Глава 12. Жизнь на скорости света

Когда жизнь наконец обретет способность путешествовать со скоростью света, вселенная съежится, а наши возможности возрастут. Простые расчеты показывают, что при максимальном сближении Марса с Землей мы сможем отправить электромагнитную информацию о последовательности в цифро-биологический конвертер на Красной планете, чтобы обеспечить поселению колонистов вакцины, антибиотики или персонализированные лекарства, всего за 4,3 минуты. Так же точно, если бы марсоход НАСА «Кьюриосити» был оснащен устройством для секвенирования ДНК, он мог бы передать оцифровку генома марсианского микроба на Землю, где мы могли бы воссоздать этот организм в лаборатории.

Этот последний подход к поиску внеземной жизни основан на двух важных допущениях. Первое – что марсианская жизнь, как и земная, основана на ДНК. Я думаю, что это разумное предположение, потому что мы знаем, что жизнь существует на Земле уже почти четыре миллиарда лет и что Марс и Земля постоянно обменивались веществом. Планеты и их спутники во внутренней части Солнечной системы – включая Землю – миллиарды лет делились друг с другом веществом, когда камни и минералы при очередных столкновениях с астероидами и кометами выбрасывались в пространство. Химический анализ подтверждает, что некоторые метеориты, найденные на Земле, должны были быть выбиты с поверхности Красной планеты ударом астероида. Компьютерные модели говорят, что лишь 4 % материи, выброшенной с Марса, достигает нашей планеты после путешествия, которое может занимать пятнадцать миллионов лет. Даже при этом Земля и Марс оценочно обмениваются примерно сотней килограммов вещества в год, так что каждый совок земной земли может содержать следы марсианской почвы. Следовательно, вполне может быть, что земные микробы путешествовали на Марс и населяли когда-то марсианские океаны и что марсианские микробы выжили и процветают на Земле.

Второе и более основательное – это мое допущение, что где-то еще во вселенной, и правда, существует жизнь. Многие люди (часто верующие) и поныне считают, что жизнь на Земле – это что-то особенное или уникальное и что мы одиноки в космосе. Я к ним не отношусь.

Ученые с большой долей уверенности надеются доказать, что на Марсе есть или была жизнь. Настолько, что они и СМИ, интерпретируя свидетельства с Красной планеты, впадают в некоторую безответственность. В третьей главе я припоминал тот фурор, что последовал за публикацией статьи 1996 года, в которой детально излагалось то, что убедило некоторых ученых из НАСА в существовании на Марсе микробной жизни. Предполагаемые следы жизни, обнаруженные при изучении метеорита, известного как ALH 84001, были далеко не первыми сомнительными сигналами такого рода. В 1989 году команда под руководством Колина Пиллингера из Открытого университета, Милтон Кинз, Великобритания, нашла органическое вещество, типичное для того, что остается от живых существ, в другом марсианском метеорите, EETA 79001, хотя они воздержались от заявлений, что нашли на Марсе жизнь. Другие различили смутные указания на жизнь после переоценки данных, собранных спускаемым аппаратом НАСА «Викинг», который, сев на Красную планету в 1976 году, провел первые измерения на месте, фокусируясь на обнаружении органических веществ.

Много лихорадочных спекуляций было в конце 2012 года вокруг того, что обнаружил прибор SAM – анализатор марсианских проб, один из инструментов марсохода «Кьюриосити», – изучая почвенные гранулы из ветрового наноса, названного Rocknest («Каменное гнездо»). За несколько недель до этого один из ученых проекта нечаянно вызвал ожидания исторического открытия, когда сказал Национальному общественному радио, что данные, поступающие от марсохода, «из тех, что попадают в книги по истории».

Некоторое разочарование наступило в декабре того же года, когда на конференции Американского геофизического союза в Сан-Франциско ученые, работающие с этим инструментом, сказали, что действительно, есть свидетельства присутствия органики, но надо еще поработать, чтобы определить, марсианская ли собственно это органика. Хотя эти данные действительно показывают возможные намеки на жизнь на Марсе, но чтобы делать чрезвычайные утверждения, нам нужны чрезвычайные доказательства. Я уверен, что на Марсе некогда процветала жизнь, которая вполне может существовать и теперь в подповерхностной среде. Убедительные данные наводят на мысль, что по поверхности планеты текла жидкая вода и, возможно, там даже были океаны, а глины вокруг Холма Матиевича указывают, что вода там могла быть достаточно чистой для питья. Сегодня, однако, она, видимо, существует в замерзшем состоянии, в том числе в полярных шапках и в виде вечной мерзлоты. В конце 2012 года «Кьюриосити» нашел признаки древнего русла, где когда-то быстро текла вода. Набирается все больше свидетельств наличия значительных объемов замерзшей воды под поверхностью Марса, и, хотя и умозрительно, предполагается, что в глубинах планеты есть и жидкая вода. Расчеты показывают, что пластовая вода может быть найдена на глубине четырех километров, а чистая жидкая вода – на глубине восьми километров. Подповерхностный Марс также содержит достаточно метана, который тоже может быть биологического происхождения, хотя мы не можем исключить, что его источник – геологический или смешанный.

Мне уже доводилось участвовать в предприятии по идентификации подземной жизни. Одна из наших команд в SGI в сотрудничестве с British Petroleum провела три года, изучая жизнь в метановых колодцах угольного пласта в Колорадо. Мы обнаружили примечательный факт: в образцах воды с глубины в 1,6 км та же плотность микробов, что мы находили в океанах (один миллион клеток на миллилитр). Однако подземные организмы были намного менее вариабельными в смысле видового разнообразия, скорее всего из-за отсутствия кислорода (все глубинные подземные клетки – анаэробы) и ультрафиолетового излучения – основных источников генетических мутаций. Одним из интересных последствий этих условий, включая низкую скорость эволюции, стал открытый нами факт: геномные последовательности одного из этих организмов близко соответствуют таковым у микроба, выделенного из итальянского вулкана. Разнообразие подземных видов довольно велико, но когда мы смотрим на любую отдельную группу организмов, то там лишь от 1 до 3 % изменчивости, в то время как в океанах мы видим изменчивость до 50 % – как, например, у SAR₁₁, самого обильного фотосинтезирующего микроба в океане.

То, что мы обнаружили в глубинах планеты, было множеством экстремофилов, которые способны использовать двуокись углерода и водород, присутствующие под землей, для производства метана способом, похожим на тот, каким пользуются клетки Methanococcus jannaschii, выделенные около «черного курильщика», гидротермального источника на глубине 2600 м в Тихом океане. Простые расчеты показывают, что под поверхностью нашей Земли столько же жизни и биомассы, сколько во всем видимом мире на поверхности планеты. Подземные виды, вероятно, процветали там миллиарды лет.

Если считать, что жидкая вода – это синоним жизни, то Марс должен быть населен похожими организмами. Все больше свидетельств того, что на Марсе были океаны – три миллиарда лет назад, а потом еще раз, около миллиарда лет назад, когда после удара метеорита растаяли полярные шапки. Данные от многих марсоходов и проб говорят, что когда-то на планете были пригодные для обитания места, вероятно, пересохшие несколько миллиардов лет назад.

Уровни радиации на Марсе намного выше, чем на Земле, потому что атмосфера там в сто раз тоньше, чем у нашей планеты, и у Марса нет планетарного магнитного поля. В результате поверхности планеты достигает гораздо больше быстрых заряженных частиц. Кажется неправдоподобным, чтобы жизнь могла вынести здешние уровни радиации, но это не невозможно: высокоустойчивые к радиации почвенные организмы существуют и на Земле, например Deinococcus radiodurans. Более вероятно, что жизнь нашла убежище под поверхностью, так что образцы надо бы собирать как минимум из-под метрового слоя почвы, где организмы были бы защищены.

По-другому надо вести поиски марсианской жизни, если будет доказано, что живых клеток нет ни прямо под поверхностью, ни глубже. (Жизнь могла бы процветать более глубоко под грунтом на Марсе, чем на Земле, из-за меньшего перепада температур и более холодной поверхности.) В этом случае следовало бы выяснить, не сохранилась ли ДНК во льду, хотя есть предел тому, как долго ДНК может оставаться интактной. Работа Мортена Эрика Аллентофта из Копенгагенского университета в Дании подсказывает, что у ДНК есть период полураспада примерно в половину тысячелетия (521 год), что означает, что примерно за пятьсот лет примерно половина связей между нуклеотидами в образце ДНК разрушится, а еще за пятьсот лет или около того порвется половина оставшихся связей и так далее. Последние данные указывают, что у ДНК есть максимальный срок жизни примерно в 1,5 миллиона лет даже при идеальных для сохранения температурах, хотя возможно, что в сухих холодных условиях на Марсе она может продержаться дольше.

Но уже по тому, что ученые до сих пор спорят о значении данных, собранных «Викингом» в 1970-х, видно: в поисках жизни на Марсе мы больше всего надеемся найти прямое свидетельство ее наличия. «Аполлон-11», доставив на Землю первые внеземные образцы в виде 49 фунтов лунного скального грунта, дал начало пылким надеждам получить образцы почвы и с Марса для изучения на Земле. Основанием для нее служило то, что ученые на Земле могут сделать более тщательный и подробный анализ образцов, чем это возможно средствами робота на самой планете. Пока пилотируемая миссия на Марс остается далекой перспективой, мы можем использовать машины. Первым применять роботов, возвращающихся с образцами, стал СССР: в 1970 году аппарат «Луна-16» доставил 101 грамм вещества с Луны. В 1975 году Советы также планировали первый в мире проект марсианской миссии с возвращением образцов – двадцатитонный аппарат под названием «Марс-5НМ», – но этот проект был свернут.

С тех пор внеземное вещество доставляли на Землю американские аппараты Genesis (предназначенный для сбора образцов солнечного ветра, но разбившийся в пустыне Юты в 2004 году) и Stardust, добывший образцы с кометы Вильда 2 в 2006-м; а также японский зонд Hayabusa, который взял образцы с астероида Итокава после посадки на него. Однако такие миссии полны трудностей. Например, российская миссия «Фобос-грунт», которая должна была вернуться с образцами с Фобоса (спутника Марса), не смогла выйти с околоземной орбиты и потерпела крушение, упав в южной части Тихого океана. NASA давно планировала возвращаемую миссию на Марс, но пока что финансирование проекта не дает ему продвинуться намного дальше чертежной доски.

Любая экспедиция на Марс сталкивается со сложнейшими техническими задачами. Просмотрите хронику исследования космоса, и вы обнаружите, что Красная планета – это Бермудский треугольник Солнечной системы. Она повидала множество проваленных миссий, от запущенных в 1960 году советских аппаратов серии М-60 (прозванных в западной прессе «Марсниками») до злосчастной британской «Бигль-2», которая пропала в 2003 году, покинув корабль-матку для спуска на поверхность Марса. Успешное возвращение с образцами подразумевает, что корабль экспедиции должен успешно стартовать, мягко сесть, взять образцы из перспективного места, где когда-то присутствовала вода (а лучше – из нескольких мест), и затем вернуться с этими образцами на Землю. Одна такая миссия для сбора пятисотграммовых образцов из двух мест потребовала бы 15 разных космических и планетных аппаратов и двух ракет-носителей и при этом заняла бы около трех лет от старта до возвращения с драгоценным грузом на Землю.

Вдобавок следует принять специальные меры, чтобы предотвратить загрязнение образцов земными организмами, хотя очень может быть, что мы уже заразили ими Марс – после стольких-то посадок на нем. Любые части возвращаемого космического аппарата, которые могут входить в контакт с марсианскими образцами, должны быть стерильными, чтобы не обесценить эксперименты по обнаружению жизни. Секвенирующие машины ныне настолько чувствительны, что, если в образце, привезенном с Марса, окажется единственный земной микроб, он вполне может погубить эксперимент. Загрязнение – проклятие множества исследований, будь то судебная экспертиза или попытки восстановить древнюю ДНК.

Опасность загрязнения – обоюдоострая. Следует принять меры и к тому, чтобы никакая марсианская жизненная форма не заразила Землю. (Как уже говорилось, с опасениями на сей счет мы, возможно, опоздали на миллиард лет, поскольку «марсиане», скорее всего, уже здесь.) Миссия на Марс за образцами должна подчиняться требованиям по защите планеты куда более строгим, чем для любой экспедиции, отбывающей за данными. «Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела» (или Договор о космосе) от 1967 года устанавливает в статье IX, что «Государства – участники Договора осуществляют изучение и исследование космического пространства, включая Луну и другие небесные тела, таким образом, чтобы избегать их вредного загрязнения, а также неблагоприятных изменений земной среды вследствие доставки внеземного вещества, и с этой целью, в случае необходимости, принимают соответствующие меры».

Хотя научных данных, подтверждающих эти опасения, нет, некоторые считают, что есть веские основания для осторожности – основываясь отчасти, как я думаю, на страхе неведомого, лучше всего воплощенном современной Мэри Шелли – покойным Майклом Крайтоном. Доктор медицины, ставший научным фантастом, был великим рассказчиком, чьи книги доставляют удовольствие, но в то же время, подобно «Франкенштейну», содержат солидный заряд враждебности к науке (в смеси из фантазий и мотивов насилия и воздаяния, как в назидательных сказках братьев Гримм – «Золушка», «Красная Шапочка», «Рапунцель» и других, которые будят самые глубинные страхи публики). В классическом научно-фантастическом фильме 1971 года «Штамм “Андромеда”» военный спутник разбился в пустыне, и прежде чем его убрали, обитателей соседнего городка скосило моровым поветрием, которое вызвал этот самый штамм, оказавшийся совершенно непохожим на любую земную жизнь. Современная наука может обойти большинство возможных проблем, связанных с привозом образцов с дальних небесных тел.

Последний отправленный на Марс аппарат – марсоход «Кьюриосити», совершивший посадку в кратере Гейла 6 августа 2012 года, – несет набор сложных инструментов, в том числе рентгеновский спектрометр для альфа-частиц; рентгеновские дифракционный и флюоресцентный анализаторы; импульсный источник нейтронов и детектор для обнаружения водорода или льда и воды; станция мониторинга окружающей среды; и комплект инструментов, которые могут различать вещества геохимического и биологического происхождения и анализировать органику и газы, в том числе соотношение изотопов кислорода и углерода в углекислоте и метане из атмосферных и твердых образцов.

Большинство этих инструментов намного сложнее некоторых современных секвенаторов ДНК, например, таких, как делает компания Life Technologies, которые могут уместиться на рабочем столе. Этот «ионно-поточный» секвенатор использует комплементарную металло-окисную полупроводниковую технологию, похожую на ту, что применяется в цифровых камерах, чтобы создать самый маленький в мире полупроводниковый pH-метр для перевода химической информации в цифровую. В нем работают полупроводниковые чипы, не крупнее большого пальца, в которых от 165 до 660 миллионов лунок, что позволяет вести параллельное секвенирование. Одноцепочечная ДНК привязывается за один конец к маленьким гранулам, которые распределены по микролункам. Лунки последовательно заполняются растворами, каждый из которых содержит один из четырех нуклеотидов и ДНК-полимеразу. Если нуклеотид – например, А, – добавленный к матрице ДНК, включается в синтезируемую цепочку ДНК, то высвобождается один протон (ион водорода), вызывая изменение pH в лунке, что обнаруживается чипом. Компьютер регистрирует, в каких лунках изменился pH, и записывает букву А. Этот процесс может повторяться снова и снова, чтобы прочесть несколько сотен букв текста ДНК в каждой из сотен миллионов лунок. В отличие от большинства технологий секвенирования ДНК, в этой для чтения сигнала не требуется никакая оптика, поэтому технология надежна и на нее не влияет движение. Ее можно сделать еще более компактной, что удобно для космических перелетов, где критичны вес и размер полезного груза. Остаются некоторые проблемы с отбором образцов, выделением ДНК и подготовкой ее к секвенированию, но ничто из этого не представляет непреодолимых препятствий.

Недалек тот день, когда мы сможем послать на взятие проб с других планет робот-секвенатор, чтобы он прочитал последовательность ДНК любой внеземной микробной жизни, которая там найдется в живом виде или в виде «законсервированных» останков. Я считаю, что для НАСА или частных групп было бы гораздо важнее обзавестись подходящей буровой установкой, способной дотянуться достаточно глубоко – до горизонта с жидкой водой. Пока приходится утешаться тем, что ближайшая миссия сможет пробуриться на несколько метров, что может оказаться достаточным для обнаружения возможных признаков замороженной жизни.

Не требуется великого полета мысли, чтобы сообразить: если марсианские микробы основаны на ДНК и если мы сможем прочитать их геномную последовательность и передать ее на Землю, то мы сможем и реконструировать их геном. Синтетическая версия марсианского генома может быть затем использована для воссоздания марсианской жизни для подробного изучения – без возни с невероятно сложной логистикой доставки подлинного образца интактным. Мы можем воссоздать марсиан в лаборатории наивысшего уровня защиты – то есть в самой герметичной лаборатории – вместо того, чтобы рисковать, что они упадут в океан или разобьются в Амазонии. Если этот процесс сработает на Марсе, у нас будут новые средства изучения вселенной и сотен тысяч Земель и Сверхземель, которые открывает космический телескоп «Кеплер». Быстрая доставка на них секвенатора, конечно, лежит далеко за пределами современных ракетных технологий – планеты, обращающиеся вокруг красного карлика Глизе 581, находятся «всего лишь» в 22 световых годах от нас, примерно в 1,3×10¹⁴ милях, – но получить оттуда данные по радио можно будет всего за 22 года, и если в этой системе действительно есть развитая жизнь, возможно, она уже широко передает в эфир информацию о последовательностях, как это делали мы в последние десятилетия.

Способность пересылать программы ДНК в виде излучения будет иметь кое-какие интересные последствия. В последнее десятилетие, после того как был секвенирован мой собственный геном, моя программа была распространена в виде электромагнитных волн, разнося мою генетическую информацию далеко за пределы Земли, поскольку эти волны ушли в космос. Теперь моя жизнь несется на них со скоростью света. Есть ли где-то там форма жизни, способная понять инструкции в моем геноме, – это сама по себе неожиданная мысль, которая следует из того вопросика, поставленного Шрёдингером полвека или больше назад.

Тем теплым дублинским вечером, завершая свою Шрёдингеровскую лекцию, я напомнил аудитории о невероятном пути, проделанном наукой с тех пор, как сам Шрёдингер размышлял о природе жизни в своих судьбоносных лекциях. Примерно за семьдесят лет мы продвинулись от незнания природы нашего генетического материала к знанию того, что носитель этой информации – ДНК, раскрыли генетический код, перешли к секвенированию геномов, а теперь уже и к написанию геномов для создания новой жизни. Я едва коснулся заманчивых возможностей, созданных новым знанием и новыми умениями, которые породило доказательство синтезом того, что ДНК – это программа жизни. Мы все еще несемся на могучих волнах, поднятых лекцией Шрёдингера. Трудно представить, куда они вынесут нас в следующие семьдесят лет, но куда бы ни устремилась эта новая эра биологии, я знаю, что путешествие это будет столь же вдохновляющим, сколь и необычайным.