Из грязи в люди

— Что такое жизнь? — Если встать на позицию ребенка, который видит только животных и растения, то можно сказать, что живые организмы — это те, которые либо двигаются либо растут. Правда, если сюда добавить микробов или некоторых морских животных — например, кораллы, которые почти не двигаются — то критерий подвижности будет уже спорный. Тогда можно сказать, что все живое должно размножаться, но и тут найдутся контрпримеры: какой-нибудь кристалл соли в насыщенном растворе будет и расти и даже размножаться (его можно расколоть на части и снова опустить в другие растворы), но это не делает кристалл живым. — Какое-то совсем нечеткое определение вышло — Абсолютно строгие определения бывают только в математике, а когда мы переходим к реальному миру — даже к той же физике, а не обязательно биологии — дать строгие определения становится гораздо сложнее и это не случайно. Мы знаем, что у Вселенной есть начало, Большой Взрыв, и в этих условиях никакая жизнь отдаленно похожая на нашу существовать не могла, но также мы точно знаем, что теперь жизнь существует. Если бы между живым и неживым была непреодолимая пропасть, то даже за миллиарды лет после Большого Взрыва перейти ее резким скачком было бы невозможно. — Но все-таки астробиологи сейчас ищут жизнь на других планетах. Что именно они ищут? Они не могут опираться на детские ощущения — Да, для этих целей есть рабочее определение, сформулированное в астробиологической программе NASA: жизнь — это химическая система, способная к дарвиновской эволюции. «Химическая» означает «состоящая из атомов, молекул и использующая реакции между ними». А «дарвиновской эволюции» распадается на 4 условия: (1) Объекты, должны размножаться, то есть создавать свои копии; (2) Копии не должны быть абсолютно точными, должны быть ошибки в копировании, называемые мутациями; (3) Мутации должны передаваться следующему поколению копий, то есть должна быть наследственность; (4) Ошибки копирования должны влиять на вероятность дальнейшего копирования то есть должен быть отбор. — А почему мы считаем, что жизнь обязательно должна эволюционировать, развиваться? — Строго говоря, развиваться жизнь может, но не должна. Какие-нибудь цианобактерии, живущие в морях, сейчас почти такие же, как два миллиарда лет назад — они не усложняются, но вполне эволюционируют по этим самым четырем условиям, которые кстати не есть специфика земной жизни и вообще не специфика биологии. Дарвиновская эволюция это больше математика: советский математик Александр Ляпунов через 100 после Дарвина показал, что это единственный процесс, который может создавать принципиально новую информацию и при этом он не обязательно должен быть привязан к материальным телам или какой-то химии. Существует, например, эволюционное программирование, в котором дарвиновскому отбору подвергаются нули и единицы, но там нет никаких химических реакций и поэтому программы эволюционного программирования мы жизнью по определению NASA считать не можем. — Хорошо, вопрос свелся к еще более абстрактному: почему мы считаем, что в процессе развития живого должна появляться новая информация? — Дело в том, что все известные организмы на Земле состоят в отношениях паразит-хозяин. На животных, на растениях, на грибах, на бактериях — на любых клеточных формах жизни всегда живут как минимум какие-то вирусы, а в парах паразит-хозяин всегда начинается гонка вооружений, когда хозяева под действием мутаций становятся более устойчивыми к паразитам, а паразиты — более способным к заражению новых организмов. Похожая гонка вооружений у поисковых систем и всяких спамеров и накрутчиков: мой знакомый, который занимался продвижением сайтов в интернете, рассказывал, что почти любой найденный инструмент продвижения перестает работать уже в течении полугода, потому что Яндекс и Гугл постоянно меняют свои алгоритмы — Получается, меняться и эволюционировать жизнь заставляет тот факт, что никто не живет в вакууме? — Да, конечно. И это работает не только с отдельными организмами. Например, когда секвенировали геном шимпанзе, все кинулись искать, какие гены у людей и обезьян больше всего отличаются между собой — что, собственно говоря, делает человека из обезьяны. Ученые нашли несколько сотен таких генов, стали смотреть в каких тканях они работают и выяснилось, что почти все они активны в половых железах — либо в семенниках, либо в яичниках — и продукты этих генов находятся либо на сперматозоидах, либо на яйцеклетках, между которыми идет тоже своеобразная гонка вооружений. Самки заинтересованы в том, чтобы сперматозоид проникал в яйцеклетку не слишком быстро (иначе их может проникнуть сразу несколько и клетка с высокой вероятностью погибнет), а самцы хотят донести свой генетический материал максимально эффективным способом. — Без каких минералов переход от неживого к живому и эволюционирующему был бы невозможен? — Во-первых, некоторые минералы до сих пор остались в живых организмах — это железосерные кластеры пирита, минералы с характерным золотистым белком, которые по-английски называют еще fool’s gold — золото дурака. Из наночастиц пирита делаются провода внутри белковых молекул, по которым течет электрический ток: они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях внутри организма и нарушения в работе железосерных кластеров могут даже стать летальными. Кроме того, у некоторых бактерий бывают еще серно-никелевые кластеры, а у растений- марганец-кислородные кластеры. Это те минералы, без которых до сих пор не могут существовать живые организмы. Кроме них участие в появлении жизни предполагается у различных сульфидных минералов цинка и слоистых глинистых материалов типа смектита. — Почему так важны сульфиды цинка? — В живых клетках всегда содержится очень много цинка, это фактически самый распространенный микроэлемент: часто его даже бывает больше чем железа и сейчас неизвестно ни одного живого организма, способного жить без цинка. Он содержится во многих белках, где иногда даже не несет никаких биохимических свойств — не сидит в активных центрах молекул — а только стабилизирует трехмерную укладку белка. При этом в современной пресной воде или других земных средах цинк в большом дефиците и это жуткое расточительство — использовать его в таких количествах. Отсюда и возникла гипотеза цинкового мира, сформулированная Армендом Мулкиджаняном, согласной которой живые организмы некогда возникли и развивались в близком контакте с минералами на основе цинка — в сульфидах цинка. — А почему в контакте именно с ними? Это просто случайность, закрепившаяся теперь в необычном клеточном составе? — Нет, это не случайность. Вторая исходная посылка гипотезы цинкового мира связана с работами современных нанотехнологов. Дело в том, что квантовые точки на основе сульфида цинка и также сульфида кадмия очень интересно взаимодействуют со светом. Они могут давать люминесценцию, фосфоресценцию и умеют при помощи света проводить всякие необычные реакции: например, восстанавливать углекислый газ до муравьиной, уксусной и других органических кислот. Кроме того, сульфиды цинка дают хорошую защиту от ультрафиолета, а в условиях древней Земли, лишенной кислорода и озонового слоя, это очень серьезный плюс. Для многих современных микробов смертельная доза под тем солнышком набежала бы за несколько минут. Кроме того, фотосинтез на сульфидах цинках приводит к разрушению минералов и выделению цинков в раствор, тому самому аномальному насыщению внешней среды цинком, закрепившемся во всех живых клетках. Все удивительно совпадает. — Куда сейчас пропали сульфиды цинка? Почему их нет в таком количестве на Земле, как раньше? — Ушли на морское дно. Отложения сульфида цинка возникают там, куда его выносит из недр Земли горячая вода с температурой более 200 градусов, а при современном атмосферном давлении вода закипает гораздо раньше. Такие условия сейчас бывают только на дне моря в черных курильщиках: из них бьет даже еще более горячая вода с температурой в 350 градусов, которая кроме сульфидов цинка содержит еще более труднорастворимые сульфиды железа. Это минералы черного цвета, они образуют столбы черного дыма над курильщиками и слагают их «трубы», а сульфиды цинка — белые, и они покрывают дно вокруг курильщиков. На древней Земле атмосфера было в несколько раз плотней современной и горячие источники могли дать нужную температуру прямо на поверхности Земли, в ландшафтах вроде долины гейзеров на Камчатке или в Исландии. С тех времен сохранился, например, иберийский пиритовый пояс в Испании — 300-километровый массив отложений сульфидов цинка, марганца и железа, сформированных горячими источниками миллиарды лет назад. — Хорошо, сульфиды цинка защищают от ультрафиолета и дают питание. А какая роль была у смектитов и других глин? Даже не верится, что появлению жизни помогла какая-то грязь — Это для человеческого глаза глина просто какая-то грязь и беспорядок, в то время как на микроскопическом уровне это очень структурированный материал: правильные тонкие и длинные силикатные пластинки между которыми есть пустоты толщиной примерно в две молекулы воды, куда идеально помещаются аминокислоты или нуклеотиды. Такие стесненные условия идеально направляют рост цепочек белков и нуклеиновых кислот. Без такого упорядочивающего эффекта глин появление жизни было бы невозможно. — Кто раньше вступил в игру: сульфиды цинка или смектиты? — Судя по тем исследованиям, которые делали геологи, в древних горячих источниках сульфиды цинка могли соседствовать со смектитами, как до сих пор это происходит в грязевых котлах на Камчатке: растворенные в воде силикаты там конденсируются в очень мелкозернистую глину, идеально подходящую для накопления различных органических веществ. Так что, скорей всего, оба минерала вступили в игру одновременно. Сульфиды защищали от ультрафиолета и кормили продуктами минерального фотосинтеза, а смектиты создавали условия для самоорганизации молекул и организовывали обмен веществ, поскольку могут катализировать многие реакции. — Давайте представим, что на Земле или какой-нибудь другой планете опять сложились точно такие же условия как миллиарды лет назад — жизнь появилась бы снова? И в какие формы она бы развилась? — Честный ответ: я не знаю и никто не знает. На мой вкус — 50 на 50, либо развилась, либо нет. Но при этом если бы все-таки развилась, то была бы точно такая же, как сейчас или, как минимум, очень похожая — химическая основа жизни была бы та же самая. Те же самые нуклеотиды в ДНК и РНК, те же самые 20 аминокислот в белках, то же самое строение клеточных мембран, тот же самый фотосинтез на хлорофилле, те же самые микроэлементы. Отличия были бы скорее только исторические, с перестановками во времени: наверняка возникли бы те же животные, растения, микробы, различные экологические группы, но родственные отношения между ними были бы другими. — Откуда такая уверенность? — Могу привести маленький пример с эволюцией млекопитающих на разных материках. В мезозойскую эру на Земле господствовали динозавры и вся суша была объединена сначала в сверхконтинент Пангею, а потом в два сверхконтинета — Лавразию (Евразия + Северная Америка) на севере и Гондвану (все южные материки) на юге. Поэтому во времена динозавров фауна почти на всей Земле была одинаковая, а ближе ко времени вымирания динозавров Гондвана раскололась и получились изолированные материки. И вот на разных материках независимо появлялись похожие внешне, но совершенно не родственные формы: в Южной Америке были свои аналоги антилоп, лошадей, носорогов, в Австралии и Тасмании — сумчатые саблезубые тигры. Там же до сих пор сохранились вомбаты — сумчатые аналоги сурков или кроликов — и всем известные кенгуру, занимающую ту же самую экологическую нишу скоростных травоядных, что антилопы и газели. То есть эволюция склонна повторять одни и те же решения в разных условиях. — Хорошо, а что тогда могло помешать при тех же самых начальных условиях возникнуть и развиться жизни? Откуда 50 на 50? — Очень сложно оценивать случайное и закономерное по единственному событию. Для ответа нам нужно лететь на другие планеты или, как минимум, очень хорошо смотреть в телескоп, потому что такой признак жизни, как кислородная атмосфера, через 5−10 лет можно будет уже разглядеть на экзопланетах. Конечно, наличие кислородной атмосферы автоматически не означает разумной жизни и высокоразвитых животных, но говорит о появлении на этой планете фотосинтезирующих микробов и растений, поскольку на Земле кислородная атмосфера возникла только при участии жизни. — Геолог Роберт Хейзен считает, что и многообразием различных форм неживой материи на Земле мы тоже обязаны жизни. Вы согласны с таким мнением. Биологическая эволюция может запускать эволюцию минеральную? — Роберт Хейзен строит свои рассуждения на примере минералов и тут ему все карты в руки, он занимается минералогией всю свою жизнь и если он пишет, что больше половины минералов Земли могли возникнуть только с участием кислородной атмосферы, то скорей всего он прав. На Земле, действительно, известно гораздо больше разновидностей минералов, чем найдено в лунных породах, метеоритах или на других космических телах, и многие из этих пород без участия живых организмов появиться не могли. — Возможна ли жизнь, играющая по тем же законам эволюции, но построенная на другой химии? — Сейчас есть разные плохо обоснованные гипотезы про жизнь на другой материальной основе. Например, есть подозрение, что на поверхности нейтронных звезд про их чудовищной гравитации и сверхмощных магнитных полях могут существовать самокопирующиеся структуры не из атомов, а из различных субатомных частиц — нейтронов, протонов или более экзотических частиц, которые на Земле можно получить только в ускорителях. Потом есть гипотезы о кремниевой жизни с полимерами на основе кремния, а не углерода. Наконец, в Институте общей физики есть гипотеза про плазменно-пылевую жизнь. Там показали, что если к плазме добавить пылевые частицы, то могут возникнуть довольно сложные структуры, например, напоминающие по форму спираль ДНК, но теперь еще нужно показать, что они могут размножаться, проявлять изменчивость и обладают наследственностью. — А как мы сможем понять по куску материи, живой он или нет, если он не будет двигаться, расти и будет управляться совершенно другой биохимией? Сможем ли мы распознать экзотическую жизнь? — Кроме определений жизни есть еще признаки, по которым мы, даже имея в распоряжении только какой-нибудь трупик сомнительной сохранности, можем точно установить, что когда-то это было живое существо. Во-первых, все живое отличается от неживого по изотопному составу элементов, в живом они легче, а во-вторых, живому присуща хиральная чистота. — Почему природа предпочитает легкие изотопы? — Обмен веществ живого организма составлен из множества химических реакций, катализируемых крупными белковыми молекулами — ферментами, а продукты реакции переходят от одного фермента к другому исключительно за счет теплового движения молекул — диффузии. Скажем, в фотосинтезе на пути от углекислого газа до сахара стоит более десятка химических реакций, и чем более легкие молекулы будут в них участвовать, тем быстрее будет идти обмен веществ. В результате, в живой материи легкого изотопа углерода-12 почти в 100 раз больше, чем тяжелого изотопа углерода-13, а в неживой природе пропорции немного другие. Такой признак жизни можно разглядеть даже в составе нефти, которая некогда была живыми микробами и потом разложилась в бескислородной атмосфере и при большой температуре. То же самое должно быть и с составом той же кремниевой жизни. — А хиральная чистота живой материи? Что имеется в виду? — В природе есть молекулы, которые могут иметь две зеркальные, не совпадающие друг с другом формы — как предмет и его отражение или как правая и левая рука; как не крути в пространстве, совместить их друг с другом никогда не получится. Оказывается, что аминокислоты в белках бывают только в левой форме, а нуклеотиды в ДНК — в правой, и это уникальный признак живого, потому что по своим химическим свойствам правые и левые молекулы практически идентичны, они только немного отличаются по физическим свойствам (например, по взаимодействию с поляризованным светом) и биохимическим (за хиральный отбор могли отвечать как раз те пустоты в смектитах, в которые помещались только левые или только правые молекулы). Поэтому когда мы будем строить зонды для поиска внеземной жизни на любой самой странной химической основе и отправлять их, скажем, к Титану, Плутону или Европе, то их нужно будет очень аккуратно настроить на поиск аномалий изотопного и хирального состава. — Может тогда выясниться, что какой-нибудь неприметный, незаметный камень на самом деле вполне живой? — Ну, у всех земных минералов этих признаков живого нет, но в теории — почему нет? Есть, кстати, история про ползающие камни в калифорнийской пустыне — довольно заметные булыжники с массой под тонну, которые ползают за счет того, что каждую ночь у них с одной стороны намерзает больше льда, чем с другой. Потом этот лед тает, расширяется, и тем подталкивает камень на какие-то доли миллиметра — если делать фотоснимки с интервалом где-то в год, эти путешествия камней выходят вполне заметными. Сам я знаю еще одно место с путешествующими булыжниками — это Белое море. Давно подмечено, что если там тоже делать фотографии одного и того же вида с интервалом в год, то какие-то камни будут пропадать, какие-то появляться: сочетание высоких приливов и отливов вместе со льдом делает так, что неживая материя становится похожей на живую. Хотя бы на том самом детском уровне. Михаил Никитин, биолог, младший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ имени М. В. Ломоносова, автор книги «Происхождение жизни. От туманности до клетки», лауреат литературной премии имени Александра Беляева.