Биография в десять миллиардов лет 15 страница
Главную роль в биосфере Земли играют реакции с усвоением углерода – превращение простых неорганических источников углерода, например, углекислого газа, в органические соединения, – поскольку углеродосодержащие молекулы составляют основу жизни на Земле. В общем и целом мы обнаружили 10 фундаментальных химических процессов, которые, по нашему мнению, отражают метаболический профиль жизни на Земле. Это сумма всех способов, которыми все организмы получают электрическую энергию и сырье. А вот то, как именно эти процессы связываются в единую систему циклов, общих для всех биологических видов на всей планете[143] – настоящее чудо. Например, молекулярные двигатели, при помощи которых некоторые археи производят метан, у других архей и бактерий работают в обратную сторону. Они добывают энергию, разбирая молекулы метана и превращая их обратно в углекислый газ и водород. Кому отходы, а кому и пища.
Точно так же можно обратить и большинство остальных процессов. Если не найдется вида бактерий, который располагает машинерией, позволяющей прямо и непосредственно ликвидировать результат деятельности какого-то другого вида, значит, этот обратный процесс будет выполнен постепенно, в результате цепочки взаимодействий, которая охватывает сразу много разных видов. Организмам-участникам не обязательно даже жить бок о бок в пространстве или времени. Метан, вырабатываемый где-то на планете одним коллективом организмов, найдет себе потребителей совсем в другом месте и в другое время года.
|
|
|
Все это подозрительно похоже на вечный двигатель, где один организм обеспечивает пищей другого, а тот преобразует ее снова, и при этом постоянно выделяется энергия. Это и был бы вечный двигатель, если бы обмен веществ в масштабах планеты представлял собой замкнутую систему, а это не так. В конечном итоге его обеспечивают два источника энергии, которые я уже упомянул. Во-первых, Земля еще не остыла внутри – это последствия бурных времен ее формирования, а также результат того, что в ее состав входят радиоактивные вещества, – и на ее поверхность выходит примерно 30–45 триллионов ватт геотермической и геохимической мощности. Во-вторых, ее поверхность впитывает энергию Солнца – примерно 90 000 ватт. Этот приток энергии вполне покрывает любые потери из-за пробелов во взаимозависимых метаболических циклах в живой природе.
Это очень красивая система, однако ее понимание – лишь первый шаг к ответу на вопрос, как же образовались и развились все эти микробиологические механизмы, а в особенности – как они пережили все тяготы среды обитания на планете в последние 3–4 миллиарда лет. Отчасти вопрос сводится к тому, как именно относительно небольшой набор молекулярных двигателей, в основном – белковых комплексов, оказался закодирован в генетическом материале одноклеточных микроорганизмов.
|
|
|
Результаты геохимических, а также генетических исследований позволяют нам однозначно сказать, что большинство кодов ДНК у этих двигателей восходят к глубокой древности. Некоторые в буквальном смысле оказались запечатлены в камне, поскольку целые экосистемы, которые когда-то влияли на химическое равновесие океанов и атмосферы Земли, оставили по себе слои окаменелых пород. А еще все они прослеживаются в генетических последовательностях современных живых организмов.
Некоторые молекулярные двигатели требуют для кодирования своих структур значительного объема генетической информации. Например, фотосинтез с производством кислорода – самый сложный естественный процесс передачи энергии с участием множества молекулярных соединений – описывается более чем 100 генами. И все же у нас есть свидетельства, что фотосинтез как инструмент обмена веществ[144] существовал как минимум 3 миллиарда лет назад. Очевидно, что подобные хитроумные молекулярные механизмы развились уже на самых ранних этапах истории Земли.
|
|
|
Если мы поймем, каково происхождение всех этих метаболических процессов, то приблизимся к пониманию происхождения жизни как таковой, а пока что это тайна. При этом теорий и гипотез существует множество. Например, некоторые ученые утверждают, что химические и электрические градиенты в клеточных оболочках подозрительно напоминают те, которые наблюдаются при нарушении химического равновесия и в микроскопических минеральных структурах, обнаруженных в глубоководных термальных источниках[145]. А это может указывать на возможность неорганического происхождения жизни – иначе говоря, на то, что жизнь зародилась исключительно по геофизическому и геохимическому образцу.
Подобные предположения о связи между зарождением жизни и небиологическими минеральными структурами и химическими процессами очень интересны, однако явных доказательств мы пока не получили. Есть и другие гипотезы – многоступенчатые химические реакции между органическими веществами, сложные системы реакций аминокислот, вызванные катализаторами вроде бора и молибдена в водяной среде. В результате подобных цепочек реакций могли возникать основные элементы биологии – от липидов до первых рибосом, которые помогают синтезировать белки.
|
|
|
В сущности, земная биология могла произойти и из разных источников, а не из одного. В таком случае нам следует понять, как сошлись воедино биологически полезные молекулярные составляющие из разных источников и как им удалось создать более устойчивую структуру. К счастью, это нам подсказывает сама природа.
Микробы (как, скорее всего, и их предки) печально знамениты так называемым горизонтальным переносом генов[146]: они умеют обмениваться фрагментами генетического материала между видами. Это примерно как обмениваться визитными карточками или проектами каких-нибудь изобретений. В результате выследить, как, где и когда возникают те или иные гены, становится гораздо труднее. Однако подобная неразборчивость приводит к одному важнейшему результату, который, скорее всего, прямо повлиял на зарождение жизни. В итоге такого бесконтрольного распространения генов самые важные гены оказались более или менее повсюду.
Если заплыть на корабле в открытый океан, взять пробу холодной морской воды и привезти к себе в лабораторию, можно, как правило, обнаружить в ней и те разновидности бактерий или архей, которые в норме не очень хорошо себя чувствуют на поверхности моря. Например, среди прочих не слишком уместных организмов там, скорее всего, найдутся так называемые термофилы – организмы, которым для обмена веществ и размножения нужна очень высокая температура. Холодная морская вода может быть сколько угодно неблагоприятна для подобных живых существ – в пробе они все равно будут.
Подобные эквиваленты микроскопической генетической диаспоры вы найдете на Земле практически повсеместно. Представители большинства биологических типов есть везде, даже если те или иные условия им не нравятся. Есть и исключения: недавние исследования показали, что в полярных регионах Земли есть определенные бактерии, которые не встречаются больше нигде ни в каких количествах. Однако при всех оговорках все же можно сказать, что микробиологические популяции распространены в очень большом географическом диапазоне.
И в этом есть смысл. Крошечные организмы легко переносятся по всему земному шару с водой и воздухом, и у них было вдоволь времени, чтобы проникнуть практически в каждый уголок. Однако важно понимать, что мир захватили не просто микробы, а набор генов, где записаны инструкции к молекулярным двигателям обмена веществ. Эта важнейшая группа генетических кодов описывает механизмы, которые, в сущности, сделали мир таким, какой он есть. Фалковски и его соавторы очень удачно назвали это «базовым генетическим набором планеты».
Тот факт, что микробы, которые несут базовый генетический набор планеты, живут повсюду, прекрасно объясняет то, как фундаментальные метаболические процессы сумели остаться неизменными за миллиарды лет. Дело в том, что у них по всей планете хранились резервные копии. Предположим, например, что в Землю врезается шальной астероид диаметром в десять километров с силой, эквивалентной примерно 100 триллионам тонн тринитротолуола. Этакий доморощенный «истребитель динозавров» – примерно как тот, что 65 миллионов лет назад упал на полуостров Юкатан и, вероятно, ускорил их вымирание. Или, скажем, мы заглянем на 570 миллионов лет назад, а может быть, и раньше, и обнаружим, что почти вся Земля покрыта льдом – такие периоды называют «Земля-снежок»[147]. При этом погибнет бесчисленное множество живых организмов, навеки исчезнут целые виды. Однако где-то на Земле всегда останутся бактерии или археи, несущие в себе часть базового генетического набора планеты, а значит, и инструкции для механизмов метаболизма. Микроскопические тельца одноклеточных забиваются во все щелочки и дырочки, живут на океанском дне и даже в капельках воды, составляющих облака. Отдельные микробы живут совсем недолго, но это и неважно: миллионы и триллионы одноклеточных хранят в себе гены веками и тысячелетиями. Причем некоторые виды несут по нескольку базовых генов – и не всегда применяют их для своего собственного обмена веществ.
Можно уподобить эту ситуацию – не слишком поэтически – компьютерной сети. В наши дни, когда скачиваешь электронную книгу или музыкальный файл, или даже фотографируешь что-то на камеру мобильного телефона, на руках у тебя чаще всего остается лишь копия. А другая копия либо остается на твоем компьютере, либо загружается через Интернет в какое-то другое устройство для хранения информации. Но мало того – эти «облачные» копии копируются на разные устройства, зачастую на гигантские системы серверов, расположенные на противоположных концах континента. В этом случае данные не пропадут, разве что случится конец света и мир в нынешнем виде перестанет существовать. Даже если какие-то копии пропадут или испортятся в результате отключения электричества или хакерских атак, это не страшно: где-нибудь найдется дубликат.
Можно сказать, что микробы – такие же носители инструкций по метаболизму, распространяющие их по всей Земле и не дающие пропасть с течением времени, как и компьютерные системы, которые бездумно хранят информацию, которую мы туда помещаем. Насколько надежен этот метод хранения, мы точно не знаем. Легко представить себе, что у него могут быть и недостатки, – ведь за последние 3–4 миллиарда лет наверняка случались и сбои. Однако в целом похоже, что чертежи главных механизмов жизни эта система сохраняет целыми и невредимыми.
Стоит также отметить, что базовые гены планеты сами по себе не обязательно совершенны. Метаболические механизмы, которые строятся на основании их кодов, зачастую не так эффективны, как можно ожидать согласно теоретическим химическим моделям. Например, недостатки есть и у тех молекулярных структур, которые обеспечивают фотосинтез с производством кислорода, и у тех, которые отвечают за усвоение азота. Теория показывает, что фотосинтез мог бы идти и эффективнее, а организмы, усваивающие азот, в наши дни вынуждены смягчать риск взаимодействия с реактивным кислородом, создавая избыток механизмов для усвоения белков, чтобы их хватило даже в том случае, если какие-то поломаются. Однако код подобных механизмов оставался, в сущности, неизменным миллиарды лет. Судя по всему, к совершенству никто не стремится: если механизм худо-бедно справляется с задачей, больше от него ничего не требуется.
Значит, каковы бы ни были химические причины зарождения жизни, стоило первым живым механизмам добиться хорошего результата – разработать действенную стратегию, – и они в целом ее закрепили. Это вселяет оптимизм – судя по всему, следы далекого прошлого не стерлись. Кроме того, я думаю, что это позволяет нам сформулировать надежную рабочую гипотезу. Хотя конкретные детали метаболических механизмов жизни, очевидно, могут меняться в зависимости от места и среды, общая архитектура микробиологической системы Земли указывает на универсальную закономерность. Иначе говоря, успех нашего базового генетического набора планеты и его поразительная система хранения и защиты данных, возможно, показывает, как должна вести себя любая другая биосфера на любой другой планете, чтобы сохраниться в течение очень длительного времени. Обитаемая экзопланета, скорее всего, должна обладать своим базовым набором генов, своей системой хранения бесчисленного множества запасных копий.
А это подводит нас к следующему эпизоду нашей истории, к эпизоду, где мы проследим связь жизни на Земле с космическим порядком вещей.
* * *
Вся молекулярная машинерия на Земле при всем ее многообразии состоит из одних и тех же химических кирпичиков – деталек «Лего». Есть, конечно, и небольшие отклонения – например, археи иногда пользуются определенными «зеркальными» молекулами, праворукими вариантами аминокислот, которые у всех других живых существ всегда леворукие. Однако отклонения эти касаются структуры, а не базового химического состава. Пока что все гипотезы о существовании жизни с принципиально иной биохимической основой не подтвердились, и об этом я упомяну в следующей главе.
С точки зрения Вселенной удивляться этому не следует по той простой причине, что химия, лежащая в основе жизни на Земле, примерно та же, что и химия, преобладающая во Вселенной в целом. Чтобы объяснить, в чем тут дело, давайте совершим небольшое путешествие, чтобы познакомиться со своими непосредственными предками – молекулами, создавшими Вселенную в нынешнем виде, а для этого заглянем во времена сразу после Большого Взрыва, 13,8 миллиардов лет назад.
На заре мироздания существовал только водород. И еще гелий, однако когда после Большого Взрыва прошло несколько сотен тысяч лет и пространство юной Вселенной понемногу остывало, самое блестящее будущее было именно у реактивного водорода. В отличие от инертного газа гелия, который почти всегда существует в виде одноатомной молекулы и ни с чем не соединяется, водород обладает огромным потенциалом для формирования молекул, прежде всего с самим собой – H2, а без молекулярного водорода невозможно создание звезд и тяжелых элементов, а следовательно, и всей химии на свете. Ученые почему-то не афишируют тот факт, что астрофизика на самом деле началась с молекулярной химии. Все дело в том, что одиночные атомы водорода, носящиеся в космическом пространстве, располагают ограниченными возможностями для потери энергии движения. Если материя не может остыть, она не способна сформировать плотные структуры вроде пыли или звезд. Даже если атомы водорода налетают друг на дружку, остывать для них – занятие очень неэффективное: это может произойти только в том случае, если они преобразуют энергию в фотоны, которые испускаются в пространство, а таким простым атомам это трудновато. Молекула водорода, которая состоит из двух протонов, связанных взаимным электрическим притяжением к двум электронам – это совсем другая история.
Молекула водорода – это как два мячика, соединенные пружинкой, она может буквально вибрировать и вращаться, что открывает совершенно новый канал для потери тепловой энергии. Сталкивающиеся молекулы конвертируют часть энергии движения в энергию высвобождаемых фотонов. Эти довольно податливые молекулярные пружинки могут успокаиваться быстрее, чем атомы, которые ведут себя как твердые бильярдные шары, поэтому они быстрее остывают.
А значит, стоило Вселенной начать создавать из атомов водорода подобные простые молекулы, температура газа стала падать гораздо быстрее. Холодный газ хуже сопротивляется гравитационному сжатию, поэтому появление молекулярного водорода прямо привело к формированию первого поколения звезд. А в результате запустило и производство всех более тяжелых элементов.
Однако Н2 – не единственный сорт молекул водорода, который производит Вселенная. Если мы выясним, какие виды молекул встречаются в космосе, мы обнаружим, что второе место по численности после простой двухатомной версии молекул водорода занимает трехатомный вариант H3. Это всего-навсего три протона, связанные двумя электронами, а поскольку третьего электрона молекуле не хватает, она в целом заряжена положительно.
Молекула H3++ весьма примечательна[148]. Подобно обычной молекуле водорода, она играет важнейшую роль в остывании газа. Кроме того, она очень реактивна, и этим объясняется большинство так называемых молекулярно-ионных реакций в межзвездном пространстве. Ее спектроскопические среды мы обнаруживаем в самых удивительных местах, например, в атмосфере Юпитера. Вполне можно сказать, что обычная молекула водорода – это вселенская молекула-бабушка, а H3 – молекула-мать.
Если составить список химических реакций, в которых участвует H3++, станет видно, что они очень разнообразны. В результате этих взаимодействий, в частности, получается вода. А еще – синильная кислота, которой у нас есть все основания остерегаться, однако следует помнить, что она же служит ингредиентом для создания различных предшественников биомолекул, в том числе аминокислот. Кроме того, в итоге цепочек реакций, которые запускает H3+, возникают метиловый и этиловый спирты и ацетилен[149]. А когда мы проследим всевозможные варианты развития событий, то обнаружим, что именно H3 лежит у истоков формирования все более и более длинных цепочек молекул на основании углерода – структур, которые приближаются к биологическим молекулам так близко, что становится даже страшно.
Запуск химических реакций позволяет нам сделать далеко идущие выводы по поводу истоков космической химии. Как я уже упоминал, углерод – это атом, сочетание внешних электронов и общих размеров которого позволяет ему создавать поразительно разнообразные молекулярные структуры. А в сотрудничестве с H3++ он, судя по всему, способен на все в пределах термодинамических ограничений, которые налагает холод межзвездного пространства.
И в самом деле, астрономы и астрохимики обнаружили, что Вселенная прямо-таки полна углеродосодержащих молекул. При помощи разных астрономических приемов удалось выявить в космическом пространстве свыше 180 разных видов молекул, и более 70 % из них углеродосодержащие. Ожидается, что этот список – всего лишь верхушка айсберга, поскольку в космосе наверняка есть самые разные более крупные молекулы, однако, чем они больше и сложнее, тем труднее их зарегистрировать, поскольку их спектральные признаки сильно смазаны.
Рис. 12. Схема образования некоторых химических соединений с участием молекулы H3+.
Возможны также реакции, которые приводят к созданию все более и более длинных цепочек атомов углерода и возникновению самых разных молекул (справа).
Еще богаче ассортимент химических соединений в более плотной и бурной среде вокруг формирующихся звезд и планетных систем. Зачастую в таких местах наблюдается огромное количество молекул воды, а также самые разнообразные органические углеродосодержащие соединения, чем дальше, тем больше. Мы видим там молекулы спирта и сахара, а также следы предшественников аминокислот вроде глицина. Все это обретает особый смысл, если взглянуть на происходящее, вооружившись познаниями в химии. Одновременно с наблюдениями ученые разрабатывают и математические модели химических процессов, которые должны происходить в подобных средах, – и мы обнаруживаем, что на практике происходят именно такие реакции, возникают именно такие соединения, какие предсказываются моделями. Фундаментальная химическая теория предсказывает все, что мы видим, – но не только.
Проще говоря, мы живем во Вселенной, где преобладают углеродосодержащие химические соединения, а это коренится в самых что ни на есть основах ядерной физики и объясняется тем, какие компоненты вещества были получены в результате Большого Взрыва. Совсем не трудно сложить два и два – знания о залежах древних химических богатств, которые мы обнаруживаем в кометах и метеоритах, и знания о земной биохимии[150]. Все наши открытия сильно затрудняют разработку каких бы то ни было альтернативных сценариев.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 165; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!