Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Углерод — единственный химический элемент, который может выполнять роль скелета для столь разнообразного массива сложных молекул. Его секрет кроется в химической гибкости. Будучи элементом №6, что на полпути между магическими числами 2 и 10, углерод может достигать стабильного состояния, добавляя электроны, отдавая их или делясь ими с двумя, тремя или четырьмя соседними атомами.

Химический секрет жизни — в контроле электронов. Жизнь зависит от строго регулируемой последовательности химических реакций — сложных процессов, которые забирают энергию, хранят энергию и используют энергию, чтобы создавать живые ткани. Все основные химические реакции жизни вызывают перестановку атомов и их электронов. Контролируйте движение атомов и электронов — и вы сможете контролировать главные процессы жизни.

Углерод достигает этой цели, поскольку соединяется напрямую с десятками разных элементов, включая и себя самого, а также создает широкий диапазон локальных химических сред. Хотя большинство атомов углерода окружает себя четырьмя соседними атомами и каждый привносит один электрон, чтобы достичь желаемого магического числа 10, углерод также образует двойные связи, делясь с другим атомом — обычно с кислородом или с самим собой — двумя электронами. В результате образования двойных связей у атомов углерода появляется всего два или три ближайших соседа, а не четыре, как обычно. В особых случаях углерод может образовывать даже тройные связи, делясь тремя электронами с другим атомом, чаще всего с азотом или еще одним атомом углерода. Атому углерода с тройной связью нужен лишь один дополнительный электрон, который ему обеспечивает один дополнительный атом-сосед. Эти разные варианты связей сильно увеличивают геометрическое разнообразие углеродсодержащих молекул.

Некоторые из получившихся в результате конфигураций, например украшенная множеством атомов водорода длинная цепь атомов углерода, приводят к образованию углеводородных молекул, в которых каждый атом и каждый электрон находятся в довольно стабильном неактивном состоянии. За исключением случаев экстремального химического разрушения — скажем, при горении в присутствии активного кислорода — атомы и электроны молекулы углеводорода остаются на месте. Следовательно, длинноцепочечные углеводородные молекулы служат эффективными структурными элементами защитных клеточных мембран, а также основными средствами долгосрочного хранения энергии в жирах и маслах.

Белки же, которые управляют клетками, наоборот, представляют собой большие углеродсодержащие молекулы, которые зависят от тонко контролируемого движения электронов. Их атомы упорядочены таким образом, что электрон, слабо удерживаемый несколькими атомами, часто кластером, содержащим атом металла (к примеру, железа, никеля или меди), легко может быть отдан. Подобную реакцию вызовет незначительное изменение условий, окружающих молекулу. Первая химическая реакция может вызвать следующую, а потом и еще одну — быстрый каскад смещений электронов, точно контролируемых геометрией углеродсодержащих белков. Такие цепи реакций необходимы для построения новых молекул, когда клетки растут и размножаются.

Углерод обеспечивает бесподобную молекулярную гибкость, поскольку играет много ролей. Шестой элемент принимает электроны, отдает электроны или делится ими, связываясь таким образом с десятками разных химических элементов в молекулярные цепочки, кольца и ветви с одиночными, двойными или тройными связями. Он образует столь небольшие молекулы, как CO, CO₂ и CH₄, и при этом является составной частью гигантских молекулярных структур буквально с миллиардами атомов.

С учетом этой уникальной его многогранности нет ничего удивительного в том, что 90% лабораторных химических исследований связаны с углеродом. Посмотрите на набор дисциплин, преподаваемых на химическом или биологическом факультетах любого университета, и вас поразит непропорциональная важность углерода: органическая химия, химия полимеров, фармацевтическая химия, биохимия, молекулярная генетика, сельскохозяйственная химия, пищевая химия и химия окружающей среды. Семинары проводятся по таким темам, как компьютеризированная разработка лекарств, особым образом свернутые структуры белков, углеродсодержащие наноматериалы, микроскопический состав почв и сложная химия вина. Все эти темы плюс еще десятки подобных основаны на химическом богатстве углерода.

Стратегии: последовательные шаги к жизни

Популярное состязание ученых в поисках происхождения жизни — вообразить его «сценарий», тщательно продуманную, с широким охватом, зачастую не поддающуюся проверке историю химических и физических обстоятельств, при которых из безжизненной геохимической среды появился живой мир. Каждый из этих воображаемых сценариев основан на каком-то ранее не учтенном физическом или химическом явлении — им может быть особенный минеральный шаблон вроде слюды или пирита, или удивительная физическая среда типа несущейся по ветру высоко в атмосфере струи аэрозоля, или сульфидный «пузырек» рядом с жерлом вулкана глубоко на океаническом дне.

Баллы (и известность) получают за новизну. Британский минералог Грэм Кернс-Смит, творчески мыслящий ученый, захватывающе читавший лекции и увлекательно писавший, привлек большое внимание своей гипотезой глиняного мира{152}. Он утверждал, что древний фрагмент глины (повсеместно распространенного скользкого минерального компонента грязи) начал самовоспроизводиться, переносить информацию и эволюционировать, чтобы стать в конечном счете шаблоном для биомолекул современной биологии. Несмотря на то что механизмы сего процесса были обрисованы довольно смутно (и, вероятно, они недоказуемы с кристаллохимической точки зрения), этот сценарий захватил воображение людей, хотя и был просто вариацией древнееврейского мифа о Големе — существе, созданном из глины.

На конференциях и в публикациях, посвященных происхождению жизни, постоянно фигурируют концептуальные идеи вроде «мира ПАУ[41]», «мира слюды», «мира боратов»; каждая такая история фокусируется на новой причуде природы, каждая зависит от некоего особого обстоятельства, которое способствовало бы сложному прыжку от неживых химических веществ к живой планете.

Каким бы разумным ни показался на первый взгляд любой из предложенных сценариев, каким бы заманчивым ни был рекламный ход или страстной — презентация, мне все они кажутся немного придушенными, поскольку в них заложено отрицание удивительного богатства природных возможностей. Исследование происхождения жизни в каком-то смысле аналогично игре «Двадцать вопросов», в которой вы пытаетесь установить личность загаданного человека, последовательно задавая все более конкретные вопросы, подразумевающие ответ «да» или «нет». Понимающий стратегию игрок всегда начинает с самых общих вопросов, выясняя, жив ли загаданный человек, мужчина это или женщина и т.д.

Исследование происхождения жизни должно быть таким же. Сначала задайте самые общие вопросы. Посредством каких различных реакций природа может синтезировать биомолекулы? С помощью каких механизмов эти основные компоненты способны собираться в функциональные полимеры и мембраны? Многие сценарии происхождения, напротив, слишком ограничены — это все равно что выстрелить: «Чарльза Дарвина загадали?» первым же вопросом. Конечно, сценарии, как и озарения, могут быть оригинальными и наводящими на размышления, и в кои-то веки вам повезет выиграть в «Двадцать вопросов» интуитивно, но подходить так к глубокой научной проблеме появления жизни не очень практично и вряд ли это даст удовлетворительный результат.

Есть способ получше. Самый основательный подход к ответу на вопрос о происхождении — подумать о появлении жизни как о последовательности химических шагов, каждый из которых добавлял структуру и сложность в то, что в конечном счете стало биосферой Земли. Первый шаг: вы должны создать основные многопрофильные молекулярные кирпичики — аминокислоты, липиды, сахара, основания. Следующий шаг: нужно собрать эти простые молекулы в функциональные структуры — макромолекулы, которые работают в качестве мембран и клапанов, хранят и копируют информацию, а также способствуют росту. И последний шаг: такая совокупность молекул должна научиться копировать себя.

Этот подход, рассматривающий происхождение жизни как последовательность постепенных шагов, имеет значительное преимущество перед любым неординарным сценарием, каким бы разумным тот ни был. Каждый шаг можно исследовать в целенаправленной и строгой экспериментальной программе. Каждый шаг обращается к связанным с химией углерода фундаментальным вопросам, которые важны сами по себе. И эта простая экспериментальная стратегия, скорее всего, воссоздаст последовательные химические шаги, которые должны происходить на любой богатой углеродом планете или ее спутнике повсюду во Вселенной.

Шаг 1. Возникновение биомолекул

Первый шаг, который столь же очевиден, как и любой другой аспект исследования происхождения жизни, должен заключаться в создании главных молекулярных компонентов. В начале 1950-х гг. в Чикагском университете был проведен выдающийся эксперимент, возвестивший зарождение серьезной науки о происхождении жизни. В поисках подходящей темы для диссертации выпускник Стэнли Миллер обратился за советом к своему знаменитому наставнику Гарольду Юри{153}.

Двадцатью годами ранее Юри первым выделил и описал тяжелый изотоп водорода, названный дейтерием, — за это исследование в 1934 г. он был удостоен Нобелевской премии по химии. Во время Второй мировой войны Юри участвовал в Манхэттенском проекте и играл центральную роль в разработке атомной бомбы, отвечая за отделение расщепляемого изотопа урана-235 от гораздо более распространенного урана-238{154}.

После войны многие ученые-ядерщики отказались от тех прикладных исследований, которые привели к созданию оружия массового поражения. Гарольд Юри перенаправил свою энергию на изучение химической эволюции планеты Земля, используя изотопные характеристики горных пород, чтобы выяснить температуру древних океанов и состав атмосферы прошлых геологических эпох. Одним из важнейших открытий Юри стало осознание того, что атмосфера древней Земли, в которой до распространения влияния жизни преобладали вулканические испарения, радикально отличалась от сегодняшней. Ученый утверждал, что она представляла собой смесь химически активных газов, в частности водорода, метана и аммиака, — все они вносили свой потенциальный вклад в добиологическую химию. Никто не знал, каким химическим реакциям способствовала такая экзотическая атмосфера, но Юри пришел к выводу, что подобная смесь газов могла иметь отношение к происхождению жизни. Стэнли Миллер, вдохновленный лекциями Юри на эту тему, решил найти ответ.

Юри и Миллер совместно разработали аккуратный настольный стеклянный прибор — ряд колб и трубочек, заполненных водой (на донышке) и смесью газов, слегка подогреваемых снизу и возбуждаемых электрическими разрядами; таким образом имитировалась первичная близповерхностная обстановка, пронизываемая молниями. Опубликованные в 1953 г. поразительные результаты, о которых раструбили заголовки СМИ по всему миру, возвестили о «получении аминокислот в потенциально возможных условиях первозданной Земли»{155}. Миллер и Юри сотворили ключевые молекулы жизни из самых базовых ингредиентов — воды и тех газов, которые могли извергаться из вулканических источников на древней Земле. Это был основополагающий вклад в то, чему предстояло стать развивающимся «кустарным промыслом» исследований происхождения жизни.

А могла ли возникнуть жизнь в глубоководных вулканических источниках?

У вопроса, как появилась жизнь, есть даже более важная сторона — «где» появилась жизнь, причем, похоже, этого нам не узнать. Появилась ли она на освещенной солнцем поверхности земли? Или в темных глубинах океана? Не было другого предмета обсуждения, относящегося к вопросу происхождения жизни, который разжигал бы столь жаркие споры, был причиной стольких дебатов.

Одна из странностей человеческой природы заключается в том, что мы склонны думать в категориях дихотомии. Клод Леви-Стросс, французский антрополог и философ XX столетия, автор книги «Первобытное мышление»[42], характеризовал такое черно-белое восприятие как пережиток примитивных механизмов выживания: быстрое распознавание друга или врага могло помочь сделать выбор между жизнью и смертью{156}. Когда встречаешься со смертельной опасностью, нужна определенность. То, что происходит сегодня в мире, — проявления расизма, национализма, политическое фракционирование и религиозный фундаментализм, наполняющие сегодняшние новости, — это современные последствия того жесткого бимодального типа мышления, продолжающего делить человечество на два противостоящих друг другу лагеря: «мы» и «они».

Хотелось бы думать, что мы, рациональные ученые, подходим к своим исследованиям с более тонким и просвещенным мировоззрением, но стоит вам только взглянуть на основные положения истории науки, как станет очевидным, что многие исследователи попали в ту же ловушку{157}. Более двух столетий назад величайшие геологи того времени были втянуты в напряженные дебаты, которые разделили исполненных благих намерений исследователей на две группы: униформистов и катастрофистов. Первые утверждали, что все геологические процессы постепенны и продолжают происходить в наши дни, вторые же считали, что геологическая истории Земли состоит из ряда катаклизмов (читай, библейский Всемирный потоп). Сегодня очевидно, что правда где-то посередине. Подобные яростные споры разгорались между Абраамом Готлобом Вернером и его последователями-нептунистами, которые выступали за водное происхождение горных пород, и сторонниками Джеймса Геттона — плутонистами, которые считали главной причиной разнообразия структур земной коры внутреннее тепло. И снова оба лагеря оказались отчасти правы.

Открытие распространенного, легко реализуемого синтеза аминокислот и других биологических структурных элементов в настольном эксперименте, проведенном Стэнли Миллером в 1953 г., создало новую ложную дихотомию. Миллер и большинство сторонников этого многообещающего варианта происхождения жизни пришли к выводу, что ключевая часть проблемы биогенеза решена. Биомолекулы сформировались в древней пронизываемой молниями атмосфере. «Если Бог сделал не так, — иронизировал влиятельный биохимик Лесли Орджел, — то Он упустил хорошую возможность»{158}. Легко достигнутый первый успех оказался притягательным; катехизис «миллеристов» доминировал более трех десятилетий. Растущая армия учеников, воспитанная в лаборатории Миллера в Сан-Диего, распространилась по всему миру, проповедуя ортодоксию Миллера — Юри.

Открытие в 1977 г. «черных курильщиков» — вулканических гидротермальных источников с их богатыми микробными экосистемами на глубоком, темном океаническом дне — предложило интригующий альтернативный сценарий происхождения жизни, основанный на надежной универсальной химической энергии минералов, постоянно выбрасываемых вулканами. Гипотеза зарождения жизни в горных породах привлекла внимание, предъявив правдоподобный дополнительный способ создания биомолекул — более щадящий путь синтеза, который обходился без разрушительного эпизодического влияния молний. Многие из нас (особенно минералоги, чья работа внезапно стала потенциально более важной) уцепились за новую идею. Но Миллер и компания упорно боролись с идеей гидротермального происхождения жизни, публикуя статью за статьей и объясняя, почему их оппоненты-«вентисты»[43] не правы. В выдающейся статье 1992 г., анонсированной на обложке популярнейшего журнала о науке Discover, было процитировано высказывание Миллера, объявлявшего гидротермальную гипотезу «по-настоящему неудачной»{159}. «Я не понимаю, почему мы вообще должны ее обсуждать», — сетовал он.

Гипотезу глубинного происхождения жизни спасло NASA. Миссия агентства, заключающаяся в исследовании других миров (в особенности планет и их спутников), которые могут быть возможными колыбелями жизни, была расширена за счет тематики изучения глубинной жизни на Земле. В конце концов, если происхождение жизни, согласно модели Миллера — Юри, ограничено теплой и влажной поверхностной средой, периодически пронизываемой молниями, тогда Земля и, возможно, Марс на заре его существования являются единственными потенциально пригодными местами для жизни в нашей Солнечной системе. Это довольно куцый шорт-лист для организации, деятельность которой посвящена исследованию космоса. Но если главную роль может играть также глубинная темная сырая вулканическая зона, тогда полем для биоисследований становится множество других миров. На покрытых льдом спутниках Юпитера Европе и Ганимеде — и, возможно, даже на Каллисто — есть большие подповерхностные океаны, нагреваемые снизу: тепло создается в результате приливного разогрева, поскольку спутники вращаются вокруг газового гиганта.

У Титана, крупного спутника Сатурна, хотя и замерзшего с поверхности, есть криовулканы с водой, которая течет, а затем застывает подобно магме, так что Титан также может иметь глубинные гидротермальные зоны. Еще более привлекательным в данном отношении выглядит крошечный спутник Сатурна Энцелад{160}. Будучи всего 500 км в диаметре, Энцелад может похвастаться подповерхностным океаном и гидротермальными источниками, которые извергают фонтаны воды на покрытую льдом поверхность. Даже сегодняшний Марс с предполагаемой теплой и влажной подповерхностной средой начинает выглядеть многообещающе в качестве дома для некоторых примитивных «подпольных» микробных экосистем. С учетом этих перспектив, хотя и умозрительных, NASA подхватило гипотезу гидротермального происхождения и начало спонсировать несколько лабораторий (включая мою) для проведения полевых исследований, лабораторных экспериментов и теоретического моделирования альтернативных жизненных сред.

Потребовалось более четверти века экспериментов и обсуждений, но в наши дни ученые действительно описывают разнообразные правдоподобные добиологические химические процессы, соотносимые с глубинными гидротермальными зонами, которые, должно быть, дополняли поверхностные механизмы синтеза. Многие исследователи фокусируются на повсеместно распространенных реакциях выветривания базальта, в результате которых свежие вулканические базальтовые потоки преобразуются в карбонатные и глинистые минералы, высвобождая водород — сам по себе прекрасный источник энергии для жизни. И стоит только появиться новому свидетельству богатства химии, основанной на глубинном углероде, некорректные дебаты «миллеристов» и «вентистов» быстро уйдут в анналы истории науки просто как еще один пример непродуктивности полярных мнений в тонких вопросах природы.

Урок, который следует усвоить, прост: наложение ложной дихотомии на вопросы о природном мире не только раскалывает исследователей, но также может препятствовать научному прогрессу, поскольку игнорируются хитросплетения сложных систем. Природа редко окрашена в черное и белое. Отбросив ложные и произвольные разделения, мы значительно быстрее продвинемся в постижении нюансов истины.

[41] Полициклические ароматические углеводороды. — Прим. науч. ред.

[42] Леви-Стросс К. Первобытное мышление. — М.: Республика, 1994. — Прим. ред.

[43] От англ. vent — здесь: гидротермальный источник. — Прим. науч. ред.