Жизнь, возможно, древнее, чем мы думаем, и не исключено, что появилась вовсе не на Земле.
28 сентября 1969 года жители деревушки Мерчисон в австралийском штате Виктория проснулись около 11 утра. Проснулись знаменитыми. Известность свалилась на них буквально с неба: окрестности Мерчисона накрыл каменный дождь из обломков довольно крупного метеорита.
Свидетелям удалось наблюдать, как пылающий шар развалился на куски в воздухе, оставив за собой густой дымный след. Некоторые обломки повредили здания. В скором времени с площади в 13 тыс. кв. км было собрано почти 110 кг «небесных камней», фрагментов массой от 680 г до 7 кг. Это была большая удача, поскольку в руки ученых попались образцы, практически не успевшие измениться и загрязниться под воздействием земных условий. Исследования обломков Мерчисонского метеорита начались уже в 1970-х и не прекращаются по сей день, принося одну сенсацию за другой.
Первой неожиданностью стала оценка возраста метеорита – датировка указала на его исключительную древность. Судя по всему, объекту никак не меньше 4,65 млрд лет, что делает Мерчисон телом более древним, чем Земля и даже Солнце (возраст Солнца, по современным данным, составляет 4,57 млрд лет). Возможно, он появился еще на первых этапах формирования Солнечной системы, а быть может – прилетел к нам из куда более далеких областей Вселенной. Так это или иначе, но химический анализ метеорита принес сенсацию еще большую.
Химия и жизнь
По своему составу Мерчисон относится к довольно редкой группе углистых СМ-хондритов, содержащих большое количество железа в форме гидросиликатов и магнетита. В этих гидросиликатах заключено немало молекул воды – около 10-15% от всей его массы. Таких метеоритов насчитывается менее 5% от всех небесных тел, которые астрономы регулярно собирают с поверхности Земли. Немало в нем и углерода в виде чистого графита, сажи, а также... органических соединений.
Обломки метеорита, по большей части, остались в Австралии, однако немало из них разошлись по научным лабораториям мира. И уже вскоре исследователи обнаружили в них аминокислоты, обычные для живых организмов на Земле «строительные блоки» белков: глицин, аланин и глутаминовую кислоту. Нашлись и редкие аминокислоты, не входящие в состав белков: псевдолейцин, изовалин, а также диаминокислоты. Нашелся и роскошный комплект углеводородов.
Состав этот многим напомнил смесь, использованную Миллером и Юри в своих знаменитых экспериментах, в которых они моделировали возможные механизмы возникновения биомолекул на молодой Земле. Напомним, что, проверяя гипотезу Александра Опарина, эти ученые пытались воспроизвести условия, существовавшие на примитивной планете. Смесь соответствующих газов (аммиака, водорода, метана и углекислого газа) в присутствии воды подвергалась воздействию ультрафиолетового излучения, нагреву и электрическим разрядам «молний», в результате чего в колбе, действительно, накапливалась самая разнообразная органика, в том числе и простые аминокислоты.
Примерно тот же состав имел и Мерчисонский метеорит. Неужели он миллиарды лет, как уникальная космическая капсула, берег «отпечаток» той далекой и волнующей эпохи, когда Земля была юной? Не совсем: позднее в нем обнаружилось небольшое количество азотистых оснований, звеньев цепочек ДНК и РНК. Эти продукты наблюдались и в экспериментах Миллера – Юри, однако в Мерчисоне они оказались довольно необычными.
В 2008 году американские и британские ученые проанализировали изотопный состав углерода в найденных в метеорите азотистых основаниях. Радиоуглеродный метод позволил им оценить количество тяжелого изотопа углерода 13С, в сравнении с «обычным» 12С. Было показано, что азотистые основания урацил и ксантин с Мерчисонского метеорита содержат, соответственно, целых 44,5 и 37,7% 13С. Для земных условий это совершенно невозможное количество. Аналогичные выводы позволил сделать и анализ содержания изотопов азота в аминокислотах Мерчисона: тяжелого 15N в них куда больше, чем это характерно для аминокислот земного происхождения. Получается, органика метеорита действительно имеет внеземную природу?..
L-и D-изомеры аланина, одной из простейших аминокислот. Они поворачивают плоскость проходящего сквозь них поляризованного света (каждый в свою сторону), а под действием циркулярно поляризованного излучения – понемногу разрушаются.
Исследования Мерчисонского метеорита продолжаются до сих пор, и в 2010 году немецкие химики во главе с Филиппом Шмитт-Копплиным (Philippe Schmitt-Kopplin) с помощью ультрачувствительной масс-спектрометрии показали, что органический состав его исключительно богат и разнообразен, и далеко не исчерпывается несколькими аминокислотами и парой азотистых оснований. Все соединения ученым идентифицировать не удалось, но число различных молекул оценивается минимум в 14 тыс., а скорее всего – приближается к 50 тысячам, включая 70 разнообразных аминокислот.
А в феврале 2014 года – Джейсон Дворкин (Jason Dworkin) и его коллеги из NASA обследовали уже не обломки, а буквально пылинки Мерчисонского метеорита, частицы размерами в тысячи раз меньше фрагментов, которые изучали до сих пор. Они показали, что даже в таких пылинках аминокислоты и азотистые основания способны сохраняться и вполне благополучно переживать весьма длительные космические полеты. Возможно, некогда, в далеком прошлом Мерчисонский метеорит проносился сквозь газопылевое облако, из которого рождалась Солнечная система – и как пылевая тряпка собирал на себя различные вещества. А может, он принес «споры жизни» из более далеких миров? По крайней мере, на это указывает один любопытный факт.
Коккоидные и нитчатые цианобактерии и грибы из метеорита Мерчисон
Коккоидные и нитчатые цианобактерии и грибы из метеорита Ефремовка
Однополярный мир
Вспомним, что белки – основа жизни на Земле – представляют собой цепочки аминокислот. В свою очередь, аминокислоты состоят из атома углерода, к которому присоединены четыре разных элемента: аминогруппа, кислотная карбоксильная группа, водород и функциональная группа, для каждой аминокислоты своя. Эти четыре компонента могут присоединяться в разном порядке, создавая аминокислоту одной из двух зеркально похожих друг на друга форм – так же, как соединяются пальцы на ладонях наших рук. Эти формы аминокислот называются энантиомерами, а их примерно равная смесь – рацемической.
Придется вспомнить и о том, что обычный свет является комбинацией электромагнитных волн, колеблющихся в разных плоскостях. Если на их пути поставить специальный фильтр, мы сможем отсечь все лишние колебания и получить свет, волны которого колеблются строго скоординированно, скажем, вертикально. С таким поляризованным светом у аминокислот особые отношения.
Известный астробиолог, академик РАН Алексей Юрьевич Розанов является одним из самых активных приверженцев гипотезы о внеземном происхождении земной жизни. По его данным, не только в Мерчисонском метеорите, но и в метеорите Ефремовка при помощи электронного микроскопа можно заметить следы микроорганизмов, напоминающих простейшие грибы и бактерии.
При этом академик Розанов ведет речь не об окаменевших остатках, а о своего рода отпечатках, оставленных «инопланетными микробами» в природе. Эти выводы выглядят довольно смелыми для не слишком достоверных наблюдений, и большинством научного сообщества не принимаются.
Если взять рацемическую смесь аминокислот, поляризованное излучение будет проходить через него без заминки. Но если в нашем растворе будут содержаться лишь одни определенные энантиомеры, плоскость поляризации… начнет вращаться! Одни энантиомеры – их называют L-аминокислотами – будут поворачивать ее влево, против часовой стрелки, другие, D‑аминокислоты – вправо.
Стоит сказать, что разделить рацемат химическими способами у вас не получится: с точки зрения химии они ведут себя совершенно одинаково, и при синтезе образуются в равных количествах. Но вот для живых организмов все иначе: вся наша белковая машинерия настроена на работу с пространственными формами молекул, а форма у энантиомеров принципиально разная – зеркальная, как у правой и левой руки. И, как нельзя натянуть левую перчатку на правую руку, так не смогут белки работать с неподходящим изомером аминокислоты. Вся жизнь на Земле, от кишечной палочки до сенатора, построена из L-аминокислот: правосторонние энантиомеры для нас просто не существуют.
Пара гранул метеоритного вещества
Теоретически, ничто не препятствует тому, чтобы жизнь основывалась на D-изомерах, но, однажды начавшись с одного типа аминокислот, она вынуждена навсегда оставаться привязанной именно к нему. Отчего Земля стала царством L-, а не D-аминокислот – одна из самых интригующих загадок биохимии. Ответ на него снова может дать Мерчисонский метеорит и интерпретация его удивительного состава. Дело в том, что L-аминокислот в нем в 2-3 раза больше, чем их D-форм. Получается, что эта асимметрия свойственна не только Земле, но и, как минимум, всей Солнечной системе?.. Откуда она вообще берется?
Неожиданное (хотя и косвенное) подтверждение гипотеза панспермии получила со стороны генетики. В 2013 году Алексей Шаров и Ричард Гордон (Richard Gordon) попробовали применить к геному живых организмов известный нам из электроники закон Мура.
Еще в конце 1960-х Гордон Мур заметил, что мощность компьютеров растет как снежный ком: каждые два года число транзисторов на кристалле микросхемы увеличивается вдвое. И если два года назад их было, допустим, 100, то сегодня уже 200, через два года станет 400 и так далее. Если бы мы даже не знали, когда это развитие стартовало, то, узнав число транзисторов на современной микросхеме и вспомнив закон Мура, можно легко подсчитать: число транзисторов на кристалле было нулевым в начале 1960-х – с того времени и началась современная электроника.
Таким же образом растет и сложность живых организмов, от бактерий к грибам, от рыб к млекопитающим. Вместе со сложностью организма, теоретически, должен расти и размер его генома – по крайней мере, его кодирующей части, несущей информацию для синтеза белков. И действительно, расчеты Гордона и Шарова показали, что длина этой полезной ДНК также растет экспоненциально. Правда, намного медленней, чем число транзисторов: удвоение здесь занимает около 376 млн лет.
Но когда затем ученые взяли геном «вершины эволюции» – млекопитающих – и стали двигаться в прошлое, сокращая его в два раза каждые 376 млн лет, то они пришли к нулю… только через 9,7 (±2,5) млрд лет! Именно тогда должно было начаться усложнение ДНК и совершенствование организмов. Эта цифра плохо укладывается в голове: наша жизнь получается в два раза древнее и нашей планеты, и самого Солнца. Шаров и Гордон полагают, что полученные ими цифры прямо указывают на внеземное происхождение жизни.
Как умирает симметрия
Аминокислоты небиологического происхождения, образуясь в результате реакций в космосе, будут давать рацемическую смесь – L- и D-форм примерно поровну. Но, как мы уже говорили, отношения таких изомеров с поляризованным светом отнюдь не просты.
Во-первых, они вращают плоско поляризованное излучение. Во-вторых, если их самих осветить циркулярно поляризованным светом (плоскость которого вращается, закручиваясь по спирали), один из зеркальных антиподов понемногу будет разрушаться. Какой именно – зависит от направления вращения поляризации: если свет поляризован по часовой стрелке, разрушатся D-изомеры, а если против – L-аминокислоты. Если Мерчисонский метеорит не врет, подобное должно было случиться еще до попадания первых аминокислот на Землю – в космосе. Остается найти там источник циркулярно поляризованного излучения, которое бы разрушало в нем D-аминокислоты, не трогая их L-формы.
Такой источник, действительно, имеется: им могут выступать громадные облака пыли, «строительный мусор», оставшийся от газопылевого облака после рождения молодой звезды. Подсвеченные излучением юного светила, облака вращаются вокруг него плоскими и довольно плотными дисками. Такие отражательные туманности и превращают обычный неполяризованный свет звезды в поляризованный, частично придавая ему и циркулярную поляризацию.
Один из фрагментов метеорита Мерчисон
Этот механизм, сначала предположенный теоретически, в середине 1990-х был подтвержден наблюдениями за окруженной облаком пыли звездой GSS30: примерно 2% ее излучения оказалось циркулярно поляризованным. Такое количество характерно и для других звезд, хотя, например, в Туманности Ориона эта величина достигает уже вполне весомых 20%.
По всему выходит, что Мерчисонский метеорит может оказаться действительно редчайшим примером того, как «зародыши жизни» могли в далеком прошлом появиться где-то в глубинах космоса, совершить головокружительный перелет – попутно сохранив больше L-изомеров – и в конечном итоге попасть на Землю. А может, и на другие планеты? В конце концов, ничто не мешает таким «зародышам» постоянно разноситься от одной планетной системы к другой. И такая гипотеза имеется.
Панспермия
Идея о том, что жизнь зародилась не на Земле, а была занесена на нее из космического пространства, впервые прозвучала еще в середине XIX века. Гипотезу панспермии поддерживал знаменитый российский естествоиспытатель и мыслитель Владимир Вернадский. Однако когда ученые стали лучше представлять себе условия, существующие в космосе, энтузиазма у них поубавилось. Глубокий вакуум, невероятный холод и жесткое излучение, казалось, не давали «зародышам жизни» шансов сохраниться не то чтобы миллионы лет, но хотя бы несколько недель.
Но это оказалось лишь частью правды. Уже в конце 1960-х появились свидетельства удивительной стойкости некоторых земных организмов. На прилунившемся зонде Apollo-12 выжили бактерии, да и в самом космическом пространстве стали находить все большее число органических молекул.
Некоторое подтверждение этой гипотезы дают и лабораторные эксперименты. Так, несколько лет назад исследователи смоделировали процесс выброса вещества с планеты в космос – вместе со случайно попавшими бактериями. Ученые во главе с Гердой Хорнек (Gerda Horneck) вычислили давление, которое им придется при этом перенести, и проверили возможность выживания микробов в таких агрессивных условиях. Как оказалось, существуют бактерии, способные устоять при таком жестком старте и благополучно пережить его.
Первый шаг такого «межпланетного оплодотворения» можно считать до некоторой степени возможным. Но как быть с самим космическим перелетом? Неужели найдутся организмы – или хотя бы фрагменты их биомолекул, – способные перенести все превратности долгого и опасного путешествия? Найдутся.
Целый ряд экспериментов, поставленных на советской орбитальной станции «Мир», а затем – и на МКС, позволили обнаружить удивительно стойкие к космической среде организмы. Чемпионами в этой области можно назвать лишайники – симбиотические ассоциации грибов и микроскопических зеленых водорослей. В 2008 году вместе с образцами других живых форм они провели несколько месяцев на внешней поверхности МКС. Испытание было нелегким: температура скакала от минусовой до высокого жара сотнями раз в сутки, Солнце поливало их жестким ультрафиолетом, гравитация почти отсутствовала – как и давление, и воздух. Лишайники перенесли все достаточно спокойно: они просто перешли в «спящий режим», а по возвращении на Землю – снова «очнулись».
Косвенные улики
И Мерчисонский метеорит, и масса других экспериментов и исследований свидетельствуют о том, что жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Но – увы! – все это лишь косвенные улики, на основании которых ни один честный следователь не стал бы строить никаких обвинений. Да, теперь мы точно можем сказать, что в космосе имеется масса разнообразной органики. Более того – там даже есть условия для появления оптических изомеров аминокислот и некоторых других биомолекул. Да, и эти молекулы, и даже некоторые живые организмы способны переносить экстремальные условия межпланетного перелета...
Но все это – возможности, а вот насколько они действительно реализовались, сказать пока невозможно. По крайней мере, пока мы не найдем настоящие живые организмы на каком-нибудь метеорите, или хотя бы – на какой-нибудь другой планете. Ну а до тех пор Земля остается единственным известным нам, уникальным примером планеты, населенной жизнью. И не существует причин лишать ее этого статуса, отдавая пальму первенства кому-то неизвестному из космоса.
