Инопланетяне глазами науки (ЛП): читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Если бы однажды утром вы проснулись и услышали, как задорный ведущий шоу «Сегодня» рассказывает вам, что все наши отрасли промышленности, бытовая техника и компьютеры подверглись нападению инопланетян, пожирающих металл, и что этих существ нельзя убить дозами радиации, в миллионы раз превышающими те, которые могли бы убить человека, то это вас сильно напугало бы, верно? Тем не менее, такие существа, называемые металлофилами, уже довольно широко распространены прямо здесь, на Земле, и являются моделями для возможных форм жизни в других мирах. Эти существа — археи, примитивные организмы, похожие на бактерии, которые мы более подробно обсудим в этом разделе.

В 1996 году команда Крейга Вентера из Института геномных исследований в Роквилле, штат Мэриленд, узнала больше нового о микробе, который способен жить при низких температурах, поедать металл и с явным удовольствием выдерживать огромные дозы радиации. После секвенирования его полной генетической структуры, которая включает 1738 генов, они обнаружили, что две трети его генов не похожи ни на что из того, что учёным приходилось видеть когда-либо до этого. Некоторые из генов похожи на человеческие, тогда как другие напоминают гены бактерий.

Этот микроб, представитель многочисленной, но загадочной группы одноклеточных организмов, называемых археями, обладает генами, которые доказывают принадлежность этого существа к третьей ветви жизни, совершенно непохожей на две другие известные ветви на Земле: бактерии и сине-зелёные водоросли на одной ветви, и все представители растительного и животного царства — на другой. Хотите верьте, хотите нет, но большая часть земной жизни одноклеточна, а все эукариоты, или многоклеточные организмы (от растений до муравьёв и людей), представляют собой маленькую веточку, торчащую на огромном микробном дереве. Излишне говорить, что этот тенденциозный взгляд на биологию, когда его впервые предложили, биологи приняли не особенно быстро.

Группа архей может включать миллионы различных организмов. Они составляют половину всей массы живых организмов на Земле и среди них есть микробы, способные противостоять радиации в дозах, оцениваемых в 2 миллиона рад — 450 рад смертельны для любого человека. Другие представители этого класса процветают при температурах значительно ниже точки замерзания воды или могут выдерживать температуры выше температуры её кипения, или живут только за счет потребления металлов и минералов вроде серы.

Изучение архей ускорилось в 1982 году, когда океанографы на борту подводной лодки в 1000 милях (1613 км) от побережья Нижней Калифорнии обнаружили подводный вулканический горячий источник под названием белый курильщик, который извергает плотное белое облако в виде струй горячей воды. Экипаж подводной лодки собрал образцы горячей воды и обнаружил, что в ней содержится странный и неизвестный организм.

Поддерживать жизнь таких существ в лаборатории довольно сложно. В 1996 году группа Крейга Вентера культивировала их при высоких температурах в герметичных контейнерах, которые были снабжены клапаном, чтобы предотвратить взрыв метана, вырабатываемого организмами. Микроб под названием Methanococcus jannaschii обычно обитает в горячих источниках в Тихом океане на глубине 2 миль (3,2 км), где давление воды в сотни раз выше, чем на уровне моря. Он процветает в полной темноте при смертельной температуре 185 градусов по Фаренгейту (85 градусов по Цельсию), а кислород мгновенно убивает его, как и многих бактерий. Он кормится исключительно углекислым газом, водородом и азотом.

Последовательность генов одного из этих существ позволяет предположить, что у него есть общий эволюционный предок с бактериями. Поскольку самыми ранними указаниями на существование жизни на Земле были окаменелости бактерий возрастом 3,6 миллиарда лет из Западной Австралии и отложения возрастом 3,85 миллиарда лет из восточной Гренландии, неизвестные предки архей, должно быть, жили ещё раньше — возможно, ещё 4 миллиарда лет назад, когда Земля и планеты Солнечной системы были очень молоды. Некоторые учёные предполагают, что гипотетические окаменелости, найденные на Марсе, могли быть одноклеточными археями.

В будущем микроб будет всё более полезен человечеству, поскольку он выделяет большое количество метана, взрывоопасного природного газа, широко используемого в промышленности и в качестве источника энергии. Разнообразные метанообразующие организмы, относящиеся к группе архей, выделяют, как минимум, 200 миллионов тонн метана в год. Эти пожиратели металлов также могут оказаться полезными при производстве новых фармацевтических продуктов и при очистке мест захоронения опасных отходов, например, содержащих токсичные тяжёлые металлы.

Эукариоты

Традиционно земную жизнь разделяли на две основных категории: формы жизни, клетки которых лишены ядра (прокариоты), и те, чей генетический материал (обычно ДНК) сосредоточен в ядре (эукариоты); к последним относятся все высшие растения и животные. Как упоминалось в предыдущем разделе, совсем недавно некоторые биологи разделили самых примитивных прокариот на две категории: архебактерии и эубактерии, которые также носят более простые названия — археи и бактерии.

До сих пор мы обсуждали довольно примитивные формы жизни, бактерии и археи, населяющие местообитания, экстремальные в плане температур, освещения и химии. А насколько значительно число эукариот-экстремофилов?{16}

В этом разделе мы расширяем наш поиск и подразделяем более сложных экстремофилов на целый ряд категорий. Приготовьтесь познакомиться со скотофилами, анаэробами, термофилами, психрофилами, ацидофилами, алкалофилами, галофилами и барофилами. Это разделение подчёркивает ту же самую мысль, что и предыдущие случаи: куда бы мы ни взглянули на Земле, в условиях экстремальных холода, кислотности и давления жизнь всегда находится в изобилии.

Вы вместе с капитаном Пикаром и лейтенантом Ворфом из сериала «Звёздный путь: Следующее поколение» исследуете подземную воздушную камеру на новой планете. В камеру никогда не проникал солнечный свет, поэтому вы рассчитываете найти лишь немногие формы жизни крупнее бактерий. Тем не менее, направив в камеру луч света, вы видите огромных инопланетных существ с суставчатыми ногами и незрительными органами чувств — «антеннами» просто ужасающе огромного размера.

Звучит неправдоподобно? Ничуть. Такую сцену недавно наблюдали на Земле.

Даже совершенно тёмные пещеры кишат крупными организмами разного рода. Возьмем, например, пещеру Мовиле в Добрудже, Румыния, изолированную от мира на протяжении миллионов лет, тёмную навеки, но кишащую жизнью. Это прямо-таки сцена из серии «Секретных материалов» или, возможно, «Арахнофобии». Несмотря на то, что пещера не получает энергии от солнца, в её извилистых недрах обитает уникальное сообщество животных инопланетного облика: сотни пауков, ранее неизвестных микробов, водяных скорпионов, хищных пиявок, равноногих раков, мокриц, ногохвосток, многоножек, щетинохвосток и других троглодитов (обитателей пещер) разного рода...

Как бы выглядел инопланетный скотофил (буквально «любитель тьмы»)? На Земле эти существа, чтобы «видеть», часто используют свои антенны или ноги, ощупывая ими окружающую местность. Кроме того, поскольку хищники не могут их увидеть, троглодитам совершенно не требуется менять окраску ради маскировки, поэтому многие из них бледно окрашенные или белые, а некоторые настолько прозрачны, что можно увидеть, как течёт их кровь. Если мы хотим поискать жизнь на Марсе, мы должны заглянуть в марсианскую версию пещеры Мовиле, где могла бы существовать жидкая вода, и куда не обязательно проникал бы свет.

В 1996 году учёные смогли получить доступ в пещеру Мовиле через искусственную входную шахту, случайно созданную в ходе работы над строительным проектом. Оказавшись в пещере, они обнаружили в сырых помещениях богатую фауну — на сегодняшний день это около 47 видов животных. Тридцать из 47 видов ранее были неизвестны. В случае комплекса особенностей, называемого трогломорфией, у всех существ наблюдается редукция или утрата глаз и пигментации, увеличение придатков и гигантские антенны. Предки некоторых из этих видов, возможно, оказались изолированными от своих наземных сородичей более 5 миллионов лет назад, когда климат южной Румынии стал очень сухим. В наше время пища и бактерии не попадают в пещеру с поверхности. Это означает, что единственным источником пищи для тех существ, которые находятся в самом низу пищевой цепи, являются сероводород и метан из подземных вод, просачивающихся через внутренние помещения пещеры. Некоторым образом пещера Мовиле является капсулой времени — крошечной изолированной частью мира. Со временем её обитатели эволюционировали во множество специализированных форм. Если бы поместить людей в среду, подобную пещере Мовиле, с достаточным количеством кислорода, просачивающегося в пещеру через мельчайшие трещины, то в каких существ мы эволюционировали бы в ближайшие 5 миллионов лет? Исчезнут ли со временем наши глаза? Станут ли кончики наших пальцев сверхчувствительными? Станем ли мы похожими на пришельцев из далёкого мира?

Многие виды свободноживущих микроскопических простейших, очевидно, являются облигатными аэробами; то есть они не могут выжить без кислорода.{17} Для различных процессов дыхания, происходящих в клеточных органоидах (называемых митохондриями), требуется кислород. С другой стороны, эукариотические организмы, которые являются облигатными анаэробами, и у которых обмен веществ должен протекать в отсутствие кислорода, встречаются гораздо реже. Тем не менее, из исследований жизни на Земле нам известно, что без кислорода могут существовать довольно развитые организмы. Мы можем классифицировать этих существ как экстремофилов, потому что по отношению к нам они живут в экстремальных условиях. Например, многие свободноживущие инфузории (микроскопические одноклеточные животные с похожими на волоски отростками) могут жить в анаэробных средах. Эти инфузории для выработки энергии вместо митохондрий используют клеточные органоиды, называемые гидрогеносомами. К анаэробным инфузориям, которым не требуется кислород, относятся дрожжи[13], различные паразитические организмы в желудочно-кишечном тракте человека и организмы, связанные с сульфидсодержащими отложениями.

Мы уже обсуждали некоторые примитивные теплолюбивые бактерии и их сородичей. Обращаясь к более продвинутым эукариотам, способным жить при высоких температурах, мы находим ацидофильный фототроп (кислотолюбивое растение) Cyanidium caldarium — это «красная водоросль», которая ещё может расти при температуре 134 градуса по Фаренгейту (57 градусов по Цельсию). Практически все горячие, кислые почвы и воды в мире колонизированы Cyanidium.{18}

В последние годы было много жарких дискуссий относительно возможности эволюции гипертермофила, который процветает в кипящей воде, на основе эукариотического плана строения. Учёные не уверены, что центральный биохимический механизм — транскрипция и трансляция нуклеиновых кислот у эукариот — сможет работать при высоких температурах. Кроме того, состав мембраны клетки должен обладать способностью сохранять необходимую степень текучести, чтобы функционировать надлежащим образом. На сегодняшний день у всех известных гипертермофилов есть обратная гираза — фермент, который индуцирует положительную суперспирализацию ДНК для повышения её термостабильности. В настоящее время мы ещё не понимаем всех защитных механизмов, работа которых позволяет клеткам вроде археи Pyrococcus процветать при температурах выше точки кипения воды, и мы не знаем, каков может быть фактический верхний температурный предел для жизни.{19}

Несколько планет и лун в нашей Солнечной системе довольно холодны. Может ли инопланетная жизнь процветать в условиях экстремального холода? Изучая живых существ на Земле, мы узнали, что есть некоторые растения и животные, которые обладают химическими антифризами, позволяющими им жить на экстремальном холоде. Эти химические вещества подавляют образование внутриклеточных кристаллов льда путём переохлаждения, что позволяет им выдерживать температуры до -40 градусов по Фаренгейту (40 градусов по Цельсию).

Моим любимым примером холодолюбивых животных являются антарктические рыбы, которые вырабатывают химические соединения с мощными антифризными свойствами для снижения температуры замерзания жидкостей точно так же, как антифриз в радиаторе автомобиля предотвращает замерзание жидкости, пока температура не станет значительно ниже. В целом выживание этих рыб зависит от нескольких различных молекул антифризов, называемых гликопептидами, которые содержатся во всех жидкостях их организма, кроме мочи. Когда эти молекулы гликопептидов поглощают крошечные частицы льда, которые могут образовываться в крови, они предотвращают увеличение ледяных кристаллов. Почки животного препятствуют попаданию гликопептидов в мочу (с которой они вышли бы из организма), устраняя тем самым необходимость заново синтезировать их молекулы.{20}

Кроме холодолюбивых рыб существуют разные другие земные существа, приспособленные к жизни на холоде. К ним относятся бореальные (из холодного Северного полушария) древесные виды, которые замерзают, но для образования кристаллов льда используют внеклеточные пространства.{21} Помимо растений, многие организмы также выработали методы сопротивления замерзанию, особенно существа, населяющие антарктические местообитания. На паковых льдах, окружающих Антарктиду, обитают сотни видов бактерий, простейших и водорослей. Облигатным психрофилам для выживания требуется именно холод. Оптимальная температура для их роста составляет около 50 градусов по Фаренгейту (10 градусов по Цельсию), и они не выживают при воздействии температуры 68 градусов по Фаренгейту (20 градусов по Цельсию).

Приспособленные к холоду формы жизни вроде фотосинтезирующих эукариот Chlamydomonas nivalis, Chloromonas (Scotiella), Ankistrodesmus, Raphionema, Mycanthococcus и некоторых динофлагеллят (мелкие морские существа) часто видны простым глазом, потому что они окрашивают снег. Если бы кто-то осмелился предложить вам съесть снег, вам, вероятно, нечего было бы особенно бояться. Похоже, что мы в достаточной степени защищены от психрофильной инфекции, поскольку все патогены животных (болезнетворные микробы) явно принадлежат к мезофильным бактериям, то есть, к бактериям, оптимальный рост которых происходит при температуре от 68 до 113 градусов по Фаренгейту (20-45 градусов по Цельсию).

Некоторые наземные организмы могут выдерживать периоды неблагоприятных условий благодаря тому, что способны надолго впадать в спячку. Поскольку мы задаемся вопросом о возможности существования жизни в космическом пространстве и возможной передаче жизни с одной планеты на другую, эта способность может быть полезной для организмов, путешествующих автостопом на ледяных кометах или другом замороженном мусоре. В 1997 году различные снимки со спутника НАСА показали, что Земля ежедневно подвергается бомбардировке тысячами снежков размером с дом, которые распадаются высоко над поверхностью Земли и проливаются мягким космическим дождём. Если это спорное открытие окажется верным, то оно говорит о том, что Земля постоянно собирала воду и, возможно, на протяжении геологического времени приобрела несколько океанов.

Однако даже если микробы могут выжить в ледяных головах комет или в кусках льда на земле, замороженные микроорганизмы не могут существовать вечно. Излучение, вызванное либо радиоактивностью горных пород, либо космическими лучами, струящимися с неба, повреждает ДНК и за миллионы лет убивает микробы. Даже при очень низких температурах для восстановления ДНК и замены старых аминокислот была бы нужна метаболическая активность на очень низком уровне. Тем не менее, существует много интересных примеров бактерий, которые оставались живыми на протяжении целых эпох в сибирской вечной мерзлоте. Эти замечательные выживальщики практически ничего не делали на протяжении 3 миллионов лет, и это происходило при температуре 15 градусов по Фаренгейту ниже 0, без солнечного света, без воздуха и без свежей пищи. Даже при температуре 24 градуса по Фаренгейту (-4 градуса по Цельсию) у бактерий всё ещё происходит обмен веществ. Вместо того чтобы размножаться, они находятся на грани между жизнью и смертью, пока проходят эпохи, а цивилизации возникают и гибнут. Если такие существа возникли на Земле естественным образом, есть вероятность существования форм жизни в различных мирах с полярными льдами (например, Меркурий, наша Луна и Марс) и в мирах, покрытых большим количеством льда (например, на различных спутниках Юпитера, Сатурна и других внешних планет, а также на кометах и астероидах).

Мы можем многое узнать о холодолюбивых организмах, изучая существ, обитающих в подземных антарктических озёрах. Учёный из НАСА Дейл Андерсен исследовал дно озера Хоар в Антарктиде, просверлив отверстия во льду. Он обнаружил там водорослевые маты, похожие на примитивную жизнь, которая господствовала на Земле 3 миллиарда лет назад. На окружающей суше он также нашёл водоросли, бактерии, лишайники и мхи, которые цепляются за жизнь в долине, которая достаточно холодная и сухая, чтобы стать моделью Марса. Если на Марсе есть жизнь или ископаемые остатки жизни из более ранней, более влажной истории этой планеты, то она может напоминать эти антарктические колонии. По мере того как мы всё больше узнаём о жизни в Антарктике, НАСА может воспользоваться этой информацией для улучшения проектирования космических аппаратов-роботов, которые занимаются поиском марсианской жизни.

В регионах с кратковременными циклами замерзания/оттаивания и суточными колебаниями температуры, составляющими до 72 градусов по Фаренгейту (40 градусов по Цельсию), также существуют несколько антарктических организмов. Одним из таких существ является Heteromita globosa, гетеротрофный жгутиконосец.{22} В этих условиях также существуют не менее 24 видов простейших (одноклеточных организмов с ядрами) и некоторые кустистые лишайники и мхи. Многие организмы, обитающие в морском льду Антарктики, которые обычно растут при температуре 28 градусов по Фаренгейту (-2 градуса по Цельсию), плохо себя чувствуют при подъёме температуры выше 36 градусов по Фаренгейту (2 градуса по Цельсию). Некоторые любители холода гибнут, когда их нагревают до комнатной температуры, потому что их мембраны не выдерживают высокой температуры. При стабильно низкой температуре моря жгутиконосцы утратили способность синтезировать некоторые компоненты мембран, возможно, липиды или жирные кислоты, что делает невозможным их рост при более высоких температурах.{23}

В своём романе «У критической точки» американский писатель Хол Клемент рассказывает об инопланетянах, которые живут в серной кислоте. Смогли бы инопланетяне действительно жить в кислоте настолько сильной, что она обжигала бы нашу кожу при малейшем прикосновении? До самого недавнего времени были известны лишь четыре земных организма, все из числа эукариот, которые растут в чрезвычайно кислой среде, где значение рН близко к 0. Это Cyanidium caldarium и три гриба: Acontium cylatium, Cephalosporium sp. и Trichosporon cerebriae. Это не означает, что внутреннее содержимое их клеток кислое. Фактически, Cyanidium поддерживает рН своей внутренней среды близким к нейтральному. В 1995 году были обнаружены два ацидофильных прокариота: Picrophilus oshimae и P. Torridus; оба вида — термофильные археи, обнаруженные в Японии, в сольфатарах, естественных источниках испарений, в которых сернистые газы смешиваются с горячим паром.{24} На Земле есть множество примеров простейших и грибков, живущих при чуть более умеренных значениях рН, — например, те, что благоденствуют в желудках некоторых животных.

Относительная кислотность или щелочность раствора указывается по шкале рН, которая является мерой концентрации ионов водорода в растворе. Нейтральные растворы имеют рН 7,0. Значение рН менее 7,0 указывает на кислотность (повышенную концентрацию ионов водорода), а выше 7,0 — щелочность (пониженную концентрацию ионов водорода). Многие важные молекулярные процессы внутри живых клеток протекают в очень узком диапазоне рН. Следовательно, чтобы жить, клетки должны регулировать внутренний уровень рН. Уровень рН может локально отличаться в пределах организма; однако у большинства тканей он находится в пределах одной единицы рН от нейтрального значения.

[13] Даже если под английским словом “ciliates” подразумевать не только инфузорий, дрожжи всё равно не входят в их число, поскольку принадлежат к царству грибов. — прим. перев.