Люди пытались выяснить, как они появились на Земле, очень давно. Долгое время обитатели планеты полагали, что своим присутствием на ней они обязаны богам, но позже у них стали появляться другие версии.
Жизнь могла быть занесена на Землю метеоритом. Изображение с сайта union.edu
Очень популярной была гипотеза о самозарождении живых организмов — особенно неопровержимой она казалась в приложении к “низшим” существам, вроде мышей, лягушек, опарышей или червей. Такие животные вполне могли, по мнению людей, появляться из грязных тряпок или зерна.
Никакой самостоятельности
Логичным итогом таких воззрений стали попытки создать живых существ из глины, корней растений и другого подручного материала. Мечты алхимиков и всех, кто пытался вдохнуть жизнь в неживую материю, разбил тосканский врач Франческо Реди. Он провел несложные, но очень показательные опыты, доказавшие, что в отсутствие переносчиков жизни ее появление невозможно. Реди оставлял куски мяса в горшках, часть из которых он закрывал тонкой тканью, а часть оставлял открытыми. Через несколько дней в открытых горшках появились личинки мух, а затем и взрослые насекомые, а мясо в горшках, накрытых тканью, по-прежнему оставалось "мертвым".
Позже выводы Реди о невозможности самозарождения жизни подтвердил итальянский естествоиспытатель и священник Ладзаро Спалланцани. Он кипятил на огне склянки с мясным бульоном и герметично запаивал их. Контрольные склянки как с прокипяченным, так и с нетронутым бульоном он оставлял открытыми. По прошествии некоторого времени в открытых склянках завелись микроорганизмы, а запаянные остались стерильными.
Фото elementy.ru
Критики работ Спалланцани утверждали, что причиной стерильности запаянных склянок был нагретый воздух, который не давал развиться живым организмам. Эти доводы сумел опровергнуть Луи Пастер, который проводил те же эксперименты, что Спалланцани, но использовал не запаянные сосуды, а колбы с сильно изогнутым горлом. "Обычный" воздух мог достигать бульона, однако все содержащиеся в нем микроорганизмы оседали на стенках, не добираясь до вкусного содержимого колбы.
Опровержение возможности самозарождения жизни заметно усложняло вопрос о том, как же Земля обзавелась первыми обитателями. Более или менее правдоподобная гипотеза, объясняющая, как это могло случиться, появилась в первой трети XX века, когда ученые начали понемногу постигать, как устроена клетка и какие из происходящих в ней процессов можно считать базовыми.
Медленно, но верно
Основополагающими в развитии новой гипотезы о химической эволюции, приведшей к появлению жизни, стали работы советского биохимика Александра Опарина и британского исследователя Джона Холдейна. Эти ученые полагали, что в жестких условиях молодой Земли (высокая температура, ультрафиолетовое излучение, разряды молний) из неорганических веществ происходил синтез органики. Органические соединения скапливались в водоемах, образуя так называемый первичный бульон, и постепенно из них синтезировались все более сложные молекулы — например, полисахариды, полипептиды и нуклеиновые кислоты. В лабораторных опытах было показано, что такие длинные молекулы могут слипаться в небольшие сгустки.
Для того чтобы из этих сгустков могли образовываться упорядоченные структуры (предшественники клеток), они должны были быть изолированы от окружающего бульона, где предшественники жизни неизбежно бы разбавлялись. Исследователи выдвинули предположение, что барьером между сложными молекулами и океаном служила липидная (жировая) прослойка — молекулы некоторых липидов способны объединяться в пленки (мембраны). Сгустки макромолекул (этим термином называют молекулы достаточно большого размера), окруженные липидной мембраной, получили название коацерватных капель.
Холдейн и Опарин независимо друг от друга пришли к похожим выводам, однако английский ученый считал, что ключевыми молекулами для образования жизни должны быть молекулы, способные к самовоспроизведению (то есть нуклеиновые кислоты), а Опарин полагал, что основополагающими были белки, отвечавшие за обмен веществами с окружающей средой.
Внутри коацерватных капель образовавшиеся в результате случайных процессов "перспективные" молекулы могли сохраняться для дальнейших преобразований. За многие миллионы лет некоторые из таких молекул перестали быть просто бессмысленным набором атомов — некоторые их части стали кодировать информацию. Например, они могли нести информацию о том, как стимулировать создание собственных копий. В XX веке было показано, что такой самовоспроизводящей активностью обладают некоторые молекулы РНК, называемые рибозимами (в 1989 году Томас Чек и Сидни Альтман получили Нобелевскую премию за открытие у РНК таких свойств).
Молекула РНК. Изображение с сайта cs.ucsb.edu
Позже гипотеза Опарина-Холдейна была переработана и дополнена, однако суть ее осталась неизменной — жизнь сформировалась на Земле путем постепенного синтеза и отбора более сложных молекул из более простых. Первые фактические доказательства этой гипотезы были получены еще в 50-е годы прошлого века, когда в лаборатории Опарина в условиях, близких к условиям молодой Земли, из простейших неорганических молекул были синтезированы органические соединения. А совсем недавно исследователям, которые также моделировали в пробирке условия первичного бульона, удалось получить рибонуклеотид — отдельный “кирпичик”, из которых состоят молекулы РНК. На сегодня многие биологи придерживаются мысли, что именно молекулы РНК были первыми сложными молекулами, появившимися на Земле.
Переселенцы
Тем не менее, гипотеза о постепенном развитии жизни из неорганики устраивает не всех специалистов. Критики отмечают, что до сих пор ученым не удалось воссоздать в пробирке процесс отбора, который бы привел к появлению достаточно сложных молекул (впрочем, на Земле этот процесс занимал миллионы лет). В качестве альтернативы была предложена гипотеза панспермии, выдвинутая в конце XIX столетия сразу несколькими учеными, в том числе Томасом Кельвином, Германом Гельмгольцем и Якобом Берцелиусом.
Сторонники панспермии предполагают, что зачатки жизни со сложной структурой не образовывались на Земле de novo, а были занесены на планету из космоса. В качестве возможных космических туристов выступали, например, микроорганизмы или их споры, а доставить будущих землян к их новому месту жительства могли метеориты. Этот вариант казался вполне возможным до тех пор, пока не было выяснено, что космическое пространство пронизано потоками жесткого излучения, которое способно очень быстро убить даже очень стойкие микроорганизмы.
Но хотя позиции гипотезы панспермии пошатнулись, некоторые ученые по-прежнему искали свидетельства в пользу ее правомерности. Например, автор недавно вышедшей в журнале Space Science Reviews статьи, канадский астроном Пол Вессон (Paul Wesson). Он предложил новую трактовку старой гипотезы, переименовав ее в гипотезу некропанспермии. Идея Вессона проста: для того чтобы на Земле начали развиваться микроорганизмы, вовсе не обязательно было доставлять на планету живых инопланетян. По мнению ученого, вполне достаточно, чтобы в океаны или на сушу попала информация об этой жизни — в случае земных организмов она закодирована в форме ДНК или РНК.
Живые существа содержат в своих генах огромное количество информации — по оценкам Вессона, в одной клетке кишечной палочки хранится 6 миллионов бит информации, в то время как случайное перемешивание молекул даст только 194 бита за 500 миллионов лет. Согласно идее ученого, даже несколько убитых микроорганизмов принесет на планету больше бит информации, чем образовалось бы на Земле за долгие-долгие годы химической эволюции. Наиболее подходящими переносчиками информации Вессон считает вирусы — простые образования, состоящие из молекул нуклеиновых кислот (где закодированы необходимые для размножения вирусов “команды”), покрытых оболочкой из белков или белков, соединенных с полисахаридами и липидами. Небольшой вирус содержит приблизительно 100 тысяч бит информации.
Модель вирусной частицы ВИЧ. Изображение студии Visual Science
Коллеги Вессона отнеслись к его идее без особого энтузиазма. Основная причина для скепсиса – отсутствие в статье объяснений, как неизбежно покореженные во время долгого перелета молекулы ДНК или РНК могли бы стать матрицей для синтеза жизнеспособных организмов. Кроме того, можно придраться и к математическим выкладкам Вессона – он не учитывает, что на определенном этапе развития жизни на Земле из неорганических молекул должны были появиться соединения, которые некоторым образом влияли бы на дальнейшие события. Иными словами, еще до формирования структур, хотя бы отдаленно напоминающих примитивные организмы, в “первичном бульоне” начал действовать отбор, а значит, количество информации в нем стало резко увеличиваться.
Впрочем, совсем отказываться от гипотезы панспермии (или некропанспермии) пока рано. Попавшие на Землю фрагменты нуклеиновых кислот вполне могли сыграть некоторую роль в эволюции — хотя, возможно, и не столь большую, как предполагает Вессон. Они могли бы, например, служить матрицей для синтеза не копий иноземных живых организмов, а фрагментов ДНК или РНК, которые позже стали частью геномов земных живых существ.
Причем вовсе не обязательно нуклеиновые кислоты были частью инопланетных микроорганизмов — большое количество недавних работ свидетельствуют, что достаточно сложные органические соединения присутствуют на космических объектах "сами по себе". Например, совсем недавно астрономы обнаружили в межзвездном пространстве фуллерены – крупные молекулы, составленные из атомов углерода и имеющие форму полой сферы. Благодаря своей необычной конструкции фуллерены могут переносить внутри себя различные молекулы и атомы. Если фуллерены попадут на поверхность астероида, то рано или поздно они вместе со своим содержимым могут оказаться на поверхности планет.
Но независимо от того, верна гипотеза панспермии или нет, она не отвечает на главный вопрос – а как же, все-таки, образовались самые-самые первые зачатки жизни. Так что обсуждение этой гипотезы немного напоминает старую байку о том, как физик и математик решают задачи о кипячении воды в чайнике.
Задача номер 1Дано: чайник, водопроводный кран, газовая плита, спички. Требуется вскипятить воду в чайнике. Физик берет чайник, открывает кран, наливает в чайник воду, закрывает кран, зажигает газ, ставит чайник на плиту. Математик делает то же самое.
Задача номер 1Дано: чайник с водой, плита с зажженным газом. Требуется вскипятить воду в чайнике. Физик берет чайник и ставит его на плиту. Математик выливает из чайника воду, тушит огонь и сводит задачу к уже решенной.
Ирина Якутенко
