Живое и неживое. В поисках определения жизни - Карл Циммер

предоставили Дэвиду дополнительное подтверждение[345] его теории происхождения жизни. После того как Земля сформировалась, из океана поднялись вулканы и их склоны стал поливать дождь. Водоемы заполнялись, из гейзеров и бурлящих горячих источников били нагретые подземные воды. С неба падали астероиды, метеориты и частицы пыли, привнося сюда триллионы тонн органических соединений. Вулканы тоже действовали как химические реакторы, поставляя собственные соединения из недр планеты. Попадая в водоемы, липиды иногда собирались в пузырьки, заключая внутрь различные соединения, и затем образовывали вместе с ними высыхающий осадок. В их жидких кристаллах росли молекулы РНК, и, когда вода возвращалась, сухие слои обращались в триллионы липосом, несущих новые молекулы.

Многие из этих пузырьков лопались, но некоторые сохраняли стабильность. РНК внутри них действовала как удерживающая скоба. Такие стабилизированные пузырьки с большей вероятностью доживали до следующего выпадения в осадок, и у РНК было больше шансов оказаться в следующем поколении пузырьков. Димер и его коллеги обнаружили, что в этих жидких кристаллах одиночная цепочка ДНК может работать как матрица для комплементарной цепочки. На древней Земле молекулы РНК могли начать копироваться в грязевом осадке «ванночек» задолго до того, как такую задачу взяли на себя ферменты.

Со временем к этим сетям РНК добавлялись новые молекулы, которые затем удлинялись. Они принимали на себя новые функции внутри липосом. Одни втыкались в мембраны, чтобы служить примитивными каналами. Другие захватывали основания, ускоряя нарастание новых молекул РНК. Липосомы высвобождались из своей жидкокристаллической колыбели и начинали делиться самостоятельно. Энергию для роста они брали, возможно, усваивая солнечный свет с помощью пигментов, полученных из метеоритов.

Согласно Димеру, эти протоклетки стали первыми по-настоящему живыми объектами. Конечно, они были хрупкими. Но – в отсутствие конкуренции – благоденствовали. У них развилась способность соединять аминокислоты, образуя сначала короткие, а затем длинные цепочки, свивающиеся в настоящие белки. Белки были прочнее и могли выполнять больше химических функций. Одноцепочечная РНК тоже эволюционировала – в двухцепочечную ДНК, которая оказалась более стабильным способом хранения наследственной информации. И через какое-то время новые – основанные на ДНК – организмы полностью вытеснили РНК-жизнь.

В последние годы палеонтологи все «удревняют» и «удревняют» ископаемую летопись жизни[346] на Земле. Среди старейших найденных свидетельств – австралийские породы возрастом 3,5 млрд лет. В них содержатся толстые слои, которые могли быть образованы бактериальными матами, росшими в вулканических водоемах – именно там, где, согласно предсказанию Димера, должна была процветать древняя жизнь.

Если бы вы отправились назад во времени к самому зарождению жизни, то увидели бы пухлые подушечки из микробов на дне бурлящих источников по склонам вулканических островов. В остальном эти острова представляли собой голые черные скалы, разбросанные по зеленому океану под оранжевым небом. Иногда на небо набегали тучи, и на острова выпадал дождь. Ручьи переносили микроорганизмы из водоема в водоем. В этих уже населенных микробами скоплениях воды гены новоприбывших и старожилов смешивались. Дождевые тучи уходили в море, и острова припекало. Озера и лужи высыхали, ветра подхватывали пыль, разнося микробные споры на километры вокруг. Разлетаясь или стекая с водой по склонам, микроорганизмы добирались до соленых устьев ручьев. Приспосабливаясь к этой среде, они подготовились к освоению океана. Как только микробы оказались в море, вся планета ожила.

«Думаю, на это ушло около 100 млн лет», – сказал Димер.

Я вспомнил о Дарвине, 150 лет назад сомневавшемся, что он доживет до разрешения вопроса о происхождении жизни. И вот теперь я сижу и слушаю ученого, посвятившего этой загадке всю свою жизнь. Что еще застанет Дэвид в отпущенные ему годы? Укрепится ли его версия? Или он останется в памяти как Джон Батлер Бёрк своего времени?

У Димера по-прежнему много противников[347]. Один из самых упорных – Майкл Рассел, также 80 лет от роду. С точки зрения Рассела, путь к зарождению жизни был усеян не липидами, а минералами. Исследователь путешествовал по островам Тихого океана и шахтам Ирландии, разыскивая жилы серебра и пирита. В ходе своих экспедиций он заметил, что некоторые из этих минералов изначально зарождались вокруг гидротермальных источников. Но то были не сверхгорячие «черные курильщики» срединно-океанических хребтов. В других частях океана происходили другие химические процессы.

Здесь морское дно изобилует оливином, богатым магнием и железом. Вода, проникая в трещины, реагирует с ним, выделяя водород и тепло. Породы накапливают тепло, вода в них закипает и выстреливает обратно к поверхности морского дна, вынося с собой минералы, метан и целый набор других соединений. Многие положительно заряженные ионы водорода связываются этими соединениями, из-за чего кислотность раствора меняется. Он становится из кислого щелочным. Когда такой горячий раствор выходит из трещин на морском дне и сталкивается с холодными кислыми придонными водами, из него выпадают минералы, которые, скапливаясь, образуют гигантские полые холмы, увенчанные башнями до 60 м высотой.

Полости в этих холмах показались Расселу идеальным местом для зарождения жизни. Из-за разницы в составах воды внутри полости и за ее пределами они становились необыкновенными химическими реакторами. Внутренняя сильнощелочная вода притягивала атомы водорода из наружной кислой. Тем приходилось пробираться сквозь микроскопические каналы в стенках. Такое их перемещение поразительно напомнило Расселу проход атомов водорода по каналам в клеточных мембранах – наши клетки используют этот способ для получения энергии. Более того, исследователь не счел это совпадением. Наш метаболизм и основывается на химических процессах, характерных для подобных полостей.

Атомы водорода, попадавшие в стенки щелочных источников, могли вызывать химические реакции, которые порождали новые соединения, способные к новым реакциям. Со временем в полостях возникли многие необходимые для жизни компоненты. Рассел предполагал, что подобные пустоты, возможно, выполняли роль клеток в доклеточную эпоху. В этих каменных лакунах мог появиться примитивный метаболизм[348]. Постепенно развившийся метаболизм стал пригодным для обеспечения настоящей жизни.

К началу 2000-х гг. щелочные источники и вулканические водоемы стали двумя основными сценариями зарождения жизни. Оба правильными быть не могли. В статье 2017 г., написанной в качестве темы номера для журнала Scientific American, Димер и его соавторы обосновали зарождение жизни на поверхности планеты с приложением подробных схем, как жизнь возникала на вершинах вулканов и стекала по их склонам в океан. Такой сценарий, настаивали они, гораздо лучше подкрепляется экспериментально, нежели расселовская теория щелочных источников.

Рассел в ответ уколол Димера. По его мнению, подобные исследования демонстрируют, что витализм[349] живет и здравствует. Эксперименты, дававшие жизнеподобные молекулы в имитациях прудов, утверждал Рассел, «совершенно не имеют отношения к делу и вводят в заблуждение»[350]. Идею, что клетки могли начаться с болтающихся в воде липосом, исследователь объявил «порочной в своей основе».

Только щелочные источники, настаивал Рассел, давали нужный приток энергии, обеспечивающий специфические реакции, которые задействованы у живых существ в наши дни.