Дисклеймер. КДПВ поставлена для красоты и не вполне реалистична в период, описываемый в статье, елок на нашей планете еще не было.
Зарождение жизни как возникновение живого из неживого, то есть, как превращение химии в биохимию, является одним из интереснейших интерфейсов и рубежей между физикой и биологией. Несмотря на успехи в генной инженерии и синтетической биологии, пока не приходится ожидать скорого появления полностью синтетического организма. Некоторые успехи в этом направлении достигнуты так, в 2017 году было объявлено о создании полностью синтетической хромосомы для дрожжей. Также удалось создать полусинтетический одноклеточный организм. Но вопрос о зарождении жизни на Земле по-прежнему сопровождается многочисленными оговорками и допущениями. Один из наиболее развернутых ответов на этот вопрос дан в книге Френсиса Крика Жизнь как она есть (оригинал - 1981).
Оговорюсь, что в этой статье я обхожу вниманием авторитетную и научно обоснованную теорию, согласно которой первичным источником жизни на нашей планете могут быть черные курильщики гидротермальные источники на дне океана. О биохимической составляющей черных курильщиков замечательно рассказано в этой статье на Хабре. Экосистемы черных курильщиков создают некоторые важные предпосылки для образования клеточной жизни, в частности, располагают к образованию мембран. Тем не менее, тщательное изучение этих экосистем позволяет заключить (см. раздел Hydrothermal vents по ссылке), что в современных условиях органика в таких источниках гораздо активнее распадается, чем образуется, а безусловно гидротермальное происхождение можно доказать только для простейших органических соединений этана и метана. Действительно, экосистемы черных курильщиков богаты специфической экстремофильной жизнью, но скорее демонстрируют пример адаптации бактерий к суровой экологической нише, чем представляют собой колыбель жизни.
Притом, что тема лабораторного синтеза живой материи, несомненно, заслуживает подробного рассмотрения, в этой статье я собираюсь подробно остановиться на последних данных в пользу гипотезы панспермии, то есть, свободного рассеивания в космосе органической и почти живой (пребиотической) материи, носителями которой являются кометы и метеориты.
Гипотеза панспермии, уходящая корнями в философию Анаксагора, постепенно получала научное обоснование в течение XIX века и особенно в начале XX, когда ею всерьез занимались Сванте Аррениус, Фред Хойл и Чандра Викрамасингх. В частности, Фред Хойл (1915-2001) высказывал мнение, что органические молекулы могут содержаться непосредственно в космической пыли действительно, так и есть, и этот вопрос будет затронут ниже.
Тем не менее, в середине XX века идея панспермии оставалась экзотической, и предпринимались эксперименты, призванные доказать возможность зарождения жизни в первичном бульоне - той биохимической среде, которая существовала на Земле в архее, около 3 миллиардов лет назад.
Первичный бульон
Наиболее интересным опытом такого рода является эксперимент Миллера-Юри поставленный в 1953 году в Чикагском университете. Аспирант Стэнли Миллер (род. 1930), заручился поддержкой и наработками своего научного руководителя Гарольд Юри (1893-1981). Ученик и учитель закачали в герметичную колбу газовую смесь из метана, азота, аммиака, водяного пара и других газов, которые должны были присутствовать в атмосфере древней Земли, а также частично наполнили эту колбу водой. Источником тепла была обычная горелка Бунзена, а также через смесь пропускались электрические разряды, имитировавшие молнии.
Опыт Миллера-Юри основывался на теоретических построениях Холдейна и Опарина. К сожалению, Александр Иванович Опарин вне научной деятельности отметился поддержкой Лысенко и осуждением Сахарова, поэтому в серьезных источниках упоминается на проговоре, но здесь я упомяну его как отца-основателя, еще в 1924 году опубликовавшего статью о происхождении жизни из неживой органики. Впоследствии, узнав о проведенном эксперименте, он даже пригласил Миллера на научную конференцию в СССР.
Примерно через неделю содержимое колбы Миллера и Юри стало красновато-бурым из-за обилия органики. Среди веществ, возникших там к этому моменту, были фрагменты РНК, а также 18 из 20 аминокислот, участвующих в образовании белков. Сами Миллер и Юри зафиксировали лишь аминокислоты глицин и аланин, остальные аминокислоты были обнаружены в растворе позднее, с появлением более мощных аналитических инструментов. Тем не менее, это были лишь косвенные доказательства абиогенного происхождения жизни, а первичный бульон Миллера и Юри впоследствии сочли слишком восстановительным и далеким от истинных условий на первобытной Земле.
В более поздних постановках того же эксперимента, где смесь также подвергалась воздействию лазера (имитирующего жесткое космическое излучение) образовывались более разнообразные азотистые соединения, в том числе, азотистое основание гуанин, входящее в состав ДНК, мочевина и циановодород HCN.
Здесь подробнее остановимся на циановодороде. Это простейшее органическое соединение
являющееся основой для синильной кислоты и ее солей цианидов. Тем не менее, уже в 2020 году было установлено, что именно при участии циановодорода запускаются важнейшие реакции, приводящие к образованию нуклеотидов ДНК и РНК, а также, возможно, гибридных нуклеотидов интересная статья об этом опубликована на сайте N+1. Здесь будет уместно показать схему упоминаемых реакций, опубликованную в журнале Nature:
Таким образом, компоненты ДНК и РНК могли образовываться одновременно. Но, в усовершенствованном опыте Миллера-Юри также был получен формальдегид простейшее органическое соединение, содержащее углерод, водород и кислород:
На основе этой простой молекулы в условиях первобытной Земли могли образовываться разнообразные сахара, в том числе, рибоза, являющаяся сырьем для рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислоты (РНК и ДНК). Согласно нынешним представлениям, для стабильного образования сложной органики на основе сахаров и формальдегида в атмосфере первобытной Земли необходима горячая металлическая поверхность.
Кометы
С учетом вышеизложенного вырисовывается замечательная научная правдоподобность панспермии. Дело в том, что примитивная органика и замерзшая вода это как раз та смесь, из которой состоят тела комет. При этом лед на кометах находится не в кристаллической форме, как весь привычный нам лед на Земле, а в аморфной такое состояние льда достигается при температуре около -243 градусов Цельсия. Такой лед пористый, и в глубине кометы располагаются зерна органики. Как указано в недавнем исследовании NASA, при приближении кометы к Солнцу кометный лед перекристаллизуется, и органика выходит на поверхность небесного тела. Комету сравнивают с грязным снежком, но мы в данном случае отметим, что из подтаивающего льда образуется хвост кометы, а органика образует на поверхности кометы темную корку, которая еще сильнее разогревается (как любое темное тело), а также подвергается интенсивному облучению. Эта корка богата циановодородом. В 2009 году был поставлен лабораторный эксперимент, продемонстрировавший, что под действием гамма-излучения циановодород в присутствии воды может превращаться в более сложную органику, в частности, в карбоксильные группы (участвующие в ключевом биохимическом цикле Кребса), свободные аминокислоты и мочевину. При этом отмечается, что циановодород как таковой очень летучее соединение, и его полимеризация с превращением в более сложные молекулы лучше протекает в водном растворе.
Естественно, пристальное внимание было уделено изучению химического состава кометы Чурюмова-Герасименко, и, в частности, органических соединений на ее поверхности. Великолепный научно-популярный обзор на эту тему заслуживает перевода целиком, но в нашем случае наиболее интересен рассказ об органике и пребиотике. Наряду с обычными углеводородами (CH), на комете были найдены вещества, также содержащие кислород (CHO), азот (СNO) и серу (CNOS). В частности, были обнаружены формальдегид (CH2O), метанол (CH4O), этанол (C2H6O), муравьиная кислота (CH2O2), циановодород (HCN).
Кометный лед содержит воду с характерным сочетанием обычного водорода (H) и дейтерия (D), значительная часть молекул воды на кометах имеет формулу HDO. Соотношение дейтерия и водорода на кометах значительно более равное, чем в земной воде (у нас на планете дейтерия мало), что не так давно поставило под сомнение гипотезу, будто вода попала на Землю в основном с кометами. Михаил Никитин в своей книге Происхождение жизни. От туманности до клетки указывает, что вклад комет в формирование запасов воды на Земле и Марсе не превышает 10%. Однако более свежие исследования, относящиеся к 2019 году, позволяют с этим не согласиться. Дело в том, что кометы отличаются активностью, и в подклассе гиперактивных комет соотношение обычного водорода (протия) и дейтерия гораздо ближе к составу земной воды.
Метеориты
Вышеизложенное позволяет предположить, что кометы действительно могли обеспечить доставку циановодорода, азота, углеводородов, серы и воды на древнюю Землю. Тем не менее, кометы не единственный и не самый важный компонент в гипотезе панспермии. Важнее комет могут оказаться метеориты и в особенности микрометеориты. К микрометеоритам относятся мельчайшие частицы межпланетного вещества размером преимущественно от 20 до 300 мкм. Их также называют межпланетной пылью, такие мелкие образцы вещества постоянно выпадают на Землю, но находят их преимущественно в Антарктиде, где они наиболее заметны. Наиболее интересны микрометеориты с высоким содержанием углерода (около 2%), в которых также обнаружены многие аминокислоты, в частности, D- и L-аспартаты, глицин, аланин, валин, серин. Существует класс антарктических ультра-углеродистых микрометеоритов (UCAMM), в составе которых до 65% приходится на углерод (и до 85% - на органику в целом), а также имеется дейтерий. В настоящее время продолжается изотопный анализ таких метеоритов и соотнесение их состава с составом органических гранул, содержащихся в кометах. В ноябре 2020 года вышла обширная статья, обосновывающая точку зрения, согласно которой метеориты могут быть не менее, если не более важны для зарождения жизни, чем кометы. Важнейшая составляющая метеорита это металл, прежде всего, железо. Железо участвует в биологических процессах, а также, что не менее важно, может служить катализатором для биохимических реакций, тогда как в кометах такой катализатор отсутствует. В случае с метеоритами также важен фактор импактного (ударного) воздействия. При образовании метеоритного кратера происходит термобарическое изменение пород, подвергшихся удару. Это благоприятствует не только запуску химических реакций и полимеризации органических соединений, содержащихся в метеорите, но и притоку воды в образовавшийся кратер, если поверхность планеты в точке удара уже увлажнена. Возможно, именно так образуется маленький теплый пруд Дарвина отметим, что по поводу правдоподобности этой гипотезы продолжаются ожесточенные споры, она постепенно подтверждается.
В 2013 году было проведено исследование, демонстрирующее, что при высоких температурах (200 C и более), возникающих при ударе метеорита о поверхность Земли, катализатором химических реакций может выступать не только железо, но и фосфор, и сера. Сложные органические молекулы с высоким содержанием углерода активнее образуются при более низких температурах, порядка 140 C. Также в поставленных опытах удалось получить трикарбоновые кислоты, нуклеотидные основания и аминокислоты. Правда, каталитический потенциал в целом выше у тех метеоритов, в которых больше железа и меньше углерода.
Заключение
Представляется правдоподобным, что основные пребиотические компоненты, послужившие материалом для образования жизни на Земле, были занесены на нашу планету из космоса. Вероятно, эти события хронологически совпадают с периодом поздней тяжелой бомбардировки (в англоязычных источниках Late Heavy Bombardment, LHB). Этот период продлился с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, в результате него на Земле образовалось более 22000 метеоритных кратеров, в том числе более 40 диаметром свыше 1000 км. Современные представления об образовании простой органики на кометах и более сложной органики в воде на нашей планете позволяют говорить о трех основных источниках пребиотических молекул на Земле:
1. Кометы (важный источник водяного льда и циановодорода)
2. Межпланетная пыль и микрометеориты
3. Углистые и железистые метеориты также послужившие первичными источниками серы и фосфора для земной биохимии
Эволюция различных вариантов теплого пруда Дарвина, рассмотренная, например, здесь, допускает и развитие других биохимических циклов, например, сероводородного и циановодородного. Тем не менее, способность углерода к образованию длинных органических цепочек предопределило успех и универсальность именно углеродной биохимии.
