Лужа со снегом и черными камнями или современный взгляд на «теплый пруд Дарвина»

Дисклеймер. КДПВ поставлена для красоты и не вполне реалистична – в период, описываемый в статье, елок на нашей планете еще не было.

Зарождение жизни как возникновение живого из неживого, то есть, как превращение химии в биохимию, является одним из интереснейших интерфейсов и рубежей между физикой и биологией. Несмотря на успехи в генной инженерии и синтетической биологии, пока не приходится ожидать скорого появления полностью синтетического организма. Некоторые успехи в этом направлении достигнуты – так, в 2017 году было объявлено о создании полностью синтетической хромосомы для дрожжей. Также удалось создать полусинтетический одноклеточный организм. Но вопрос о зарождении жизни на Земле по-прежнему сопровождается многочисленными оговорками и допущениями. Один из наиболее развернутых ответов на этот вопрос дан в книге Френсиса Крика «Жизнь как она есть» (оригинал - 1981).

Оговорюсь, что в этой статье я обхожу вниманием авторитетную и научно обоснованную теорию, согласно которой первичным источником жизни на нашей планете могут быть черные курильщики – гидротермальные источники на дне океана. О биохимической составляющей черных курильщиков замечательно рассказано в этой статье на Хабре. Экосистемы черных курильщиков создают некоторые важные предпосылки для образования клеточной жизни, в частности, располагают к образованию мембран. Тем не менее, тщательное изучение этих экосистем позволяет заключить (см. раздел «Hydrothermal vents» по ссылке), что в современных условиях органика в таких источниках гораздо активнее распадается, чем образуется, а безусловно гидротермальное происхождение можно доказать только для простейших органических соединений – этана и метана. Действительно, экосистемы черных курильщиков богаты специфической экстремофильной жизнью, но скорее демонстрируют пример адаптации бактерий к суровой экологической нише, чем представляют собой колыбель жизни.

Притом, что тема лабораторного синтеза живой материи, несомненно, заслуживает подробного рассмотрения, в этой статье я собираюсь подробно остановиться на последних данных в пользу гипотезы панспермии, то есть, свободного рассеивания в космосе органической и почти живой (пребиотической) материи, носителями которой являются кометы и метеориты.

Гипотеза панспермии, уходящая корнями в философию Анаксагора, постепенно получала научное обоснование в течение XIX века и особенно в начале XX, когда ею всерьез занимались Сванте Аррениус, Фред Хойл и Чандра Викрамасингх. В частности, Фред Хойл (1915-2001) высказывал мнение, что органические молекулы могут содержаться непосредственно в космической пыли – действительно, так и есть, и этот вопрос будет затронут ниже.

Тем не менее, в середине XX века идея панспермии оставалась экзотической, и предпринимались эксперименты, призванные доказать возможность зарождения жизни в «первичном бульоне» - той биохимической среде, которая существовала на Земле в архее, около 3 миллиардов лет назад.

Первичный бульон

Наиболее интересным опытом такого рода является эксперимент Миллера-Юри поставленный в 1953 году в Чикагском университете. Аспирант Стэнли Миллер (род. 1930), заручился поддержкой и наработками своего научного руководителя Гарольд Юри (1893-1981). Ученик и учитель закачали в герметичную колбу газовую смесь из метана, азота, аммиака, водяного пара и других газов, которые должны были присутствовать в атмосфере древней Земли, а также частично наполнили эту колбу водой. Источником тепла была обычная горелка Бунзена, а также через смесь пропускались электрические разряды, имитировавшие молнии.

Опыт Миллера-Юри основывался на теоретических построениях Холдейна и Опарина. К сожалению, Александр Иванович Опарин вне научной деятельности отметился поддержкой Лысенко и осуждением Сахарова, поэтому в серьезных источниках упоминается «на проговоре», но здесь я упомяну его как отца-основателя, еще в 1924 году опубликовавшего статью о происхождении жизни из неживой органики. Впоследствии, узнав о проведенном эксперименте, он даже пригласил Миллера на научную конференцию в СССР.    

Примерно через неделю содержимое колбы Миллера и Юри стало красновато-бурым из-за обилия органики. Среди веществ, возникших там к этому моменту, были фрагменты РНК, а также 18 из 20 аминокислот, участвующих в образовании белков. Сами Миллер и Юри зафиксировали лишь аминокислоты глицин и аланин, остальные аминокислоты были обнаружены в растворе позднее, с появлением более мощных аналитических инструментов. Тем не менее, это были лишь косвенные доказательства абиогенного происхождения жизни, а «первичный бульон» Миллера и Юри впоследствии сочли слишком восстановительным и далеким от истинных условий на первобытной Земле.

В более поздних постановках того же эксперимента, где смесь также подвергалась воздействию лазера (имитирующего жесткое космическое излучение) образовывались более разнообразные азотистые соединения, в том числе, азотистое основание гуанин, входящее в состав ДНК, мочевина и циановодород HCN.

Здесь подробнее остановимся на циановодороде. Это простейшее органическое соединение

являющееся основой для синильной кислоты и ее солей цианидов. Тем не менее, уже в 2020 году было установлено, что именно при участии циановодорода запускаются важнейшие реакции, приводящие к образованию нуклеотидов ДНК и РНК, а также, возможно, гибридных нуклеотидов – интересная статья об этом опубликована на сайте «N+1». Здесь будет уместно показать схему упоминаемых реакций, опубликованную в журнале Nature:

Таким образом, компоненты ДНК и РНК могли образовываться одновременно. Но, в усовершенствованном опыте Миллера-Юри также был получен формальдегид – простейшее органическое соединение, содержащее углерод, водород и кислород:

На основе этой простой молекулы в условиях первобытной Земли могли образовываться разнообразные сахара, в том числе, рибоза, являющаяся сырьем для рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислоты (РНК и ДНК). Согласно нынешним представлениям, для стабильного образования сложной органики на основе сахаров и формальдегида в атмосфере первобытной Земли необходима горячая металлическая поверхность.

Кометы

С учетом вышеизложенного вырисовывается замечательная научная правдоподобность панспермии. Дело в том, что примитивная органика и замерзшая вода — это как раз та смесь, из которой состоят тела комет. При этом лед на кометах находится не в кристаллической форме, как весь привычный нам лед на Земле, а в аморфной – такое состояние льда достигается при температуре около -243 градусов Цельсия. Такой лед пористый, и в глубине кометы располагаются зерна органики.  Как указано в недавнем исследовании NASA, при приближении кометы к Солнцу кометный лед перекристаллизуется, и органика выходит на поверхность небесного тела. Комету сравнивают с «грязным снежком», но мы в данном случае отметим, что из подтаивающего льда образуется хвост кометы, а органика образует на поверхности кометы темную корку, которая еще сильнее разогревается (как любое темное тело), а также подвергается интенсивному облучению. Эта корка богата циановодородом. В 2009 году был поставлен лабораторный эксперимент, продемонстрировавший, что под действием гамма-излучения циановодород в присутствии воды может превращаться в более сложную органику, в частности, в карбоксильные группы (участвующие в ключевом биохимическом цикле Кребса), свободные аминокислоты и мочевину. При этом отмечается, что циановодород как таковой – очень летучее соединение, и его полимеризация с превращением в более сложные молекулы лучше протекает в водном растворе.

Естественно, пристальное внимание было уделено изучению химического состава кометы Чурюмова-Герасименко, и, в частности, органических соединений на ее поверхности. Великолепный научно-популярный обзор на эту тему заслуживает перевода целиком, но в нашем случае наиболее интересен рассказ об органике и пребиотике. Наряду с обычными углеводородами (CH), на комете были найдены вещества, также содержащие кислород (CHO), азот (СNO) и серу (CNOS). В частности, были обнаружены формальдегид (CH₂O), метанол (CH₄O), этанол (C₂H₆O), муравьиная кислота (CH₂O₂), циановодород (HCN).

Кометный лед содержит воду с характерным сочетанием обычного водорода (H) и дейтерия (D), значительная часть молекул воды на кометах имеет формулу HDO. Соотношение дейтерия и водорода на кометах значительно более равное, чем в земной воде (у нас на планете дейтерия мало), что не так давно поставило под сомнение гипотезу, будто вода попала на Землю в основном с кометами. Михаил Никитин в своей книге «Происхождение жизни. От туманности до клетки» указывает, что вклад комет в формирование запасов воды на Земле и Марсе не превышает 10%. Однако более свежие исследования, относящиеся к 2019 году, позволяют с этим не согласиться. Дело в том, что кометы отличаются активностью, и в подклассе гиперактивных комет соотношение обычного водорода (протия) и дейтерия гораздо ближе к составу земной воды.

Метеориты

Вышеизложенное позволяет предположить, что кометы действительно могли обеспечить доставку циановодорода, азота, углеводородов, серы и воды на древнюю Землю. Тем не менее, кометы – не единственный и не самый важный компонент в гипотезе панспермии. Важнее комет могут оказаться метеориты и в особенности микрометеориты. К микрометеоритам относятся мельчайшие частицы межпланетного вещества размером преимущественно от 20 до 300 мкм. Их также называют «межпланетной пылью», такие мелкие образцы вещества постоянно выпадают на Землю, но находят их преимущественно в Антарктиде, где они наиболее заметны. Наиболее интересны микрометеориты с высоким содержанием углерода (около 2%), в которых также обнаружены многие аминокислоты, в частности, D- и L-аспартаты, глицин, аланин, валин, серин. Существует класс антарктических ультра-углеродистых микрометеоритов (UCAMM), в составе которых до 65% приходится на углерод (и до 85% - на органику в целом), а также имеется дейтерий. В настоящее время продолжается изотопный анализ таких метеоритов и соотнесение их состава с составом органических гранул, содержащихся в кометах. В ноябре 2020 года вышла обширная статья, обосновывающая точку зрения, согласно которой метеориты могут быть не менее, если не более важны для зарождения жизни, чем кометы. Важнейшая составляющая метеорита – это металл, прежде всего, железо. Железо участвует в биологических процессах, а также, что не менее важно, может служить катализатором для биохимических реакций, тогда как в кометах такой катализатор отсутствует. В случае с метеоритами также важен фактор импактного (ударного) воздействия. При образовании метеоритного кратера происходит термобарическое изменение пород, подвергшихся удару. Это благоприятствует не только запуску химических реакций и полимеризации органических соединений, содержащихся в метеорите, но и притоку воды в образовавшийся кратер, если поверхность планеты в точке удара уже увлажнена. Возможно, именно так образуется «маленький теплый пруд» Дарвина – отметим, что по поводу правдоподобности этой гипотезы продолжаются ожесточенные споры, она постепенно подтверждается.       

В 2013 году было проведено исследование, демонстрирующее, что при высоких температурах (200 °C и более), возникающих при ударе метеорита о поверхность Земли, катализатором химических реакций может выступать не только железо, но и фосфор, и сера. Сложные органические молекулы с высоким содержанием углерода активнее образуются при более низких температурах, порядка 140 °C. Также в поставленных опытах удалось получить трикарбоновые кислоты, нуклеотидные основания и аминокислоты. Правда, каталитический потенциал в целом выше у тех метеоритов, в которых больше железа и меньше углерода.

Заключение

Представляется правдоподобным, что основные пребиотические компоненты, послужившие материалом для образования жизни на Земле, были занесены на нашу планету из космоса. Вероятно, эти события хронологически совпадают с периодом «поздней тяжелой бомбардировки» (в англоязычных источниках – Late Heavy Bombardment, LHB). Этот период продлился с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, в результате него на Земле образовалось более 22 000 метеоритных кратеров, в том числе более 40 диаметром свыше 1000 км. Современные представления об образовании простой органики на кометах и более сложной органики в воде на нашей планете позволяют говорить о трех основных источниках пребиотических молекул на Земле:

1. Кометы (важный источник водяного льда и циановодорода)

2. Межпланетная пыль и микрометеориты

3. Углистые и железистые метеориты – также послужившие первичными источниками серы и фосфора для земной биохимии  

Эволюция различных вариантов «теплого пруда Дарвина», рассмотренная, например, здесь, допускает и развитие других биохимических циклов, например, сероводородного и циановодородного. Тем не менее, способность углерода к образованию длинных органических цепочек предопределило успех и универсальность именно углеродной биохимии.

Автор: OlegSivchenko

Источник