Преджизнь

«ЗС» №3/1971

Дж. БЕРНАЛ: «Земная жизнь вместе со всеми прочими клонами жизни (на Земле, возможно, эти прочие клоны будут искусственно синтезированы в лаборатории) и образуют биопоэз, сверхжизнь. Наука, изучающая ее, будет носить имя общей, или инвариантной, биологии».

I

Сентябрь 1970 года. Контейнер с драгоценной лунной почвой извлечен из вернувшейся «Луны-16». Извлечен с величайшими предосторожностями. Карантин. Земные микроорганизмы не должны, преждевременно попав в инопланетную среду, искажать картину. Но не только поэтому. Зародыши чуждой жизни — если они есть — не должны попасть в земную биосферу.

Если они есть… Точно такому же карантину подвергались до этого американские космонавты, навестившие Луну. Нудный двухнедельный карантин по возвращении из триумфального полета. Опасения понятны. Еще Г. Уэллс в «Борьбе миров» очень правдоподобно описал, что ждет инопланетянина при столкнове-нии с непривычными микробами.

Опасения пока остаются, хотя каждый раз не подтверждаются. Почему? Ответ на этот вопрос уводит нас далеко — и в пространстве, и во времени.

В №7 за 1969 год, в статье «Нет, не услышим!» писатель С. Колдунов высказал такую, крайнюю точку зрения. Самозарождение жизни на Земле — счастливейшая из случайностей. Для ее осуществления требуется такое количество нечаянных совпадений, что вероятность этого события скорее становится невероятностью.

В науке нередко бывает, что крайности смыкаются. Гипотеза панспермии, гипотеза, постулирующая повсеместное распространение жизни, — другая крайняя точка зрения, — в сущности, основана на той же посылке, что и мнение С. Колдунова.

Гипотеза панспермии… Под лебедевским световым давлением, «в метелях космической пыли» летят, согласно этой гипотезе, от звезды к звезде зародыши жизни — споры наиболее простых ее форм. Зародившись невесть где и когда, эти споры, со всей заложенной в них программой, дают начало многочисленным, но довольно однообразным эволюциям по всей Вселенной. Все предрешено…

Тут-то и смыкаются, казалось бы, исключающие друг друга точки зрения. Они сходятся в том, что жизнь — совершенно исключительное, чуть ли не разовое событие во Вселенной. Отличает их лишь тонкость: у С. Колдунова это исключительное, чудесное событие получает космическое распространение только в эпоху межзвездных полетов, а у «панспермистов» — еще на этапе самых примитивных, зародышевых форм.

Они сходятся и в том, что ставят под удар самую науку о самозарождении жизни. С одной стороны, истоки жизни выводятся с грешной Земли в вечный и бесконечный космос, где их поиск теряет всяческий смысл. С другой — нагромождение вероятностей, уводящее мысль от физической сути дела, ставит нашу Землю в исключительное положение.

Американский ученый Солсбери, например, подсчитал вероятность самопроизвольного образования ДНК — средоточия наследственной информации живых организмов. Она получалась у него… 10^-200—10^-400. Эта чудовищно низкая вероятность, если ее принять некритично, практически ставит крест на любых исследованиях. Для ее осуществления не хватит всех атомов видимой Вселенной и всего времени ее существования. Именно поэтому на одном из симпозиумов по происхождению жизни после долгого обсуждения этого вопроса американский биолог доктор Патти заключил:

«Вероятностная гипотеза не годится для объяснения происхождения жизни».

II

И спорить с ним никто не стал.

Так сравнительно молодое направление науки о самозарождении жизни отстаивало свое право на существование, право на поиск тех закономерностей, которые неизбежно должны были привести к такой форме движения материи, как жизнь… Прежде чем сказали свое слово биологи, его должны были сказать астрономы, геологи и химики. Где, как, при каких обстоятельствах мертвая неорганическая материя готовится дать начало жизни?

И слово было сказано. Нет возможности в одной статье пересказывать содержание многих томов, посвященных становлению преджизни. И не нужно. Но иные приключения мысли, связанные с захватывающей этой проблемой, еще ждут своего Митчела Уилсона.

Для химиков задача состояла в том, чтобы реставрировать в лаборатории условия, существовавшие на первичной Земле, и добиться, чтобы сложные органические вещества рождались «сами», без изощренного лабораторного вмешательства. В историю вошел и входит в учебники классический опыт Миллера и Поннамперумы. Они воссоздали в колбе первичную атмосферу Земли (сейчас такая атмосфера — у планет-гигантов). В смеси метана, аммиака и воды час за часом, изо дня в день происходили грозы — тихие электрические разряды. И с каждым днем вода в колбе желтела и бурела, наполнялась сложными органическими самопроизвольно зародившимися веществами.

Здесь были не только какие-то там углеводороды, сахара и органические кислоты. Аминокислоты — чуть ли не все «кирпичики» белков были тут же. А белок—основа жизни.

Еще один поразительный опыт был проделан профессором С. Фоксом. Он поместил смесь аминокислот на подогретую вулканическую лаву и получил протеиноподобное вещество, простейшую белковую цепь с вполне определенным порядком бусин-аминокислот. Едва образовавшись, эти протеиноиды тут же слиплись в мельчайшие шарики — микросферы. Эти шарики в два микрона диаметром, устойчивые образования, очень похожие под микроскопом и на простейшие водоросли, и на знаменитые коацерваты Опарина.

Конечно, микросферы и коацерваты — не организмы. Но многие черты организмов — обособленность, способность к пусть примитивному, но обмену веществами с окружающей спелой — давно уже привлекают к ним внимание… Впрочем, это — особая тема, которой нужно говорить специально.

Ученые ставили все новые опыты, соревнуясь, чей опыт будет проще и у кого полученные органические вещества будут сложнее. И здесь не обходилось иной раз без сложных трений. Бывало, те же химики, что своим неверием ставили палки в колеса увлеченным искателям новых самопроизвольных реакций, в случае успеха говорили: «Ну и что? Иначе и быть не могло…»

Дж. Оро из Хьюстонского университета, что в штате Техас, доложил на конференции том, что из синильной кислоты у него в очень простом опыте самопроизвольно получился органический полимер — аденин. Вот схема это реакции, не требующая особых пояснений:

HCN + yльтpaфиoлeт —> H₅C₅N₅

В дискуссии Дж. Оро, возражая «вероятностным» скептикам, говорил: «Вероятность того, что пять атомов водорода, пять — углерода, пять — азота, встретившись случайно, займут нужные места и образуют аденин — ничтожна и без особой силы необъяснима». Но в физике, — продолжал он, — есть нечто похожее. Если взять 16 протонов, 16 нейтронов и 16 электронов и смешать их, то случайное получение атома кислорода (а он состоит как раз из этих элементарных «кирпичей») невозможно.

Тем не менее в недрах звезд образуется кислород. Его в космосе очень много, как и многих других элементов. Здесь дело не в слепой вероятности, а в закономерности. Образование сложного — в каком-то смысле предопределено. В углероде «заложена» вероятность (очень высокая!) захвата альфа-частиц, в результате чего неизбежно получается кислород. Такой, ступенчатый подход и объясняет, по мысли Дж. Оро, столь «невероятные» события, как самопроизвольное зарождение преджизни — сложных органических веществ.

При словах «особая сила» встрепенулся тот, в чей огород был камешек, — доктор Мора. Именно он на конференции во Флориде пытался воскресить виталистическое представление об особой «жизненной силе», без которой материя, даже самая сложная будто бы мертва. Он встал и… дальше произошел очень интересный разговор.

МОРА: Вряд ли следовою тратить 6 месяцев на то, чтобы поверить в возможность возникновения аденина из цианистого водорода. Я бы поверил в эффект быстрее.

САГАН: Наш оптимизм в сравнении с вашим, доктор Мора, представляется просто пессимизмом.

ОРО: Поскольку доктор Мора обладает столь совершенной интуицией, я бы посоветовал ему самому заняться экспериментированием.

Чтобы читателю стал ясен драматизм этой сцены, поясню: аденин, полученный Дж. Оро с помощью ультрафиолета из синильной кислоты, столь распространенной в космосе, — важнейшая составная часть нуклеиновых кислот. А это уже очень высокий, генетический уровень организации!

III

В добиологической, гео- и биохимической эволюции вещества был один таинственный и очень волнующий момент. В какой-то точке медленное образование и накопление органических веществ под действием ультрафиолета и грозовых разрядов резко, лавинообразно ускорилось. Появились вещества — катализаторы, способные в сотни раз ускорять образование себе подобных молекул. Это было еще не размножение, и даже не первая репликация, самовоспроизведение. Но что-то очень то сути похожее. Что же это были за вещества? И здесь немалая заслуга принадлежит советским ученым — А. Красновскому и А. Умрихиной. Они с (Помощью того же ультрафиолета получили в смеси формальдегида, аммиака и воды (эта смесь в космосе — например, в головах комет) очень сложные соединения — порфирины. Открытие не могло не взволновать. Дело в том, что у этих крайне важных для жизни веществ (к ним принадлежит, например, хлорофилл и красный гем крови животных) есть чудесное свойство —свойство самокатализа. Раз появившись, они стократно ускоряют появление новых молекул порфиринов.

Но это еще не все. Открытие А. Красновского и А. Умрихиной красиво по самой своей натурфилософской сути. Пока в земной атмосфере не было кислорода, а значит, и озона, задерживающего, ультрафиолет, органические вещества могли потреблять солнечную энергию, медленно создаваться и накапливаться без фотосинтеза. Когда же появились порфирины и взрывоподобно распространились по планете, вступил в действие механизм фотосинтеза, который начал создавать кислородную атмосферу, а значит, и озонный экран на пути ультрафиолетовых лучей. Но нужды в ультрафиолете уже не было, порфирины прекрасно использовали видимый свет. Больше того: ультрафиолет стал вредным для зарождающейся жизни. Мавр сделал свое дело…

Так вырисовывались контуры механизма, неотвратимо и неизбежно ведущего преджизнь к жизни, а науку об этом волнующем времени — к освобождению от остатков витализма и «вероятностной» схоластики.

И это стало ясно еще на том же флоридском совещании. Пикировка по поводу вероятностей закончилась шутливым и примирительным образом.

ОРО: Как сказал один шутник, по теории вероятностей, мы все должны были бы быть мертвецами. Тем не менее мы живы.

ЧАРГАФФ: Но мы все-таки умрем.

МОРА: В том-то и беда…
 

IV

Здесь нам можно, наконец, оставить химиков и обратиться к космосу, откуда возвращаются межпланетные корабли и космонавты, которые должны проходить проверку на инопланетную заразу.

В 1834 году внимание И. Берцеллиуса привлекли углистые хондриты, метеориты, содержащие самые, можно сказать, «живые» органические вещества — парафины, асфальгены, ароматические и нефтяные углеводороды, сахара, жирные кислоты. И. Берцеллиус пришел к выводу, что углерод метеоритов — неживого, минерального происхождения, причем первичного, космического.

Но вот в 1960 году на анализ в лабораторию нефтяной монополии «Шелл» попадает углистый хондрит «Оргей». Сотрудники лаборатории тщательно исследуют метеорит и публикуют сенсационное заявление: органические вещества метеорита — это остатки неземной жизни. «Мертвая» материя не может породить ничего подобного.

Это была бомба. И, несмотря на все успехи химиков, синтезировавших в лабораториях куда более сложные вещества, она продолжает смущать умы по сей день. На недавно прошедшей в Париже Третьей конференции по происхождению жизни француженка Россиньоль сообщила, что нашла в том же метеорите Оргей что-то похожее на пыльцу или споры неземных форм жизни… Спор продолжается. Так или иначе ясно, что космос содержит в себе по крайней мере сырье для будущих биохимических эволюций. Но где и когда именно оно возникло?

В первичном холодном газопылевом облаке, давшем впоследствии начало планетам, метан, аммиак, лед полимеризовались под действием ультрафиолетовых солнечных лучей. Газы тысячи раз переиспарялись и конденсировались на частицах железа и силикатов. Но после каждого переиспарения на твердых частицах нарастал все более толстый слой органических веществ — ведь они не испарялись, а накапливались. Так работала обогатительная фабрика сложных молекул в космосе, по мнению Дж. Бернала. Так органические вещества оказались в составе горных пород всех планет, когда первичное облако сгустилось в ряд крупных и мелких небесных тел.

Американский физик Дж. Меллер даже вводит новый астрогеологический термин — карбосфера. Эта оболочка, состоящая из горных пород, обогащенных органическими вещества-ми, обязательно есть, по его мнению, на всех планетах солнечной системы, в том числе и на малых планетах — астероидах.

А еще на малых планетах (сто-пятьсот километров в диаметре) есть вулканы. Есть они и на спутниках больших планет. По гипотезе Дж. Меллера, вулканические взрывы легко выбрасывают за пределы слабого притяжения малых планет «вулканические бомбы». Так, он считает, произошло большинство метеоритов. А состав метеорита зависит от того, с какого горизонта его выбросило. С горизонта карбосферы вулканы астероидов и спутников выбрасывают углистые хондриты, нашпигованные сложными органическими веществами.

Есть карбосфера и в недрах Земли. Сколько в ней хранится сложных органических веществ? Если посчитать, сколько их в метеоритах сейчас, то окажется, что в целом — одна сотая процента от всей массы известных небесных камней. Можно допустить, что в Земле — то же соотношение.

Это значит, что карбосфера Земли содержит 6—10¹⁷ тонн углеводородов. Много ли это? По самым щедрым подсчетам, всех органических веществ — и ископаемых и «живых» — в земной коре сейчас в сотни раз меньше! Выходит, жизнь лишь чуть-чуть задела ничтожную часть карбосферы Земли. Остальное органическое вещество, скрытое где-то в толще мантии планеты, «живет» своей совершенно неисследованной минеральной «жизнью», вступает в реакции, нагревается, полимеризуется и лишь изредка гомеопатическими дозами поступает в земную кору в виде месторождений нефти и газа. А когда это произошло впервые, я вещества карбосферы вышли на дневную безжизненную поверхность, началась история «первичного бульона», выплеснувшего в мир замечательнейшую из биосфер.

Мы писали уже о гипотезе неорганического происхождения нефти (см. №9 за 1968 год). Здесь мне хочется только подчеркнуть, что без этой гипотезы не было бы, возможно, всей современной науки о самозарождении жизни. В подтверждение приведу еще один отрывок из стенограммы II совещания по происхождению жизни.

Дж. БУХАНАН (Массачусетский технологический институт): На основании чего доктор Опарин пришел к мысли о том, что сложные органические молекулы синтезируются из метана, аммиака, воды и водорода?

А. ОПАРИН: В опубликованной около 40 лег назад (в 1924 году) книге я писал, что меня натолкнуло на эту мысль предположение Д. И. Менделеева о неорганическом происхождении нефти.
 

V

Говоря о периоде, предшествующем появлению жизни, я ни разу не упомянул слово «океан». И это не случайно. Считалось, что жизнь возникла в океанах. Но сейчас это верно, только если речь идет о довольно позднем этапе, о первых организмах. Здесь же речь идет о временах, когда и океанов-то, возможно, еще не было. А биохимическая эволюция вещества уже шла. Профессор С. Фоке считает, что белки могли зародиться на горячей вулканической лаве во влажной первичной атмосфере. Его опыты как будто подтверждают это. И. Шкловский, К. Саган, американский астроном, предполагают, что первые организмы возникли в первичной атмосфере, под действием гроз, как в опытах Миллера. Они думают, что в ядовитых атмосферах Юпитера и Сатурна гораздо больше шансов встретить преджизнь или даже какую-то примитивную жизнь, чем, скажем, на Венере или Марсе.

В 1936 году президент АН СССР В. Л. Комаров высказал мысль о том, что жизнь могла возникнуть в… горячих источниках. Советский исследователь, доктор геолого-минералогических наук В. Флоровская вместе с рядом своих учеников и последователей разрабатывают в последние годы эту концепцию.

Горячие недра планеты, заполненные перегретой водой — прекраснейшим из растворителей, — это огромная химическая фабрика. Рассеянные элементы то граммам собираются, переносятся и складываются в ценные месторождения полезных ископаемых. Изучая изверженные породы Кукисвумчорра (Хибины) и Дарасунского золоторудного месторождения (Забайкалье), Урала и Кавказа, геологи обнаружили в них закономерный, ряд соединений углерода. Самых простых — в выходах горячих лав, все более сложных — с падением температуры и очень сложных — в породах, которые образовались в остывающих теплых водах — гидротермах. В этих породах, траветринах, оказались не только углеводы и органические кислоты, но даже и аминокислоты, составные части белков.

Рассчитывая процессы природного синтеза преджизни, В. Флоровская и ее сотрудники пришли к выводу: самые сложные соединения добиологической эволюции материи должны создаваться на твердой поверхности в тонкой пленке воды, насыщенной органическим веществом, при быстром падении температуры. И еще одно условие: внезапное облучение на конечной стадии синтеза ультрафиолетовыми лучами. В этот момент могут образоваться не только порфирины — родственники гемоглобина и хлорофилла, но и белок) А на самой конечной стадии — сополимер, гигантская молекула, объединяющая в себе белок и порфирин. Флоровская назвала сополимер так: эмбрино.

Сейчас все образующиеся молекулы эмбрино немедленно съедаются, усваиваются микроорганизмами. Но когда-то, по мысли Флоровской, они-то и послужили мостиком от неживого к живому.

Где на Земле существуют подобные природные поточные линии по производству преджизни? Их много. Это — выходы на дневную поверхность теплых минеральных вод.

Высокогорный курорт Джермук. Вода всемирно известных источников перехватывалась прямо при выходе на поверхность и подвергалась тщательному анализу. Все меры против возможного загрязнения были приняты. И что же? В воде были найдены и порфирины, и, что особенно удивительно, — белок! Юный, ювенильный, минеральный, доорганический белок!

Его, конечно, очень мало, трудно исследовать его особенности. Но он есть.

Кстати, не в нем ли таинственная целебная сила Джермука и других минеральных вод? Известно, как важно проводить лечение водами прямо при их выходе на поверхность, как ослабевают целебные их свойства при упаковке в бутылки. Попытки химически воспроизвести минеральные воды, растворяя в правильной пропорции все нужные соли, заканчиваются неудачей — все полезные свойства восстановить не удается…

Читатель знает уже о таинственной привязанности газонефтяных месторождений к грязевым вулканам (статья «Из грязи — в князи», №4 за 1968 год). А грязевой вулканизм — это прежде всего подземная вода. И В. Флоровская проводит простой расчет. Она определяет, сколько углеводородов выносят даже не очень насыщенный ими источник подземных вод, скажем, тот же Джермук. Получилось: за какой-нибудь миллион лет Джермук вынес к поверхности 5,2 миллиона тонн углеводородов — масштабы небольшого нефтяного месторождения. Флоровская делает вывод: не только жизнь, но и нефть — это продукты гидротермальных процессов. Горячая подземная вода — вот, возможно, фабрика синтеза и одновременно транспортер природных углеродистых веществ из недр земных, от карбосферы — к поверхности Земли.

Читателя, возможно, несколько озадачит количество вероятных способов зарождения жизни. Не свидетельствует ли оно о слабости науки? Вероятно, нет. Изобилие путей, ведущих к жизни, лишний раз подтверждает ее неизбежность. Все они и еще какие-то, пока неизвестные, могли реализоваться, дать разные зародыши преджизни, которые, затем объединяясь, взаимодействуя, вступая в первичную борьбу за существование и отбор, дали начало собственно жизни. Поэтому такое разнообразие не пугает специалистов. Доктор С. ФОКС по этому поводу сказал:

«…при варке первичного бульона не было недостатка ни в исходных компонентах, ни в кухонной утвари».

VI

Итак, нефть не произошла из останков древней жизни. Но почему же тогда нефти много не во всех пластах, почему ее больше в отложениях обильных жизнью эпох и мало, почти нет в осадках, бедных жизнью, например, в осадках, оставленных уже знакомым читателю таинственным пермотриасом (см. №11 за 1970 год).

Но задав такой вопрос, мы, в сущности, на него уже ответили. Причем нетривиальным образом. Самое неясное в эволюции живого — это как раз смена вспышек жизни ее угасаниями. Реконструкция палеоклиматов не всегда выручает. И что, если вспышки жизни — это ее реакция на массовое вторжение питательных готовых органических веществ из недр Земли? Вторжение, происходившее при усилении тектонической активности, вспарывании застарелых и новых разломов в земной коре…

В календарях минувших эпох были века изобилия, сгущений жизни, когда из открывшихся трещин в океан начинали поступать вещества карбосферы в первичном, чистом виде. Когда-то они породили жизнь, теперь они питают микроорганизмы, планктон, цепная реакция ширится, усиленно размножаются моллюски и рыбы — и вот взрыв жизни оставляет в книге эпох неизгладимый след.

Возможна ли такая картина? Это можно проверить — если взглянуть окрест себя внимательно: а нет ли таких сгущений вокруг нас, в наши далеко не бедные жизнью дни?

В 1926 году академик В. И. Вернадский писал: «Особое место, по-видимому, занимают саргассовы сгущения жизни, мало обращающие на себя внимание и разно объяснимые. Они отличаются от планктонных сгущений характером фауны и флоры, а от прибрежных — тем, что независимы в своем существовании от разрушения континентов и от приносимых реками созданий жизни суши. В отличие от прибрежных сгущений «саргассовы» являются океаническими сгущениями и наблюдаются на поверхности глубоких частей океана, вне всякой связи с бентосом и донной пленкой».

Что же питает саргассовы сгущения? В. Флоровская считает: углеродистые, азотистые, фосфатные соединения, входящие в состав теплых подземных вод. В Саргассовом море, удивительном острове зелени посреди океана, — резко повышенная температура воды (около 27^o). Грабен, провал, в земной коре, над которым плещутся воды моря, очевидно, богат выходами подземных термальных вод, обогащенных питательными веществами. В Красном море такие выходы горячих подземных рассолов обнаружены на всем протяжении рифта — трещины, секущей море вдоль (см. об этом №2 за 1969 год). И Красное море — тоже место сгущения жизни.

Так преджизнь, возможно, взаимодействует с жизнью, вливая в нее, время от времени, новые силы.

***
От гипотезы панспермии наука отказалась. Но зато расцвела и утвердилась новая мегакосмическая концепция жизни, гораздо более манящая и вдохновляющая, — теория биопоэза. По этой теории, космос — химически весьма благоприятная среда для возникновения сложных органических соединений.
Эта готовность не может не вызвать благосклонности со стороны все той же теории вероятности. Жизнь готова самозародиться и развиваться везде, где для этого есть набор подходящих условий. Разновидностей, «клонов» жизни во Вселенной много.
Дж. БЕРНАЛ пишет:

«Земная жизнь вместе со всеми прочими клонами жизни (на Земле, возможно, эти прочие клоны будут искусственно синтезированы в лаборатории) и образуют биопоэз, сверхжизнь. Наука, изучающая ее, будет носить имя общей, или инвариантной, биологии».

А потому карантин для всех межпланетных кораблей, возвращающихся из неисследованных областей космоса, будет необходим всегда.