Глава 2. Возникновение жизни
Прежде чем попытаться понять смысл жизни людей, попробуем понять, что же такое жизнь, когда и как она возникла, зачем существует, как развивается.
Тема возникновения жизни, это одни сплошные вопросы, и главный из них, на мой взгляд, звучит так: «Как органические вещества, неизвестно откуда взявшиеся на молодой планете, смогли организоваться в живую клетку?» До недавнего времени наиболее полно разработанной, аргументированной и имевшей широкое признание, считалась гипотеза происхождения жизни путем биохимической эволюции, или гипотеза Опарина-Холдейна. Она утверждает, что жизнь на Земле возникла из неживой материи, в условиях, имевшихся на планете миллиарды лет назад. Эти условия включали наличие источников энергии, определенного температурного режима, наличие воды, вулканических газов и других неорганических веществ – предшественников органических соединений. Эта гипотеза была разработана в 20-е – 30-е годы XX-го века. А. И. Опарин открыл, что при некоторых условиях растворенные белки собираются в компактные капли – коацерваты, которые могут поглощать растворенные вещества из внешней среды и делиться подобно живым клеткам. Он предположил, что атмосфера молодой Земли была бескислородной, и в ней мог протекать абиогенный синтез органики. Джон Холдейн (Великобритания) развил идею «первичного бульона» – океана, взаимодействовавшего с первичной атмосферой Земли, в котором под воздействием грозовых разрядов, вулканической деятельности и солнечного ультрафиолета происходили разнообразнейшие химические реакции, приводившие, в том числе, к созданию сложных органических молекул. Эти молекулы, в свою очередь, объединялись в коацерватные капли – предшественницы живых клеток. Для подтверждения гипотезы Опарина-Холдейна в 1953 г. С. Миллер (США) создал установку, в которой он воспроизвел состав первичной атмосферы Земли, руководствуясь своими, как потом выяснилось, не совсем верными представлениями. Затем, он с помощью электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в этой установке набор органических веществ, включая аминокислоты. Спустя некоторое время С. Фокс (США) получил полипептиды различной длины путем нагревания смеси сухих аминокислот. На этом достижения сторонников теории абиогенеза кончились. Но при всей кажущейся скромности этих результатов, их значение сложно переоценить, поскольку Миллер доказал принципиальную возможность синтеза органики из простых неорганических соединений. Затем, почти на полвека, в этой области науки воцарились застой и безысходность. Ведь между набором органических веществ и живой клеткой лежит пропасть, преодолеть которую крайне затруднительно. Собраться в самую примитивную живую клетку случайным образом органические вещества никоим образом не могут, а доклеточных форм жизни не существует. Вирусы являются обязательными внутриклеточными паразитами, поэтому предшественниками бактерий они никак быть не могут. Краткое перечисление проблем, с которыми столкнулись ученые, пытаясь создать живое из неживого, превысило бы объем моей книги в несколько раз, поэтому я отсылаю всех интересующихся этой темой к книге Михаила Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки». Она написана максимально доступным для такой серьезной темы языком, и при желании, неподготовленный человек сможет ее одолеть.
В двухтысячные годы дело сдвинулось с мертвой точки, и на наших глазах в этой области науки происходит революция. Я коснусь двух моментов, имеющих отношение к моей книге.
Во-первых, Джону Сазерленду (Великобритания) удалось синтезировать весь набор органических веществ, необходимых для зарождения жизни. Синтез происходил в условиях ранней Земли, воспроизведенных по его представлениям. Попутно выяснилось, почему существуют всего четыре буквы генетического кода (нуклеотиды аденин, гуанин, цитозин, тимин). Просто из всех нуклеотидов они оказались самыми устойчивыми к ультрафиолетовому излучению, остальные под действием ультрафиолета разложились. Отсюда следует один важный вывод: если где-то во вселенной и существует белковая форма жизни, то в ее основе, скорее всего, находятся те же четыре нуклеотида, ведь ультрафиолетовое излучение есть везде. То есть вполне возможно, что генетический код универсален для всей вселенной.
Во-вторых, Крейгу Вентеру (Швейцария) удалось синтезировать геном бактерии Mycoplasma mycoides и вставить его в клетку другого микроорганизма – Mycoplasma capricolum, из которой перед этим были удалены все гены. Полученный микроорганизм получился жизнеспособным и повел себя как обычная бактерия Mycoplasma mycoides. Тем самым Крейг Вентер доказал, что живые организмы (по крайней мере бактерии) это конструкторы, которые можно собирать-разбирать.
Пропасть между набором органических веществ и живой клеткой еще не преодолена, но уже не кажется непреодолимой. Тем не менее, что-то или кто-то должен был сконструировать первые живые организмы на ранней Земле, ведь вероятность случайной «самосборки» фактически нулевая. Ничего лучше и надежней Дарвиновского механизма отбора ученые пока не придумали, но как и зачем разным веществам, пусть и органическим, конкурировать? Это звучит так же нелепо, как утверждение, что два булыжника конкурируют друг с другом за место на тротуаре. Они и не конкурировали. Геохимический подход к возникновению жизни на Земле предполагает, что конкурировали друг с другом геохимические циклы, а органические вещества были затянуты в эти циклы и послужили катализаторами и стабилизаторами последних. Многие из нас, даже двоечники, еще со школьной скамьи помнят выражение «круговорот веществ в природе». Например, углерод из атмосферы усваивается растением, затем попадает в организм растительноядного животного, затем в организм хищника, затем в почву, потом опять в атмосферу. Это очень упрощенное описание геохимического цикла углерода, который крутится посредством живых существ за счет энергии солнца. В своей книге «Удивительная палеонтология. История Земли и жизни на ней» К. Ю. Еськов, ссылаясь, в свою очередь, на А. С. Раутиана (1995), предлагает взглянуть на загадку возникновения жизни с геохимической точки зрения. Далее я кратко излагаю по его книге.
Геохимический подход к теме возникновения жизни
Между холодным космосом и планетой, подогретой центральным светилом, возникает температурный градиент (ТГ). Если планета обладает при этом подвижной газообразной и/или жидкой оболочкой (атмосферой и/или гидросферой), то ТГ порождает в этих оболочках за счет конвенции физико-химический круговорот, в который с неизбежностью вовлекается и твердая оболочка планеты (в случае Земли – кора выветривания), в результате чего возникает глобальный геохимический цикл – прообраз биосферы. Геохимические циклы, едва зародившись, попали под действие отбора по двум параметрам:
Во-первых, отбор на стабильность. При вращении Земли вокруг своей оси энергетическая подпитка геохимических циклов солнцем прекращалась в ночное время, поэтому для поддержания своей структуры, геохимические циклы должны были «научиться» запасать энергию.
Во-вторых, отбор на скорость оборота вовлеченных в геохимические циклы веществ. По этому параметру должны были выиграть те из них, что обзавелись наиболее эффективными катализаторами.
Земля хоть и огромна, но не бесконечна. Ресурсы ограничены, поэтому самые устойчивые и оборотистые циклы вытеснили все остальные. Вполне Дарвиновское поведение. Самыми устойчивыми и оборотистыми в условиях ранней Земли оказались те циклы, которые происходили при участии высокомолекулярных соединений углерода. Далее К. Ю. Еськов пишет:
Итак, жизнь в форме химической активности означенных соединений оказывается стабилизатором и катализатором уже существующих на планете геохимических циклов (включая глобальный) (выделено мною, И. П. Хамдамов); циклы при этом «крутятся» за счет внешнего источника энергии. Вам это ничего не напоминает? Ну конечно – это уже знакомая нам автокаталитическая система, которая, соответственно, обладает потенциальной способностью к саморазвитию, и прежде всего – к совершенствованию самих катализаторов-интермедиатов (выделено мною, И. П. Хамдамов). Отсюда становится понятным парадоксальный вывод, к которому независимо друг от друга приходили такие исследователи, как Дж. Бернал (1969) и М. М. Камшилов (1972): жизнь как явление должна предшествовать появлению живых существ. Из такого подхода вполне очевидна принципиальная тщетность попыток синтезировать живое существо «в колбе», как это делали средневековые алхимики или сторонники классического абиогенеза: для такого синтеза как минимум нужна колба размером с планету.
То есть, проще говоря, жизнь или предрасположенность к жизни, это имманентное, прости Господи, свойство Земли, можно сказать: одна из ее астрономических характеристик, наряду с массой, диаметром орбиты и т. д. Отсюда следует один интересный вывод: если жизнь – одна из астрономических характеристик Земли, то есть и другие планеты со схожими свойствами; значит, мы не одни во вселенной. Этой темы я коснусь в 13-ой главе.
Геохимический подход применительно к теме возникновения жизни кажется немного притянутым за уши, но он неплохо объясняет многие аспекты функционирования и эволюции биосферы, а некоторые жизненные явления могут получить разумное объяснение только в его рамках. В дальнейшем я еще буду прибегать к его помощи.
Время возникновения жизни
Возраст самых древних земных минералов, известных науке, составляет 4,2 миллиардов лет. Возраст Земли оценивается в 4,5—4,6 миллиардов лет. В основе оценки возраста Земли лежат результаты анализа вещества метеоритов и лунного грунта. Известные науке следы жизни чуть помоложе. На момент написания этой книги, сайт National Geographic сообщает:
Окаменевшие микроскопические волокна, образованные железобактериями, были найдены в отложениях кварца в древнейшей геологической формации «пояс Нуввуагиттук» (Nuvvuagittuq Supracrustal Belt), относящейся к периоду от 3,77 до 4,30 миллиардов лет. По результатам анализа, показавшего наличие трубчатых и нитевидных структур, а также гранул оксида железа и карбонатов, специалисты сделали вывод о биологической активности, протекавшей в это время.
До этого открытия самыми старыми осадочными породами, в которых найдены следы жизни, а именно: углерод органического происхождения2, считались породы, составляющие геологическую формацию Исуа в Гренландии, возраст которых оценивается в 3,8 миллиардов лет. При этом породы, составляющие геологические формации Исуа и «пояс Нуввуагиттук» являются древнейшими на Земле осадочными породами, известными науке. Для образования осадочных пород необходима вода. Получается, что первые следы жизни появляются на Земле одновременно с первыми следами воды. Из этого следует, что жизнь на Земле зародилась одновременно (по палеонтологическим меркам) с появлением воды в жидком виде. Следы жизни, оставленные 3,8 миллиардов лет назад в породах, слагающих формацию Исуа, сообщают нам одну интересную деталь: уже тогда бактерии освоили фотосинтез. То есть первые следы жизни оставлены не какими-то «унтер-бактериями», которым до развитых форм еще эволюционировать и эволюционировать, а вполне «продвинутыми» бактериями, мало отличающимися от нынешних.
Выходит, что мы пока не знаем, как зародилась жизнь на Земле, но более-менее представляем себе, когда она возникла. Здесь также напрашивается вывод о том, что либо новорожденная жизнь оказалась очень живучей, либо она зарождалась неоднократно, ведь условия на Земле были в то время экстремальными: сильная вулканическая деятельность, жесткое солнечное ультрафиолетовое излучение и метеоритные бомбардировки.
Добавлю сюда, что 3,8 миллиардов лет назад Луна была гораздо ближе к поверхности Земли, чем сейчас, и вызывала огромную приливную волну, в десятки раз сильнее нынешней. Плюс к этому, Земля вращалась вокруг своей оси быстрее, чем в наши дни. 3,8 миллиардов лет назад в сутках было около семи часов. Получается такой гигантский миксер, генерирующий планетарного масштаба геохимические круговороты веществ. А жизнь, это способ упорядочения и стабилизации геохимических круговоротов.
В качестве простейшего примера вмешательства жизни в геохимический процесс в роли посредника, можно привести жизнедеятельность бактерий, которые окисляют железо, растворенное в воде какого-нибудь ручья, и осаждают его в виде ржавчины. Понятно, что при нынешнем процентном содержании кислорода в атмосфере, растворенное в воде железо все равно окислится без посторонней помощи. Бактерии лишь значительно ускоряют этот процесс и имеют за это свои «комиссионные».
Здесь я бы хотел обратить внимание на две особенности жизни:
Во-первых, жизнь как таковая, с планетарной точки зрения, тяготеет к экспансии. Постепенно, шаг за шагом, в течение длительного, по человеческим меркам, времени, жизнь захватила всю планету. Происходило это поэтапно. Сначала жизнь освоила поверхностный слой океанов, затем углубила этот обитаемый поверхностный слой. Следующий этап – океанское дно, затем толща воды. На суше в это время тоже происходило ползучее заселение. Потом жизнь освоила сушу, затем – воздушное пространство.
Во-вторых, жизнь осваивает Землю путем кондиционирования планеты, то есть преобразовывая ее под свои нужды. Подробно писать об этом я не буду, просто отмечу для примера, что в наши дни весь кислород в атмосфере биогенного происхождения, а это значит, что озоновый слой, защищающий все живое от солнечного ультрафиолета, тоже, в конечном счете, биогенного происхождения. Устричные банки примерно за месяц прокачивают через себя объем воды, равный объему мирового океана. Планктон собирает и отправляет на дно всю пыль, оседающую на поверхность океанов; благодаря этому морская вода прозрачна. Крупные участки суши, русла рек, водоемы существуют только потому, что растительность не позволяет размыть их и т. д. То есть жизнь, стараниями миллиардов малых и больших организмов, преобразовала планету под свои нужды и продолжает делать это изо дня в день. Масштаб этой работы сложно переоценить, не будь ее, наша планета, даже при взгляде из дальнего космоса, выглядела бы совершенно по-другому.
Я бы сравнил то, как жизнь осваивает планету, с градообразующей деятельностью людей. Сначала где-нибудь возникает кучка хибар, а через несколько столетий на этом месте стоит уже современный город с ровными дорогами, канализацией, водопроводом, электросетью, больницами и т. д. И не просто стоит, а развивается. С момента своего зарождения, жизнь осваивает Землю примерно так же, как люди создают для себя городскую среду: постепенно, шаг за шагом, день за днем, и переделывает планету до неузнаваемости.
Обобщая написанное
1. Жизнь – изначальное свойство нашей планеты, ее астрономическая характеристика, но это вывод, подкрепленный только рассуждениями.
2. Мы не одни во Вселенной (тоже вывод, подкрепленный только рассуждениями).
3. Живые организмы появились на нашей планете сразу же, как только для этого представилась возможность (вода в жидком виде).
4. Жизнь с самого начала своего существования оказались практически неистребимой.
5. Жизнь – частный случай геохимических циклов.
6. Жизнь является стабилизатором и катализатором существующих на планете геохимических циклов.
7. Жизнь проникает повсюду, где только может.
8. Жизнь кондиционирует Землю, то есть преобразует планету под свои нужды.