Глава 4 Появление первой жизни на Земле: 4,2(?)-3,5 миллиарда лет назад
Двадцать восьмого июля 1976 года из тяжелого, в одну тонну, аппарата, который буквально пару дней назад успешно приземлился на Марсе после своего долгого полета с Земли, высунулся механический щуп и взял пробу марсианской почвы. Потом образец с посадочного модуля был передан на космический корабль «Викинг». Это был первый подобный образец, добытый за пределами Земли, — большое достижение инженерии. С этим образцом на «Викинге» были проведены четыре основных эксперимента, и все чтобы проверить наличие жизни или ее процессов. Это вообще было единственной задачей «Викинга» на Марсе — поиск жизни.
Первые эксперименты[51] дали надежду, что на Марсе действительно есть жизнь, поскольку оказалось, что в почве содержится больше кислорода, чем ожидалось, и более того, химические процессы в собранной почве, по крайней мере, намекали на присутствие микроорганизмов в поверхностном слое Марса. Эти первые проблески спровоцировали такой небывалый прилив оптимизма у научной команды «Викинга», что один из ведущих исследователей проекта, доктор Карл Саган, даже сообщил в New York Times: «Возможность существования жизни на Марсе, даже крупных форм, не вызывает никаких сомнений». Под крупными формами он подразумевал по-настоящему большие, поскольку в том же интервью он развил тему до существования марсианских белых медведей!
Но после тщательного анализа марсианской почвы бортовой спектрограф не выявил никаких следов органической жизни. Марс, как показало это первое исследование «Викинга», казался не только мертвым, но и враждебным жизни. Это навело на мысль, что любую форму жизни, даже если бы она там и появилась, погубили бы ядовитые вещества марсианской почвы. Прежде оптимистичный, Саган теперь мог только надеяться, что второй посадочный модуль «Викинга», который уже кружил вокруг Марса, раздобудет еще какое-нибудь доказательство существования жизни на этой планете.
Третьего сентября 1976 года второй модуль благополучно спустился на поверхность Марса в месте, которое назвали Равнина Утопия. Как и первый, этот здоровенный агрегат успешно справился с задачей[52]. И, как и в первом случае, не было найдено никаких признаков жизни. Полет «Викинга» был задуман как многоцелевая исследовательская программа, но основной целью был поиск внеземной жизни, помимо изучения химического состава почвы и атмосферы.
Результаты «Викинга» показали, что на Марсе жизни нет[53], и в NASA стали терять интерес к марсианским исследованиям, поскольку в NASA ориентированы на изучение жизни вне Земли. Однако недостаток интереса со стороны NASA стимулировал развитие другой отрасли науки, той, что тоже сосредоточена на познании чужих миров и, возможно, инопланетной жизни — океанографии.
В первые годы сразу после осуществления проекта «Викинг» стали инвестироваться огромные суммы в технологии, необходимые для исследований океанских глубин, и вскоре аппарат совсем другого типа совершил посадку на чужеродную поверхность. На этот раз жизнь была-таки обнаружена, но совершенно неожиданная по форме. Сперва в Атлантическом океане, а затем, очень быстро, одно за другим были проведены исследования на глубоководье у Галапагосских островов и в Калифорнийском заливе — маленькая желтая субмарина ALVIN сфотографировала и взяла образцы такого вида жизни, который использует источник энергии, радикально отличный от солнечного света.
Это открытие «фауны разломов» может кардинально изменить наше представление о том, где и как возникла жизнь на Земле, если она вообще возникла именно на Земле. Если жизнь на Земле появилась вскоре после срастания нескольких небесных тел в одну обитаемую планету, то получается, что жизнь не так уж и сложно создать. Но насколько древними являются самые древние жизненные формы и где именно эти первые формы зародились?
Обычно, когда историки пытаются обнаружить что-то «самое раннее», они смотрят в записи еще более древние, то же самое делают исследователи естественной истории Земли. В их случае проблемой становится недостаток пород соответствующего возраста, а также почти полная невозможность для древних бактерий образовывать ископаемые останки.
На протяжении более чем двух десятилетий аксиомой полагалось то, что самый старый след жизни на Земле тянется из заледенелого уголка Гренландии под названием Исуа[54]. Никаких фоссилий найдено не было. Вместо этого сообщалось, что мелкие минералы-апатиты содержат микроскопические количества углерода — такого, который химически похож (близкий изотоп) на производимый живым организмом. Изученные при этом породы были датированы примерно 3,7 млрд лет, а позже новые данные дали возможность предполагать, что они на самом деле даже старше, около 3,85 млрд лет, и этот факт надолго был «узаконен» учебниками.
Датировка в 3,7–3,85 млрд лет очень хорошо подходила к определению самого раннего времени появления жизни. Как мы упоминали выше, Землю бомбардировали астероиды и прочий космический мусор тогда еще молодой Солнечной системы — около 4,2–3,8 млрд лет назад. Великий Карл Саган высказал свое знаменитое предположение, что жизнь, даже если она тогда уже сформировалась, была полностью уничтожена, он назвал это «крушение жизни» (Impact Frustration of Life[55]). Таким образом, возраст пород в Исуа идеально соответствовал гипотезе, согласно которой тяжелый космический обстрел уже закончился, и жизнь вполне могла зародиться. К несчастью для такой стройной теории, новый инструментарий XXI века позволил установить, что мельчайшие частицы углерода из Исуа вовсе не были органического происхождения[56].
Следующей по древности была датировка жизни в 3,5 млрд лет, и в этом случае данные были основаны на ископаемых, а не только на химических сигналах — американский палеонтолог Уильям Скопф обнаружил волокнистые формы в агате, возраст которых датировался 3,5 млрд лет[57]. Эти ископаемые были найдены в ранее неисследованных древних породах, расположенных в одном из наименее обитаемых на планете мест — в нагромождении кремнистого известняка в Западной Австралии. Точное географическое местоположение этих ископаемых останков в сухой пыли австралийской пустоши называется «Северный полюс» — ироничное прозвище места, которое на самом деле является самым жарким на Земле и находится географически, а главное климатически, настолько далеко от Арктики, насколько только можно себе представить.
Открытие Скопфа всколыхнуло научную общественность, так как оказалось, что жизнь на Земле и правда может оказаться очень древним явлением. Целых 20 лет эти австралийские окаменелости считались самым старым свидетельством жизни на планете. А затем и это также подверглось сомнению: оксфордский ученый Мартин Бразье заявил, что так называемые самые старые отпечатки жизни на Земле — просто крошечные отпечатки кристаллов, а вовсе не ископаемые жизненных форм[58].
За этим последовало нечто, похожее на уличную потасовку, одну из самых крупных за всю историю науки. Приверженцы обеих точек зрения предпринимали сокрушительные атаки и контратаки. Битва продолжалась несколько лет, и Скопф постепенно терял позиции, и не только в результате нападок со стороны оксфордской армии по поводу толкования природы австралийских отпечатков, но затем и в связи с высказанными сомнениями по поводу возраста самих пород, в которых останки были найдены. Около 2005 года Роджер Бюик из Вашингтонского университета сделал заявление, что если даже крошечные объекты из Западной Австралии вообще являются ископаемыми останками живых организмов, то породы сами по себе значительно моложе, чем то утверждает Уильям Скопф, — более чем на миллиард лет моложе! Это не опровергает того, что они все же очень древние (любые окаменелости, которым приписывают миллиарды лет, рассматриваются как древние), но уж к древнейшим формам жизни на Земле они никак не относятся. Вот после двух-трех таких ударов австралийские окаменелости вылетели из круга древнейших ископаемых.
Такое положение сохранялось до 2012 года, когда уже упомянутый Мартин Бразье опубликовал (в соавторстве) статью[59], в которой описывалась форма жизни, датированная по крайней мере 3,4 млрд лет, и таким образом, по словам авторов, была самым древним свидетельством жизни из когда-либо обнаруженных. Эта находка была тем более значимой, что сами обнаруженные ископаемые, все микроскопические, по размерам и форме совпадали с определенным типом бактерий, живущих на Земле сегодня. Эти самые древние формы жизни обитали в море, для их жизни, вероятно, нужна была сера, и они быстро погибали даже от небольшого количества молекул кислорода. И хотя такая жизнь все еще соответствует нашим представлениям об «углеродной» жизни вообще, в наше определение того, как возникла жизнь, следует внести поправки с учетом роли серы[60].
Ископаемые, описанные в работе Бразье, по-видимому, имеют отношение к живущим сегодня на нашей планете микроскопическим бактериям, которым также необходима для жизни сера и которые тут же умирают даже от небольшого воздействия кислорода. Если это открытие подтвердится, то станет ясно, что жизнь на Земле возникла в местах, крайне отличных от большинства земных условий, и что зависела она от наличия серы, а не кислорода.
Жизнь на Земле обычно ассоциируется с лесами, морями, озерами и небесами в их сегодняшнем виде — и с существами, которые живут в прозрачном воздухе, прозрачной воде или на лугах с зеленой травой. Однако ископаемые, найденные Бразье, происходят из среды, где температуры намного выше сегодняшних средних, где воздух насыщен токсичными газами — метаном, углекислым газом, аммиаком и в не меньшей степени — ядовитым сероводородом[61]. Такая жизнь знала планету, безусловно, без материков (или даже без всякой суши вообще) и вне пределов недолговечных вулканических островов. В таком окружении жизнь возникла (или прибыла извне — мы об этом еще поговорим на следующих страницах) и процветала на протяжении миллиардов лет. Мы все вышли из этой адской колыбели Земли и несем на себе шрамы и гены того периода, когда начало жизни на планете было насыщено серой.
Вскоре после такого описания раннего периода земной жизни, зародившейся в бескислородной, богатой серой среде, на Красную планету был доставлен марсоход «Кьюриосити»[62]. А почти сразу после этого события Бразье задали вопрос, могут ли серные микроорганизмы, чьи окаменелые останки он только что нашел, жить на Марсе. После минутного замешательства он ответил: «Да»[63].
Если окажется, что форма жизни возрастом 3,4 млрд лет — самая древняя, то это поставит под сомнение очень многие современные прописные истины относительно того, где могла зародиться жизнь на Земле. Наша планета в те времена уже была достаточно древней сама по себе — Земля возникла как результат слияния нескольких небесных тел 4,567 млрд лет назад. Если эти ископаемые действительно первые формы жизни, то зарождение жизни произошло относительно легко.
Чтобы возникла жизнь, необходимо соблюдение четырех этапов:
1. Синтез и накопление малых органических молекул, таких как аминокислоты и молекулы-нуклеотиды. Накопление веществ, называемых фосфатами (один из самых распространенных видов удобрений), также должно быть важным условием, поскольку они являются «скелетом» для ДНК и РНК.
2. Объединение этих молекул в более крупные, такие как белки и нуклеиновые кислоты.
3. Скопление белков и нуклеиновых кислот в капли, которые приобрели бы химические характеристики, отличные от окружающей их среды, — образование клеток.
4. Возникновение способности к самокопированию крупных и сложных молекул и установление наследственности.
В то время как некоторые из этих этапов можно воспроизвести в лабораторных условиях — синтез РНК или даже более сложной ДНК, другие этапы невоспроизводимы. Нет ничего сложного в том, чтобы создать аминокислоты — строительные кирпичики жизни — в пробирке, как это было продемонстрировано в эксперименте Миллера — Юри в 50-е годы XX века. Оказалось, что создание аминокислот в лаборатории сравнимо с намного более сложным процессом искусственного создания ДНК. Проблема в том, что такие сложные молекулы, как ДНК (или РНК), нельзя просто собрать в стеклянной колбе из разных химических элементов. Эти органические молекулы имеют свойство разрушаться при повышенных температурах, а значит, они могли возникнуть только при умеренном температурном режиме.
Жизнь на Земле предполагает наличие РНК и ДНК. Если появляется РНК, то это открывает путь к возникновению ДНК, поскольку РНК рано или поздно произведет ДНК. Но как появилась первая РНК? При каких условиях? В какой среде? Все это — основные вопросы места и времени происхождения жизни на Земле. И недостатка в предположениях, в каком именно месте возникла жизнь, нет.
