Обитатели земных глубин позволяют пересмотреть вопрос о происхождении живых организмов, поскольку заставляют иначе отнестись к самой природе жизни. Они показывают, что можно пожертвовать ста годами жизни, если это соответствует вашей эволюционной траектории, что достижение термодинамических пределов нестрашно при наличии правильных ферментов и что почти каждый минерал на Земле способен обеспечить химические ресурсы для поддержания жизни. Это сближает наши представления о биологии с нашими представлениями о геологии, как и должно быть, если мы хотим понять, как жизнь возникла в мире, где были только горные породы, минералы, газы и жидкости. Впрочем, идея слияния биологии и геологии не нова. В 1926 году Владимир Вернадский (1863–1945) предложил использовать термин “биосфера”, чтобы рассуждать о них как о единой системе1.
В этой и следующей главе я постараюсь использовать понятие о единой биосфере для ответа на три фундаментальных вопроса. Где, как и когда зародилась жизнь? А потом потихоньку перейду к мучительному четвертому вопросу: почему она возникла? Для этого я расскажу о своем путешествии к таким местам, где это могло произойти, – к глубоководным гидротермальным источникам. И объясню, почему то, что мы там обнаружили, навсегда изменило наши представления о собственном происхождении.
Где и как на Земле впервые возникла жизнь?
Вопросы о том, где и как зародилась жизнь, трудно разделить, поскольку место определяет среду и условия – если исходить из того, что жизнь началась на Земле. В соответствии с одной гипотезой, называемой теорией панспермии, жизнь на Земле имеет внеземное происхождение. Скажем, на Марсе когда-то в древности существовал океан, а эта планета находится недалеко от Земли, так что, быть может, земная жизнь зародилась там. Перенося возникновение жизни на Марс, мы приходим к интересным выводам (не последний из них заключается в том, что мы все инопланетяне), однако не отвечаем на вопрос, в какой среде впервые возникла жизнь. Мне всегда казалось, что жизнь должна была возникнуть в каком-то глубоком и темном месте со множеством возможностей.
Законы термодинамики позволяют приблизиться к ответу на вопрос, где и как зародилась жизнь, поскольку устанавливают параметры для жизни. На поверхности нашей планеты самый мощный градиент энергии создается солнцем. Если зарождавшейся жизни нужен был мощный заряд энергии, вероятно, она возникла на поверхности. Но если жизнь началась на поверхности, она должна была быстро эволюционировать таким образом, чтобы защититься от солнечных ожогов, поскольку неистовость солнца разрушает органические молекулы. Напротив, если зарождавшейся жизни нужно было много небольших градиентов энергии, которые друг друга подпитывали, образуя своеобразные энергетические лестницы, тогда нашим древнейшим домом могли быть земные недра. Породы в земной коре создают хорошие возможности для зарождения жизни с широким спектром метаболических ниш, защищенных от опасных солнечных лучей.
В таком контексте предпочтительнее оказывается версия зарождения жизни под землей: хотя солнечный свет и кислород совершенно точно необходимы для жизни крупных и сложных млекопитающих и растений, мириады более мелких градиентов, которые существуют в чревоподобном подземном мире, могли предоставить хорошую возможность для зарождения жизни. Более того, защитная среда подземных недр позволила бы живым организмам за несколько миллионов лет изобрести стратегии для борьбы с солнечным стрессом, прежде чем жизнь вышла из темноты на свет. Так что давайте начнем наши поиски в необъятных земных недрах.
В одних подземных средах жизнь могла зародиться с большей вероятностью, чем в других. Например, морские отложения для этой роли, по-видимому, не подходят, какими бы интересными они ни были. Пища в морских отложениях преимущественно происходит из остатков жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, так что жизнь не могла там зародиться. Хотя органическое вещество (то есть еда) иногда может образовываться небиологическим способом (например, астероиды содержат много разных органических веществ, синтезированных в абиотических процессах), пока мы не знаем, могли ли такие реакции обеспечить достаточное количество пищи для появления жизни здесь, на Земле. Насколько нам известно, на астероидах такого не произошло.
Это сужает круг мест, в которых могла возникнуть жизнь, до подземных недр, где есть собственные источники энергии для поддержания хемолитоавтотрофов. Вероятно, вы помните, что эти крохотные создания используют химическую энергию для превращения диоксида углерода, в изобилии имевшегося на первозданной Земле, в органические соединения углерода, которыми могут питаться и люди, и микробы. После появления хемолитоавтотрофов уже легко представить себе эволюцию остальных форм жизни. Мертвыми тельцами хемолитоавтотрофов могли питаться самые разные микробы, которые, в свою очередь, служили пищей для цианобактерий; цианобактерии способствовали эволюции растений, а те произвели достаточное количество кислорода и биомассы для эволюции животных. Многие считают, что процессы серпентинизации внутри земной коры, о которых мы говорили в главе 5, позволяют ответить на вопрос, где и как могло начаться зарождение жизни. Трудно конкурировать с лаконичным уравнением: вода + горная порода = жизнь.
К тому же есть веские доводы в пользу того, что жизнь возникла в глубоководных гидротермальных источниках на морском дне, где горячая вода насыщена химическими соединениями. Когда эта вода из глубоких земных недр прорывается наружу и смешивается с холодной и окисленной морской водой[57], может произойти чудо зарождения жизни. Кроме того, тепло гидротермальных источников ускоряет химические реакции, что тоже могло быть полезно для зарождавшейся жизни. Возможно, самое убедительное доказательство этой гипотезы – что общие гены у всех обитателей Земли выглядят так, будто адаптированы к высокой температуре, что указывает на возможность нашего общего происхождения из горячих источников. Для окончательного подтверждения данной гипотезы необходимо как следует изучить гидротермальные источники, однако это проще сказать, чем сделать. Подобраться к ним настолько трудно, что их открыли только в 1977 году, и поэтому мы еще многого о них не знаем.