Часть III
Микробная жизнь

Наша Вселенная появилась примерно 13,7 миллиарда лет назад, а где-то 10 миллиардов лет назад в результате ее расширения возникли галактики и звезды. Солнце, Земля и все остальные объекты нашей Солнечной системы сформировались 4,6 миллиарда лет назад. Около 3,8 миллиарда лет назад на Земле зародилась жизнь (рисунок 11.1). Но как же это произошло?

Рисунок 11.1. Большой взрыв

Теории происхождения жизни (а таковых известно множество) предлагают различные объяснения тому, как древняя физическая химия Земли трансформировалась в химию жизни и как из неживой материи появились живые организмы. Все начинается с Большого взрыва, который подарил Земле ее изначальный химический состав. Известные нам химические элементы Земли – то есть элементы периодической таблицы – по сути являются следами звездной пыли, попавшей на Землю в результате Большого взрыва и последовавших за ним вспышек сверхновых. Можно уверенно утверждать, что все существующее на Земле, живое и неживое, состоит из химических элементов космического происхождения: воздух, которым мы дышим, земля, по которой мы ходим, вода, которую пьем и в которой плаваем, растения и животные, которых мы потребляем в пищу или держим дома, даже ваше собственное тело, мозг и сознание, которые вы используете, чтобы делать все вышеперечисленное.

Сначала Земля существовала в виде горячей расплавленной массы, но 4,2 миллиарда лет назад ее поверхность остыла до той температуры, при которой сформировалась твердая кора, окруженная примитивной атмосферой, состоявшей преимущественно из углекислого газа, водяного пара и азота. Из пара, поднявшегося из вулканов, и воды с падавших на Землю метеоритов появились океаны. Жизни в тот момент еще не существовало, но то, что для нее было необходимо (в том числе вода, углерод и высокая температура, которая нужна для протекания химических реакций), имелось.

Вода стала средой, в которой одни химические соединения растворялись, а другие образовывались. Например, если насыпать столовую соль в стакан с водой, она сразу растворится: молекулы кислорода и водорода из воды притягивают натрий и хлор, соответственно, молекулы соли распадаются.

Углерод – это маленький атом, который легко взаимодействует (то есть химически связывается) с соединениями других маленьких атомов. Соединения на основе углерода являются основой живой материи; они относительно стабильны и с трудом растворяются в воде (мы же не разваливаемся, когда плаваем). Их распаду способствует повышение температуры окружающей среды. В ранний период существования нашей планеты источников высокой температуры было в избытке – солнечный свет, вулканы, подземная магма в мантии Земли и бьющие в воду молнии. Атомы молекул углерода, высвободившиеся в результате растворения его соединений под действием высоких температур, начали образовывать новые комбинации.

Используя информацию о древних углеродсодержащих молекулах, Дарвин предположил, что жизнь зародилась в некоем первобытном пруду, в который ударила молния. Неживые соединения углерода распались и соединились заново в структуру, претерпевшую характерные для живого сложные преобразования. Биолог Д. Б. С. Холдейн расширил и популяризовал эту идею, которая стала известна под названием «теория первичного бульона происхождения жизни». Однако первобытной физической химии Земли даже при участии химии на основе углерода вряд ли было бы достаточно для того, чтобы согласно дарвиновскому сценарию появилась жизнь. Израильский химик А. Просс считает, что для возникновения жизни требовалось бы переписать законы химии. Химию добиологического мира (то есть мира до появления биологии, или жизни) он называет обычной, а ту, что заложила основу жизни, – репликативной.

Посредством обычной химии атомы могут соединяться и образовывать молекулы на основе углерода. В формировании клеток – основных единиц живого – ключевую роль сыграли молекулы на основе углерода, которые состоят всего из шести элементов периодической таблицы (собственно углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы), включающей 118 элементов. Каждый из этих шести элементов присутствовал в добиологическом мире и вошел в состав белков, жиров и углеводов (таблица 11.1). Белки – основа функционирования клетки: они работают как рецепторы, распознают полезные вещества, отвечают за привлечение веществ внутрь клетки и выведение их из нее, а еще как ферменты, регулирующие химические реакции, ответственные, например, за метаболизм (способность клеток производить энергию). Еще белки вносят свой вклад в формирование внутренней матрицы, придающей форму. Хотя углеводы тоже влияют на структуру клеток, их основная роль – производство и хранение энергии. Жиры формируют вокруг клетки оболочку, или мембрану, которая отделяет ее от внешнего мира; кроме того, в жирах хранится энергия, и они обеспечивают клетку теплом (вспомните, как работает жировая прослойка).

Таблица 11.1. Элементы, составляющие биологические молекулы

Репликативная химия также включает в себя взаимодействие соединений на основе углерода – в данном случае нуклеотидов, которые состоят из тех же элементарных атомов, что и упомянутые выше органические соединения, но соединения, получающиеся с участием нуклеотидов, необычны: они называются нуклеиновыми кислотами, известными вам как ДНК и РНК. Эти химические вещества способны самовоспроизводиться, и эта их способность позволяет понять, как благодаря репликативной химии возникла жизнь.