Изучение возникновения жизни. Геохимия древних осадочных образований, физика и химия атмосферы

Биогенный синтез

Абиогенный синтез органических веществ – эксперимент Миллера

За последние десять лет наше понимание происхождения жизни сделало огромные успехи. Следующее десятилетие принесет нам еще больше: новые исследования очень активно ведутся во многих областях. Разумеется, некоторые результаты этих работ будут полной неожиданностью, но все-таки попытаемся представить себе, на каких направлениях можно ожидать новых успехов.

Во-первых, наверняка будут усовершенствованы методы определения абсолютного возраста и возраст древнейших пород будет уточнен. Мы глубже поймем отношение между осадочными формациями докембрия, наиболее важными для проблемы, и надежно датированными изверженными породами, а значит, точнее будем знать возраст этих осадочных формаций. Может быть, удастся разработать более удовлетворительные методы прямого датирования осадочных горных пород. Можно надеяться, что будет уточнен возраст древнейших пород мантии, возраст самой Земли и состав "новорожденной" Земли - ведь именно от него зависел ход обезгаживания и формирование примитивной вторичной атмосферы. Сейчас в этом направлении делаются лишь первые, весьма несовершенные попытки [7].

Несомненно, много новых данных будет получено и в экспериментах по моделированию синтезов преджизни. В этой области работает множество химиков-органиков. Основы химии "органических" молекул уже довольно хорошо изучены, и теперь внимание исследователей все более будут привлекать реакции между этими молекулами, их полимеризация и, наконец, развитие самой жизни. Есть основания полагать, что мы получим новые данные об устойчивости соединений преджизни, то есть о времени их полураспада.

Можно ожидать прогресса и в изучении молекулярных ископаемых. Здесь открываются две области для изысканий: это исследование других органических соединений, помимо уже знакомых нам алканов, например липидов и пигментов; другая возможность - исследование того, какие соединения (или какие комбинации соединений), входящие в состав молекулярных ископаемых, должны считаться биогенными, а какие могут быть созданы и неорганическим путем и должны относиться к преджизни. Употребляя модное сейчас слово, можно назвать эту область работы исследованием "биогенности".

Главной точкой приложения усилий в изучении молекулярных ископаемых является анализ керогена, начатый только недавно (см., например, [3]).

Следовательно, можно ожидать, что мы научимся лучше различать биогенные и абиогенные вещества, а то и найдем ступени перехода между ними. Не так давно считалось, что все соединения углерода, находимые в осадочных породах, являются биогенными. Но с тех пор мы узнали, что возможен абиогенный синтез "органического" вещества; а с другой стороны, биогенные вещества обнаруживаются во все более и более древних отложениях. В результате "геологическая" граница между неживым и живым расплывается, превращается из линии в довольно неопределенную зону, как это уже случилось с "биологической" границей.

Если не каждое соединение углерода из древних осадочных пород обязательно имеет биогенную природу, то необходимо найти какие-то критерии биогенности веществ. Например, если аминокислоты могли синтезироваться неорганическим путем в условиях бескислородной атмосферы, то, может быть, белки или нуклеиновые кислоты можно счесть несомненными остатками ранней жизни? Как мы видели, ни один из подобных критериев, взятый в отдельности, не кажется удовлетворительным. Стала сомнительной ценность даже таких почитаемых критериев, как отношение стабильных изотопов углерода или оптическая активность.

По моему убеждению, для того чтобы решить, является ли какое-то соединение углерода, найденное в древних отложениях, молекулярным ископаемым, то есть остатком ранней жизни, или это всего лишь остаток преджизни, мы должны искать не какой-то один решающий критерий, а рассматривать целую группу ключевых признаков.

В качестве подтверждения рассмотрим историю изучения изопреноидных алканов. Сначала, как мы знаем из гл. XII, разд. 9 и 10, разная встречаемость молекул разной длины с числом атомов углерода, близким к 17, была принята как доказательство того, что эти алканы представляют собой продукты распада хлорофилла. Потом оказалось, что такие соединения образуются и при некоторых промышленных синтезах. Правда, условия таких синтезов резко отличаются от условий, создаваемых в модельных экспериментах с первичной атмосферой, и не меньше отличаются от обычных условий формирования осадков, но все же этот факт поколебал уверенность специалистов. Теперь, в своей новой книге, проф. Кальвин [4] подчеркивает неоднородность спектров алканов из органического материала древних осадочных образований. Эта неоднородность еще не может служить прямым доказательством биологической природы данных соединений, но дает по крайней мере веское доказательство в пользу этого. Непрерывный спектр соединений углерода, близкий к кривой гауссова распределения, напротив, свидетельствовал бы об их абиогенном происхождении. Возможно, такие соображения, высказывавшиеся в других формах и ранее, позволят наконец провести грань между неживым и живым в геологии.

Конечно, всегда надо помнить, что за свою длительную историю древние осадочные образования могли претерпеть изменения. При распаде исходного вещества - будь оно органическим или "органическим" - вполне могли идти процессы разделения и гетерогенизации, маскирующие его первоначальный состав.

Что касается настоящих ископаемых остатков, то и в этой области можно ожидать появления новых интересных данных. Во-первых, есть надежда (хотя и небольшая), что в одном или нескольких древних щитах найдутся очень древние неметаморфизированные осадочные породы, более древние, чем все известные сейчас. Во-вторых, не исключено, что в уже известных формациях будут найдены остатки, сохранившиеся лучше, чем образцы, описанные в гл. XII. Ведь ископаемые остатки раннего и среднего докембрия впервые найдены всего несколько лет назад, а из истории поисков окаменелостей фанерозоя мы знаем, что даже в районах, исследовавшихся на протяжении веков, всегда есть шансы найти новые богатые скопления ископаемых. Науке предстоит еще ответить на ряд важных вопросов. Пока неясно, можно ли считать биогенными примитивные "организованные элементы" вроде тех, что найдены в формациях Онвервахт и Фиг-Три в Южной Африке (гл. XII, разд. 17), или это продукты преджизни. Если окажется верным первое предположение, то документированная по ископаемым остаткам дата появления жизни на Земле отодвинется в прошлое примерно на полмиллиарда лет. Но такие "рекорды" интересуют нас меньше, чем сведения о свойствах и строении ранних форм жизни. Так, для нас важно, когда впервые появились эукариотические организмы (гл. VIII, разд. 8 и гл. XIV, разд. 10), - ведь их появление ознаменовало собой совершенно новый этап в развитии ранней жизни. Конечно, очень важный этап эволюции - появление первых животных, и знать его срок нам также крайне важно.

Для понимания природы молекулярных ископаемых и "организованных элементов" много может дать дальнейшее изучение углистых метеоритов. Оно, как показали последние годы, оказывает большое влияние на исследования подобного рода, ведущиеся на земном материале. Так, статья Надя и сотр. [6] о "биогенном веществе" метеорита Orgueil вызвала поток работ о земных молекулярных ископаемых.

Наконец, есть еще две отрасли знания, не связанные непосредственно с биологией, но способные дать новые сведения для понимания происхождения жизни. Это геохимия древних осадочных образований и физика и химия атмосферы. Есть надежда, что мы лучше поймем связь между древними осадками и составом атмосферы, в которой эти отложения формировались, а главное - сможем выразить эту связь количественно. От физики атмосферы можно ожидать новых данных, получаемых при космических исследованиях. Они позволят углубить выводы Беркнера и Маршалла, которые мы обсуждали в гл. XV. Кстати, нам очень пригодились бы новые, более подробные сведения о механизме эффекта Пастера (гл. XV, разд. 7) и о том, на каком уровне он начинает действовать.

Несомненно, среди открытий ближайших лет будут и такие, которые невозможно предсказать сейчас. Ведь в исследование проблемы происхождения жизни вносят свой вклад самые разные дисциплины. Но даже оставляя в стороне "сюрпризы", можно с уверенностью сказать, что в последующее десятилетие изучение проблемы происхождения жизни интенсифицируется и оно принесет много новых результатов. Лично я убежден, что значительная часть материала этой книги устареет очень скоро.

Что, по-видимому, так и останется неизвестным

Может быть, это излишне, но в заключительной главе я хотел бы еще раз подчеркнуть, что, несмотря на открывающиеся перспективы, наше представление об истории происхождения жизни всегда будет лишь схематичным и неполным. Это неизбежное следствие неполноты геологической летописи, неполноты, которая, как и в истории человечества, усугубляется по мере удаления от наших дней в прошлое. Чем дальше мы углубляемся в геологическую историю, тем меньше встречаем сохранившихся неизменными осадочных пород. С другой стороны, чем ближе мы подходим к истокам жизни, тем примитивнее становятся формы ранней жизни, тем труднее их распознать и тем меньше они могут нам рассказать о себе и об окружающей среде.

Что касается осадочных пород, то вряд ли мы сможем найти достаточно хорошо сохранившиеся отложения древнее южноафриканской системы Трансвааль (более 3,2 млрд. лет). А это означает, что геологическая летопись не сохранила никаких свидетельств самого раннего периода развития жизни - ведь жизнь возникла гораздо раньше. Что же до трудностей обнаружения остатков ранней жизни, мы уже говорили, как сложно отличить неорганически синтезированные глобулы "органического" вещества от фоссилизированных остатков примитивных форм ранней жизни, по-видимому представляющих собой сходные глобулы. Термин "организованные элементы" был придуман специально для того, чтобы избежать обязывающей оценки форм, обладающих морфологией, переходной между преджизнью и ранней жизнью.

Неизбежная неполнота геологической летописи выражается и в том, что если даже фоссилизация и сохранила внешнее строение форм жизни, то никаких сведений о метаболизме, свойственном некогда этим организмам, она сохранить не могла. С этой трудностью мы сталкиваемся даже при изучении жизни в фанерозое, но с докембрием все обстоит особенно сложно. Дело не только в том, что вообще сведений о жизни докембрия гораздо меньше, но и в том, что микробный метаболизм гораздо разнообразнее, чем это свойственно высшим организмам - растениям и животным (см. гл. VIII, разд. 4).

Оптимистический взгляд в будущее

Не будем, однако, страшиться ограниченности наших возможностей в области исследования почти любой проблемы, связанной с историей Земли. Изучение развития жизни в фанерозое тоже затруднено из-за недостатка данных, и все же надо признать, что об эволюции за последние полмиллиарда лет мы сумели узнать немало.

Сравнивая первые гипотезы, выдвинутые всего несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положением, достигнутым, скажем, к 1962 году, когда я издал свою первую книгу с обзором проблемы, а затем сравнивая тогдашнее состояние вопроса с современным, мы видим, как из набора довольно слабо обоснованных фактами гипотез выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы добыли за это время массу новых данных. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.

Итак, даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из "органических" соединений, созданных в результате неорганических процессов. Эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни. Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.

Абиогенный синтез органических веществ Миллера

Эксперимент Миллера — Юри — известный классический эксперимент, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.

Фактически это был экспериментальный тест гипотезы, высказанной ранее Александром Опариным и Джоном Холдейном, о том, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри.

Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую представлениям о составе атмосферы ранней Земли в 1950-х, и пропускавшиеся через неё электрические разряды (имитируя удары молнии по земле). Эксперимент Миллера — Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.