремний).

На этом ученые из Института катализа не остановились, и решили просмотреть и дополнить существующие представления о том, как именно могла зародиться органическая жизнь на древней Земле.

Опытам Золя Шпигельмана 1960-х годов Ричард Докинз (Richard Dawkins) посвятил отдельную главу в книге «Слепой часовщик» (Blind Watchmaker): «В пробирке, с помощью РНК-репликазы, молекулы РНК действовали как матрицы для синтеза копий себя. Механизмы и проекты были экстрагированы, и хранились в холодильнике отдельно друг от друга. Затем, как только они получили доступ друг к другу … оба вернулись своим старым злодейским штучкам — даже несмотря на то, что они были в пробирке, а не в живой клетке». Фото courtesy of the University of Illinois at Urbana-Champaign Archives

На недавно сформировавшейся планете взаимодействовали между собой вещества, поступающие как из космоса, так и из её недр. Эти химические реакции конкурировали между собой за субстраты («пищу» для реакций). В итоге побеждали самые быстрые из них, словно в подтверждение идеи философа Карла Поппера, естественный отбор существовал уже на стадии химических процессов. Поэтому для реакций важны были катализаторы, а лидировали среди реакций те, что могли катализироваться собственными продуктами.

Следующей ступенькой вполне могли стать автокаталитические циклы, при которых синтезируются не только катализаторы, но и возобновляются субстраты, то есть исходные вещества. Примером такой реакции может быть реакция Бутлерова, при которой из формальдегида образуются сахара, которые, в свою очередь, выступают катализаторами этой реакции. Автокаталитические циклы, по мнению авторов исследования — это уже почти жизнь.

Здесь же возникает следующий краеугольный вопрос: какие из необходимых для органической жизни молекул появились первыми? Если, как принято считать, первыми появились белки, то каким образом сохранялась наследственная информация? Если же ДНК — то как осуществлялись все прочие работы в клетке, которые могут делать только белки?

Появлению новой гипотезы послужили два открытия: то, что у многих вирусов наследственная информация хранится в молекулах не ДНК, а РНК, а также открытие в 80-х годах прошлого века Томасом Кечем (Thomas R. Cech) и Сидни Альтманом (Sidney Altman) рибозим — специфических молекул РНК. Рибозимы обладают каталитическими свойствами и могут осуществлять структурные функции в клетке (как белки), храня при этом наследственную информацию. Именно это их сочетание привело к предположению о существовании РНК-мира — ранней стадии эволюции жизни. Эту эпоху РНК-мира специалисты помещают где-то между 4,3 и 3,8 млрд лет.

Предполагается, что РНК могли формировать молекулярные колонии на поверхностях минералов, и обмениваться участками друг с другом. Позже (при накоплении случайных мутаций) произошло «разделение труда»: за хранение информации стала отвечать ДНК, а также появились белки — более эффективные катализаторы. РНК стала между ними «посредником».

И все-таки научное подтверждение гипотез о начале мира почти невозможно: информации о древнейшем периоде существования нашей планеты крайне мало, и воспроизвести те геологические и климатические условия сложно. Кроме того, в вопросе о возникновении жизни сложно оставаться в рамках сугубо научных воззрений и не отклониться в область метафизики.

Вопрос о том, к какому лагерю примкнуть, больше похож на вопрос о свободе вероисповедания. Несмотря на появление новых фактов, усложнение и все большее технологическое совершенство оборудования, ни одна из гипотез полностью не подтверждается. Трактовать новые факты можно по-разному, и по-разному примерять их к теориям. Узнаем ли мы когда-нибудь, как и где происходило зарождение жизни в её биологическом аспекте, — неизвестно. Тема эта, однако, одна из любопытнейших в мире, — возможно ведь, что, узнав о самом начале нашего пути, мы сможем понять что-то и про себя, ведь люди, согласно Вернадскому, неотделимы от окружающего мира.

Светлана Волошина, 17.09.2008