Панспермия - тупик или надежда? Колонка в КомпьютерреOnline #29

 

Дмитрий Шабанов
Преджизнь Панспермия — тупик или надежда? Инопланетяне рядом с нами!
Колонка в КомпьютерреOnline #28 Колонка в КомпьютерреOnline #29 Колонка в КомпьютерреOnline #30

 

В обсуждении последних колонок раз за разом всплывала тема панспермии. Речь идёт о переносе живых организмов или, по крайней мере, ключевых биологических молекул через космос.

Идея это старая. Ещё в V веке до нашей эры Анаксагор утверждал, что жизнь возникает из семян, которые существуют "всегда и везде". В 1865 году Герман Рихтер высказал догадку, что жизнь занесена на Землю метеоритами или космической пылью. В 1884 году Сванте Аррениус, создатель теории электролитической диссоциации, предположил, что перенос спор бактерий между звёздами происходит благодаря давлению света.

Носят ли эти взгляды чисто теоретический характер? Нет. В 1969 году команда "Аполлона-12" нашла земные бактерии на находящемся на Луне зонде "Сервейер-3". Они перенесли космическое путешествие и остались живы! В 1996 году в найденном в Антарктике метеорите ALH84001, который, судя по всему, был выбит из поверхности Марса, обнаружили нечто, очень напоминающее остатки бактерий.


Электронная микрофотография поверхности метеорита ALH84001. Эти структуры очень напоминают бактерии, правда, намного мельче их по размеру

Конечно, даже если это бактерии, они уже мертвы. Но ALH84001 долго болтался в космосе. Может, некоторые куски, выбитые из поверхности Марса вместе с ним, долетели до Земли достаточно быстро и сохранили жизнеспособный биологический материал?

Иные метеориты с Марса позволяют утверждать, что там когда-то наблюдались условия, вполне напоминающие земные.


Точь-в-точь такие древовидные углеродистые образования находят в вулканических образованиях на дне океана - земного океана! Но эти фотографии сделаны на спиле выбитого с Марса метеорита Нахла, который упал в Египте в 1911 году. Можно заключить, что они образовались на дне марсианского океана!

Сохранилась ли жизнь на Марсе сейчас? Вопрос не закрыт. Марс остыл, и развитой жизни на нём не найдено. Бактериальная жизнь там весьма вероятна, и косвенных свидетельств тому получено немерено. Увы, пока большинство из них небесспорны. Что поделать: результаты экспериментов "Викингов", выполненных в 1976 году, до сих пор вызывают споры: нашли проявления жизни или нет.

Меня порадовало сообщение, что на снимках Марса, сделанных в 1997 году станцией Pathfinder, зарегистрированы спектры поглощения хлорофилла. Если это так, обнаружение жизни на Марсе - вопрос недолгого времени. Я надеюсь дожить. А узнаю ли я когда-нибудь о результатах палеонтологических раскопок на соседней планете, с описанием остатков древнемарсианской флоры и фауны? Ой, вряд ли получится. Жаль, конечно.


Фотография с марсохода Spirit, на которой, как считают энтузиасты, запечатлён марсианский "лишайник"

Характерные биомолекулы (а иногда и структуры наподобие отмерших бактерий) найдены и в метеоритах, не связанных с Марсом. Так, в 1969 году на австралийский посёлок Мёрчисон (Murchison) обрушился (повредив здание) метеорит, весьма богатый органикой. Что самое интересное, смесь аминокислот в этом углистом хондрите не является оптически нейтральной: левовращающие аминокислоты в нём преобладают над правовращающими.

Мы ещё не обсуждали толком эту любимую креационистами тему: хиральную несимметричность молекул в составе организмов. Соединения, в которых с одним атомом углерода связано четыре различных радикала, могут существовать в двух зеркально симметричных формах, соотносящихся как правая и левая рука. Любители вычисления головокружительных невероятностей не раз развлекались, оценивая шансы на то, что все аминокислоты в одном белке случайно окажутся левовращающими. Понятно, дело тут вовсе не в случайности. Сейчас известен целый ряд процессов, сдвигающих равновесие лево- и правовращающих изомеров в одну сторону. Это и облучение поляризованным светом, и физико-химические феномены, происходящие на разделе сред. Та из форм, которая получила преимущество, должна была обеспечить преимущественное использование соответствующих биокатализаторов и со временем практически вытеснить "конкурентов".

Так или иначе, на мёрчисоновском метеорите преобладает нужная форма аминокислот. Это долго объясняли загрязнением земными веществами, пока химики не показали, что и состав аминокислот в этом метеорите, и их изотопные особенности не соответствуют земной жизни. Две "мёрчисоновские" аминокислоты практически не встречаются на Земле и не могут быть местными загрязениями!


Метеорит Мёрчинсон

Так или иначе, идея переноса с планеты на планету биоматериала, даже жизнеспособного, не кажется невероятной. Но принципиально ли она меняет наши представления о земной жизни? Как ни странно, нет.

Видимо, в эпоху возникновения жизни на Земле процессы на ней и на Марсе шли параллельно. Обмен между этими планетами мог быть фактором ранней эволюции их жизни. Но даже доказательство такого обмена не означает, что мы - марсиане. Вероятно, на Марсе не было ничего, чего бы не было на Земле, но марсианской жизни вёе-таки нужно было перенести космический перелёт.

Спасает ли ситуацию представление о переносах вещества между звёздными системами? Не очень. Тут нужны особые транспортные средства (кометы, например), тут требуются перелёты колоссальной продолжительности, тут попадание космических путешественников в подходящую мишень становится крайне маловероятным. Объяснят ли эти предположения происхождение жизни?

Парадоксальным для меня образом идея панспермии в представлениях многих людей оказалась связана с креационизмом. Самый активный комментатор моих последних колонок считает, что если жизнь прилетела из другого места, то это другое место мы можем считать Богом (почему, ума не приложу). Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе, отметившиеся в бесплодном вычислении вероятности "спрыгивания" молекул в клетки, считали, что происхождение жизни объясняет именно панспермия. Викрамасингхе подчёркивал, что масса комет несравнимо больше массы океана пра-Земли, и значит, появление жизни там вероятнее.

С моей точки зрения, тут спрятана логическая ошибка. Вероятность происхождения жизни вследствие случайной самосборки, не направляемой отбором, космически мала. Ни увеличение массы первичного вещества, ни растягивание времени на повторные попытки не спасёт эту безнадёжную идею. Научное объяснение происхождения жизни может заключаться лишь в описании факторов, обеспечивающих преимущественное воспроизведение всё более близких к ней процессов. Путь к такому объяснению коротко описан в двух предыдущих колонках, о добиологическом отборе и о преджизни.

Сторонники кометного происхождения жизни настаивают на том, что на кометах немало органики, что там есть зоны с разными температурами и что там тоже есть периодические изменения условий. Так-то оно так, но между периодическими сменами условий на планете и на комете есть принципиальные отличия. На планете переход от реакций синтеза к реакциям распада может быть связан со сменой времени суток; типичная планета может просуществовать очень большое количество дней. Периодические изменения условий на кометах связаны с их вращением вокруг звезды. Кометный год может быть очень большим, но в жизни каждой кометы таких годов может быть не столь уж много.

Итак, мне кажется, что происхождение жизни на планете более вероятно, чем в кометном веществе. Но это ещё не самая большая сложность кометной теории. Хорошо, представим себе, что на комете возникла жизнь. Допустим, что она попала на Землю. Выживет ли она в принципиально новых для себя условиях?

Приспособленность наблюдаемой нами жизни - следствие эволюции. В каждой детали строения живых организмов "зашиты" знание естественных законов и учёт особенностей земных местообитаний. Если не апеллировать к чудесам, объяснить этот феномен можно только эволюцией в соответствующих условиях.

Викрамасингхе пытается объяснить динамику эпидемий гриппа тем, что Земля проходит через хвосты комет, содержащие вирусы. Как в таком случае этот астроном объясняет, почему эволюция вирусов гриппа отражает эволюцию иммунитета их земных хозяев, мне неизвестно.

Небиологам часто кажется, что свойства организмов достаточно случайны. Чтобы понимать, что паразит - зеркало своего хозяина, нужно внимательнее присмотреться к их взаимодействию.

А если мы говорим об организмах, приспособленных к неизвестной нам среде, их не всегда опознает и биолог. Со времён Герберта Уэллса пришествие инопланетной жизни принято представлять как наступление ужасающих треножников, сеющих смерть. Увы (или к счастью?), более вероятные контакты с инопланетной жизнью будут не столь драматичны.

Самой большой цитатой, которую мы с Мариной Кравченко вставили в наш учебник экологии, стал кусок из "Космоса" Карла Сагана, посвящённый юпитерианской жизни, привыкшей парить в плотной метано-аммиачной смеси. Представьте себе, что какой-то процесс заносит покоящиеся стадии синкеров, флоатеров и хантеров с Юпитера на Землю. Да что там! Пусть это будут даже ассоциированные с ними образцы микрофлоры. И...

И ничего. Упадут на поверхность, вступят в химические реакции и погибнут. Всё. И чем больше разница между экосистемой вылета и экосистемой посадки, тем вероятнее именно такой исход. Кстати, а случалось ли подобное на нашей памяти?

Я до сих пор не сложил окончательного мнения об истории... Ой, а втисну ли я всё, что необходимо читателям, чтобы сформировать отношение к этой загадке, в эту и без того переполненную колонку? Лучше оставлю интересный рассказ на следующий раз.

А для концовки - сухой остаток на сегодня:

  • похоже, живые организмы и сложные биологические молекулы могут выдержать путешествие между планетами одной звёздной системы; перемещения от окрестностей одной звезды к окрестностям другой представляются намного менее вероятными;
  • исследования метеоритов дают свидетельства того, что наличие сложных органических веществ и даже жизни - не прерогатива нашей планеты;
  • если условия экосистемы отбытия и экосистемы прибытия сильно отличаются, космический путешественник попадёт в совершенно не подходящие для него условия; эффективным может быть обмен лишь между подобными планетарными (кометными etc) экосистемами;
  • изучение живых организмов и их фрагментов в материале из космоса даёт интересный материал для понимания закономерностей происхождения жизни, но вряд ли объяснит её наличие на Земле.

...и всё же на небо нужно смотреть с осторожностию...

 

 

Дмитрий Шабанов
Преджизнь Панспермия — тупик или надежда? Инопланетяне рядом с нами!
Колонка в КомпьютерреOnline #28 Колонка в КомпьютерреOnline #29 Колонка в КомпьютерреOnline #30

 

Комментарии

так что, отвечаю здесь.
=========================
D_Shabanov
Вы знаете, ссылки на первоисточники про хлорофилл не нашел, хотя сообщение проходило по приличным новостным агентствам.
Насчет численных оценок... Не уверен, что сейчас они возможны.
Насчет "Красного Гиганта"... Это научные данные или визионерство?
=========================

По поводу численных оценок - ну хотя бы с точностью до порядка величины всё же пытаться прикидывать можно. Вот мои попытки подобных расчётов:
http://www.evolbiol.ru/large_files/anisimov_panspermia.doc

Насчёт Красного Гиганта есть, например, вот такие данные, что около 1/300 вещества солнечной системы были эжектированы в неё извне звездой, находящейся на последних стадиях своей эволюции:
http://digitalcommons.library.arizona.edu/objectviewer?o=uadc%3A%2F%2Fazu_maps%2FVolume44%2FNumber5%2Fc2bd355f-119d-4454-b826-18472d7bf85e

Кстати, в свете гипотезы земного абиогенеза достаточно сложно объяснить необычайно важную роль, которую играет в жизни земных организмов такой очень редкий на Земле элемент, как селен, хотя по своим физико-химическим свойствам он очень близок к широко распространённой на Земле сере.

Вашу статью прочел со вниманием, но, к сожалению, склонен видеть в Ваших рассуждениях слишком (на мой взгляд) большие пробелы.
Думаю, что экстраполяция ко временам LUCA скоростей наблюдаемых сейчас процессов - гадание на кофейной гуще. Вы отвергаете версию о том, что раньше скорость была выше, рассуждениями о том, что организмы должны "знать" что "делать" с генами. Мне кажется, что по мере становления устойчивой организации живых существ должен был возрастать их консерватизм. Из общих представлений, по-моему, вытекает начальная высокая скорость изменений, а потом ее снижение до какого-то уровня, обусловленного оптимумов с точки знания возникновения новых приспособлений.
Представление о том, что состав атомов в ключевых соединениях должен соответствовать таковому в среде, основывается на предположении, что все элементы одинаково подходят для построения биомолекул. Очевидно, что это не так.
С селеном интересно... А есть оценки, сколько его было на поверхности Земли на ее первых этапах?
В конце подчеркну, что вовсе не отвергаю гипотезу внеземного абиогенеза. Это допущение кажется мне вполне возможным, но просто несколько избыточным (и, по крайней мере на сегодня, не доказанным)...

Спасибо за интерес к моей писанине. :)
Собственно, по крайней мере первый метод это просто применение классического метода молекулярных часов, предпологающего постоянную скорость нейтральных мутаций. Он стандартно применяется во всех "серьёзных" публикация уровня Nature, и особых нареканий, вроде, не вызывет. Я лишь чуть чуть (процентов на 10% по шкале времени) продлил его в прошлое. То есть, мне кажется, здесь ситуация как в том анекдоте, либо надо снять крестик (отказаться от метода молекулярных часов для времён архея), либо надеть трусы (признать, что его применеие для определения возраста LUCA даёт величину, превышающую возраст Земли). Примерно то же можно сказать и про другой метод. Я согласен, что экстраполяция по времени на интевал, превышающий отрезок времени, по которому у нас есть данные, тем более, если на "левом краю" мы подходим к какой-то качественной границе, предпологающей возможность некого фазового перехода, некорректна. Но в данном то случае мы экстраполируем лишь примерно на 10-20% от длины интервала, причём сложность организмов на левой гранцие сравнима со сложностью современных бактерий (размер генома порядка 1000 генов). Мне лично как-то сомнительно что на этих 10-20% кривая вдруг неожиданно проваливается сразу на несколько порядков.
По поводу химического состава среды. Я брал не все молекулы, а лишь способные образовывать химические связи, то есть исключил инертные газы, в частности, гелий. Так вот, после этого оказывается, что, в состав аминокислот, из которых состоят белки, входят как раз наиболее распространённые во Вселенной (но не на ранней Земле) вещества. Может, конечно, и совпадение, но, согласитесь, довольно подозрительное...
Все эти аргументы по отдельности, может и не очень убедительны, но вместе складываются в некий пазл, тем более, что никаких доказательств земного абиогенеза, на сколько мне известно, вообще нет. Более того, в настоящее время следы облегчённого углерода в Гренландии, которые ещё лет 10 назад считались доказательством существования жизни на Земле 3.7-3.8 млрд. лет назад всё больше оспариваются. Скорее всего, это вкрапления, просочившиеся туда позже из более молодых пород. Зато начиная с возраста примерно 3.50 млрд. лет как бы из ничего "вдруг" появляются многочисленные следы - отпечатки бактерий, остатки бактериальных матов, породы с облегчённым углеродом. Это в какой-то мере похоже на Кембрийский взрыв. Самое удивительое, что в более древних породах ничего нет, и вдруг сразу, как будто сменили кадр, одновременно в Южной Африке и Австралии появляются клетки практически современного вида (кстати, эти отпечатки весьма напоминают предпологаемые отпечатки бактерий в метеоритах типа углистых хондритов, которые, как известно, являются сверстниками солнечной системы - подробнее см. статью акакдемика Розанова - http://web.ru/db/msg.html?mid=1158831&uri=page3.htm )

Сколько селена было на древней Земле? Скажу так, обычно считается, что так как их физико-химические свойства с серой очень похожи, то при прочих равных их соотношение в большинстве случаев примерно постоянно - селена в одних и тех же породах меньше, чем серы, на 3.5-4 порядка. При этом, мы имеем 2 аминокислоты, содержащие серу, и одну, содержащую селен, то есть соотношение (2:1). Ещё любопытиный факт - в одном из самых знаментитых опытов Ваштершаусера (или как там правильно транскриптируется немецкая фамилия Wächtershäuser?) по абиогенному воспроизведению пробразов древнейших метаболических циклов в геотермальных источниках, у него получился положительный результат в опыте синтеза ацетата из водорода и угарного газа только после добавления в реакционную смесь селена в качестве катализатора.

Кстати, я тут в процессе попыток восстановления генома ЛУКА обнаружил одну очень странную особенность генома Клостридий, которая, как мне кажется, говорит о том, что они наиболее близки к ЛУКА. Но даже если данный вывод и не верен, то сам по себе обнаруженный мною факт крайне низкой энтропии их генома, на мой взгляд, достаточно интересен, и для меня довольно странно, что на это до сих пор но существу никто не обратил внимания и не попытался его объяснить. Если вам эта тема интересна, я могу выслать набросок (даже, скорее, конспект) соотв. статьи, которую давно собираюсь написать, да всё руки никак не доходят...

Мне кажется, что Вы сами назвали все аргументы, необходимые для принятия решения о невозможности пролонгировать метод молекулярных часов в прошлое. Он основан на постоянстве скорости нейтральных мутаций. Что определяет эту скорость? Стабилизированный механизм репликации ДНК и репарации ее изменений. Это - сложный механизм, который наверняка является результатом длительной эволюции. Мог ли он сразу возникнуть как целое, со своим комплексом нынешних свойств? Нет. И на начальных этапах скорость нейтральных мутаций должна была быть иной.
Можем мы предположить, как менялась эта скорость? Да. Поскольку достаточно низкая частота нейтральных мутаций - результат удивительно надежной работы клеточных механизмов, можно предположить, что вначале эти механизмы были не столь совершенны, а скорость мутаций - ниже.
Нет смысла обсуждать, какова вероятность фазового перехода при продлевании шкалы в прошлое - мы и так знаем, что фазовые переход был (или возникновение жизни на Земле, или прибытие на Землю инопланетной жизни и какая-то адаптация к иным условиям, чем в точке "вылета").
Насчет соотношения элементов... Приведу аналогию. Есть целый ряд хищников-полифагов (видов, которые могут питаться разнообразной пищей). Разноцветный полоз может есть воробьиных птиц, мышевидных грызунов, ящериц, лягушек и даже насекомых. Состав его пищи определяется, естественно составом жертв в местообитании, но среди того, что предоставляет ему среда он более охотно выбирает то, что ему подходит. Поскольку разные элементы отличаются по большому комплексу свойств, важных для их использования в составе биомолекул, предположение о том, что их доля в живом веществе должна соответствовать таковой в среде, является невероятным. Частично Вы это и сами признаете, убирая те элементы, которые не вовлекаются в реакции и выводе из анализа водород в силу его одновалентности.
То, что жизнь появляется в летописи как бы "вдруг", меня не удивляет. При выполнении классического сценария, мне кажется, должна порождаться именно такая картина.
С селеном интересно, но, к сожалению, сам этот факт не может ни доказать, ни опровергнуть ни одну из альтернатив. Кстати, и на Земле, и вне ее могли быть зоны с локальными повышениями концентрации селена (как есть зоны с локальным повышением концентрации мышьяка). Если селен - ценный катализатор, он мог оказаться востребован и при низкой концентрации в среде.
Я, естественно, не знаю, о чем Вы говорите, когда пишете о сравнении генома клостридий и ЛУКА. Мне это интересно, но учтите, что я далеко не спец в сравнительной геномике.
Спасибо и всего доброго!

Было бы наивно надеяться, что я Вас сразу переубежу. :)
Я, собственно, не спорю, что фактов в пользу панспрермии пока недостаточно, но меня несколько удивляет, почему земной абиогенез считается более вероятной гипотезой, если фактов, её поддерживающих, вообще практически нет? Ну, по крайней мере, я их не знаю. Если Вы знаете - давайте обсудим.

Теперь давайте по пунктам. Я абсолютно согласен, что в самом начале эволюции скорость нейтральных мутаций должна была быть выше. Другой вопорос, что означает "начальные этапы эволюции"? С моей точки зрения, бактерии с геномом порядка тысячи генов, жившие на Земле около 3.5 млрд. лет назад, это отнюдь не начальные этапы эволюции, а уже вполне себе сформировавшийся организм с достаточно совершенным аппаратом минимизации ошибок в процессе репликации, иначе он бы при таком большом размере генома просто очень быстро вымер под давлением отрицательых мутаций.

Несомненнно, какая-то существенная перестройка генома после попадания на Землю и инопланетных бакерий должна была произойти, но возможно ли увеличение размера генома на три порядка за период времени порядка 100 млн. лет, если за последующий миллиард он увеличился в лучшем случае на порядок? Мне лично это кажется чрезвычайно сомнительным, хотя, конечно, что-либо строго доказать здесь сложно.

По поводу химических элементов - как Вы тогда объясняете практически 100% совпадение списка химических элементов, входящих в состав белков, и списка наиболее распространённых во Вселенной элементов? Случайностью? Конечно, всё можно списать на случайность, противники теории дрейфа континентов чуть ли не пол века успешно объясняли совпадение береговой линии западной Африки и восточной Америки чистой случайностью. :) Естественно, ПРИ ПРОЧИХ РАВНЫХ живое выбирает то, что ему лучше подходит. Но если, например, животных в данной местности на три порядка меньше (по массе), чем насекомых, вряд ли тот же полоз будет привередничать. :)

> То, что жизнь появляется в летописи как бы "вдруг", меня не удивляет. При
> выполнении классического сценария, мне кажется, должна порождаться именно такая
> картина.

Можно узнать, из каких соображений? Те же цианобактериальные маты это, по существу, целый сложный суперорганизм. Как в классическом сценарии объясняется их внезапное появление 3.5 млрд. лет назад без каких-либо признаков более простых организмов в нижележащих слоях?

P.S.
По поводу генома ЛУКА - вот пара ссылок, в которых я обсуждаю данный вопрос (под ником, соответственно Combinator30 и Combinator):
http://galicarnax.livejournal.com/34158.html#comments
http://elementy.ru/news?discuss=431488

Саму идею я в своё время выкладывал на форуме молекулярных биологов:
http://molbiol.ru/forums/index.php?showtopic=464958

Естественно, если у Вас появятся какие-либо вопросы, с удовольствием готов на них ответить, во всяком случае, на данную тему можно рассуждать несколько более предметно, чем на тему панспермии, имхо. :)