Планета бурь - Олег Фейгин

Первое звено пищевых цепочек в живом сообществе организмов – биоценозе «черных курильщиков» – составляют бактерии, синтезирующие органические молекулы из ядовитой смеси. В следующих звеньях уже и бактерии, и добытая ими органика служат пищей многощетинковым червям, морским звездам, моллюскам и креветкам

Не так давно ученый мир снова всколыхнули бурные споры о происхождении жизни на Земле, и начало им положило открытие уникальных донных геологических образований, «черных курильщиков». Это гидротермальные источники, напоминающие конические трубы, из которых непрерывно вьются густые черные клубы дыма. Перегретая до 300 °C и насыщенная различными минералами вода поднимается по этим трубам из недр земли, вынося на поверхность солевой раствор марганца, меди, серы и цинка. Первые исследователи, рискнувшие приблизиться к выбросам «черных курильщиков», посчитали, что наткнулись на самую неблагоприятную среду для белковой жизни на нашей планете.

Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в окрестностях этих миниатюрных водных вулканов, покрывающих все вокруг слоем ядовитых сернистых отложений, бурлит жизнь глубоководных организмов! И уже вскоре на основании полученных данных родилась теоретическая модель возникновения жизни на Земле в островках геотермальных вод, окружающих древнейшие «черные курильщики». Некоторые биологи даже доказывают, что обитатели этих подводных оазисов, как чемпионы среди экстремалов, вполне могли бы прижиться даже где-нибудь далеко за пределами Земли, скажем, на планетах Солнечной системы. Ведь они не только легко переносят холодную тьму колоссального давления, но и активно размножаются в этих жизненно необходимых им условиях.

Надо сказать, что почти все из этих организмов выглядят крайне необычно – так, у глубоководных креветок вместо глаз на спине расположены инфракрасные рецепторы, напоминающие наши приборы ночного видения. У глубоководных червей отсутствует желудочно-кишечный тракт, и они питаются благодаря симбиозу с серобактериями, поселяющимися в их телах и снабжающими их питательными веществами, синтезированными из сероводорода.

Чтобы по-настоящему разобраться в роли воды при зарождении живого на нашей планете, надо еще раз вернуться к вопросам: что же в действительности представляет собой живая материя и как может происходить ее зарождение во Вселенной?

По одной из наиболее распространенных гипотез первые органические соединения «получились» в первичной атмосфере Земли, насыщенной метаном, аммиаком, водородом, водными парами и пронизанной молниевыми разрядами. Предполагается, что именно атмосферное электричество и ультрафиолетовое излучение подтолкнуло первичную природу к образованию «кирпичиков» жизни около миллиарда лет назад. Под действием молний и потоков ионизирующего излучения эти вещества расщеплялись на активные компоненты – свободные радикалы, случайным образом составляющие все более сложные молекулы.

Ученые-биохимики решили проверить эту гипотезу и в середине прошлого века впервые попытались поставить ряд экспериментов по самозарождению жизни. Они построили лабораторную установку из двух сообщающихся сосудов, в одном из которых была вода, а в другом – модель атмосферы первобытной Земли из смеси газов: водорода, метана, аммиака и водяных паров. Когда ученые создали в такой атмосфере миниатюрную грозу, пропустив серию электрических разрядов, вода в сосуде побурела, а ее химический анализ показал, что там образовалось множество «кирпичиков» живой материи – аминокислот и других органических молекул. При продолжительной циркуляции и непрерывном воздействии электрических разрядов смесь порозовела, а еще через некоторое время потемнела и поменяла цвет на грязновато-красный. Детальные анализы показали, что в ней появились аминокислоты, представляющие собой элементы белковых молекул.

Этот знаменитый опыт, вошедший впоследствии во все учебники биологии, наглядно продемонстрировал, что чисто случайные химические реакции в смеси простых молекул «мертвого» неорганического вещества могут приводить к образованию все более и более сложных «полуживых» органических молекул и веществ, на основе которых построено все живое.

Вспомним теперь об уникальном жизненном ареале морских существ, окружающих «черных курильщиков». Современные опыты биохимиков показали, что смеси газов, выделяющихся в местах прорыва горячей лавы на дне Мирового океана, содержат те же циклы взаимосвязанных химических реакций, которые характерны для живых клеток. Этот новый взгляд на возникновение первичных «кирпичиков» жизни – нуклеотидов, из которых построены все генетические молекулы, существенно дополняет классические эксперименты, в которых так и не удалось получить живые клетки.

Здесь нужно заметить, что со времени открытия глубоководных «черных курильщиков» среди ученых не утихает полемика. Так, гидробиологи-глубоководники на основании своих сенсационных результатов утверждают, что жизнь самозародилась на дне первичного океана при высокой температуре, тогда как ихтиологи продолжают традиционно ссылаться на приповерхностные слои мелководных теплых водоемов, хорошо прогреваемых солнечными лучами. Существует и третья группа аргументов, включающих новейшие астрофизические данные, указывающие на то, что наше светило во времена образования Земли было намного более тусклым, чем сейчас, и поток солнечной энергии так мал, что земной океан вполне мог находиться под ледяным панцирем. Эту ледяную кору постоянно пробивали потоки «строительного материала», оставшегося от протопланетного диска. Сюда входили крупные метеоры и астероиды в виде гигантских глыб льда. Подобная бомбардировка выплескивала потоки лавы, которая приносила в первичный океан органические вещества. Космические удары вместе с извержением вулканов интенсивно перемешивали воды океана и атмосферу.

Однако в последние годы появились прямо противоположные геологические данные, свидетельствующие о том, что в первый миллиард лет существования Земли ее океаны не только не замерзали, а, наоборот, находились вблизи точки кипения! В качестве объяснения выдвигается гипотеза, согласно которой высокая температура на планете поддерживалась благодаря тепличному эффекту, создаваемому атмосферой двуокиси углерода, пропускающей солнечное излучение к поверхности Земли, но препятствующей его переизлучению обратно – во внешнее пространство. До сих пор не существовало точных оценок количества углекислого газа в атмосфере Земли на ранних этапах ее развития.

Такую оценку предлагают сегодня геохимики, анализируя образцы базальтовых пород из подводных хребтов в Карибском море, Тихом и Атлантическом океанах. Сопоставляя количество обнаруженного в образцах углерода с содержанием в нем редкого изотопа гелия, ученые сделали вывод о том, что содержание окиси углерода в атмосфере Земли, по крайней мере, в первый миллиард лет ее существования было в тысячу раз больше, чем в настоящее время, и составляло около 40 %. При этом температура в приземном слое достигала почти 100 °C, и вода океанов почти закипала.

В настоящий момент, согласно выводам геофизиков, вулканы и вулканические расселины, находящиеся на дне Мирового океана, ежегодно выделяют не менее 30 млн тонн углерода в форме углекислого газа. К этому количеству еще несколько миллионов тонн добавляют «сухопутные» вулканы.

Миллиарды лет назад, по мере охлаждения внутренних областей Земли, поток углекислого газа, выделяющийся на поверхность, ослаб. Общее количество углерода в коре, океанах и атмосфере также резко сократилось в активизировавшемся процессе погружения тектонических плит, уносивших с собой значительное количество углерода. Эта геохимическая схема позволяет по-новому взглянуть на то, как происходили процессы зарождения и эволюции жизни в Мировом океане, начавшейся по крайней мере 3,5 млрд лет назад.

Надо честно признать, что все без исключения гипотезы возникновения живой материи на нашей планете имеют немало трудностей, а отдельные их положения вызывают и серьезные сомнения. Ведь хотя после классических работ академика Опарина наука казалась близкой к решению проблемы происхождения жизни, никому из биологов так и не удалось получить из «бульона Опарина», насыщенного органическими соединениями, хотя бы некое подобие протоклеточных образований. Сегодня предлагается много новых гипотез, но ни одна из них не представляется экспериментально убедительной.

По мере дальнейшего изучения молекулярной структуры белков биологи поняли, что молекулы, лежащие в основе земной жизни, гораздо сложнее по строению, чем те простейшие аминокислоты и нуклеотиды, которые возникали в лабораторных экспериментах. Разумеется, здесь можно было ввести набор неких новых факторов, под воздействием которых опять-таки неизвестным образом первичные аминокислоты и нуклеотиды самопроизвольно синтезировались в более сложные белковые молекулы. Однако искусственность подобных гипотез самоочевидна, и сколько бы экспериментаторы ни перебирали различные физико-химические меры воздействия, получить белки им так и не удалось.