О происхождении земной жизни и ее неважных (но далеких) перспективах

Жизнь комет

Скорее ураган, проносящийся по кладбищу старых самолетов, соберет новехонький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайных процессов возникнет из своих компонентов жизнь.
Чандра Викрамасингх (1982)

Помните бомбардировку кометы Tempel в 2005 году? За последние годы мы узнали много нового о составе комет. Следствием этого стало предположение о происхождении жизни на кометах, высказанное коллективом под руководством Чандры Викрамасингха (Chandra Wickramasinghe). Речь идет об известном астрономе и астробиологе, ученике и соавторе Фреда Хойла¹, родившемся в Шри-Ланке. Сейчас он заведует астробиологическим центром в университете Кардиффа в Англии. Викрамасингх не чурается «скользких» тем, находящихся на крае официальной науки, изучая так называемые нанобактерии², феномен красного дождя в Керале³ или распространение вирусов кометами.

Итак, Викрамасингх опирается на данные о наличии в кометах водяного льда, разнообразной органики, а также глиноподобных слоистых силикатов, которые могут быть катализаторами и источниками нужных жизни элементов. Викрамасингх считает, что благодаря радиоактивному разогреву внутри комет вода могла существовать в жидком состоянии многие миллионы лет. Общая масса глиноподобных минералов в составе комет в нашей галактике выше, чем масса глин на Земле⁴, и, значит, возникновение жизни на кометах вероятнее, чем на Земле…

Для оценки новой гипотезы полезны слова самого Викрамасингха, вынесенные в эпиграф. 25 лет назад этот ученый был противником случайного возникновения жизни. Нет оснований сомневаться в невероятности примитивнейшей версии гипотезы абиогенеза: предположении, что органические молекулы сами собой случайно сложились в живую клетку. В качестве альтернативы чуду создания жизни благим Творцом предлагать создание жизни чудом слепого случая? Такое решение устроит лишь того, кто поистине религиозно верит в отсутствие Бога.

А возможно ли иное происхождение жизни на основе случайности? Естественный отбор - механизм, который позволяет накапливать последствия случайных (и закономерных) благоприятных изменений самовоспроизводящихся систем. Представьте себе мяч (например, футбольный), который подпрыгивает на месте благодаря энергии из какого-то источника. Может ли он в результате небольших прыжков в случайном направлении оказаться на крыше многоэтажного дома? Ответ «нет» не верен. Если на крышу ведет лестница из множества маленьких ступенек, такой подъем становится возможным. Но, заскочив в подъезд или поднявшись на первую ступеньку, мяч тут же может вернуться обратно! Значит, нужен механизм, «фильтрующий» изменения, ведущие в определенном направлении. Такой фильтрующий механизм - естественный отбор.

Итак, при определенных условиях малые ненаправленные изменения могут обеспечить кардинальную трансформацию всей системы. В соответствии с рассмотренной аналогией для возникновения жизни необходимы три условия:
—  возможность полного спектра переходов между неживыми и живыми системами;
—  возможность переходить из одних состояний в другие, близкие, в силу случайных или закономерных причин;
—  действие естественного отбора, преимущественно сохраняющего и воспроизводящего «более живые» системы.

Насколько можно судить на основании современных данных, все эти три условия выполнялись на молодой Земле и выполняются на многих других планетах.

Планеты находятся в потоке энергии, рассеиваемой центральным светилом. Если планеты вращаются, это приводит к циклическим изменениям количества энергии, падающего на их участки. Если они имеют атмосферу и гидросферу, неравномерность нагрева приводит к циркуляции этих оболочек, вовлекающей в себя также поверхность литосферы.

На поверхности таких планет идут химические реакции, в том числе с различными органическими соединениями⁵. В зависимости от циклической смены условий обратимые реакции будут переходить из одного равновесного состояния в другое и обратно. Одни и те же превращения веществ могут обеспечиваться различными конкурирующими реакциями. Среди них с точки зрения происхождения жизни особенно интересны те, для которых характерен автокатализ. В общей форме такие реакции можно представить в виде R + A > 2A , где A - автокатализатор, молекула, способствующая синтезу аналогичных ей молекул, а R - необходимый для этого ресурс (ресурсы).

Одним из самых актуальных примеров автокаталитических реакций является так называемая формозная реакция Бутлерова, которую интенсивно изучают в Институте катализа СО РАН. В ходе этой реакции формальдегид (CH₂O) в водном растворе в присутствии извести олигомеризуется, образуя моносахариды: nCH₂O → (CH₂O)n. Это автокаталитическая реакция: наличие в среде моносахаридов существенно повышает выход конечного продукта. Разные моносахариды обладают разной автокаталитической активностью; в зависимости от условий протекания реакции меняется состав получаемых в ее ходе продуктов. Например, в присутствии апатита (фосфата кальция, распространенного минерала) в ходе формозной реакции возникает в основном рибоза - моносахарид, входящий в состав РНК, ДНК (с небольшой модификацией) и АТФ⁶.

Важнейшее следствие автокатализа - то, что он позволяет включиться естественному отбору. Самые эффективные и устойчивые из автокаталитических реакций преобразуют бо,льшую часть имеющихся ресурсов и вытеснят свои аналоги.

Итак, до того как естественный отбор запустил эволюцию жизни, он обеспечивал эволюцию «преджизни» - геохимических автокаталитических процессов. Как же могла эволюционировать эта «преджизнь»? Мы пока не знаем конкретики, но о многом уже можем догадываться. Так, вероятно, между уровнями, соответствующими синтезу рибозы и синтезу РНК, есть набор промежуточных ступенек (согласно первому из сформулированных нами условий).

РНК - замечательный полимер. В современных организмах каталитические функции выполняют белки, а носителями информации являются молекулы ДНК. Однако взаимодействие этих соединений почти всегда происходит через посредство РНК. РНК обладает каталитической активностью (РНК-катализаторы называются рибозимами) и способна к матричному самокопированию даже в отсутствие ферментов. Вероятно, что наша биосфера прошла через этап, который называют «Миром РНК». На этом этапе устойчивость и скорость циклических геохимических процессов обеспечивали молекулы РНК. По мере совершенствования предживых систем «Мира РНК» каталитические функции могли переходить к белкам, а функции хранения генетической информации - к ДНК, более устойчивому полимеру.

Но как возникают самовоспроизводящиеся живые существа? То, что мы называем размножением, является следствием процессов репликации, а сами эти процессы ведут родословную от феномена автокатализа⁷.

Не верьте в сказки про «первый организм», случайно возникший в «первичном бульоне» и давший начало остальным живым существам. Такой сценарий термодинамически невозможен. Жизнь возникает не в форме отдельных организмов, а в форме обеспечивающих круговорот веществ экосистем, по мере преобразования геохимической циркуляции веществ в биогеохимическую. Различные «новшества» (способы запасания энергии, матричный синтез полимеров, клеточная организация), возникшие на одном этапе геохимического круговорота, передаются и на другие этапы. Вы думаете, это случайность, что Земля населена двумя группами организмов (автотрофами и гетеротрофами), для каждой из которых ресурсами являются отходы другой группы? Их разделение ролей старше самой жизни и отражает колеблющееся равновесие между синтезом и распадом со сменой дня и ночи, прилива и отлива, лета и зимы…

Еще один аргумент: термодинамически жизнь - диссипативный, рассеивающий энтропию процесс⁸. Для его образования нужен устойчивый поток энергии через среду. Может ли он быть обеспечен на кометах, с учетом их небольшого размера и эксцентричных орбит? Вряд ли. Поток радиоактивного тепла направлен из ядра кометы в космос и не совершает колебаний. Нагрев со стороны звезды меняется циклично, но его колебания запредельно сильны. Не исключено, что кометы и метеориты могут переносить жизнь (или «преджизнь») с планеты на планету, но сам абиогенез должен быть связан с планетами - с Землей или с какой-то иной планетой, о которой проще всего судить, сравнивая ее с Землей.

Итак, Викрамасингх изменил свою точку зрения. Его нынешние взгляды соответствуют тому представлению об абиогенезе, которое он сам когда-то высмеивал: о возникновении жизни как результате случайного совокупления молекул. Что же вызвало такой поворот? Можно высказать одно предположение.

Викрамасингх настаивает, что глобальные эпидемии вызываются вирусами, которые приносят на Землю кометы. Так, по его мнению, пришла к нам испанка (грипп 1917–19 гг.), атипичная пневмония и птичий грипп. Собраны некоторые аргументы, подтверждающие такую гипотезу, но есть и одно, как кажется, смертельное для нее обстоятельство. Геномы потенциальных космических визитеров находятся в определенном родстве с другими, явно оседлыми вирусами, и несут следы эволюции в своих хозяевах. Чтобы птичий грипп заражал и птиц, и млекопитающих, ему нужно пройти эволюцию и в тех, и в других. На кометах птиц со зверями нет. Откуда такой вирус? Викрамасингху приходится утверждать, что такие вирусы получаются случайно. Коли так, тогда можно поверить, что и жизнь возникла сама по себе…

Глядя в небо в поисках причин и истоков жизни, не надо терять почву под ногами. Поддерживающая нас Земля не менее достойна нашего внимания.