Про походження земного життя та його незначних (але віддалених) перспективах

Життя комет
Скоріше ураган, що проноситься кладовищем старих літаків, зібере новенький суперлайнер із шматків лома, ніж внаслідок випадкових процесів виникне з його компонентів життя.
Чандра Вікрамасінгх (1982)

Пам’ятаєте бомбардування комети Tempel 2005 року? За останні роки ми дізналися багато нового про склад комет. Наслідком цього стало припущення про походження життя на кометах, висловлене колективом під керівництвом Чандри Вікрамасінгхи (Chandra Wickramasinghe). Йдеться про відомого астронома та астробіолога, учня і співавтора Фреда Хойла¹, який народився на Шрі-Ланці. Зараз він очолює астробіологічний центр при університеті Кардіффу в Англії. Вікрамасінгх не уникає «кльовлих» тем, що знаходяться на межі офіційної науки, вивчаючи так звані нанобактерії², явище червоного дощу в Кералі³ або поширення вірусів кометами.

Отже, Вікрамасінгх спирається на дані про наявність у кометах водяного льоду, різноманітної органіки, а також глиноподібних шаруватих силікатів, які можуть бути каталізаторами та джерелами елементів, необхідних для життя. Вікрамасінгх вважає, що завдяки радіоактивному нагріванню всередині комет вода могла перебувати у рідкому стані багато мільйонів років. Загальна маса глиноподібних мінералів у складі комет нашої галактики перевищує масу глин на Землі⁴, а отже, виникнення життя на кометах більш імовірне, ніж на Землі…

Щоб оцінити нову гіпотезу, корисні слова самого Вікрамасінгха, викладені в епіграфі. 25 років тому цей учений був супротивником випадкового виникнення життя. Немає підстав сумнівів у неймовірності найпримітивнішої версії гіпотези абіогенезу: припущення, що органічні молекули випадково склалися самі собою у живу клітину. Як альтернатива чуду створення життя добрим Творцем пропонується створення життя чудом сліпого випадку? Таке рішення влаштуватиме лише того, хто по-справжньому релігійно вірує у відсутність Бога.

А чи можливе інше походження життя на основі випадковості? Природний відбір — механізм, що дозволяє накопичувати наслідки випадкових (і закономірних) сприятливих змін самовідтворюваних систем. Уявіть собі м’яч (наприклад, футбольний), що підстрибує на місці завдяки енергії з якогось джерела. Чи може він внаслідок невеличких стрибків у випадковому напрямку опинитися на даху багатоповерхового будинку? Відповідь «ні» помилкова. Якщо на дах веде сходинка з безлічі маленьких сходинок, такий підйом стає можливим. Але, залетівши у під’їзд або піднявшись на першу сходинку, м’яч тут же може повернутися назад! Отже, потрібен механізм, що «фільтрує» зміни, які ведуть у певному напрямку. Такий фільтруючий механізм — природний відбір.

Отже, за певних умов малі ненапрямлені зміни можуть забезпечити кардинальну трансформацію всієї системи. Відповідно до розглянутої аналогії для виникнення життя необхідні три умови:
— можливість повного спектру переходів між неживими та живими системами;
— можливість переходити з одних станів у інші, близькі, внаслідок випадкових або закономірних причин;
— дія природного відбору, що переважно зберігає і відтворює «більш живі» системи.

Наскільки можна судити за сучасними даними, усі ці три умови виконувалися на молодій Землі та виконуються на багатьох інших планетах.

Планети перебувають у потоці енергії, що розсіюється центральним світилом. Якщо планети обертаються, це призводить до циклічних змін кількості енергії, що падає на їхні ділянки. Якщо вони мають атмосферу та гідросферу, нерівномірність нагрівання призводить до циркуляції цих оболонок, що втягує у себе також поверхню літосфери.

На поверхні таких планет ідуть хімічні реакції, зокрема з різними органічними сполуками⁵. Залежно від циклічної зміни умов оборотні реакції будуть переходити з одного рівноважного стану в інший і навпаки. Одні й ті самі перетворення речовин можуть забезпечуватися різними конкуруючими реакціями. З точки зору походження життя особливо цікаві ті, для яких характерний автокаталіз. Загалом такі реакції можна подати у вигляді R + A > 2A, де A — автокаталізатор, молекула, що сприяє синтезу подібних до неї молекул, а R — необхідний для цього ресурс (ресурси).

Одним із найактуальніших прикладів автокаталітичних реакцій є так звана формольова реакція Бутлерова, яку інтенсивно вивчають в Інституті каталізу СО РАН. У ході цієї реакції формальдегід (CH₂O) у водному розчині в присутності вапна олігомеризується, утворюючи моносахариди: nCH₂O → (CH₂O)n. Це автокаталітична реакція: наявність у середовищі моносахаридів суттєво підвищує вихід кінцевого продукту. Різні моносахариди мають різну автокаталітичну активність; залежно від умов перебігу реакції змінюється склад продуктів, що утворюються у її ході. Наприклад, в присутності апатиту (фосфату кальцію, поширеного мінералу) у ході формольової реакції утворюється переважно рибоза — моносахарид, що входить до складу РНК, ДНК (з невеликою модифікацією) та АТФ⁶.

Найважливіший наслідок автокаталізу — те, що він дозволяє включитися природному відбору. Найефективніші й стійкі з автокаталітичних реакцій перетворять більшу частину наявних ресурсів і витіснять свої аналоги.

Отже, до того як природний відбір запустив еволюцію життя, він забезпечував еволюцію «педжизні» — геохімічних автокаталітичних процесів. Як могла еволюціонувати ця «педжизня»? Ми поки не знаємо конкретики, але про багато вже можемо здогадуватися. Так, ймовірно, між рівнями, що відповідають синтезу рибози та синтезу РНК, є набір проміжних сходинок (згідно з першим із сформулюваних нами умов).

РНК — чудовий полімери. У сучасних організмах каталітичні функції виконують білки, а носіями інформації є молекули ДНК. Проте взаємодія цих з’єднань майже завжди відбувається через посередництво РНК. РНК має каталітичну активність (РНК-каталізатори називають рибозимами) і здатна до матричного самокопіювання навіть у відсутності ферментів. Імовірно, що наша біосфера пройшла через етап, який називають «Світом РНК». На цьому етапі стійкість і швидкість циклічних геохімічних процесів забезпечували молекули РНК. За мірою вдосконалення переживних систем «Світу РНК» каталітичні функції могли переходити до білків, а функції зберігання генетичної інформації — до ДНК, більш стійкого полімери.

Але як виникають самовідтворювані живі істоти? Те, що ми називаємо розмноженням, є наслідком процесів реплікації, а ці самі процеси ведуть родовід від феномену автокаталізу⁷.

Не вірте у казки про «перший організм», що випадково виник у «первичному бульоні» і дав початок іншим живим істотам. Такий сценарій термодинамічно неможливий. Життя виникає не у формі окремих організмів, а у формі забезпечуючих кругообіг речовин екосистем, за міри перетворення геохімічного кругообігу речовин на біогеохімічний. Різні «нововведення» (способи запасання енергії, матричний синтез полімерів, клітинна організація), що виникли на одному етапі геохімічного кругообігу, передаються й на інші етапи. Ви думаєте, це випадковість, що Земля населена двома групами організмів (автотрофами та гетеротрофами), для кожної з яких ресурсами є відходи іншої групи? Їхнє поділення ролей старше самої життя й відображає коливаюче рівновагу між синтезом і розпадом із зміною дня і ночі, приливу і відливу, літа й зими…

Ще один аргумент: термодинамічно життя — дисипативний, розсіюючий ентропію процес⁸. Для його утворення потрібен стійкий потік енергії через середовища. Чи може він бути забезпечений на кометах, враховуючи їхній невеличкий розмір та ексцентричні орбіти? Маловірогано. Потік радіоактивного тепла спрямований із ядра комети у космос і не здійснює коливань. Нагрівання зі сторони зірки змінюється циклічно, але його коливання перевищують межі. Не виключено, що комети й метеорити можуть переносити життя (або «педжизню») з планети на планету, але сам абіогенез має бути пов’язаний із планетами — із Землею або з якоюсь іншою планетою, про яку найпростіше судити, порівнюючи її із Землею.

Отже, Вікрамасінгх змінив свою точку зору. Його сучасні погляди відповідають тому уявленню про абіогенез, яке він сам колись висміював: про виникнення життя як результат випадкового злиття молекул. Що ж спричинило такий поворот? Можна висловити одне припущення.

Вікрамасінгх стверджує, що глобальні епідемії спричиняються вірусами, які приносять на Землю комети. Так, на його думку, сюди надійшла іспанка (грип 1917–19 рр.), атипічна пневмонія та пташиний грип. Зібрано певні аргументи, що підтверджують таку гіпотезу, але є й одне, здається, смертельне для неї обставина. Геноми потенційних космічних гостей перебувають у певному родстві з іншими, явно осілими вірусами, і несуть сліди еволюції у своїх господарях. Щоб пташиний грип заражав і птахів, і ссавців, йому потрібно пройти еволюцію і в тих, і в інших. На кометах птахів із звірами немає. Звідки такий вірус? Вікрамасінзі доводиться стверджувати, що такі віруси утворюються випадково. Якщо так, тоді можна повірити, що й життя виникло саме собою…

Дивлячись у небо в пошуках причин і джерел життя, не треба втрачати землю під ногами. Земля, що підтримує нас, не менш гідна нашої уваги.

1 Сер Хойл, Фред — видатний англійський астроном, космолог і письменник, прихильник теорії вічного Всесвіту та автор терміну «Великий вибух». Назад до тексту

2 Мало вивчена форма життя, чиє саміснування оспарюють багато авторитетів. Назад до тексту

3 Випадок опадання дощом якихось частинок, що начебто нагадували позаземні організми, який отримав широку оголошу, мав місце в індійському штаті Керала 2001 року. Назад до тексту

4 Не хочеться витрачати багато слів, але зверніть увагу: комети всієї галактики порівнюються не з планетами тієї ж галактики, а чомусь лише з однією! Назад до тексту

5 Достатньо легко утворюваних (і руйнівних) як в умовах планет, так і в космосі. Назад до тексту

6 І ось тут і фосфатні групи, потрібні для синтезу РНК, ДНК та АТФ, виявляються поруч!. Назад до тексту

7 А на іншому кінці цього ряду, на його найвищому рівні, знаходиться те, що ми називаємо коханням. Назад до тексту

8 Як, наприклад, і клітини Бенара або реакція Жаботинського-Белоусова. Назад до тексту

Земля: буття після смерті
Нравиться це кому-небудь чи ні, наше існування — одне з численних наслідків активності Сонця. Розсіювана у просторі енергія, що утворюється внаслідок термоядерної реакції в зірці, частково затримується нашою планетою. Одним із ефектів розсіювання цього потоку, таким «водоворотом» у ньому (точніше, дисипативною структурою), є земне життя. Поки що Сонце сяє завдяки злиттю ядер водню з утворенням ядер гелію. Нинішній розмір Сонця — результат балансу між стискальними зоряну речовину силами гравітації і виштовхальним її назовні тиском енергії термоядерного синтезу.

Наразі Сонце перебуває приблизно на середині свого життєвого шляху (у своїй теперішній статусі жовтого карлика). За наявними оцінками, через 1,1 млрд. р. світність нашої зірки зросте на 10 %, а через 2,4 млрд. — на 40 %. При цьому температура на Землі наблизиться до венеріанської. Близько 5,3 млрд. р. тому Сонце, істотно витративши запаси свого водневого палива, із жовтого карлика перетвориться на червоний гігант. Його розмір досягне сучасної земної орбіти, а світність зросте в 5200 разів. Оскільки маса Сонця до того часу зменшиться (зірка постійно розсіює свою речовину у просторі), Земля трохи відодвинеться від світила й опиниться приблизно на сучасній орбіті Марса. Ще через деякий час Сонце скине оболонку (яка перетвориться на планетарну туманність), а його ядро стане білим карликом.

Доля нашої планети у цьому сценарії залишалася невизначеною. Переживе вона розширення свого світила? Багатьом це здавалося неможливим. А от тепер італійські вченні повідомили, що знайшли планету, яка пережила подібний катаклізм.

Вивчена астрономами зірка V 391 Pegasi колись дуже нагадувала сучасне Сонце. Втім, можливо, що вплив розташованого поруч із цією зіркою газопильового хмарострою зробив її «індивідуальний розвиток» дещо нетипичним, і ця зірка скинула свою зовнішню оболонку ще до переходу на гелієве паливо. Так чи інакше, зараз навколо V 391 Pegasi обертається планета, яка колись знаходилася від неї приблизно на тій самій відстані, що й Земля від Сонця. Правда, розміри цієї планети дуже великі — у три рази більші за Юпітера.

Чомусь коментарі сприймають цю новину як обнадіювальну — у Землі-де є шанс вижити й після переродження Сонця. Що хорошого в цьому, зрозуміти нелегко — задовго до описуваного часу Земля стане абсолютно непридатним для життя місцем. Зазвичай, говорячи про ці перспективи, вказують, що людство до того часу буде жити на інших планетах. Чудовий оптимізм! Треба б ще спочатку вирішити всі попередні проблеми — і тоді можна буде іздалека захоплюватися на вибухаюче Сонце.

Д. Шабанов. Життя комет // Комп’ютерра, М., 2007. – № 31 (699).
Д. Шабанов. Земля: буття після смерті // Комп’ютерра, М., 2007. – № 35 (703).