Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции
Шрифт:
Вехтерсхойзер предложил новую химическую схему происхождения жизни. Энергии, выделяемой при образовании пирита, недостаточно для переработки углекислого газа (диоксида углерода) в органические вещества. Поэтому, по мысли Вехтерсхойзера, они синтезировались из угарного газа (оксида углерода) — химически более активного посредника (этот газ и в самом деле присутствует в кислых гидротермальных источниках). При этом шли и другие медленные органические реакции с содержащими серу и железо минералами, по-видимому, обладающими особыми каталитическими свойствами. Кроме того, Вехтерсхойзер и его коллеги продемонстрировали протекание многих из теоретически предполагаемых реакций в лаборатории, доказав, что их версия — нечто большее, чем правдоподобные умозрительные построения. Это был настоящий прорыв, перевернувший сложившиеся за десятки лет представления о том, как могла возникнуть жизнь. Теперь ученые заговорили о том, что она вышла из поистине адской среды и была «сварена» из неожиданных ингредиентов, из которых принципиально важными были сероводород, угарный газ и пирит — два ядовитых газа и «золото дураков». Один ученый, прочитав статью Вехтерсхойзера, заметил: у него возникло ощущение, будто он наткнулся на научную работу, провалившуюся к нам из конца XXI века через дыру во времени.
Вехтерсхойзер
3
Есть и другие трудности: связанные с температурой (по мнению некоторых исследователей, слишком высокой для продолжительного существования органических молекул), кислотностью (в большинстве «черных курильщиков» слишком кислая среда для поддержания предполагаемых Вехтерсхойзером реакций, и реакции синтеза, проводившиеся в его собственной лаборатории, шли только в щелочной среде) и серой (по меркам современных биохимических реакций, ее слишком много).
В середине 80-х годов Майк Рассел (в настоящее время работает в Лаборатории реактивного движения в Пасадене) предложил решение всех этих проблем. У Рассела есть склонность к витиеватому языку «геопоэзии», а его представления о жизни строятся на термодинамическом и геохимическом фундаменте, знакомом, судя по всему, мало кому из биохимиков. Но в последние три десятилетия у него находится все больше сторонников, видящих в его версии единственное убедительное решение загадки происхождения жизни.
Вехтерсхойзер и Рассел соглашаются друг с другом в том, что гидротермальные источники сыграли в происхождении жизни ключевую роль. В остальном же их взгляды диаметрально противоположны: первый предполагает здесь участие вулканической активности, второй — совсем других процессов, первый — кислых источников, второй — щелочных. Для идей, которые иногда путают, их гипотезы имеют на удивление мало общего. Сейчас я все объясню.
В океанических хребтах, на которых растут «черные курильщики», образуется новый материал морского дна. Поднимающаяся к поверхности в этих центрах вулканической активности магма медленно раздвигает литосферные плиты, и они расползаются примерно с той же скоростью, с какой растут ногти у нас на ногах. Вдали от хребтов, где расходящиеся плиты сталкиваются, одной плите приходится подныривать под другую, вызывая у той жестокие конвульсии. Из-за столкновений литосферных плит появились и Гималаи, и Анды, и Альпы. Но медленное движение молодой земной коры по морскому дну приводит и к выходу на поверхность новых горных пород из мантии — слоя, расположенного непосредственно под земной корой. В местах выхода этих пород возникают гидротермальные источники второго типа, сильно отличающиеся от «черных курильщиков». Именно их Рассел считает колыбелью жизни.
Гидротермальные источники этого типа имеют не вулканическое происхождение, и магма в их работе не участвует. Они функционируют за счет реакции обнажившихся пород с морской водой. Вода не просто просачивается вглубь них: она реагирует с этими породами, включается в их состав, меняя их строение и образуя минералы класса гидроксидов, как серпентин (змеевик), названный так за сходство с крапчатой шкурой змеи. Реакция с морской водой приводит к расширению породы, и в ней образуются разломы и трещины, которые, в свою очередь, тоже пропускают морскую воду, способствуя поддержанию процесса. Масштабы таких реакций поразительны. Полагают, что объем воды, связанной подобным образом в породах, равен объему всех океанов вместе взятых. При расползании океанического дна эти раздутые гидратированные породы рано или поздно подныривают под другую плиту и вновь оказываются в мантии, где опять перегреваются. Вода из них при этом выходит, изливаясь в недра планеты. Это «загрязнение» морской водой служит движущей силой конвекционных потоков в глубине мантии, выталкивающих магму на поверхность в срединно-океанических хребтах и вулканах. Так что бурная вулканическая активность нашей планеты многим обязана непрерывному потоку морской воды, просачивающейся сквозь земную мантию. Именно это поддерживает Землю в неравновесном состоянии. Вот за счет чего вертится мир [4] .
4
Еще один интересный вопрос связан с долгосрочными последствиями охлаждения глубоких слоев планеты. В результате постепенного охлаждения мантии вода все больше должна связываться с породами, входить в состав их структуры и все реже при вулканической активности вырываться под действием тепла на поверхность. Охлаждаясь, планета рано или поздно может поглотить собственные океаны. Такого рода процесс мог быть одной из причин исчезновения воды на Марсе.
Реакция морской воды с породами мантии не только служит движущей силой непрерывной вулканической активности. Она также приводит к выделению тепловой энергии и немалого количества газов, особенно водорода. Эта реакция, по сути, преображает все растворенное в морской воде, отражая, подобно кривому зеркалу, причудливо раздувшиеся образы, где все реагенты «восстановлены», то есть нагружены электронами. Главный получающийся в ходе этой реакции газ — водород, просто потому, что морская вода по большей части состоит из воды. В небольших количествах выделяются и другие газы. Так образуется смесь, похожая на ту, которую использовал Стэнли Миллер и которая столь удачно подошла для получения предшественников сложных молекул, таких как белки и ДНК. Так, углекислый газ в ходе этой реакции превращается в метан, азот —
Тепло и газы прорываются на поверхность, образуя гидротермальные источники второго типа. Эти источники отличаются от «черных курильщиков» едва ли не по всем параметрам. Они не кислые, а щелочные. Они теплые или горячие, но гораздо холоднее адского жара «черных курильщиков». Обычно они встречаются на некотором расстоянии от срединно-океанических хребтов — источников расползающегося нового материала морского дна. Кроме того, обычно они образуют не вертикальные черные трубы с единственным отверстием наверху, сквозь которое вырываются клубы черного дыма, а сложные структуры, испещренные крошечными полостями, которые надстраиваются за счет осадка, выпадающего из нагретого щелочного раствора по мере того, как он просачивается в толщу холодной океанской воды. Я подозреваю, что причина, по которой лишь немногим доводилось слышать о гидротермальных источниках этого типа, связана с обозначающим процесс их работы невразумительным термином «серпентинизация» (от названия минерала серпентина). Для наших целей предлагаю называть их просто щелочными источниками, хотя это и звучит не так выразительно по сравнению с «черными курильщиками». Нам еще предстоит оценить важность слова «щелочные» в этом наименовании.
Как ни странно, до недавнего времени существование щелочных источников предсказывалось исключительно теорией, а знали их только благодаря нескольким отложениям ископаемых остатков. Самым известным, обнаруженным в окрестностях деревни Тина в Ирландии, около 350 миллионов лет. Именно они заставили Майка Рассела еще в 80-х годах задуматься о возможности происхождения жизни в щелочных источниках. Исследовав под электронным микроскопом тонкие срезы пузырчатой породы, залегавшей неподалеку от ископаемого источника, он обнаружил, что некогда образовавшиеся в ней крошечные полости сходны по размеру с органическими клетками. Эти полости диаметром в одну десятую миллиметра или меньше оказались связаны друг с другом в сложную, похожую на лабиринт сеть. Рассел предположил, что такие минеральные клетки могут формироваться, когда жидкость из щелочного источника смешивается с кислой водой океана. Вскоре он успешно получил в лаборатории аналоги исследованной им пористой породы посредством смешивания щелочного и кислого растворов. В письме, опубликованном в 1988 году в журнале «Нейчур», Рассел отмечал, что условия щелочных источников, судя по всему, делали их идеальными инкубаторами для жизни. В полостях откладываемых там пород естественным путем могли накапливаться органические вещества, а стенки этих полостей, сложенные из минералов, содержащих железо и серу (таких, как макинавит), придавали оболочкам неорганических клеток каталитические свойства, предугаданные Гюнтером Вехтерсхойзером. В статье 1994 года Рассел и его коллеги выдвинули следующее предположение:
Жизнь возникла в растущих скоплениях пузырьков сульфида железа, заполненных щелочным и высоковосстановленным гидротермальным раствором. Эти пузырьки формировались гидростатически у горячих сульфидных подводных источников, располагавшихся на некотором расстоянии от центров океанического спрединга четыре миллиарда лет назад.
Эти слова оказались пророческими: в то время работающие глубоководные щелочные источники еще не были известны. Затем, на рубеже тысячелетий, ученые, работавшие на борту глубоководного аппарата «Атлантис» («Атлантида»), обнаружили именно такие источники километрах в пятнадцати от Срединно-Атлантического хребта, на подводном горном массиве, который, как ни странно, тоже назывался Атлантис. Учитывая эти обстоятельства, исследователи, конечно, могли назвать открытое ими поле гидротермальных источников только Затерянным городом (Лост-Сити) — в честь легендарной Атлантиды. Изящные белые колонны и карбонатные «пальцы», тянущиеся в непроглядную тьму океана, делали это зловещее название особенно уместным. Обнаруженное гидротермальное поле не было похоже ни на одно уже известное. Некоторые из труб были не ниже «черных курильщиков»: самая высокая, получившая название «Посейдон», вздымалась над морским дном на шестьдесят метров. Но эти сооружения отнюдь не выглядели мощными и тяжелыми: их тонкие пальцы напоминали готические украшения в стиле «каракулей», по выражению историка Джона Норвича. «Дыхание» этих источников было бесцветным, из-за чего складывалось ощущение, будто город, навеки застывший в своем суровом великолепии, и вправду был внезапно оставлен его жителями. В отличие от «черных курильщиков» с их адским дымом, эти источники не курили, а лишь тянули вверх свои белые пальцы.
Хотя «дыхание» щелочных источников невидимо, оно вполне реально и его хватает для поддержания жизни в подводном «городе». Их трубы сложены не из содержащих железо и серу минералов (в богатой кислородом воде современных океанов железо почти не растворяется, но предположения Рассела относятся к очень давним временам), однако их стенки тоже имеют пористое строение и пронизаны лабиринтами микроскопических полостей со стенками из рыхлого арагонита. Как ни странно, древние, замолкшие структуры подобных источников, уже давно не испускающие клубы гидротермальной жидкости, гораздо тверже, потому что поры в стенках забиты кальцитом. Действующие же источники действительно живы: в их порах обитает множество трудолюбивых бактерий, вовсю использующих химическую неуравновешенность системы. Есть там и животные, сравнимые по разнообразию с населением «черных курильщиков», хотя и сильно уступающие в размерах. Причины тому, по-видимому, экологические. Серные бактерии, процветающие в «черных курильщиках», легко приспосабливаются к жизни внутри животных-хозяев, а бактерии (строго говоря — археи), обитающие в Затерянном городе, не образуют подобных совместных предприятий с животными [5] . Не имея внутренних бактериальных «ферм», животные, населяющие поля щелочных источников, развиваются не столь успешно.
5
Одноклеточные прокариотические (то есть не имеющие ядра) организмы делятся на два царства: бактерий и архей. «Потерянный город» населен преимущественно археями, получающими энергию за счет синтеза метана (метаногенеза). Биохимия архей сильно отличается от биохимии сложных (эукариотических) клеток, из которых сложены растения и животные. Среди патогенных и паразитических прокариот не известно ни одной архей — лишь бактерии, биохимия которых имеет гораздо больше общего с биохимией клеток-хозяев. Возможно, архей просто слишком отличаются от других организмов, чтобы сожительствовать с ними. Уникальным исключением мог быть союз архей и бактерии, от которого около двух миллиардов лет назад, вероятно, произошли эукариотические клетки (см. главу 4).