Джон Уиллис - Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

Удивитесь ли вы, если вам скажут, что в течение последних 13 млрд лет во Вселенной происходит эксперимент, подобный эксперименту Миллера — Юри, и что на рассыпанных в космосе частичках межзвездной пыли можно найти органические молекулы, подобные тем, что обнаружил в своей колбе Стэнли Миллер? Думаю, это и впрямь удивительно, поскольку доказывает, что химический набор, который использует природа, гораздо более разнообразен и гибок, чем можно себе представить.

Иногда самые неожиданные сюрпризы падают к нам прямо с неба и служат напоминанием о том, что Вселенная гораздо умнее нас. Одно из таких событий произошло в маленьком городке Мерчисон в Австралии. Большой метеорит упал рядом с городом в 1969 г., и в руки ученых попало около 100 кг его фрагментов. Мерчисонский метеорит относится к типу углистых хондритов и состоял из слабо сцепленных между собой частично оплавленных пород. Сюрпризом стало обнаружение в метеорите вкраплений сложных органических молекул, в том числе аминокислот и нуклеотидных оснований, радиометрический анализ которых показал, что встречающиеся в них изотопы, вероятно, имеют космическое, а не земное происхождение. Доля этих молекул в общем составе метеорита Мерчисон невысока: их относительное содержание измеряется в миллионных долях процента.

Воодушевленное подобными открытиями, НАСА в 2004 г. решилось сделать еще один решительный шаг в исследовании исходных материалов, из которых состоит Солнечная система. С этой целью был создан и запущен космический аппарат «Стардаст», который должен был пролететь через хвост кометы Вильда 2 и доставить собранные образцы кометного вещества на Землю. И снова среди частичек льда и пыли, попавших в ловушки аппарата, оказались органические молекулы — и снова это была аминокислота глицин. Мы по-прежнему точно не знаем, как образуются такие молекулы, хотя существует гипотеза, что химические реакции происходят на микроскопических гранулах космической пыли под воздействием ультрафиолетового излучения ‹‹12››. Но так или иначе такие молекулы образуются и в Солнечной системе, и в облаках межзвездной пыли, которые мы наблюдаем в нашей галактике Млечный Путь.

Потоки метеоритов интенсивно бомбардировали Землю в ранний период ее истории — и отсюда возникает вопрос: так ли нам необходима гипотеза, что на ранней Земле происходило нечто подобное эксперименту Миллера — Юри, если Солнечная система исправно снабжала нас сложными органическими молекулами? Такие молекулы, вероятнее всего, появились на Земле двумя путями: были занесены метеоритами из космоса и произведены на месте в результате природного синтеза, как в опыте Миллера — Юри. Их относительный вклад в органическую диету Земли в значительной степени зависел от того, насколько эффективно шел здесь процесс Миллера — Юри: если в атмосфере присутствовали все необходимые ингредиенты, тогда вполне возможно, что на отдельных участках обилие сложных органических соединений в целом соответствовало бы тому, что мы видели в современных экспериментах. Важное дополнительное следствие воссозданной Миллером — Юри картины: достаточно высокая для осуществления дальнейших реакций концентрация сложных молекул. Эти реакции совершенно необходимы — без них невозможно перейти грань между живой и неживой материей. Наш эксперимент подвел нас к границе возникновения жизни, а дальше мы ступаем в неизведанную область.

Трудно путешествовать по незнакомым местам без хорошей карты. Однако, чтобы ее составить, кто-то должен пройти этим путем до вас и произвести тщательные измерения, чтобы достоверно воспроизвести все топографические особенности местности. Существует ли такая карта, которая могла бы помочь нам в путешествии через загадочный протомир Миллера — Юри к началу жизни на Земле?

К сожалению, нет. Наша карта в лучшем случае будет неполной. У нас есть определенные знания о периоде, предшествующем возникновению жизни, — мире Миллера — Юри. Мы знаем, где находимся сейчас, а также нашу ближайшую историю, равно как и свойства современной жизни на Земле. Но мы только в самых общих чертах наметили этапы пути между этими двумя точками, и каждый этап соответствует отдельной стадии в процессе зарождения жизни. Нам остается только ждать, пока не придет новое поколение картографов, которое сможет связать эти этапы в целостную картину зарождения и развития ранней жизни.

Прежде в этой главе мы, немного подумав, определили жизнь как совокупность связанных между собой физических процессов. Я хочу распространить эти идеи на царства простейших организмов, которые находятся на границе между живым и неживым. Американский ученый Стивен Беннер предложил простое и эффектное определение жизни: «Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, подверженная дарвиновскому отбору». Это утверждение сводит жизнь к явлениям упорядоченности, метаболизма и (приблизительного) самовоспроизводства. Может ли подобный взгляд на жизнь в самом фундаментальном смысле оказаться полезен в размышлении об ее истоках?

Как из случайных реакций, протекающих в мире Миллера — Юри, может возникнуть порядок? Природа гораздо больше структурирована, чем может показаться на первый взгляд. Так, например, структура периодической таблицы строится на количестве протонов и электронов в каждом атоме. Взаимоотношения между атомами — сколько у них общих электронов и как прочно они связаны — определяют строение более сложных молекул. Для иллюстрации этой мысли можно, например, рассмотреть, как смешение простого химического соединения с водой может приводить к образованию мембран наподобие клеточных: когда будете мыть посуду, обратите внимание, как моющая жидкость в сочетании с водой образует пузыри. В вашей моющей жидкости содержится молекула, состоящая из двух частей: гидрофильной и гидрофобной. Гидрофильная часть притягивается к воде, а гидрофобная отталкивается, и в результате между ними образуется тонкая пленка — в нашем случае довольно неплохое подобие протоклетки.

Не хочу сказать, что Стэнли Миллеру надо было только добавить в свой эксперимент немного мыла и — вуаля! — у него получилась бы первая живая клетка. Встречающиеся в природе органические молекулы — жирные кислоты в данном случае — могут в сочетании с водой произвести клеткоподобные липидные пузыри, соответствующие нашим представлениям о спонтанном зарождении первых клеток, поскольку наши собственные клеточные мембраны представляют собой двойной слой липидных молекул.

Говоря об обмене веществ, мы должны помнить, что жизнедеятельность любого организма основана на реакции расщепления химического соединения с высвобождением энергии. В нашем случае мы называем это химическое соединение завтраком, обедом либо ужином или на клеточном уровне — глюкозой. Простые сахара могут возникать по схеме Миллера — Юри и спонтанно расщепляться с высвобождением энергии. Если в какой-то момент такая реакция будет встроена в клетку, ваша клетка сможет вырабатывать энергию: правда, спустя какое-то время она проголодается и ей потребуется следующая порция топлива. И это лишь один пример из множества возможных вариантов первой метаболической реакции.