Солнечная система – скорее исключение

Как известно, в нашей Солнечной системе все планетные орбиты лежат в одной плоскости. Это имеет важное значение для устойчивости этих орбит, а такая устойчивость входит в число условий, необходимых для возникновения жизни, даже на планете, подходящей для жизни во всех иных отношениях. И вот оказалось, что даже в одной нашей Галактике есть звезды со своими планетными семьями, в которых орбиты планет тоже лежат в одной плоскости. Из этого можно сделать вывод, что наша Солнечная семья не уникальна, из чего – косвенно – следует, что, возможно, не уникальна и наша земная жизнь.

Парад планет© NASA

Но очередные исследования показали, что устойчивость – далеко не последнее необходимое условие для возникновения жизни. Чтобы она могла возникнуть, необходимы также ее составные «кирпичики» и прежде всего – молекулы белков и ДНК или хотя бы ее более простой предшественницы – РНК. Молекулы белков состоят из аминокислот, а молекулы ДНК и РНК – из нуклеотидов. А откуда они взялись на первичной Земле? И откуда они возьмутся на внесолнечных «землях»?

В своем ответе на этот вопрос ученые разделились на два больших лагеря. Одна группа говорит, что такие молекулы могли сложиться «сами собой» в ходе случайных пертурбаций тех химических веществ, которые имелись в атмосфере первичной Земли. Но ученые второй группы возражают, что уже 3,5 миллиарда лет назад, если верить нынешним данным, на Земле существовали первые бактерии, а поскольку сама Земля насчитывает всего 4,5 миллиарда лет, то на «случайное появление» какой-нибудь первой молекулы ДНК или даже РНК остается, максимум, 1 миллиард лет. Но если так маловероятно образование простой самовоспроизводящейся молекулы, то сколько же времени нужно для случайного появления «осмысленной», несущей информацию ДНК?

Ученые первой группы пытаются воссоздать в своих пробирках загадочный процесс «самовозникновения» первых молекул ДНК, РНК или белков, чтобы доказать, что этот процесс мог произойти в разумный промежуток времени. Но некоторые из них ищут не в пробирках, а в космосе – они предполагают, что химические компоненты, необходимые для возникновения жизни, были занесены на первичную Землю кометами, астероидами или метеоритами. В самом деле, если такие занесенные извне компоненты были уже достаточно сложными, то процесс образования из них первых молекул РНК мог быть намного более коротким. И оказывается, это предположение во многом справедливо.

Есть такой класс метеоритов – углистые хондриты, в которых исследователи, изучая их после падения, обнаружили ряд органических веществ, входящих в состав «живых» молекул. Простейшие такие вещества начали находить в метеоритах уже годы назад, но вот недавно большой интерес вызвали два новых открытия этого рода. Внутри метеорита, упавшего в 2000 году возле озера Тагиш в Канаде, были найдены органические вещества, находящиеся на разной стадии усложнения (произошедшего, следовательно, внутри метеорита, за время его жизни), что приближает их к тем сложным органическим веществам, которые должны были лежать в основе появления земной жизни. Позже группа американских ученых нашла в углистых хондритах три такие протонуклеотида, которые, после некоторых химических реакций, могли превратиться в некоторые «кирпичики» первой молекулы РНК. Эти открытия особенно важны, потому что вообще-то самые примитивные органические вещества астрономы то и дело обнаруживают в облаках вещества, рассеянного в космическом пространстве, но тут впервые показано, что эти примитивные молекулы могут проходить процесс усложнения внутри метеоритов.

В любом случае приходится признать, что «самовозникновение» жизни на Земле требовало наличия пояса метеоритов в Солнечной системе. Теперь, если мы хотим доказать, что жизнь могла возникнуть и в других звездных системах, нужно ко всем прежним условиям добавить также наличие в этих системах поясов астероидов и метеоритов, подобных нашему.

Одновременно с этими «биологическим» доказательствами важности астероидов и метеоритов для возникновения жизни, появились и доказательства физико-химические. Группа ученых из Института науки при университете Карнеги (США) нашла точные данные о происхождении воды на Земле. Вода, как нетрудно понять, наверняка служила той средой, в которой складывалась и развивалась первая жизнь. Для появления тех случайных комбинаций нуклеотидов или аминокислот, из которых могли – путем  бесконечных проб и ошибок – сформироваться первые «живые» молекулы, все эти исходные составные части должны были часто вступать в реакции соединения-разложения, что требовало их частых встреч, возможных только в такой среде, которая давала им хотя бы минимальную подвижность. Такой средой могла быть капля воды на какой-нибудь глинистой подложке (глина ускоряет многие химические реакции; что же касается «капли», то ясно, что при чрезмерном обилии воды любая случайная встреча двух аминокислот или нуклеотидов была бы фантастически маловероятной).

Ранняя Земля наверняка воды не имела. Вся жидкость, которая не вступила в реакции с твердыми материалами Земли, должна была испариться в силу той высокой температуры, которая царила на ранней Земле, еще не имевшей никакой атмосферы. Земля тогда была скалиста, прокалена и безжизненна и должна была остаться такой, когда начала постепенно остывать. Откуда же взялась вода? Первые ученые, задумавшиеся над этим вопросом, пришли к выводу, что воду принесли на Землю сталкивавшиеся с нею кометы, ядра которых, как известно, в основном состоят из льда. Это представление держалось до самого последнего времени, но вот было проведено сравнение концентрации тяжелого водорода (дейтерия) в земной воде, в ядрах комет (с помощью спектрального их изучения) и в 85-ти углехондритных метеоритах, собранных на Земле. Анализ этих образцов показал, что чем дальше от Солнца формировалось небесное тело, тем больше в нем дейтерия (видимо, так он был распределен в том газопылевом облаке, из которого сложилось Солнце и его планеты). Содержание дейтерия в земной воде такое же, как в метеоритах и астероидах из пояса между Марсом и Юпитером. Выходит, и вода попала на Землю благодаря метеоритам, и тем больше оснований считать, что звездные системы, где есть шансы обнаружить жизнь, должны быть похожи на нашу Солнечную систему так же и в том отношении, что в них должен существовать астероидно-метеоритный пояс.

Промежуточную точку в этой истории поставили американские астрономы. Они указали, что не всякий астероидный пояс благодетелен для жизни. Если бы астероиды бомбардировали раннюю Землю слишком часто, это прерывало бы робкое начало всякой жизни; если бы они падали на Землю слишком редко, ей не хватило бы исходного материала для создания первых «живых» молекул. Стало быть, астероидный пояс должен быть не слишком плотен и не слишком редок. От чего это зависит?

Согласно современным теориям, первый период существования Солнечной системы ознаменовался серьезными перемещениями больших планет с мест своего образования (ближе к Солнцу, чем сейчас) на свои нынешние орбиты. В ходе такого перемещения большие планеты могли менять орбиты малых, скальных планет типа Земли, а также состояние астероидного пояса. Произведя соответствующие компьютерные расчеты для различных звездных систем, ученые обнаружили три главных возможных варианта этой эволюции: газовый гигант в своем движении полностью разрушает астероидный пояс, и землеподобные планеты, если они есть в системе, не получают материала для формирования жизни; газовый гигант не формируется вообще, на долю астероидного пояса остается так много вещества, что он оказывается весьма протяженным и плотным, так что землеподобные планеты подвергаются длительной и сильной астероидной бомбардировке, которая исключает всякую возможность формирования жизни; и единственный оптимальный вариант – как в Солнечной системе.

В заключение под этим углом зрения были проанализированы данные для всех обнаруженных на тот момент звезд с планетными семьями. Вывод оказался весьма неприятным. Систем, развитие которых  происходило так же, как в нашей системе (насколько можно проследить вспять с помощью расчетов), оказалось не более четырех. «Наши расчеты показали, что Солнечная система является, скорее, исключением из правил», – пишут авторы исследования.

У этой истории, конечно же, есть  продолжение. Повторим, что в основе земной жизни находятся белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). ДНК величественно указывает, какие белки нужно производить, разные виды РНК непосредственно осуществляют производство, а мириады белков выполняют затем всю ту громоздкую грязную работу, которая высокопарно именуется жизнью и включает также воспроизводство самих ДНК и РНК. В долгом споре, кто появился на Земле первым: ДНК с РНК или белки? – на данный момент победили нуклеиновые кислоты, то есть, сегодня считается, что сначала появились основные блоки нуклеиновых кислот: аденин, цитозин, тимин, гуанин и урацил, потом из них сложилась первая РНК, а затем … и так далее. А на вопрос: как появились эти первые? – наука отвечает, что они имели либо земное, либо внеземное происхождение.

Как это понять? С одной стороны, были проделаны эксперименты (самый первый, Ури-Миллера, в 1952 году), показавшие, что пропускание электрических разрядов или ультрафиолетового излучения через такую смесь газов, какой, по-видимому, должна была быть первичная атмосфера Земли, приводит к образованию простейших органических молекул. С другой, с помощью спектроскопии было показано, что некоторые из этих молекул образуются в космосе и потому могли быть занесены на Землю метеоритами. Уже было сказано, что Земля через 300 миллионов лет после рождения подвергалась длительной (следующие 300 миллионов лет) метеоритной бомбардировке. Тем не менее многие ученые отвергали роль метеоритов в происхождении земной жизни на том основании, что удары гигантских метеоритов должны были, скорее всего, испепелить все живое, а не породить его. И вот недавно в этом споре произнесено неожиданное новое слово.

Произнес его Святоплук Чивис из Института физической химии в Праге, проделав простой и изящный опыт, который дал весьма нетривиальные результаты. В этом опыте он воспроизвел те условия, которые должны были сложиться на Земле после удара громадного метеорита: огромное давление, температура свыше 4000 градусов Цельсия и поток коротковолновой радиации (ультрафиолетовые и рентгеновские лучи). Все это он получил в сосуде с газами, пропуская через него короткие (треть наносекунды) импульсы мощного лазера. Основным газом в сосуде был формамид (он же метанамид) – жидкое соединение водорода, кислорода, углерода и азота, которое в последние годы стали считать одним из возможных компонентов первичной атмосферы Земли и ее первых океанов (он растворяет почти все то, что растворяет вода). При температуре 180 градусов Цельсия формамид распадается на окись углерода и аммиак, при более сильном нагреве образует пары воды и цианистоводородной кислоты, а в опыте Чивиса из него образовались аденин, гуанин, цитозин и урацил, то есть четыре основных блока молекулы РНК. Впервые все четыре сразу. В прежних, более простых экспериментах цитозин и урацил никогда не получались.

Что это значит? А то, что возможен и третий путь зарождения земной жизни: не на Земле и не в метеоритах, а сразу в обоих вместе – при вторжении метеорита в земную атмосферу. Оказывается, такой «смертельный» удар мог сразу породить первую «живую молекулу»  – РНК. Этот вывод подкрепляет давнюю теорию «РНК-мира», по которой «в начале была РНК», то есть много разных соединений четырех основных блоков. Одно из них случайно приобрело свойства катализатора и подтолкнуло сцепление друг с другом нескольких аминокислот (это те основные блоки всех белков, которые, как показали Ури и Миллер, должны были рождаться в первичной атмосфере). Так появились первые, простейшие белки, и поскольку некоторые из них оказались еще более сильными катализаторами, они подтолкнули образование больших сложных белков, а те помогли превращению некоторых РНК в первые ДНК.

Материал опубликован на Сайте журнала «Знание-сила» ( www.znanie-sila.su )

Метки , , . Закладка постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *