Знание-сила, 2009 № 09 (987) - Михайлов
«Out of Arctica»
Сполохи северного сияния взвивались тогда, словно праздничный салют в честь первых обитателей нашей планеты. Пронизывающий ледяной ветер дул над их колыбелью, как будто отгоняя злых духов от пристанища перворожденных. В оправе хрустальных льдин, в обрамлении серебристых снежинок жили они, поживали, хозяева пробужденной Земли — самые примитивные организмы, появившиеся под нашим Солнцем.
Жизнь зародилась в полярных морях, в толще льда — такую неожиданную гипотезу выдвинул в 1999 году немецкий физик, норвежец по национальности, Хауке Тринкс.
Поначалу идея казалась абсурдной. Многие его коллеги и теперь не принимают ее всерьез. Все прежние догадки о происхождении жизни, — в каких бы декорациях ни заставляли биологи свершаться это знаменательное событие, будь то на поверхности океана, возле глубоководного источника или же в космосе, далеко от нашей планеты, — объединяло общее начальное условие: жизнь зарождалась в тепле.
Еще памятный эксперимент Стэнли Миллера, проведенный в 1953 году (см. «З-С», 2/09), подтвердил, что в доисторические времена в атмосфере нашей планеты (в данном случае воздушной оболочкой служила смесь аммиака, водорода, метана и водяных паров) при температуре в несколько десятков градусов выше точки замерзания в самом деле могут возникать аминокислоты — составные части протеинов (белков).
Однако этот эксперимент вскоре перестал устраивать самих ученых. В дальнейших опытах Миллеру и его последователям так и не удалось получить сложные биомолекулы. Кроме того, состав атмосферы Земли в тот памятный миг, как выяснилось теперь, был иным. Она состояла не из аммиака и метана, которые быстро разлагаются под действием солнечных лучей, а из углекислого газа, азота и водяных паров, а этого недостаточно, чтобы образовались части «молекул жизни».
В конце концов, сам Миллер в 1998 году перечеркнул прежние надежды, проведя еще один знаменательный опыт — исследовав влияние температуры на компоненты одной из важнейших биомолекул, РНК. В этом эксперименте аденин, гуанин, цитозин и урацил — элементы, содержащиеся во всех живых клетках в составе рибонуклеиновой кислоты, — оказывались то на жаре, то на холоде. При 100 градусах Цельсия эти части РНК быстро гибли. В то же время при 0 градусов большинство их, по словам Миллера, были, в принципе, «достаточно стабильны», чтобы образовать рибонуклеиновые кислоты. Данный эксперимент окончательно убедил его в том, что молекулы жизни вряд ли могли сформироваться, например, в геотермальных источниках.
Что ж, неужели мы обязаны теперь отправиться на Крайний Север, чтобы там задуматься о том, как пробуждались к жизни частицы органического вещества? А рядом с теорией «Out of Africa» (популярным сценарием «исхода человека из Африки», см., например, «З-С», 6/01) должна занять свое достойное место гипотеза «Out of Arctica» («Исход из Арктики»)?
Конечно, тот самый «первородный бульон», над которым колдовал Миллер, закипит в тепле гораздо быстрее. С этим простодушным мнением любого кулинара согласится всякий биолог. Однако образовавшиеся соединения будут столь же стремительно разрушаться. Чтобы сохранить эти органические молекулы до того момента, когда они начнут размножаться, следует на какое-то время законсервировать их. Необходима, по словам исследователей, «энергетическая впадина», например, низкотемпературная фаза, когда процессы разложения молекул почти приостановятся.
Биореактор в белом безмолвии
«Нужно помнить следующее, — пишет Тринкс в книге «Шпицбергенский эксперимент». — Важнейшие химические реакции, необходимые для зарождения жизни, хоть и протекают в тепле быстрее, чем на холоде, но зато и образовавшиеся вещества так же быстро распадаются. Как показывают исследования, при температуре от 10 до 20 градусов Цельсия определенные биомолекулы разлагаются в считаные недели, в то время как при пяти градусах ниже нуля — в течение десятков тысяч лет». Так что жизнь может зародиться в любой среде, но лишь в оцепенении и покое — при очень низких температурах — она способна сохраниться. Лед можно рассматривать как идеальный инкубатор «молекул жизни». Он консервирует их; в его толще они могут пусть очень медленно, но зато стабильно развиваться.
Способствует этому и особая структура морского льда. Это — не монолитный блок, где на всех уровнях, во всех слоях господствуют одни и те же условия. Наоборот, при замерзании морская вода, в отличие от пресной, ввиду высокого содержания соли расслаивается. Между кристалликами льда — самые крохотные из них достигают в поперечнике 10-100 тысячных долей микрометра и состоят из чистой замерзшей воды — неизменно сохраняются крохотные пузырьки и канальцы, где циркулирует солевой раствор, содержащий определенные кислоты, простые сахара, минеральные вещества и углекислый газ. По меткому сравнению Тринкса, этот раствор — словно кровь, пульсирующая в наших жилах. Жидкость и лед разделены тончайшими пленками, которые напоминают клеточные мембраны. Все вместе это впрямь выглядит каким-то подобием живых клеток. Благодаря такой структуре лед подолгу удерживает сложные молекулярные комплексы, однажды образовавшиеся в нем; они скапливаются между отдельными его «клетками».
Остров Шпицберген
«Морской лед ведет себя, как тесто, в которое добавили дрожжи. В нем протекают разнообразные биохимические процессы. Рано или поздно, в чем я уверен, они приведут к образованию структур, напоминающих «кирпичики жизни», — полагает Тринкс.
Стоит отметить, что ультрафиолетовые лучи, опасные для всего живого, почти не проникают в толщу льда. Их поглощают близ его поверхности попавшие сюда аминокислоты. Сами они при этом частично разрушаются, а их фрагменты погружаются вглубь льда, где могут быть использованы для синтеза других сложных биологических молекул. Там же, в ледяных глыбах, отмечено поразительно высокое содержание углекислого газа, а его молекулы играют важную роль в подобном синтезе. Разность электрических потенциалов, химические различия и постоянный перепад температур лишь способствуют протеканию важнейших химических реакций, словно в настоящем биореакторе.
Подкрепляет гипотезу «холодного» зарождения жизни и мнение ряда геологов, полагающих, что около четырех миллиардов лет назад значительная часть морей на нашей планете была скована льдом. Данная гипотеза нашла поддержку даже у редакции авторитетного журнала Science. Одна из статей, появившихся на его страницах, была озаглавлена так: «Некоторые любят погорячее — но не первые биомолекулы». Разумеется, в ней говорилось о возможности зарождения жизни при низких температурах.
Хауке Тринкс
Итак, некоторые исследователи готовы назвать лед «холодным первородным бульоном». В полярных льдах, кстати, обнаружены разнообразные формы жизни, а это лишний раз свидетельствует о том, что биота может существовать в данной среде. Почему бы ей не зародиться там?
Вопрос отнюдь не академический. Если эта гипотеза найдет подтверждение, то, очевидно, жизнь гораздо шире распространена в Солнечной системе, чем считалось прежде. «Везде, на любой планете, где образовался лед, в его толще, возможно, зародилась
