Калеб Шарф - Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной

В результате обмена веществ атомы элементов вроде водорода, углерода, азота, кислорода и серы постоянно переходят из одного места в другое, из молекулы в молекулу. Со временем химическая структура земной коры и океанов оказывается глубочайшим образом переработана – и это превращение не было бы возможно в отсутствие жизни. Это и есть биогеохимия. Практически вся среда нашего обитания на Земле – от кислорода, которым мы дышим, до состава почвы у нас под ногами – всего лишь результат уравновешивания всех этих взаимосвязанных, взаимозависимых циклов. Разумеется, мы не отделены от этой системы. Жизнь, подобная нашей, принадлежит к домену эукариотов с большими сложными клетками, которые, очевидно, представляют собой результат различных случаев эндосимбиоза – ассимиляции всевозможной машинерии из более ранних, чисто симбиотических отношений между одноклеточными организмами. Сложноклеточная жизнь практически исключительно полагается на дыхание, для которого ей нужен кислород, и на всевозможные источники энергии, получаемой из углеродосодержащих молекул. А это значит, наши жадные до кислорода организмы играют важную роль в системе обмена веществ в масштабах планеты.

Эти еще не до конца выявленные самоподдерживающиеся циклы – важнейшая веха на нашем пути не только к пониманию того, как связана любая жизнь с химической и физической тканью Вселенной, но и к попытке найти свое место в более широком контексте. Число обменных процессов, по крайней мере сегодня на Земле, конечно. В принципе, это могли бы быть и другие разновидности химических реакций, однако миллиарды лет эволюции на Земле пришли в конце концов именно к конкретному, нашему набору реакций.

Эти метаболические рецепты можно уподобить различным комбинациям молекулярного «топлива» [141] Хороший обзор энергетического бюджета живых организмов на примере сгорания «топлива» см. в статье K. H. Nealson and P. G. Conrad. Life: Past, Present, and Future // Philosophical Transactions of the Royal Society B // Biological Sciences 354 (1999). 1923–39. с молекулярными окислителями, которые «сжигают» это топливо. Лучше всего мы знакомы с метаболическими последовательностями, в которых происходят процессы вроде кислородного дыхания, ферментации, усвоения азота, фотосинтеза с выработкой кислорода и без. Есть и более экзотические – сульфатное, нитратное, нитритное и даже железистое и марганцевое дыхание. На каждом из возможных метаболических вариантов, а иногда на нескольких сразу специализируются свои бактерии и археи. Например, молекулярные двигатели в определенных типах архей могут сочетать углекислый газ (окислитель) с молекулярным водородом (топливо) и вырабатывать метан и воду. Еще они могут разделять молекулы уксусной кислоты и делать из них метан и углекислый газ. Львиная доля метана, доступная нам, людям, и, скажем откровенно, вырабатываемая нами, людьми, и многими другими животными, производится трудолюбивыми крошками-археями. Эта разновидность обменных процессов называется метаногенез [142] Кажется, будто процесс выработки метана микробами довольно прост, однако на самом деле, как и большинство метаболических процессов, он задействует безумное количество ферментов и реакций, причем не всегда одинаковых. В сущности, к получению метана приводит три основных метаболических маршрута: восстановление углекислого газа (о нем здесь и идет речь), ферментация соли уксусной кислоты и дисмутация (одновременное окисление и восстановление, в результате которых получаются два вещества) метанола или метиламинов. Каждый из них предполагает множество этапов-реакций. .

Главную роль в биосфере Земли играют реакции с усвоением углерода – превращение простых неорганических источников углерода, например, углекислого газа, в органические соединения, – поскольку углеродосодержащие молекулы составляют основу жизни на Земле. В общем и целом мы обнаружили 10 фундаментальных химических процессов, которые, по нашему мнению, отражают метаболический профиль жизни на Земле. Это сумма всех способов, которыми все организмы получают электрическую энергию и сырье. А вот то, как именно эти процессы связываются в единую систему циклов, общих для всех биологических видов на всей планете [143] Примеров тому множество. Не так давно было открыто одно особенно удивительное сочетание химических реакций окисления-восстановления, которые идут в разных слоях осадков на морском дне, – расстояние между ними составляет целых 12 миллиметров, для бактерий это очень много. Вероятно, механизм, связывающий эти физические слои, – электрический: возможно, именно бактерии контролируют поток заряженных частиц по планете. L. P. Nielsen et al. Electric Currents Couple Spatially Separated Biogeochemical Processes in Marine Sediment // Nature 463 (2010): 1071–74. – настоящее чудо. Например, молекулярные двигатели, при помощи которых некоторые археи производят метан, у других архей и бактерий работают в обратную сторону. Они добывают энергию, разбирая молекулы метана и превращая их обратно в углекислый газ и водород. Кому отходы, а кому и пища.

Точно так же можно обратить и большинство остальных процессов. Если не найдется вида бактерий, который располагает машинерией, позволяющей прямо и непосредственно ликвидировать результат деятельности какого-то другого вида, значит, этот обратный процесс будет выполнен постепенно, в результате цепочки взаимодействий, которая охватывает сразу много разных видов. Организмам-участникам не обязательно даже жить бок о бок в пространстве или времени. Метан, вырабатываемый где-то на планете одним коллективом организмов, найдет себе потребителей совсем в другом месте и в другое время года.

Все это подозрительно похоже на вечный двигатель, где один организм обеспечивает пищей другого, а тот преобразует ее снова, и при этом постоянно выделяется энергия. Это и был бы вечный двигатель, если бы обмен веществ в масштабах планеты представлял собой замкнутую систему, а это не так. В конечном итоге его обеспечивают два источника энергии, которые я уже упомянул. Во-первых, Земля еще не остыла внутри – это последствия бурных времен ее формирования, а также результат того, что в ее состав входят радиоактивные вещества, – и на ее поверхность выходит примерно 30–45 триллионов ватт геотермической и геохимической мощности. Во-вторых, ее поверхность впитывает энергию Солнца – примерно 90 000 ватт. Этот приток энергии вполне покрывает любые потери из-за пробелов во взаимозависимых метаболических циклах в живой природе.

Это очень красивая система, однако ее понимание – лишь первый шаг к ответу на вопрос, как же образовались и развились все эти микробиологические механизмы, а в особенности – как они пережили все тяготы среды обитания на планете в последние 3–4 миллиарда лет. Отчасти вопрос сводится к тому, как именно относительно небольшой набор молекулярных двигателей, в основном – белковых комплексов, оказался закодирован в генетическом материале одноклеточных микроорганизмов.