35. Искра, с которой все началось
В своей обширной дискуссии об эволюции в «Происхождении видов» Чарлз Дарвин старательно избегал спорных предположений о том, как началась вся эта история. Его комментарий на этот счет ограничивается одной фразой, появляющейся ближе к концу последней главы книги: «Поэтому я могу сделать аналогичный вывод, что, вероятно, все органические существа, которые когда-либо жили на этой Земле, могли произойти от одной первоначальной формы, в которую впервые вдохнули жизнь». Но этот вопрос непреодолим. Откуда мы пришли, что за искра зажгла огонь жизни? На сегодняшний день многие ученые осмеливаются на то, чего Дарвин не мог себе позволить. Давайте присоединимся к ним и вернемся к началу разговора о… начале.
Этот большой вопрос очень сильно напоминает тему «Есть ли Бог, который всем управляет?». Тем не менее между этими вопросами есть существенная разница. Любой аспект жизни, который когда-то напрямую связывался с божественным замыслом, теперь легко и элегантно находит исчерпывающее объяснение в контексте эволюционной науки. Для меня нет никаких оснований думать, что жизнь появилась как-то иначе. Я придерживаюсь открытых взглядов, и у меня нет никаких проблем с большинством религий, но религиозные объяснения мне кажутся неудовлетворительными. Они меня совершенно не трогают; вы либо верите в них, либо нет, и никак иначе. А вот научные теории о происхождении жизни всегда открыты для обсуждений, испытаний, пересмотров и в любой момент могут быть заменены на новые и более глубокие теории. Первый путь ведет к застою. Второй – к захватывающему, безграничному движению вперед.
Когда я учился в инженерной школе Корнелльского университета, я время от времени заглядывал на факультет космических наук. Джон Олсен (Йолсе), профессиональный велогонщик, большой любитель астрофизики, с которым мы дружим и по сей день, всегда призывал меня посещать симпозиумы и местные семинары факультета космических наук. Джон часто говорил, что там обсуждаются просто сногсшибательные вещи: черные дыры, центр Вселенной (или отсутствие такового), выработка энергии и синтез новых элементов у звезд. На этих встречах присутствовали Карл Саган, Кип Торн и Ханс Бете. Какое же это было время, когда мы зависали там в этом неприглядном здании, сложенном из шлакоблоков! Как-то раз, блуждая по корпусу, я оказался в лаборатории, которая, насколько я помню, располагалась на третьем этаже. Моему взору открылся целый лес из стеклянных емкостей и трубок, соединяющих большие металлические бутыли, наполненные различными газами, с очень большой сферической центральной колбой. Это был один из искрящихся и взрывающихся вариантов эксперимента Миллера – Юри.
Давайте вернемся на минутку назад. Идея этих установок, предложенных, спроектированных и запущенных в 1950 году химиками Стэнли Миллером и Гарольдом Юри, заключалась в том, чтобы имитировать земные условия первобытных времен – три или четыре миллиарда лет назад – когда жизнь на планете только появилась. Эксперимент должен был выявить возможность зарождения органической жизни с помощью только лишь неорганических химических веществ.
И знаете, что у них получилось? Не жизнь, конечно, но все равно нечто потрясающее. Химикаты породили ряд химических образований: пять аминокислот – основных компонентов химического состава жизни. Аминокислоты – это молекулы, которые связываются вместе для формирования белков, управляющих почти каждым аспектом биологии. Они являются строительным материалом живых существ. Подробности увлекательны, но в целом можно сказать, что кислоты – это химические вещества, которые могут отдавать или «жертвовать» белок другим атомам или молекулам. Кислота может быть опасной и смертельной, или мягкой и нежной, как заправка для салата.
Если говорить об аминокислотах, то все они имеют один атом углерода в центре, а вокруг него – цепочку из атома углерода и двух атомов кислорода. Замечательной особенностью углерода является то, что он имеет четыре связи для прикрепления других химических веществ – так называемые контактные площадки. В аминокислотах одну из площадок занимает цепочка атомов: углерод – кислород – кислород. Само по себе, мы называем это соединение карбоновой кислотой. Когда оно присоединяется к другой молекуле, то превращается в карбоксильную группу. В аминокислотах одна из площадок центрального углерода предназначена для карбоксильной группы, а остальные три площадки отвечают за другие конфигурации углерода, серы, азота и особенно водорода.
Я так подробно говорю обо всем этом, потому что для меня все это просто удивительно. В природе существует около двадцати естественных аминокислот (есть определенная теория, посвященная тому, сколько из них используется живыми существами, но в целом их лишь немногим больше, чем двадцать). Все они берутся из комбинаций нескольких различных типов атомов. Аминокислоты образуют так называемые пептидные молекулы, которые соединяются друг с другом, чтобы создать полипептиды, в свою очередь образующие белки. Белки выполняют большую часть работы в клетках. Они создают структуру; они управляют обменом веществ; они регулируют реакции, и т. д. И эти аминокислоты образовались в нескольких вариантах эксперимента Миллера – Юри. На самом деле, наряду с органическими аминокислотами, ученые получили несколько дополнительных неорганических химически логических конфигураций других аминокислот. Это удивительно. Всего пять химических элементов, и посмотрите, сколько живых существ они создали!
Для создания этих соединений Миллеру и Юри пришлось высчитать состав первобытной атмосферы Земли и первобытного океана Земли. Современные биологи, с высоты дополнительных знаний, накопленных за последние десятилетия, в целом считают, что ученые подошли к вопросу более консервативно, чем это, вероятно, требовалось. Они наполнили большую стеклянную колбу некоторым количеством природного газа или метана, добавили водяного пара и какую-то часть аммиака. В химической записи компоненты выглядят как CH4, Н2О, NH3. Также ученые резонно предполагали, что необходимая для начала химической реакции искра образовалась в результате первобытной грозы. И лишь одного ключевого элемента не хватало: у них не было источника серы.
Конечно, в качестве беспроигрышного варианта можно было бы предположить, что повсюду на поверхности молодой Земли происходили извержения вулканов, выбрасывающие на поверхность планеты пахучий сероводород (H2S). Это смертельный яд для животных, подобных нам, но в те далекие времена это, возможно, привело к образованию важной аминокислоты под названием цистеин. Сероводород мог также служить основным источником энергии для зародившейся жизни. Даже сегодня существуют целые экосистемы в глубоководных океанических гейзерах, работающие на сероводороде. Как я люблю говорить, отходы одного организма могут стать настоящим подарком для другого.
Для меня очень примечательно то, что креационисты, как правило, не признают эксперимента Миллера – Юри, говоря, что идея жизни, появившейся из химических веществ, не наполненных некоей божественной силой, попросту абсурдна. Одна из причин, по которой креационисты отвергают результаты этого опыта, заключается в том, что они считают слишком малым количество аминокислот – они и вовсе называют его незначительным. Это в корне неверно. Любое количество основных молекул жизни бесконечно больше, чем нуль, – бесконечно больше! Для происхождения жизни просто требуется исходное вещество, которое позволит искре жизни загореться. Эволюция является мощным детонатором. Как только самореплицирующаяся система появляется, она получает шанс на извлечение ресурсов из окружающей среды и систематическое самовоспроизведение. Даже 0,79 % от 10-литрового объема – именно такая концентрация аминокислот получилась в результате эксперимента Миллера – Юри – вполне может оказаться достаточной, чтобы жизнь начала свой путь по неосвоенной первобытной Земле.
С этой точки зрения идея, которую креационисты называют «от молекулы к человеку» (то есть эволюционная теория), выглядит вполне разумно, поскольку за 3,5 млрд лет может произойти многое. Этот процесс часто называют абиогенезом (неживое в живое), и он по-прежнему остается ведущей теорией того, как на Земле появилась биологическая жизнь. Возможно, именно абиогенез привел в результате к появлению и вас, и меня. Немного не в тему: некогда абиогенез использовался для описания другого псевдонаучного предполагаемого явления под названием «самопроизвольное зарождение». Например, моллюски-прилипалы выглядят так, будто растут из ниоткуда. Но дело в том, что люди, делавшие эти наблюдения, не использовали увеличительные стекла. Полипы моллюска невероятно крошечные, и все же они постепенно превращаются в защищенных раковиной, довольно неприступных существ. На протяжении всего времени они обитали в морской воде. Предположение, будто взрослые моллюски воспроизводятся самопроизвольно – всего лишь результат недостаточно близкого рассмотрения предмета.
Важно учитывать огромное количество времени и пространства, с которым пришлось столкнуться жизни. Эксперименты наподобие опыта, проведенного Миллером и Юри, использовали систему размером с лабораторную колбу – поверхность Земли же примерно в триллион раз больше. Эксперимент проходил в течение двух недель, в то время как жизнь на Земле длится уже около миллиарда лет. Кроме того, я подозреваю, что в этих экспериментах отсутствовал ключевой компонент наподобие электромагнитной или электрической или химической энергии, и если бы мы смогли понять, что это, то мы могли бы получить молекулы, которые самопроизвольно создавали бы свои копии, пусть даже довольно грубые. Мы многого не знаем об условиях на первобытной Земле. И, кстати, а почему абиогенез не может происходить сейчас, на современной Земле? Есть над чем подумать, не правда ли?
Крейг Вентер, ученый, расшифровавший геном человека, используя совершенно иной подход, утверждает, что он уже создал искусственную жизнь. Он и его команда выделили одну бактерию и расшифровали нуклеотидную последовательность ее гена. Затем они сами создали искусственный штамм. Он стал воспроизводиться как сумасшедший, создавая миллиарды нового антропогенного или искусственного вида бактерий. В отличие от Миллера и Юри, Вентер не стремился создать жизнь из чисто химического сырья, по крайней мере, пока. Тем не менее результат ошеломительный.
Ближайшие планы Вентера довольно прагматичны: создать искусственные бактерии, которые смогут производить возобновляемые виды топлива и новые лекарства. Создание лишь одного участка синтетической ДНК потребовало огромных усилий. Но даже самое длинное путешествие начинается с первого шага. Семь лет назад те же исследователи разработали искусственный вирус. Они имплантировали искусственный геном в живую клетку (бактерию), и, конечно же, клетка была направлена на производство копий последовательности имплантированного гена. Получился искусственный вирус. Он не мог жить сам по себе, но мог заставлять живую клетку создавать свои копии – позвольте заметить, совершенно как настоящий вирус. Кстати, Институт Вентера очень внимательно следил за соблюдением всех этических норм и правил микробной безопасности.
Со времени эксперимента Миллера – Юри исследования проделали долгий путь. Ученые изучили рост сложных углеродных молекул во льду. Они исследовали химический состав глины, обладающей сильными щелочными свойствами, которые могли бы вызвать химические реакции, способные дать толчок зарождающейся молекуле и побудить ее начать самовоспроизведение. Они высчитывали возможную форму только что зародившейся жизни, имеющую в своей основе молекулу РНК – упрощенной родственницы ДНК.
Совсем недавно, в результате исследования, проведенного под руководством физика из Массачусетского технологического института Джереми Инглэнда, появилось предположение о том, что жизнь могла появиться автоматически, как результат физики, а точнее термодинамики. Профессор Инглэнд утверждает, что молекулы объединяются в самую эффективную структуру, которую они могут создать. Молекулы могут быть запрограммированы на поиск термодинамического равновесия, и это может привести к зарождению жизни. Идея так же убедительна, как и нелепа.
Исследователи даже всерьез занимались изучением возможности зарождения жизни на другой планете, и самым логичным вариантом, откуда жизнь могла начать свой путь сквозь межпланетное пространство, был Марс. Но сможем ли мы отличить неживое от живого, но очень-очень медленно растущего организма, даже если оно в буквальном смысле укусит нас за ногу, пусть даже и на микроскопическом уровне? Да, возможно, оно будет иметь мембрану, но, к сожалению слишком много мелких неорганических соединений имеют ту же круглую или палочкообразную форму, что и бактерии.
Прогрессия жизни в первые 3 млрд лет ее существования на Земле от самореплицирующихся молекул до организмов кембрийского периода, когда окаменелости уже стали достаточно большими, чтобы их можно было различать, нам до сих пор не совсем понятна. Что если мы найдем жизнь, которая будет выглядеть как земные примитивные организмы – микроскопические и бесскелетные? Узнаем ли мы в ней жизнь?
Я очень хорошо помню, как мой старший брат пришел домой из школы и задал вопрос: а вирусы живые? Их можно считать живыми существами? Мы можем запереть их в банке на много лет, и они точно так же вернутся и продолжат делать то, что и делали. В присутствии других организмов они размножаются как сумасшедшие. Они мутируют. Они взаимодействуют с другими клетками. Но когда они одни, они находятся в состоянии стагнации. После продолжительной дискуссии мы с братом пришли к выводу, что ответом на этот вопрос будет «возможно…».
Глядя на вирусы с позиции сегодняшнего дня, мы понимаем, что они размножаются. Они заставляют клетки размножаться за них. Ни одна клетка не может жить без своего окружения, она должна дрейфовать в химическом бульоне или находиться достаточно близко к капиллярной крови. С этой точки зрения вирус является живой единицей, которая, вместо того чтобы окружать себя химическими питательными веществами, окружает себя другими живыми единицами. Он вынужден жить в клетках и в окружении других клеток – других живых единиц. Это дает нам право называть его «облигатным паразитом».
Но что необходимо для того, чтобы считать организованную кучку химических веществ живым существом? В ответе на этот вопрос нам помогут астробиологические исследования. Как правило, мы считаем, что живое существо должно иметь мембрану. Мы ожидаем, что оно будет размножаться, и мы предполагаем, что оно будет поддерживать устойчивый химический баланс или устойчивое состояние внутри себя. В биологии считается, что живое существо по определению может поддерживать равновесие, или, как это официально называется, гомеостаз («оставаться прежним»).
Когда дело доходит до бактерий, здесь вопросов нет. У них есть и мембраны, и стенки, они поддерживают свой метаболизм в различных условиях окружающей среды, и они, конечно, могут размножаться. Но когда мы говорим о вирусах, все зависит от того, как на них посмотреть. Вирусы не поддерживают гомеостаз. С точки зрения вируса им это не нужно. Зачем стараться, если молекулы сами могут сохранять свое расположение в условиях, которые можно рассматривать как недружелюбные? Зачем все усложнять, если все системы и так работают нормально? Я полагаю, что если бы у нас не было домена бактерий, у нас не могло бы быть вирусов или всего домена вирусов. Следовательно, они определенно попадают под определение живых существ на Земле.
На самом деле вирусы могли бы стать ключевым моментом в нашем основном вопросе, поскольку могут рассказать о том, какая форма жизни появилась в первую очередь. Разве молекулярные структуры вирусов могли существовать без самовоспроизводящихся бактерий? Или вирусы стали побочным продуктом, ненамеренным следствием природных процессов, которые прежде всего привели к появлению самовоспроизводящихся молекулярных механизмов? Вирусы проще, чем бактерии, что, казалось бы, делает их более подходящим кандидатом на роль первой формы жизни на Земле.
Однако есть и другие аспекты, которые не слишком хорошо сочетаются с титулом первого земного организма. С одной стороны, в отличие от бактерии (и нас с вами), вирусы, судя по всему, не имеют общего предка. В загадочном мире вирусов нет ничего, что напоминало бы способ, которым все другие живые существа используют ДНК для своего размножения. Каждая вирусная атака направлена на конкретную, порой даже на слишком конкретную живую клетку. Когда вирус атакует, он не обменивается генами и не заимствует гены атакованной клетки. Гены вируса переходят в клетку и никогда наоборот. С этой традиционной и очень важной точки зрения вирус нельзя назвать живым. Вирусы как будто появились после того, как возникли самовоспроизводящиеся и саморегулирующиеся организмы (свойства, которые характеризуют «живое существо»). Но давайте смотреть правде в глаза: вирусы являются очень важной частью нашего мира. Без вирусов каждое живое существо было бы другим.
Вирусы – это некая часть общего спектра жизни, и они, так или иначе, связаны с вопросом о том, как все это началось. Мы по-прежнему перебираем толстые и запутанные ветви Древа жизни – только в последние десятки лет биологам удалось обнаружить гигантские вирусы, которые делают возможным выделение вирусов в отдельный домен жизни. Чем больше усилий мы прикладываем к поиску ответов о происхождении жизни, тем больше сюрпризов мы получаем. Эти открытия заставляют меня задать вопрос: «Мать Природа, чего ты еще не сказала мне?»
