Первая, наиболее понятная ступень биогенеза заключалась в энергичном образовании молекулярных блоков: сахаров, аминокислот, липидов и прочих соединений. Эти основные вещества, образованные на основе вездесущего углерода, возникали повсюду, где энергия взаимодействовала с простейшими молекулами вроде углекислого газа и воды. Сырьевые ресурсы живого вещества образовывались там, где грозовые разряды пронзали атмосферу, где вулканическая тепловая энергия доводила до кипения океан, даже там, где ультрафиолетовое излучение облучало молекулярные скопления в глубоком космосе задолго до рождения Земли. Древние моря на Земле все более насыщались живым веществом по мере того, как проливались с небес дождем и поднимались из морских глубин биомолекулы.
Современные исследования происхождения жизни начались в 1953 г. с эксперимента по биогенезу, который и по сей день остается самым известным событием в этой области науки. Химик Гарольд Юри, Нобелевский лауреат из Чикагского университета, вместе со своим преданным аспирантом Стэнли Миллером разработали простой и элегантный настольный стеклянный аппарат, моделирующий раннюю ступень формирования Земли. Кипящая вода имитировала гадейский океан, а смесь различных газов воссоздавала первоначальную атмосферу, в которой искровые разряды искусственно воспроизводили молнии. Через несколько дней чистейшая артезианская вода, совершенно бесцветная, окрасилась в розоватый цвет, затем приобрела бурый оттенок – за счет сложной смеси органических молекул. Прозрачное стекло покрылось липкими черными органическими осадками.
Миллер произвел химический анализ и обнаружил в этих осадках огромное количество аминокислот и других «строительных блоков» жизни. В 1953 г. он опубликовал в журнале Science статью с результатами эксперимента, вызвавшую настоящую сенсацию во всем мире. Вскоре ученые толпами бросились исследовать добиологическую химию. Точность смеси атмосферных газов в эксперименте Миллера – Юри подвергалась сомнению, но буквально тысячи последующих экспериментов подтвердили, что, вне всякого сомнения, уже на ранней стадии существования Земля изобиловала органическими веществами. Эксперимент 1953 г. и его последующие модификации оказались такими успешными, что многим казалось: тайна происхождения жизни в основном разгадана.
Этот первоначальный энтузиазм мог иметь негативные последствия. В эксперименте Миллера все внимание было сосредоточено исключительно в области органической химии. Экспериментаторы считали, что развитие жизни происходит в «первичном бульоне», возможно, в «маленьком теплом пруду» (о чем говорил еще Чарльз Дарвин 100 лет назад). Мало кто из исследователей 1950-х гг. учитывал сложные условия естественной геохимической среды, менявшиеся по ходу суточных циклов смены дня и ночи, жары и холода, влажности и сухости и многих других. Не принимали они во внимание и масштаб естественных перепадов физических параметров, например, температуры при взаимодействии вулканической магмы с ледяным океаном или изменений солености при впадении потоков пресной воды в соленый океан. Ни один из экспериментов Миллера не включал горные породы и минералы с их разнообразием химических микро– и макроэлементов и химически активных кристаллов. Исследователи считали, что весь процесс происходил на поверхности Земли, освещенной лучами Солнца.
Влияние Миллера оказалось весьма значительным, и он со своими последователями более трех десятилетий царил в области исследования происхождения жизни. Все это сопровождалось потоком публикаций, открытием новых научных журналов, получением наград и премий. Правительственные гранты мощным потоком изливались на «последователей Миллера». Затем, в конце 1980-х гг. появилась вполне жизнеспособная альтернатива «первичному бульону», связанная с открытием глубоководных термальных зон. В этих темных глубинах, весьма далеких от освещенной Солнцем поверхности океана, насыщенные минералами жидкости вступают во взаимодействие с раскаленной вулканической корой, порождая глубоководные гейзеры. Струи горячей воды из таких подводных гейзеров взаимодействуют с холодными, глубинными океанскими водами, что сопровождается постоянным выпадением минералов в осадок (этот осадок состоит из микроскопических частиц, образующих своего рода черную «накипь»). В этих невероятно укромных глубинах живое вещество присутствует в изобилии, питаемое энергией химических реакций на границе между глубинной корой и океаном.
Битва между научными моделями происхождения жизни объясняется социологией научного мира. С одной стороны, опыт Миллера – Юри позволил получить биомолекулы, поразительно похожие на те, которые действительно лежат в основе живого вещества. Смесь аминокислот, углеводов, липидов и щелочей похожа на хорошо сбалансированную диету. Как пошутил Гарольд Юри, «если Господь не воспользовался этим способом, он много потерял». Но истинные последователи Миллера не просто поддержали активизированный электрическими разрядами «первичный бульон»; во всех докладах и публикациях они рьяно отвергали любое инакомыслие.
Влияние этой научной клики начало приходить в упадок с момента поразительного открытия глубоководных геотермальных отложений, описанных выше, а также в связи с растущим влиянием и далекоидущими, честолюбивыми планами НАСА. Наличие черных отложений в глубоководных впадинах совпало с растущим убеждением в том, что жизнь встречается в экстремальных средах – местах, куда предыдущие поколения биологов даже не заглядывали. Теперь мы знаем, что микроорганизмы выживают в кислотных потоках, вытекающих из отходов при добыче полезных ископаемых, а также в кипящих озерах рядом с действующими вулканами. Они выживают в ледяных толщах Антарктиды и сохраняются в частицах пыли в стратосфере на высоте многих километров над поверхностью Земли. Обширные колонии микроорганизмов существуют глубоко под твердой поверхностью Земли, где живые клетки обитают в мельчайших расщелинах и полостях и подпитываются скудной химической энергией минералов, – эти формы жизни составляют не меньше половины всей биомассы Земли – столько же, сколько все растения, слоны, муравьи и люди вместе взятые. Если такие биоэкстремалы могут существовать, если значительная часть живых организмов сохраняется в глубинах, защищенных от падения астероидов и комет, – почему бы не предположить, что жизнь именно там и зародилась?
Финансирование НАСА напрямую зависит от перспективы грандиозных открытий, а потому ученые ухватились за эту идею. Если происхождение жизни ограничить только теорией, основанной на экспериментах Миллера – Юри, т. е. жизнь возникла в согретой солнечными лучами воде, тогда Земля и, возможно, Марс (на ранних стадиях его существования, примерно первые 500 млн лет) являются единственными живыми планетами в нашем ближайшем окружении. Но если жизнь способна зарождаться в темных, горячих недрах подповерхностной вулканической зоны, то многие небесные тела могут претендовать на внимание исследователей. Марс до сих пор сохранил глубокие гидротермальные зоны: возможно, жизнь продолжается и там. Интерес биологов вызывают и некоторые спутники Юпитера, так же как насыщенный органическими молекулами спутник Сатурна Титан, по размерам близкий Земле. Даже на некоторых крупных астероидах могут глубоко в недрах скрываться сырые, теплые области, пригодные для зарождения жизни. Если жизнь зародилась глубоко в недрах Земли, то у исследований (и соответственно – финансирования) НАСА в области экзобиологии есть будущее на многие десятилетия.
Я и мои коллеги по Институту Карнеги сравнительно недавно вступили на стезю исследований происхождения жизни. Первые, финансируемые НАСА, эксперименты нашей лаборатории начались в 1996 г. и были нацелены на изучение органического синтеза в условиях глубоководных гейзеров, где преобладают высокие температуры и давление. Подобно Миллеру, мы подвергли смеси простых газов различным энергетическим воздействиям, в нашем варианте – тепловой энергии и химически активным поверхностям минералов, какие можно встретить в глубоководных вулканических областях. Как и Миллер, мы получили аминокислоты, липиды и другие биостроительные блоки. Наши результаты были проверены исследованиями во многих других лабораториях, и подтвердилось, вне всякого сомнения, что набор органических молекул легко синтезируется в условиях «скороварки», которую и представляет собой подповерхностные области коры. Вулканические газы, содержащие углерод и азот, охотно вступают в реакцию с простыми породами и морской водой, производя при этом практически все необходимые для живого вещества «строительные блоки».
Более того, процессы синтеза управляются сравнительно спокойными реакциями восстановления и окисления (окислительно-восстановительные реакции) вроде коррозии железа или выпекания суфле. Именно эти мягкие реакции обеспечивают метаболизм живой материи, в отличие от таких бурных процессов, как ионизирующий эффект электрического разряда или ультрафиолетового излучения. На самом деле если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же способен и растерзать их в клочья. Многим из нас, занятых исследованиями в этой области, представляется более логичным представить, что добиологические молекулы на Земле образовались с помощью гораздо менее затратных химических реакций, более или менее похожих на функционирование современной живой клетки.
Более того, процессы синтеза управляются сравнительно спокойными реакциями восстановления и окисления (окислительно-восстановительные реакции) вроде коррозии железа или выпекания суфле. Именно эти мягкие реакции обеспечивают метаболизм живой материи, в отличие от таких бурных процессов, как ионизирующий эффект электрического разряда или ультрафиолетового излучения. На самом деле если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же способен и растерзать их в клочья. Многим из нас, занятых исследованиями в этой области, представляется более логичным представить, что добиологические молекулы на Земле образовались с помощью гораздо менее затратных химических реакций, более или менее похожих на функционирование современной живой клетки.
Стэнли Миллер и его единомышленники делали все, что могли, чтобы опорочить наши выводы и сорвать наш исследовательский проект. На нас обрушился шквал критических публикаций, в которых доказывалось, что высокие температуры подводных гейзеров должны немедленно разрушить любые биомолекулы. «Гипотеза, связанная с подводными вулканами, никуда не годится, – недовольно вещал Миллер в одном из интервью 1998 г. – Я не вижу смысла даже обсуждать ее». Они основывали свои доводы на тщательно проведенных экспериментах, в ходе которых биомолекулы погибали в кипящей воде. Но этот упрощенный подход к исследованиям не учитывал всей сложности условий эпохи формирования Земли; не принимались во внимание ни запредельные температуры и состав глубинных морских вод, ни бурные потоки и цикличность вулканических выбросов, ни сложность химического состава насыщенной минералами морской воды, ни защитная поверхность скал, на которых, как стало теперь ясно, и укреплялись биомолекулы. Как бы то ни было, исследования в этой области продолжались уже не по сценарию Миллера, и теперь для многих специалистов в области биогенеза интерес представляют именно темные глубоководные зоны.
Как уже говорилось выше, все первоначальные среды, где имелись источники энергии и миниатюрные углеродсодержащие молекулы, по-видимому, внесли свой вклад в производство аминокислот, сахаров, липидов и других молекулярных «строительных блоков» жизни. В теории биогенеза нашлось место и рассекаемой электрическими разрядами и пронизанной жестким излучением атмосфере, и глубоководным вулканическим гейзерам, и иным глубинным высокотемпературным средам. Биомолекулы образуются во время падения метеоритов, на опаленных лучами Солнца пылинках высоко в стратосфере и даже в молекулярных скоплениях в глубоком космосе, открытом космическому излучению. Ежегодно тонны насыщенной органикой пыли обрушиваются на поверхность Земли из космоса, и так все 4,5 млрд лет. Нам известно теперь, что строительные блоки живого вещества буквально разбросаны по всему космическому пространству.
Шаг 2. Отбор
Полвека назад самой смелой задачей науки являлся синтез базовых материалов: молекулярных «кирпичей и цемента» для строительства жизни. К началу XXI в. эта проблема была в основном решена; ученые выяснили, что Земля, должно быть, окружена разбавленным бульоном из ингредиентов для строительства жизни. Теперь интерес сместился в сторону отбора, концентрации и компоновки биочастиц в макромолекулы – в мембраны, замыкающие клетку, ферменты, содействующие ее химическим реакциям, и генетическим полимерам, которые передают информацию от поколения к поколению.
Два взаимодополняющих процесса, по-видимому, сыграли в этом важную роль. Это самосборка, при которой группа вытянутых молекул – липидов – спонтанно собирается в пучок, образуя мембраны, которые создают замкнутую оболочку первых клеток. Липиды представляют собой что-то вроде тонких цепочек, состоящих примерно из десятка атомов углерода. При определенных условиях они могут собираться в микроскопические полые шарики; продолговатые молекулы выстраиваются бок о бок, как семена в головке одуванчика. В одной из самых известных в этой области статей ее автор биохимик Дэвид Димер из Калифорнийского университета описал, как он извлек набор таких разных органических молекул из богатого углеродом Мерчисонского метеорита (скопления химических веществ, образовавшихся в глубоком космосе задолго до появления Земли), и обнаружил, что они стремительно собираются в миниатюрные шарики, подобные клетке, словно капли масла в воде. Несколько лет назад мы с Димером обнаружили, что насыщенные углеродом молекулы, возникающие в условиях высоких температур и давления глубинных вулканических гейзеров, ведут себя подобным же образом. Ряд экспериментов позволил выяснить, что окутанные мембраной пузырьки представляют собой характерную черту добиологического мира; самосборка липидов, по-видимому, сыграла ключевую роль в возникновении жизни.
Большинство других биостроительных блоков не самоорганизуются, но способны сосредоточиваться и накапливаться на надежных, защищенных поверхностях пород и минералов в процессе, известном как матричный синтез; он представляет собой второй из механизмов отбора. Наши эксперименты, проведенные в Институте Карнеги за последние десять лет, показали, что многие из жизненно важных молекулярно-строительных блоков прилипают практически к любой естественной минеральной поверхности. Аминокислоты, сахара, компоненты ДНК и РНК адсорбируются на всех минералах, входящих в состав базальта и гранита: полевом шпате, пироксене, кварце и др. Более того, когда на одно место претендуют несколько молекул, они нередко кооперируются и сами образуют сложные поверхностные структуры, позволяя другим молекулам наслаиваться на них. Мы пришли к выводу, что, где бы первоначальный океан ни вступал в контакт с минералами, из бесформенного бульона непременно образовывались плотно собранные органические молекулы.
Здесь я должен выразить предостережение. Занимаясь исследованием происхождения жизни (возможно, подобное происходит и во многих других областях науки), ученые тяготеют к моделям, отражающим их собственную специальность. Специалист по органической химии Стэнли Миллер и его последователи рассматривали происхождение жизни исключительно сквозь призму органической химии. В отличие от них, геохимики склонны к выработке более сложных сценариев, включая такие переменные величины, как температура, давление и химический состав горных пород. Специалисты в области формирования мембран из липидных молекул говорят о «липидном мире», а те, кто занимается молекулярной биологией и исследует ДНК и РНК, рассматривают мир как «модель РНК». Специалисты по вирусам, метаболизму, глинам или глубинной биосфере также имеют свое предвзятое мнение. Все мы таковы; мы опираемся на то, что лучше всего знаем, и рассматриваем мир через объектив своих знаний.
Я изучал минералогию, так что нетрудно угадать мои предпочтения в вопросе о происхождении жизни. Mea culpa[11]. Многие исследователи пришли к аналогичному заключению – на самом деле немало выдающихся биологов также тяготеют к минералам, поскольку сценарии происхождения жизни, опирающиеся только на океан и атмосферу, сталкиваются с неразрешимыми проблемами в объяснении базовых механизмов молекулярного отбора и концентрации. Твердые минералы отличаются высоким потенциалом отбора, концентрации и образования молекул. Так что минералы наверняка сыграли главную роль в происхождении жизни.
Правое и левое
Биохимические реакции – это комплекс циклических и сетевых молекулярных взаимодействий. Чтобы эти затейливые многоуровневые процессы работали, молекулы должны обладать подходящими размерами и формой. Молекулярный отбор решает задачу подбора наиболее подходящей молекулы для осуществления соответствующего биохимического действия, и матричный отбор на минеральных поверхностях в настоящее время считается наиболее правдоподобной версией происхождения жизни.
Пожалуй, самым большим препятствием на пути молекулярного синтеза является хиральность, разделение на правое и левое, столь распространенное в мире. Многие из живых молекул образуют зеркальные пары, подобно двум нашим рукам – левой и правой. Хиральные пары молекул во многих отношениях тождественны: они обладают одинаковым химическим составом, одними и теми же температурами плавления и кипения, одинаковым цветом и плотностью, одинаковой электропроводимостью. Но «леворукие» и «праворукие» молекулы имеют разные, несовместимые формы, в чем легко убедиться на опыте, если попробовать надеть перчатку с левой руки на правую. Оказывается, жизнь невероятно разборчива: живые клетки почти всегда используют левосторонние аминокислоты и правосторонние молекулы сахара.
Хиральность имеет огромное значение. Любопытно, что искусственно созданный лимонен правосторонней формы пахнет апельсином, а в левостороннем варианте эта простейшая кольцевая молекула пахнет лимоном. Обонятельные рецепторы нашего носа чувствительны к хиральности: левосторонний и правосторонний лимонен подает в наш мозг разные сигналы. Вкусовые рецепторы менее чувствительны к хиральности сахарозы. И правосторонняя, и левосторонняя сахарозы имеют сладкий вкус, но наша пищеварительная система настроена на усвоение исключительно правосторонних сахаров. На свойстве левосторонних сахаров основано действие заменителей сахара, например, тагатозы. Трагическая история с талидомидом тоже связана с хиральностью. Правосторонняя разновидность этого лекарства облегчала утреннюю тошноту у беременных женщин, но левосторонняя модификация, которая тоже попадала к пациенткам, вызывала родовые осложнения. Теперь FDA (Управление по контролю за лекарствами и продуктами США) строго требует, чтобы лекарства обладали правильной хиральностью – это требование спасает жизни, но дополнительные расходы на производство составляют при этом около 200 млрд долларов ежегодно.