Жизнь курильщика

«Черный курильщик». Фото: Исследовательский центр Университета Бремена

Ученые спорят, где зародилась жизнь на Земле: в черных или белых гидротермальных «курильщиках» на дне океана

Станислав Наранович

2 февраля, 2014 11:00

13 мин

В четверг, 30 января, лауреат премии «Просветитель» 2011 года биолог Александр Марков выступил в Государственном биологическом музее им. К. А. Тимирязева с лекцией о происхождении жизни на Земле. Ученый начал с описания мозга Homo sapiens, устроенного таким образом, что человеку трудно оперировать очень большими и очень малыми величинами.

«Как замечательно рассказывает Ричард Докинз в своих книгах, мы — существа среднеразмерного класса, чей мозг на интуитивном уровне хорошо справляется со средним диапазоном чисел», — сказал он.

В пример Марков привел вероятность гибели в авиакатастрофе. До недавнего времени одно крушение самолета приходилось примерно на миллион часов полета. Даже если человек много путешествует, за всю жизнь он проведет в воздухе не больше 5 тысяч часов. Вероятность разбиться для него в таком случае равна 1/200. Она интуитивно воспринимается человеческим мозгом как малая, поэтому большинство не боится летать, а событие, вероятность которого составляет 1/10 000, считается уже чудом. Но если бы люди жили по сто тысяч лет, мы бы относились к гражданской авиации как к способу гарантированного самоубийства.

Абиогенез, то есть самопроизвольное зарождение жизни во Вселенной, произошел как минимум однажды. Неизвестно наверняка, какова вероятность абиогенеза, однако можно примерно оценить порядок величин. В нашей галактике 2—4*10¹¹звезд (несколько сотен миллиардов). По современным оценкам, 10—20% из них могут иметь планеты, более-менее похожие на Землю, а значит, потенциально пригодные для жизни. В видимой Вселенной 1—5*10¹¹ галактик (сотни миллиардов). Итого, существует минимум 2*10²¹(2 миллиарда триллионов) пригодных для жизни планет. Даже если вероятность зарождения жизни на подходящей планете составляет всего лишь 0,0000000000000000001 (одну стоквинтиллионную), то во Вселенной почти наверняка будет хотя бы одна планета с жизнью, которая, исходя из антропного принципа, и является Землей.

В жизни человека происшествия со столь низкой вероятностью воспринимаются как абсолютно невозможные. Но в масштабах Вселенной такое событие является практически неизбежным. В отличие от многих других биологических проблем, проблему зарождения жизни решает обнаружение даже крайне маловероятного его механизма. Более того, если верна модель инфляционной космологии (сверхбыстрого расширения Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва), тогда видимая Вселенная — лишь малая часть всего мироздания, и число пригодных для жизни планет составляет уже не 10²¹—10²², а 10¹⁰⁰⁰⁰⁰—10^{100000000000000}.

Стенли Миллер проводит свой эксперимент. Фото: pbs.org

Стенли Миллер проводит свой эксперемент. Фото: pbs.org

В таком случае разумные существа, появившиеся где-то в громадной Вселенной, реконструируя историю жизни и ее происхождения на своей планете, могли бы видеть ее как последовательность совершенно необъяснимых чудес, то есть цепочки событий с исчезающе малой вероятностью. И все равно это не противоречило бы теории абиогенеза.

«Чем меньше история жизни на нашей планете похожа на цепочку невероятных чудес, тем больше шансов найти жизнь на других планетах. Когда химики и биологи открывают все более простые и вероятные способы, например, абиогенного синтеза органики и развития белкового синтеза, ученые добывают не столько доказательства принципиальной возможности абиогенеза (уже и так понятно, что он возможен), сколько повышают оценку вероятности встречи с инопланетянами», —

объяснил ученый.

Невозможно точно восстановить последовательность событий, которые привели к возникновению жизни. Но наиболее вероятная группа сценариев выглядит следующим образом:

Абиогенный синтез простых органических соединений (с этим у науки вообще нет проблем — хорошо известно, как, где и когда простая органика могла синтезироваться из неорганики).
Абиогенный синтез таких сложных органических соединений, как нуклеотиды, «кирпичики» жизни (здесь основные проблемы почти решены).
Появление репликаторов — первых объектов, способных к дарвиновской эволюции. Репликатор может размножаться и обладает наследственной изменчивостью. Некоторые изменчивые признаки репликатора влияют на эффективность его размножения. Скорее всего, первыми репликаторами были сообщества таких биополимеров, как молекула РНК (с этим этапом проблем у ученых еще много, но они постепенно решаются).
С появлением репликаторов начинает работать дарвиновский эволюционный механизм, основанный на наследственности, изменчивости и отборе (и создавший из первых репликаторов все разнообразие жизни, которое мы видим сегодня на планете).
Появление универсального механизма точного синтеза полипептидов (генетического кода и механизма трансляции), ДНК, липидных мембран и первых клеток.
Рождение последнего универсального общего предка. Это гипотетическое живое существо, которое является предком всех когда-либо населявших Землю организмов трех надцарств живой природы — архей, бактерий, эукариотов.

Жизнь не могла зародиться сразу же после Большого взрыва, потому что изначально во Вселенной не было химических элементов тяжелее лития.

Вероятно, первое место во Вселенной, где мог начаться синтез органических соединений, — это протопланетные облака звезд второго поколения, сформировавшихся из скоплений межзвездного газа, образовавшегося в результате взрывов сверхновых звезд.

Скопления межзвездного газа уже содержали необходимые для появления жизни тяжелые элементы — углерод, азот, угарный газ, цианистый водород и другие простые молекулы, распространенные в космосе.

Наша Солнечная система сформировалась около 4,6 млрд лет назад. Синтез органики мог начаться в ней еще до того, как сформировалась Земля. Сегодня аминокислоты и нуклеотиды находят в упавших на Землю метеоритах, которые никогда не были частями планет, что подтверждает гипотезу об абиогенезе в протопланетных облаках.

Абиогенез мог проходить в атмосфере древней Земли под действием электрических разрядов (молний). Эта идея нашла частичное подтверждение в эксперименте Стэнли Миллера, проведенном в 1953 году. Ученый смешал в колбе газы, которые, как тогда считалось, составляли атмосферу древней Земли, пропускал через смесь электрические разряды, имитировавшие молнии, и в колбе синтезировалась органика. Впоследствии геологи пришли к выводу, что состав древней атмосферы отличался от смеси Миллера, — в ней было много углекислого газа. Если добавить его в колбу, синтез начинается только после добавления химических восстановителей, что делает идентичный процесс в естественной среде гораздо менее вероятным. Впрочем, если не вся атмосфера Земли, то некоторые вулканические газы все-таки могли иметь тот же состав, что и газовая смесь Миллера.

В последние годы набирает популярность гипотеза, согласно которой жизнь зародилась в гидротермальных океанических источниках. При температуре 80-120 градусов Цельсия в них может происходить абиогенный синтез органических соединений, в частности, аминокислот, из угарного газа, водорода и других неорганических веществ.

«Белый курильщик». Фото: britannica.com

Существуют два типа таких источников — это «черные курильщики» и «белые курильщики». В водах, которые они выбрасывают из недр Земли, содержится много сульфидов металлов. Если в растворе присутствуют сульфиды железа, меди и никеля, получается «черный дым». Немецкий химик Гюнтер Вехтерсхойзер считает, что жизнь зародилась именно в «черных курильщиках» и развивает теорию «железного мира».

Биохимик Армен Мулкиджанян, в свою очередь, разрабатывает теорию абиогенного фотосинтеза на поверхности частиц сульфида цинка — синтеза органики из углекислого газа с использованием энергии ультрафиолетового излучения. Выбросы сульфидов цинка преобладают у «белых курильщиков».

Чем сульфид цинка хорош, так это тем, что на его поверхности, помимо синтеза разнообразной органики, может идти даже полимеризация РНК из рибонуклеотидов.

На этом основании сейчас и разрабатывается теория «цинкового мира». Ее главная проблема в том, что для абиогенного фотосинтеза на сульфиде цинка необходим ультрафиолет. Но на современной Земле это соединение оседает на большой глубине, куда не доходит солнечный свет. Чтобы работала теория «цинкового мира», нужно предположить, что атмосферное давление на древней Земле было существенно выше нынешнего. Тогда сульфид цинка поднимался бы до фотической зоны, освещаемой Солнцем, где только и мог начаться процесс полимеризации РНК.

«Мы точно не знаем, было ли на древней Земле давление существенно выше нынешнего. Вопрос дискутируется», — заметил Марков.

Недавно ученые открыли на дне Атлантического океана еще один тип гидротермальных источников, отличающихся и от «черных», и от «белых курильщиков», продолжил лектор. Они получили название «Затерянного города». В «Затерянном Городе» раствор щелочной, а не кислый, там мало металлов, поэтому выбросы почти прозрачные. Зато в них много молекулярного водорода, который служит восстановителем и активно используется анаэробными прокариотами.

Еще интереснее, что минеральные постройки, которые образуются вокруг источников «Затерянного города», получаются пористыми, как губка. В них много микрополостей, близких по размеру к живым клеткам. Стенки у этих полостей очень тонкие и полупроницаемые, перетекающие между ними вулканические воды смешиваются с обычной океанической водой, что, по мнению многих исследователей, представляет собой идеальные условия для зарождения жизни.

«Жизнь, конечно, могла зародиться только в нестабильной системе. Если взять огромный таз размером с Океан и покидать туда любые органические вещества, там ничего не самозародится, потому что это будет система с термодинамическим равновесием. Чтобы зародилась жизнь, должна быть неравновесная система. Ситуация, когда воды с большим количеством такого сильного восстановителя, как молекулярный водород, поднимаются из недр и смешиваются с океаническими водами совершенно другого состава, является хорошим инкубатором для зарождения жизни», — резюмировал ученый.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе