Панспермия – залетная жизнь

Происхождение жизни на Земле – проблема многогранная, интересующая не только специалистов естественных наук, например биологов или химиков, но и гуманитариев.

Долгое время считалось, что живые существа могут зарождаться самопроизвольно. Для этого необходимы лишь соответствующие условия. Но великий французский микробиолог Луи Пастер с помощью остроумных опытов эту точку зрения опроверг, породив одновременно ряд новых научных и философских проблем.

Выдающийся шведский физико-химик и астрофизик Сванте Август Аррениус особенно активно развивал теорию панспермии

Так, представители идеалистической философии увидели в его опытах явное доказательство того факта, что появление живых существ из неорганических соединений в результате действия только естественных законов невозможно. А это как раз соответствовало их миропониманию, согласно которому для возникновения жизни требуется вмешательство нематериального начала – творца.

С другой стороны, у естествоиспытателей материалистического толка был выбит главный аргумент, который они использовали для защиты своих взглядов.

В результате на стыке этих двух точек зрения возникла идея о вечности жизни во Вселенной, приведшая к появлению гипотезы о панспермии (греч. «panspermia» – смесь всяких семян; от «pan» – весь, всякий и «sperma» – семя). Выдвинул ее в 1865 году немецкий ученый Г. Рихтер. Впрочем, ради справедливости следует сказать, что идею панспермии высказывали еще Аристотель, а позднее – и Г. Лейбниц.

Согласно этой гипотезе жизнь во Вселенной существует вечно и переносится с планеты на планету небольшими космическими телами. И когда простейшие организмы или их споры («семена жизни»), занесенные на новую планету, находят на ней благоприятные для жизни условия, они начинают размножаться. А уже затем, в ходе эволюционного развития, появляются и более сложные формы живых существ.

Следует сказать, что у этой гипотезы нашлось немало как сторонников, так и противников. В частности, ее приверженцем был и выдающийся советский естествоиспытатель В.И. Вернадский. Ее также поддерживали и знаменитый немецкий физик и физиолог Г. Гельмгольц, Ю. Либих, Дж. Томсон и другие выдающиеся ученые.

В то же время ее критиковали К. Саган, И.С. Шкловский и другие светила мировой астрономии.

Но особенно активно развивал теорию панспермии выдающийся шведский физико-химик и астрофизик С. Аррениус. Так, в 1908 году он разработал концепцию одной из разновидностей панспермии, получившую название радиационной панспермии.

Аррениус считал, что в результате миграции по Вселенной, вызванной давлением солнечного света (или давлением света другой звезды), споры бактерий в итоге достигали и Земли. Аррениус предполагал, что споры термостойких бактерий, к примеру, могли попасть на Землю с Венеры в момент наибольшего сближения этих планет.

В качестве доказательства своей гипотезы Аррениус воспользовался результатами исследований известного русского физика П.Н. Лебедева, который экспериментально доказал наличие светового давления и продемонстрировал его действие на спорах плауна.

Однако противники панспермии заявляли, что во время длительного путешествия в космическом пространстве споры бактерий получат столь значительные дозы излучений, что просто-напросто погибнут.

Однако биологи, занимающиеся исследованием микроскопических живых объектов, в свою очередь заявляют, что пребывание бактерий и спор в среде с температурой, близкой к абсолютному нулю, на их состоянии не сказывается, поскольку в этих условиях у них заторможены процессы жизнедеятельности. И только попав на планету с благоприятными условиями, например на Землю, споры оживают.

Тем не менее многочисленные опыты показали, что космический вакуум все же является довольно серьезным препятствием для перемещения спор и бактерий по просторам Вселенной. Дело в том, что в вакууме клетка взрывается, так как свободная внутриклеточная вода начинает необычайно быстро испаряться.

Но, с другой стороны, клетка может превратиться в цисту, или пылинку, в процессе медленного, постепенного испарения влаги, и тогда ей не грозит гибель ни от разрыва оболочки в вакууме, ни от других агрессивных факторов внешней среды.

Поэтому в настоящее время некоторые ученые даже пытаются доказать, что межзвездная пыль – это нечто иное, как бактерии, вирусы и водоросли, высохшие в естественных условиях. Правда, где конкретно это происходило или происходит, они пока не указывают.

Еще одной разновидностью панспермии является литопанспермия (от греч. «litos» – камень). Ее автором является лауреат Нобелевской премии в области химии американский ученый М. Кальвин, предположивший, что биологический материал мог попасть на Землю с метеоритными частицами. Ученый считает, что бактерия размером около 0,2 мкм, оказавшись внутри микрометеорита диаметром 0,6 мкм, могла бы спокойно попасть на Землю.

Следы жизни в метеоритах ученые ищут постоянно. Однако до сих пор обнаружить останки примитивных живых организмов найти так и не удалось. Впрочем, на этот счет мнения расходятся. Но об этом разговор пойдет позже.

Зато в «пришельцах» из космоса были зафиксированы ароматические вещества и жирные кислоты, а также серо– и хлорсодержащие органические соединения и различные аминокислоты.

О том, что обнаруженные аминокислоты внеземного происхождения, указывает тот факт, что они состоят из равных долей аминокислот с левой и правой оптической асимметрией или же – только с правой.

В то же время аминокислоты, входящие в состав белков всех живых организмов Земли, имеют только левую оптическую асимметрию. Причина этого феномена до сих пор не разгадана, хотя именно эта асимметричная односторонность послужила толчком для возрождения старых идей панспермии.

В 1973 году известный английский физик Ф. Крик и американский биохимик Л. Оргел предположили, что жизнь на Земле появилась в результате целенаправленной деятельности некой высокоразвитой внеземной цивилизации, существовавшей задолго до образования нашей планеты.

В пользу своей гипотезы ученые назвали несколько аргументов: например, присутствие во всех живых организмах редких для Земли металлов, в частности молибдена.

Еще одним аргументом, подтверждающим выдвинутое ими предположение, исследователи считают универсальность генетического кода для всего живого на Земле. А так как общепризнанной теории, объясняющей возникновение генетического кода, пока не создано, ученые посчитали, что все земные формы жизни произошли от одного-единственного микроорганизма, которым заселили нашу планету инопланетяне.

Но и эта гипотеза имеет свои недостатки. Например, убедительных фактов в пользу посещений Земли инопланетянами в настоящее время нет. Вот почему ни доказать, ни опровергнуть теорию панспермии пока практически нельзя.

 

Кто принес жизнь на Землю?

В строении каменных, и только каменных, метеоритов ученые уже давно заметили один любопытный факт: оказывается, иногда они содержат очень крохотные, около одного миллиметра в диаметре, образования, которые по-научному называются хондры. И соответственно метеориты, отмеченные такими структурами, получили название хондритов, в отличие от ахондритов, не имеющих подобных включений.

Среди этих метеоритов ученые в свою очередь выделили еще и небольшую группу небесных тел с высоким содержанием веществ, по составу похожих на уголь. Их назвали углеродосодержащими, или углистыми, метеоритами. Так вот, среди них встречаются еще и так называемые углистые хондриты. Это очень редкие представители метеоритов: по крайней мере их в известных коллекциях содержится всего около 20 образцов. Но как раз эти метеориты и привлекают наибольшее внимание специалистов.

И в первую очередь потому, что в углистых хондритах относительно много различных органических соединений. И об этом ученым стало известно еще в первой половине XIX века. Именно в 1834 году знаменитый химик И. Берцелиус провел химический анализ такого метеорита и, обнаружив в нем органические соединения, предположил, что углистые хондриты являются остатками внеземной жизни. И хотя с тех пор минуло немало времени, тем не менее идея Берцелиуса сохранила свою актуальность по настоящее время.

Хондры в теле метеорита

Видимо, так и должно быть, поскольку органическое вещество в этом типе метеоритов находится в немалых количествах и в самых разных формах. Так, в углистых хондритах выявлены нафталин, фенантрен, антрацен, жирные кислоты, аминокислоты, основания нуклеиновых кислот и другая органика. В связи с этим возник вопрос: откуда взялись в углистых хондритах молекулы этих соединений?

Немалая группа ученых вслед за Берцелиусом придерживается вроде бы достаточно правдоподобной гипотезы, что органические соединения в углистых хондритах – это остатки внеземной жизни.

В то же время не меньше, а даже больше специалистов считают, что эти органические молекулы образовались в результате термохимических реакций в протопланетной туманности и никакого отношения к каким-либо биологическим объектам не имеют.

Следует отметить, что сторонники обеих точек зрения выдвигают вполне аргументированные обоснования своих взглядов. Так, микробиологи одним из серьезных доказательств в пользу биологического происхождения органических соединений в метеоритах считают тот факт, что в этих объектах присутствуют так называемые организованные элементы – микроскопические структуры, внешне очень похожие на клетки простейших микроорганизмов. Эти образования, по их мнению, не что иное, как остатки инопланетной микрофлоры.

Те же из ученых, кто не верит в существование внеземной жизни, утверждают, что эти микроскопические вкрапления очень похожи на пыльцу амброзии, которая случайно оказалась на метеорите уже в то время, когда он находился на Земле.

Чтобы выяснить, какая точка зрения ближе к истине, были сделаны микрофотографии пыльцы и «организованных структур» в хондритах и проведено их сравнение. Более того, метеоритные микровключения сравнили также с известными формами земных микроорганизмов. Вердикт микробиологов гласил, что они не имеют с земной микрофлорой ничего общего. И имеющееся сходство чисто внешнее.

А вообще ничего удивительного в том, что в углистых хондритах присутствуют органические соединения и «организованные структуры», нет. Ведь в космическом пространстве находится углерод, азот, вода и многие другие элементы и соединения. Поэтому вполне вероятно, что из всего этого набора элементов и различных источников энергии могли появиться органические молекулы. И они появились: их находят и в метеоритах, и в кометах, и в межзвездных облаках.

Кроме того, в земных метеоритных коллекциях давно были известны метеориты, которые резко отличались по характеристикам от других, но в основном похожи между собой. Их условно назвали SNC-метеоритами, по первым буквам названий тех населенных пунктов, где они впервые были обнаружены: Shergotty (Шерготти, Индия), Nakhla (Накла, Египет) и Chassigny (Шассиньи, Франция).

На сегодняшний день в разных коллекциях находится 12 таких метеоритов, и, как предполагается, все они попали на Землю с Марса.

Но один из серии марсианских метеоритов, который в каталогах обозначен как ALH 84001 и также отнесен к группе SNC-метеоритов, вызвал среди ученых настоящую сенсацию. Нашли этот метеорит в 1984 году в Антарктиде в районе Алан Хилс. Вес этого небесного тела равняется 1,9 килограмма.

Проведя детальное исследование этого метеорита, исследователи смогли восстановить его своеобразную и довольно интересную «биографию». Например, выяснилось, что возник он из жидкой магмы около 4,5 миллиарда лет назад, когда Марс только начинал формироваться как планета. После этого, приблизительно 3,9 миллиарда лет назад, вещество этого метеорита в результате столкновения с каким-то неизвестным объектом получило сильный удар, оставивший на нем многочисленные трещины.

А 16 миллионов лет назад удар колоссальной силы выбросил этот метеорит с поверхности Марса в космос, где он и блуждал в космических просторах до тех пор, пока 13 тысяч лет назад не упал на льды Антарктиды. Там он пролежал до наших дней.

В 1994 году группа американских ученых приступила к всестороннему изучению этого метеорита. А после полутогодовых исследований в августе 1996 года ученые выступили с заявлением, что в метеорите скорее всего присутствуют древние окаменелости живых объектов внеземного происхождения.

Дело в том, что почти у самой поверхности метеорита были обнаружены многочисленные структуры овальной и удлиненной формы, которые могли соответствовать окаменелым колониям древнейших земных бактерий.

Но исследователей смутили их размеры. Эти структуры имели диаметр всего 10—100 нанометров, то есть в 100—1000 раз меньше типичных земных микробов. Но поскольку из-за дифракции света в бактериях таких размеров невозможен фотосинтез, то у них должен существовать иной источник энергии.

Кроме того, в столь ничтожном объеме ни аппарат наследственности (ДНК и РНК) бактерий, ни другие клеточные структуры не смогли бы разместиться. В этих миниатюрных клетках не удалось также обнаружить и следов клеточных мембран. Непонятно также, почему эти микровключения находились в изверженной породе, то есть в породе, разогретой до плавления, а не в осадочной.

В пользу биологической природы странных включений говорят и другие факты. Так, рядом с этими вкраплениями было замечено значительное количество полициклических ароматических углеводородов. Но специалистам известно, что эти органические соединения обычно образуются после разложения погибших микроорганизмов. Кроме того, там же установлено наличие отложений карбонатов, окислов, сульфидов и сульфатов железа, то есть соединений, которые сопутствуют земным биологическим окаменелостям.

Но при попытке придать этим структурам статус окаменелых биологических объектов возник ряд препятствий хронологического характера. Так, одни специалисты оценивают возраст карбонатных соединений в ALH 84001 в 3,6 миллиарда лет, другие же – всего в 1,39 миллиарда лет, то есть в 2,5 раза меньше. А эти оценки очень важны для принятия той или иной гипотезы.

Действительно, если принять, что возраст карбоновых соединений 3,6 миллиарда лет, то эта цифра соответствует тому периоду времени, когда климат на Марсе был благоприятен для возникновения жизни. А вот другая цифра – 1,39 миллиарда лет – соответствует времени, когда на Марсе установился более холодный климат.

Не меньший интерес представляет также изотопный состав карбонатов метеорита. Дело в том, что бактерии, обитающие на Земле, в процессе жизнедеятельности производят своеобразную «сортировку» изотопов используемых химических элементов. В результате этого процесса в следах земных бактерий изотопа C13 оказывается меньше, чем в природных материалах. Но именно этот факт был засвидетельствован и в ALH 84001, что является наиболее убедительным доводом в пользу биологического происхождения его окаменелостей.

Эти уникальные исследования вынудили ученых совсем по-другому взглянуть на идею о панспермии, которая ранее подвергалась очень серьезной критике. Опираясь на полученные данные, с большой долей вероятности можно предполагать, что метеориты и были теми переносчиками живой материи, которые доставили ее откуда-то из глубин Вселенной на Землю.

 

Космос, создавший изомерию аминокислот

Одна из аксиом молекулярной биологии гласит, что все живые организмы состоят из белков, а они в свою очередь – из аминокислот.

Как и многие другие органические соединения, аминокислоты существуют в двух зеркально симметричных формах. Такие молекулы похожи одна на другую, как правая и левая рука, поэтому их называют соответственно D– и L-молекулами, или правыми и левыми.

Мерчисонский метеорит

А поскольку эти молекулы могут вращать плоскость поляризации света в различных направлениях, их еще называют «правовращающими» и «левовращающими».

Так вот оказывается, что практически все природные белки построены только из левых аминокислот. При этом, что весьма удивительно, среди аминокислот, синтезированных в лабораторных условиях, примерно одинаковое количество правых и левых молекул.

Но этой особенностью обладают не только аминокислоты. Многие другие важные для живых систем вещества также имеют строго определенный знак зеркальной симметрии. Например, сахара, входящие в состав многих нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот ДНК и РНК, представлены в организме исключительно правыми D-молекулами.

Современные биологи, изучающие происхождение жизни на Земле, считают, что появление органических молекул с определенным типом симметрии стало главным фактором их выживания и последующего их многократного самокопирования. Но вот как и почему появился тот или иной зеркальный антипод, до сих пор остается одной из нерешенных задач науки.

Когда в ходе исследований ученые освещали раствор аминокислоты циркулярно поляризованным светом, то установили, что происходит полное или частичное разрушение одного из двух зеркальных антиподов. Причем свет, поляризованный по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), разрушает D-молекулы, и, наоборот, свет, поляризованный против часовой стрелки, только L-аминокислоты. Так был найден простой способ отбора молекул с определенным типом зеркальной симметрии.

Это открытие, как выяснилось, имело далеко идущие последствия. По сути, именно этот эксперимент заставил некоторых исследователей выдвинуть любопытную идею: а не могло ли нечто подобное произойти в масштабах всей планеты на первых этапах возникновения жизни? Действительно, если Земля подверглась облучению светом, имеющим правую или левую круговую поляризацию, то в результате этого воздействия должны были выжить лишь молекулы одного типа зеркальной симметрии. Если это так, то в таком случае что за источник света смог оказать на Землю такое влияние?

Безусловно, наиболее вероятным претендентом на эту роль являлся космос, где и мог находиться достаточно мощный источник поляризованного излучения. Более того, на космическое происхождение структурной асимметрии аминокислот указывали и исследования метеорита, который в 1969 году упал недалеко от австралийского поселка Мерчисон.

Этот «гость из космоса» оказался чрезвычайно богат на различные органические молекулы, в том числе и на аминокислоты. К тому же большинство из них имели левостороннюю симметрию. Впрочем, этот факт позволил некоторым ученым заявить, что преобладание левых аминокислот – не более как результат загрязнения метеорита земной породой.

Споры вокруг происхождения аминокислот, обнаруженных в Мерчисонском метеорите, продолжались без малого тридцать лет, то есть до тех пор, пока Майкл Энгель и Стефан Марко не исследовали метеоритные аминокислоты аланин и глютамин на содержание в них различных изотопов азота. В результате этих исследований выяснилось, что соотношение атомов азота с массами 14 и 15 не такое, как у всех земных организмов: в метеорите тяжелых изотопов было значительно больше. А это означало одно: земное загрязнение к химическим веществам в метеорите не имеет никакого отношения.

Из этих исследований следовал еще один важный вывод: скорее всего не только на Земле, но и во всей Солнечной системе левые аминокислоты преобладают над правыми.

Кроме того, измеренное Энгелем и Марко соотношение изотопов азота совпало со значениями, которые были получены астрономами в ходе спектроскопического анализа межзвездного вещества. Выходит, что аминокислоты Мерчисонского метеорита образованы из атомов, когда-то находившихся в межзвездных газопылевых облаках. Но если асимметричные аминокислоты впервые образовались именно в межзвездном веществе, то в таком случае как они смогли попасть на Землю? Но чтобы ответить на эти вопросы, исследований одного метеорита, конечно же, недостаточно.

На этот счет существует несколько гипотез. Согласно одной из них, избыток тех или иных оптических изомеров органических веществ впервые появился на нашей планете около 5 миллиардов лет назад. Именно в это время поверхность Земли подверглась сильнейшей бомбардировке кометами и астероидами.

Ряд геохимиков считает, что именно в это время на Землю попали вода, газы и большая часть летучих соединений, что и привело к образованию атмосферы. И скорее всего в этот же период на Землю были занесены и органические молекулы с преобладанием тех или иных зеркальных антиподов: L-аминокислоты, D-caxapа и т.д.

Казалось бы, в ходе мощных столкновений метеоритов с поверхностью Земли хрупкие органические молекулы должны были бы разрушиться, но их наличие в Мерчисонском метеорите свидетельствует об обратном.