Если бы мы точно знали, где именно на ранней Земле существовала первая живая материя, мы могли бы сузить промежуток времени, когда химия нашей молодой планеты породила жизнь. Поэтому ученые без устали ищут признаки самой ранней жизни на Земле, хотя задача эта исключительно трудная. Отчасти дело в том, что от древней земной коры осталось очень мало, ведь почти все самые старые породы на Земле уничтожены субдукцией. Более того, немногочисленные оставшиеся области очень древней земной поверхности сильно видоизменились за миллиарды лет жа́ра и давления, уничтоживших даже те скудные следы, которые еще оставались в этих породах. Хуже того, микроскопические минеральные структуры, поразительно похожие на останки живой материи, могут возникать в результате неожиданно широкого ассортимента небиологических процессов. Если что-то похоже на окаменелую бактерию, совсем не обязательно, что это она и есть. Интерпретировать формации, обнаруженные в древних породах, нужно с необычайной осторожностью и осмотрительностью. Но если так, что же можно считать древнейшим надежным свидетельством существования жизни на Земле?

Пожалуй, лучшие и, так сказать, самые веские доказательства существования ранней микробной жизни – остатки, сохранившиеся в твердых слоистых структурах под названием строматолиты, созданных микроорганизмами. Строматолиты формировались (и сейчас формируются), когда липкие «коврики» из микробов захватывают осадочные породы и склеивают их в слои. В дальнейшем в этих слоях осаждаются минералы и получаются прочные структуры с характерной слоистостью, нередко в форме круглых или конических куполов. Строматолиты можно наблюдать и сегодня – они растут на морском мелководье. Очень хорошо сохранившиеся окаменелые строматолиты возрастом 2,5 миллиарда лет находят на Земле в нескольких местах, но самые древние строматолиты обнаружены в Западной Австралии. Их возраст – около 3,4–3,5 миллиарда лет, и их вот уже несколько десятилетий основательно изучает австралийский астробиолог Мартин Ван Кранендонк, а также его коллеги и ученики. Благодаря этим тщательным и подробным исследованиям можно быть уверенным, что меньше чем через миллиард лет после образования Земли на морском мелководье была широко распространена жизнь. Однако миллиард лет – долгий срок, почти четверть истории нашей планеты. Сумеем ли мы точнее установить самый ранний момент, когда жизнь уже точно существовала?

Увы, все попытки найти бесспорные доказательства существования микробной жизни в более ранние времена остаются в лучшем случае спорными. Микроскопические окаменелости, похожие на клетки, со стенками, состоящими из органических материалов с содержанием углерода и азота, обнаружены в древних породах в Австралии, Гренландии и Южной Африке. Но что представляют собой самые древние из этих ископаемых (возрастом 3,4–3,7 миллиарда лет) – действительно окаменелые микроорганизмы или просто небиологические структуры, – неясно. Подобным же образом формации, найденные в жерле древнего гидротермального источника в зеленокаменном поясе Нуввуагиттук в канадской провинции Квебек, которые приняли за микроскопические ископаемые, предположительно, старше 4,3 миллиарда лет на основании того, что в них обнаружились трубочки и волоконца из особой ржавчины, заключенные в слоях кремнезема, сейчас считаются просто минеральными структурами абиотической природы (то есть не имеющими отношения к живой материи). Признаком очень древних живых организмов считалось и соотношение изотопов углерода в графите внутри кристалла циркона возрастом целых 4,1 миллиарда лет. Однако сегодня полагают, что этот графитовый углерод произошел из небиологического источника. Хотя ни одно из этих предполагаемых свидетельств существования очень древней жизни не добилось всеобщего признания, следует отметить, что все усилия по ее поиску способствуют прогрессу технологий, применяемых для описания этих древних микроскопических структур. Мы, безусловно, можем надеяться, что когда-нибудь дальнейший технологический прогресс снабдит нас надежными данными о возрасте самых ранних живых организмов.

Исследователи пытаются делать заключения о том, когда появилась микроскопическая жизнь на ранней Земле, и при помощи совсем иного метода – так называемых молекулярных часов. Сравнивая геномы современных организмов и предполагая (какое смелое предположение!), что нейтральные мутации всегда происходят примерно в одинаковом темпе, можно выдвинуть осторожную гипотезу о существовании последнего универсального общего предка – это уже упоминавшийся LUCA, по определению самый ранний общий предок всех современных живых организмов. Поскольку LUCA обладает общими биохимическими чертами с современными бактериями, археями и эукариотами (три домена клеточных живых организмов), считается, что по сложности он напоминал современных микробов – у него был геном ДНК, рибосомы для синтеза белков, много белковых ферментов, сложный метаболизм и развитые в ходе эволюции клеточные мембраны. Поэтому эволюционная дистанция между LUCA и первыми протоклетками огромна. Сколько времени потребовалось, чтобы от первых, самых простых клеток дойти до LUCA, совершенно неясно, и это остается одной из главных загадок. Применение молекулярных часов, как правило, дает для LUCA очень раннюю датировку (более 4 миллиардов лет назад), однако сам принцип молекулярных часов не лишен существенной неопределенности, поскольку темп эволюции мог быть совсем разным. В частности, мы могли бы ожидать, что на очень ранних этапах точность репликации ДНК была ниже, отчего ошибок было больше, так что в древние времена молекулярные часы могли идти значительно быстрее. А тогда наши представления о древности живых существ ошибочны. Поэтому, если (и пока) не будут получены новые, более точные, данные, момент зарождения жизни мы можем определить лишь весьма и весьма приблизительно.

Вдобавок к вопросу «когда» давние споры среди исследователей происхождения жизни вызывает и вопрос «где» на Земле появилась первая жизнь. В современную эпоху первым о том, какие места и условия подходили бы для зарождения жизни, заговорил Чарльз Дарвин. Он описывал «теплое озерцо со всякого рода солями аммония и фосфорной кислоты, где достаточно света, тепла, электричества и т. п.». Дарвин ничего не знал о роли нуклеиновых кислот в наследственности и о том, какие химические реакции порождают нуклеотиды, аминокислоты и липиды, однако высказал предположение, намного опережавшее его время. Небольшие озерца позволяют ингредиентам живой материи концентрироваться при испарении, а ультрафиолетовому свету запускать необходимые реакции. Эта модель за последующие полтора столетия стала гораздо сложнее, и теперь теплое озерцо рассматривается в более широком контексте вулканической или вызванной метеоритом гидротермальной активности, о чем мы вскоре поговорим подробнее.

Но прежде чем мы вернемся к геофизическому и геохимическому контексту первородного озерца, нам следует обсудить другую модель места происхождения жизни – глубоководные гидротермальные источники. Эту модель широко обсуждали в популярной прессе. Мотивация для рассмотрения глубоководных гидротермальных источников основана на том, как активно эти места колонизирует современная жизнь – это и правда роскошное зрелище. Высокотемпературные источники расположены на морском дне в тех местах, где магма поднимается, остывает и заполняет щели между тектоническими плитами, когда они раздвигаются. При этом формируется новая кора. Здесь вдоволь энергии в форме градиентов окислительно-восстановительного потенциала (цепочек окислительно-восстановительных реакций), которые возникают за счет циркуляции морской воды в трещинах породы, а также к тому, что восходящие потоки горячей воды поднимают к поверхности этой породы восстановленные ионы металлов. Эти ионы металлов, очутившись в большом объеме воды, реагируют с кислородом в морской воде и осаждаются в виде облаков оксидов и гидроксидов металлов, отчего такие скважины и прозвали «черными курильщиками». Совсем другие источники – низкотемпературные, боковые клапаны, которые выбрасывают фонтаны щелочной воды в более кислотную морскую, что опять же дает энергию, которую и собирают с большим успехом всевозможные живые существа, в изобилии водящиеся в таких местах.

Однако, даже если современная жизнь колонизирует какую-то среду, это не значит, что такая среда подходит для зарождения жизни. Так что давайте ненадолго остановимся на модели происхождения жизни возле термальных источников на морском дне. Вскоре после открытия щелочных источников британский геолог Майкл Рассел и микробиолог Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе предположили, что микроскопические поры в скважинах щелочных источников могли играть роль первых протоклеток – сначала в них запустился метаболизм, а потом на их основе возникли настоящие клетки. Согласно такой модели «сначала метаболизм», простые химические реакции, катализируемые ионами металлов, привели к возникновению более сложных метаболических путей, в результате чего и были «изобретены» способы синтезировать нуклеотиды, аминокислоты и липиды, а в дальнейшем осуществлен переход к клеткам, обладающим нуклеиновыми кислотами, чтобы передавать наследственную информацию, и белками, чтобы катализировать реакции. Увы, такая модель с химической точки зрения фундаментально ошибочна. Прежде всего, нет никакого химически реализуемого способа наладить метаболические пути и циклы в отсутствие мощных катализаторов вроде РНК и белковых ферментов, которые, конечно, должны кодироваться генами нуклеиновых кислот, в свою очередь, возникших в результате дарвиновской эволюции.

Несмотря на десятилетия дискуссий, так и не было обнаружено никаких данных о том, чтобы возле глубоководных гидротермальных источников шли какие бы то ни было предбиологически возможные химические реакции, которые хотя бы как-то могли привести к образованию нуклеотидов и РНК, аминокислот и пептидов или липидов и мембран. А без базовых химических реакций, необходимых для синтеза строительного материала живых клеток, считать гидротермальные источники на морском дне подходящим местом для возникновения жизни – фундаментальное заблуждение.

Перечислять остальные недостатки этой модели, пожалуй, даже излишне, но все же мы это сделаем для полноты картины. Во-первых, химические реакции, посредством которых химик Джон Сазерленд и его коллеги сумели создать нуклеотиды РНК и аминокислоты (как описано в главах 3 и 4), требуют геологических условий, допускающих концентрирование исходных материалов. Это несложно на поверхности Земли, где простые физические процессы вроде испарения, кристаллизации и замерзания способны обеспечить концентрирование основных исходных материалов и промежуточных продуктов, которое невозможно достичь в большом океане, где все химические вещества просто будут разбавлены и потеряны. Во-вторых, многие процессы, необходимые для зарождения жизни, как выяснилось, идут под воздействием ультрафиолета, а следовательно, просто невозможны на дне океана. В-третьих, сложная и многообразная среда на поверхности обеспечивала разные химические процессы в разное время и в разных местах, а затем результаты этих процессов комбинировались, чтобы проделывать последовательные шаги на пути к возникновению жизни. Иначе говоря, жизнь должна была зародиться на суше, в озерцах и лужах, где Солнце имело возможность одновременно обеспечить и ультрафиолетовое облучение, и циклы намокания—высыхания и замерзания—оттаивания (с помощью геотермального тепла), и накопление запасов промежуточных продуктов. Так или иначе, гипотеза возникновения жизни возле глубоководных геотермальных источников – классический пример того, как устойчивое заблуждение, порожденное интересным открытием, но упорно сохраняемое вопреки всем новым данным, тормозит прогресс в целой научной области, так как отвлекает и ресурсы, и внимание от более реалистичных сценариев.

Итак, вынырнув, так сказать, из глубин, задумаемся о других местах, где могла зародиться жизнь, ведь условия на поверхности Земли четыре миллиарда лет назад были не менее разнообразны, чем сегодня. Важно помнить, что переход от безжизненной поверхности планеты даже к самым простым ранним протоклеткам – процесс не одношаговый. Чтобы сформировать и сохранить живую материю, нужно сочетание множества компонентов, и не все они могут синтезироваться или находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Как создавались, накапливались, а затем комбинировались разные ингредиенты жизни, остается увлекательной головоломкой, однако сегодня мы уже различаем фрагменты общей картины. Карбонатно-щелочные озера мало напоминают теплое озерцо Дарвина, однако у них есть некоторые свойства, которые делают их идеальными по крайней мере для двух из числа первых шагов к возникновению жизни. Астробиологи Джонатан Тонер и Дэвид Кэтлинг из Вашингтонского университета благодаря тщательному моделированию первыми показали, что такие озера могли накапливать ферроцианидные комплексы на протяжении долгого времени: они улавливали циановодород, выпадавший в виде разбавленного раствора с дождем, и создавали цианидные запасы. В тех же озерах накапливался и фосфат в растворимой форме, а значит, он был доступен в качестве буфера рН, кислотно-основного катализатора и составной части нуклеотидов, из которых строится РНК.

Нечего и говорить, что эти процессы не могли идти в океанах. Накапливать ферроцианиды в виде осадков – хороший способ создать запас важнейшего исходного материала цианида, однако соли ферроцианида должны пройти термическую обработку, чтобы появился более богатый ассортимент химических соединений. В вулканически активных областях это несложно – если, например, лава зальет высохшее озерцо с ферроцианидными отложениями. Похожее воздействие оказали бы тепло и давление от падения метеорита: цианид высвободился бы, так сказать, из железной хватки и отчасти превратился в богатые энергией соединения вроде цианамида и других производных цианида. В дальнейшем дождевая вода, просачиваясь сквозь трещины в породе, растворила бы эти соединения – и грунтовые воды насытились бы реакционноспособными исходными молекулами. Затем эти воды доставили бы свой груз в пруды и озера, больше похожие на теплое озерцо по Дарвину, которое, как он и предсказывал, наполнится фосфатами и углеродно-азотистыми соединениями, необходимыми для запуска живой материи. На поверхности Земли, под воздействием ультрафиолета и в присутствии вулканических газов вроде сероводорода и двуокиси серы, вполне могла совершиться та самая цианосульфидная окислительно-восстановительная фотохимическая реакция, о которой мы подробно говорили в главах 3 и 4, в результате чего появлялись нуклеотиды и аминокислоты.

А когда в какой-то локализованной среде на поверхности Земли возникали концентрированные нуклеотиды, аминокислоты и тому подобные соединения, вполне могли строиться и более крупные и сложные молекулы, поскольку этому способствовали самые разные физические процессы, в том числе циклы намокания—высыхания и замерзания—оттаивания. Например, активированные нуклеотиды могут связываться в короткие цепочки РНК при частичном высыхании, при котором образуется ил или паста, в которой нуклеотиды настолько концентрированы, что начинают реагировать друг с другом и создавать короткие олигомеры. Подобным же образом активированные нуклеотиды, растворенные в воде, не полимеризуются, но если раствор замерзает, что вполне могло случиться зимой, в нем идет полимеризация, так как нуклеотиды концентрируются в тонких прослойках жидкости между растущими кристаллами водяного льда. Циклы намокания—высыхания ведут и к образованию пептидов. В ходе одного интересного процесса альфа-оксикислоты при высыхании спонтанно реагируют друг с другом и формируют полимеры под названием полиэфиры. Затем эфирные связи подвергаются атаке аминокислот, и получается смешанный полимер из аминокислот и оксикислот. Дальнейшие циклы намокания—высыхания в присутствии аминокислот порождают короткие пептиды.

Другой интересный вариант состоит в том, что растворенный в воде циановодород в присутствии сульфида гидролизуется и образует формамид, гораздо менее летучий, чем вода. Поэтому при испарении воды остается жидкость, состоящая по большей части, а может быть, и исключительно из формамида[28], а тот по стечению обстоятельств служит прекрасным растворителем для целого ряда важных органических реакций. Наконец, мы уже обсудили, что РАО, промежуточный продукт на пути к нуклеотидам, и CV-DCI, запасная форма цианацетилена, прекрасно кристаллизуются из воды, что теоретически позволяет накапливать очищенные запасы этих важных соединений в поверхностных отложениях. Суть в том, что все эти взаимосвязанные физические и химические процессы могут происходить только на поверхности, а это надежное, хотя и косвенное доказательство, что жизнь как таковая могла зародиться только на поверхности, а не в окрестностях глубоководных термальных источников. Главное, что нам стоит усвоить, – что модели, которые оставляют без внимания многошаговые химические реакции, необходимые для создания и накопления важнейших элементов живой материи, не могут считаться реалистичными моделями происхождения жизни и не способствуют научному прогрессу. Напротив, модели, которые учитывают и исследуют многоступенчатые химические пути со всеми их сложностями, показывают нам, какая геохимическая среда подходила для зарождения жизни, а изучение подходящих условий на поверхности, в свою очередь, приводит к открытию реалистичных химических процессов, которые могли поспособствовать зарождению жизни.

Если задуматься о процессах более высокого уровня, например о неферментной репликации ДНК и о росте и делении протоклеток, мы снова обнаружим, что для распространения первых живых организмов требовались динамичные, изменчивые условия. Почему это так, мы поймем, если сравним процессы репликации, катализируемой ферментами, в современной биологии и совершенно иную по природе своей неферментную репликацию РНК в простых протоклетках. У современных живых существ, будь то люди, бактерии или вирусы, репликацию запускают сложные ферменты, использующие «энергетическую валюту» аденозинтрифосфат (АТФ). Важнейший аспект любой ферментной репликации состоит в том, что хеликазы – ферменты, использующие АТФ – разъединяют цепочки двойной спирали ДНК, чтобы одинарные цепочки было легко копировать. Благодаря этому репликация может идти при постоянной температуре. Для разделения цепочек двойной спирали не нужно периодическое нагревание, поскольку необходимую энергию дает АТФ. Напротив, если ни ферментов, ни АТФ нет, репликация при зарождении жизни должна была проходить совсем иначе. Эксперименты показали, что один из способов обеспечить противоречивые на первый взгляд условия – это температурные циклы. Например, очень короткие олигонуклеотиды (короткоцепочечные полимеры нуклеиновых кислот) легко могут связываться с более длинной цепочкой-матрицей при низких температурах, а следовательно, для удлинения коротких праймеров нужна низкотемпературная среда. Однако сама по себе репликация не может происходить при постоянной низкой температуре, поскольку более длинные олигонуклеотиды «застревают» в стабильных двойных цепочках и нужны высокие температуры, чтобы разделить нити таких дуплексов и обеспечить копирование. Следовательно, для неферментной репликации РНК, по-видимому, требуется среда с циклами высоких и низких температур. Более того, РНК – молекула довольно хрупкая и распадается при длительном нагреве. Поэтому среда, в которой зародилась жизнь, должна была быть по большей части прохладной, но с краткими всплесками высоких температур, обеспечивающими разъединение цепочек. Примечательно, что озера в вулканически активных областях, например озеро Йеллоустон, и в кратерах от падения астероидов (кратерные озера) обеспечивают именно такую среду. Первые клетки могли ненадолго попадать в выбросы горячей воды из источников на дне прудов и озер, но холодная озерная вода тут же остужала их снова. Иными словами, хотя современные клетки, возникшие в ходе эволюции, могут выживать в стабильной, не меняющейся среде, примитивные простые клетки требовали динамики и переменчивости, без которых был невозможен циклический процесс репродукции.

Как ни поразительно, теперь мы думаем, что жизнь на Земле могла возникнуть в месте, очень похожем на «теплое озерцо», которое так провидчески описывал Дарвин. На основании экспериментов и наблюдений, подобных тем, о которых мы говорили, мы можем заключить, что этот водоем должен был располагаться на поверхности Земли, где подвергался воздействию ультрафиолета и где вода была богата определенными металлами и минералами, в частности железом и фосфатами. Кроме того, в нем должны были идти циклы намокания—высыхания, которые обеспечивали высокие концентрации важнейших ингредиентов. С нашей точки зрения, всем критериям для колыбели жизни на Земле удовлетворяли места двух типов: горячие источники в вулканических областях и кратеры от падения астероидов. Несмотря на разницу в происхождении, у них много общего – циркуляция горячей воды сквозь трещины в породе, благодаря которой на поверхности прудов и озер попадают ионы и химические соединения, и флуктуации температуры при гидротермальных выбросах. Эти общие свойства не позволяют сказать, какой из типов больше подходит на роль колыбели жизни.

Итак, первые размножающиеся протоклетки закрепились в благоприятной местной среде и начали к ней адаптироваться в ходе дарвиновской эволюции. Чего нам теперь ожидать? Первые достижения эволюции предположительно позволили исправить все недостатки неферментной репликации РНК и избавили клетку от необходимости внешних триггеров для роста и деления мембраны. Это могло произойти благодаря эволюции целого ряда РНК-ферментов, которые повышали точность и производительность этих фундаментальных клеточных процессов. Появление РНК-ферментов потребовало постепенного повышения емкости, поскольку нужно было вмещать в себя все более крупные геномы. Это, в свою очередь, подтолкнуло эволюцию новых функций, которые позволили этим клеткам, все еще примитивным, исследовать новую среду и адаптироваться даже к таким условиям, где они раньше не могли выжить. Насколько клетки из мира РНК (до эволюции кодированного синтеза белков) могли распространяться в области с новыми условиями, совершенно неясно. Если метаболизм, катализируемый РНК, был в принципе возможен, такие клетки, вероятно, были способны проникать во все менее питательные среды, поскольку в ходе эволюции обрели способность синтезировать необходимые вещества внутри себя. В любом случае очевидно, что после эволюции синтеза белков, а следовательно, появления структурных белков, мембранных белков и ферментов жизнь начала все активнее распространяться по планете. Сегодня трудно представить себе места, не колонизированные живыми организмами, в том числе даже там, где условия необычайно суровы – скажем, возле гидротермальных источников на океанском дне.

Способность живых существ адаптироваться (в эволюционном смысле) к новому окружению играет важную роль в поисках жизни на других объектах нашей Солнечной системы. Мы знаем, что между планетами, которые вращаются вокруг Солнца, шел активный обмен материалами. Например, многие фрагменты Марса, выбитые при его столкновениях с астероидами, упали на Землю в виде метеоритов. Поэтому нельзя исключать, что микроскопическая жизнь могла перемещаться между планетами на каменных обломках после крупных соударений. Теперь, когда мы начинаем исследовать каменные планеты и спутники газовых гигантов Юпитера и Сатурна, поиски жизни стоят на одном из первых мест в списке наших задач. Но если мы и правда обнаружим жизнь – или существующую, или следы древней вымершей жизни, – надо быть готовыми к тому, что у нее будет общее происхождение с жизнью на Земле и зародилась она не независимо. Поиски признаков жизни на Марсе становятся все увлекательнее с ростом технологических возможностей наших марсоходов. Например, марсоход НАСА «Персеверанс» целенаправленно сел в марсианский кратер Езеро, поскольку все указывает на то, что в этом кратере было пересохшее озеро, а значит, там когда-то могла зародиться жизнь. С другой стороны, межпланетная станция НАСА «Европа Клиппер», запуск которой намечен на октябрь 2024 года[29], проверит гипотезу о пригодности для жизни подповерхностных океанов. В ходе ее миссии будет исследована ледяная луна Юпитера Европа – именно потому, что на этом спутнике, под коркой льда, скорее всего, есть океан жидкой воды. В главе 8 мы объясним, почему условия в таком подповерхностном океане – по крайней мере теоретически – подходят для поддержания жизни. Суть в том, что даже если жизнь не могла зародиться в океанских просторах, океаны способны сохранять и поддерживать ее, если живые организмы попадают в их воды. В случае Европы живая материя могла попасть в океаны с метеоритами, выбитыми в результате столкновений планет с крупными астероидами, скажем, с поверхности Марса.

Так насколько часто или насколько редко встречается жизнь в нашей Галактике и во вселенной за ее пределами? Вывод ясен. Практически невозможно составить себе полную и научно строгую картину зарождения жизни, если в нашем распоряжении всего один такой пример. Это вынуждает нас пуститься на поиски признаков жизни или, по крайней мере, сигнатур предбиологической химии за пределами родной планеты.