Доктор геолого-минералогических наук И. А. РЕЗАНОВ.

Институт истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН

стр. 31

Жизнь на Земле, как принято считать, зародилась 3,5-3,8 млрд. лет назад в морях, в условиях, близких к современным. Однако недавно появились данные, свидетельствующие, что она возникла еще раньше. В 1989 г. вышла статья отечественного палеонтолога В. В. Кошевого о найденных им мумифицированных микроорганизмах в древнейших (более 4 млрд. лет) породах Алданского щита в Восточной Сибири. Это остатки цианобактерий, перидиней и др., а также серии организмов, совершенно не укладывающиеся в современную систематику. А спустя несколько лет российские ученые С. И. Хмур, член-корреспондент РАН А. Ю. Розанов и В. М. Горленко обнаружили остатки микроорганизмов в метеоритах (возраст также более 4 млрд. лет), о чем сообщал наш журнал (N 6, 1998). Эти факты позволяют по-новому подойти к проблеме возникновения жизни.

4,5 МЛРД. ЛЕТ НАЗАД

Древнейшие породы Земли наиболее широко распространены и лучше всего изучены в пределах Алданского щита. Исследователь из Сибири Р. Ф. Черкасов, обобщив результаты геологической съемки, показал, что разрез пород состоит здесь из трех толщ: нижней (кварцито-гнейсовой) мощностью 2-2,5 км; средней (гнейсовой) - 2,6 км (в ней В. В. Кошевой и обнаружил остатки бактерий) и верхней (гнейсово-карбонатной) - 1-1,5 км. Преобладающие в этом разрезе гнейсы - ранее они были базальтовыми лавами - перемежаются менее распространенными первоначальными осадочными породами - кварцитами, высокоглиноземистыми сланцами, карбонатами. И те, и другие в прошлом были метаморфизованы (перекристаллизованы) при высокой температуре (свыше 700 ^о С) и значительном давлении (около 10 тыс. атм), созданном сверхплотной первичной водородной атмосферой, сохранившейся на планете со времени ее аккреции (приращения, увеличения).

Изотопными методами определен возраст пород Алданского щита - от 2 до 4 млрд. лет. За это время многократно происходили фазы гранитизации местных гранулитов. Поскольку самая ранняя из них была около 4 млрд. лет назад, то, очевидно, накопление здесь пород и их метаморфизм начались еще раньше - 4,0-4,4 млрд. лет назад. Такую точку зрения в 1982 г. сформулировал крупнейший специалист по докембрию, отечественный геолог Л. И. Салоп.

Алданский разрез содержит информацию о характере биосферы Земли в первые 500 млн. лет ее истории. Тогда она выполняла почти все биохимические функции, свойственные современной. Потому-то вверх по разрезу растет количество графита, который, судя по изотопному составу, имеет биогенную природу, а распространенные в разрезе железистые кварциты, карбонаты, содержащие фосфор и марганец, образовались с участием бактерий. Да и изотопный состав сульфатной серы свидетельствует о биогенном кругообороте этого химического элемента. Если добавить к этому разнообразие микроорганизмов, остатки которых обнаружены в графитах Алданского щита, то становится очевидным: жизнь на Земле появилась вскоре после аккреции планеты (т.е. около 4,5 млрд. лет назад) и на ней сразу же сформировалась мощная биосфера.

ЧТО РАССКАЗАЛА ЛУНА?

В ранней истории естественного спутника нашей планеты намечаются три стадии. Сначала 4,5 млрд. лет назад на нем возник "магматический океан", когда внешняя оболочка разогрелась до плавления силикатов, и полевые шпаты "всплыли", образовав кору. Последующие 500 млн. лет (по изотопным данным) каких-либо заметных событий на Луне не происходило. И наконец, примерно 4,0- 3,9 млрд. лет назад на нее обрушился шквал астероидов и метеоритов, образовавших на ее поверхности гигантские ударные кратеры. Позднее "бомбардировка" заметно ослабела, и 3,8-3,1 млрд. лет назад значительную часть лунной поверхности покрыли базальтовые излияния - она потеряла активность.

Хотя на нашей ближайшей соседке не обнаружено никаких следов ни современной, ни древней жизни, она позволяет уточнить условия ее возникновения. Земля и Луна к концу их аккреции были разогреты до состояния плавления внешнего слоя. В бушевавших на них вулканических процессах с базальтовыми лавами на поверхность поступали газы (водород, окись и двуокись кислорода, метан и др.), необходимые и достаточные для зарождения жизни. Но на Земле она возникла, а на Луне нет. Причина состояла в том, что наша планета, имевшая в 100 раз большую массу, удержала часть первичного водородного "одеяла", а ее спутник этого сделать не смог. Но какие-то

Статьи данной рубрики отражают мнение автора (прим. ред.)

стр. 32

стр. 33

начальные стадии синтеза органических соединений за счет поступавших из недр газов на Луне, по-видимому, шли: в образцах реголита, доставленных с нее "Аполлоном", американские химики обнаружили аминокислоты: глицин, серин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты и др.

НЕТ УЧАСТИ ПЕЧАЛЬНЕЙ ФАЭТОНА

Солнечная система состоит из девяти планет. Но еще в начале XIX в. немецкий астроном Г. Ольберс на основании эмпирического закона планетных расстояний Боде-Тициуса высказал гипотезу: между орбитами Марса и Юпитера в прошлом была еще одна планета, которая затем распалась.

В 1861 г. французский геолог, иностранный член Петербургской АН Г. Добре связал падающие на Землю метеориты с разрушением планеты земного типа. Эти представления развивали и российские ученые, особенно академик А. Н. Заварицкий (1884-1952), отметивший: некоторые каменные метеориты по содержанию породообразующих окислов не отличаются от земных пород основного состава (базальтов, диабазов, габбро).

Большинство упавших на Землю метеоритов за последние 30 лет подвергли всестороннему минералогическому и химическому исследованию. В результате ряд ученых пришли к выводу: ранее они принадлежали крупной планете, что доказывает магматическая дифференциация в них, возможная лишь в планетном теле, а также алмазы, обнаруженные в некоторых из этих космических пришельцев. Присутствие в алмазах мельчайших газовых пузырьков с водой и водородом, а также другие признаки свидетельствуют об их образовании внутри планеты: ведь для этого требуется давление в 60 кбар и более.

Дальнейший анализ метеоритов позволяет реконструировать строение и размеры существовавшей когда-то в Солнечной системе десятой планеты, соотношение масс трех ее составных частей - железного ядра, хондритовой (содержа-

стр. 34

щей мельчайшие сферические частицы - хондры) мантии и ахондритовой (безальтовой) коры - можно определить по числу упавших метеоритов: 7% из них были железными, 84,6 - хондритовыми и 8,3% - ахондритовыми. Эта планета, получившая название Фаэтон, обладала мощной корой (около 100 км толщиной) и небольшим железным ядром. Среди других планет она ближе всего была к Марсу и, вероятно, достигала его размеров. Об этом говорят обнаруженные во всех типах хондритов алмазы. Значит, в мантии Фаэтона давление превышало 60 кбар. Согласно модели Марса, такие цифры достигаются на глубине около 500 км. Однако так глубоко "помещать" верхнюю часть хондритовой мантии у Фаэтона нельзя, ибо тогда относительный объем его коры нужно увеличить почти на 30%. Выход один: принять размеры коры, мантии и ядра десятой планеты такими же, как у Марса, а недостающее давление (чтобы у "подошвы" коры оно достигало 60 кбар) отнести за счет водорода, окружавшего это железо-силикатное небесное тело.

Относительная масса водорода у планет увеличивается по мере удаления их от Солнца. Так, на ближайших к нему Меркурии и Венере этот газ в эпоху их аккреции отсутствовал. На Земле сохранившийся водород составлял около 0,5% ее массы. Что же касается Фаэтона, удаленного от Солнца на 2 а.е. (астрономические единицы), то относительное количество водорода там в 100 раз больше, а на Юпитере, удаленном еще на 4 а.е., еще в 100 раз больше.

Гибель Фаэтона произошла из-за термической диссипации его водородной атмосферы. Поскольку в результате уменьшилось внешнее давление на планету, то внутренний напор флюидов, сжатых в железо- силикатном ядре, разрушил ее. По мнению академика А. Н. Заварицкого, изучившего строение и условия кристаллизации различных типов метеоритов, этот распад происходил в несколько этапов. Сначала с Фаэтона была сорвана ахондритовая кора. Спустя длительное время, когда его поверхность остыла, на нем начались процессы, характер-

стр. 35

ные для планет с еще относительно холодной атмосферой, но уже разогретыми до состояния плавления недрами. Благодаря вулканизму на поверхность поступали раскаленная магма и газы. Первая постепенно кристаллизовалась, происходила гидратация силикатов; вторые, вступая в химические реакции, образовали широкий набор углеводородных соединений.

ВУЛКАНИЗМ - ПЕРВАЯ ФАЗА ЗАРОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

В бактериальном виде жизнь возникла, по меньшей мере, на двух планетах - на Земле и Фаэтоне. Обращает на себя внимание сходство физических условий на них в ту эпоху: обе были окутаны очень плотной (около 10 кбар) водородной атмосферой, и на той и другой повсеместно проявлялась вулканическая деятельность.

Отсюда вытекают условия биопоэза (зарождение живого из неживого) - физические: давление не менее 10 кбар, температура резко колеблется (от 1000 ^о С у горячей лавы до 0 ^о С у затвердевшей) и химические: присутствует водородная атмосфера; небольшое количество воды поступает с вулканическими газами. Основными химическими компонентами, послужившими материалом для биопоэза, кроме молекулярного водорода и воды, были окись и двуокись углерода, аммиак, метан, сероводород, соляная и фтористо-водородная кислоты, а также бор, бром и фосфор в малых дозах.

Исследование современных продуктов вулканических извержений, которое в 60- 70-х годах XX в. провели российские ученые из Института вулканологии РАН Е. К. Мархинин и Н. Е. Подклетнов, показало: в образующемся пепле в большом количестве присутствует органическое вещество. Это, во-первых, насыщенные и ароматические углеводороды, в том числе содержащие серу, хлор, кислород, азот (сотни тысяч тонн за одно извержение), и, во-вторых, составные основных компонентов живой клетки - белков и нуклеиновых кислот: порфирины, аминосахара, аминокислоты, пиримидины (десятки тонн). Вулканические извержения на молодой Земле и полуразрушенном Фаэтоне стали первой фазой зарождения жизни - возник обширный набор органических соединений, послуживших материалом для формирования более сложных полимеров.

Как это могло происходить, показывают выполненные в 60-х годах эксперименты американского биохимика С. Фокса и его коллег. Безводную смесь аминокислот они нагревали до 170 ^о С. В результате образовались соединения, сходные с природными белками, поскольку содержали до 18 аминокислот из 23, встречающихся в современных организмах. Промывая горячую смесь искусственных полимеров водой или водными растворами, Фоке получил многочисленные микросферы; их оболочки, как и у живой клетки, реагировали на изменение внешнего давления.

Здесь я подхожу к самому важному в проблеме возникновения живого: что послужило причиной, побудившей белки осуществлять метаболизм, каков был источник необходимой для этого энергии?

Жизнь на полуразрушенном Фаэтоне стала проявляться на поверхности, частично заливаемой раскаленной магмой, т.е. при резком перепаде тепловых условий. Высокая температура, породившая полимеры, при дальнейшем росте их же и разрушала. Основная трудность у зарождавшейся биосферы состояла в том, чтобы устоять от перегрева. В применении к химическим процессам выполняется принцип французского физикохимика, иностранного члена Петербургской АН А.- Л. Ле Шателье (1850-1936): если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в итоге протекающих в ней реакций равновесие сместится таким образом, что это воздействие уменьшится. В нашем случае биосфера ответила на перегрев включением процесса, понижающего температуру среды, - эндотермической реакцией. Это было продуцирование кислорода из имевшихся тогда химических соединений (2Н ₂ +2СО ₂ -> 2СН ₂ О+О ₂ ). Разогрев многократно повторялся, и путем отбора постепенно вырабатывался все более и более совершенный механизм противостояния ему полипептидных макромолекул.

Однако временами вулканизм прекращался, и полипептидные цепи оказывались в условиях низких температур. Тогда система действовала в обратном направлении - выработанный кислород расходовался на окисление водорода, серы, железа, марганца и пр., что сопровождалось выделением химической энергии. По моим представлениям, в основе метаболизма у будущих бактерий была реализация окислительно- восстановительных реакций пока еще неживой материей, спровоцированная колебаниями температуры среды. Со временем в полипептидах выработались наиболее оптимальные механизмы восстановления и окисления, которые путем отбора привели к возникновению универсального механизма - накопителя энергии (аденозинтрифосфата - АТФ).

Подойдем к следующему этапу зарождения жизни - формированию генетического кода, который может реплицировать уже сложившуюся последовательность аминокислот, способных к метаболизму. И в этом случае исходной посылкой был естественный отбор. Когда выработалась система противодействия полипептидов изменению температуры, возникла проблема, как обезопасить этот протобелок от случайного разрушения и уничтожения. Но, как уже было сказано, параллельно синтезу белков абиогенным путем синтезировались аминосахара, пиримидины и др., являющиеся составными частями нуклеиновых кислот. Последние "научились запоминать" находящийся вместе с ними протобелок и способствовать его новообразованию после разрушения. Так для каждой аминокислоты сформировался определенный набор молекул, позволявших ускорить повторный ее синтез, - возник процесс комплементарной авторепродукции. Путем отбора он все более усложнялся и завершился появлением генетического кода.

Подчеркну важнейшую роль в процессе зарождения жизни сверхвысокого давления: с его ростом резко ускоряются химические реакции. И лишь благодаря этому

стр. 36

фактору многоступенчатый процесс синтеза, разрушения, отбора и нового синтеза мог осуществиться за тот короткий срок, который судьба отвела Фаэтону, дав ему непродолжительную "передышку" между двумя фазами распада. Не следует забывать и об эпизодических падениях на десятую планету ее же обломков; возникавшие в результате ударные волны тоже ускоряли синтез аминокислот и других углеводородов.

А теперь коснусь наиболее сложного вопроса в происхождении жизни - возникновения диссимметричных (хиральных) органических молекул: левых - в аминокислотах и правых - в сахарах. Автор статьи высказывает гипотезу о том, что нарушение симметрии в органических молекулах произошло из-за сверхвысокого давления. При 10 кбар большая часть исходных и синтезируемых органических соединений переходит в кристаллическое состояние. А кристаллы под таким "прессом" деформируются - изменяются расстояния и углы между составляющими их атомами. И вот благодаря анизотропной (неодинаковой в различных направлениях) сжимаемости, возможно, создались условия, при которых в тех или иных деформированных кристаллах более "выгодными" оказались левые или, наоборот, правые молекулы. Так или иначе, но еще на стадии выработки генетического кода сформировалось, пожалуй, самое главное отличие живого от неживого - свойственная и бактериям, и человеку диссимметричная органическая среда.

Итак, если мы зададимся вопросом, почему среди неорганической природы возникает жизнь, ответ будет следующим. Во-первых, благодаря способности углерода образовывать с водородом, кислородом и другими элементами сложные молекулы, объединяющиеся в полимеры с тысячами атомов. Во-вторых, из-за вулканизма на планетах, поставляющего различные газы, пепел, магму, что создавало контрастные колебания температуры. В-третьих, благодаря тому, что в природе существуют обратимые окислительно- восстановительные реакции, сопровождающиеся как по-

стр. 37

глощением, так и выделением энергии. И наконец, высокое давление водородной атмосферы ускоряло ход химических реакций, и, возможно, создавало диссимметричную среду.

Важнейшим процессом, стимулировавшим возникновение живого из неживого, было продуцирование кислорода как реакции протобелков на повышение температуры среды. Синтез кислорода стал первой энергопотребляющей реакцией, впоследствии закрепленной в виде метаболизма у бактерий. Но это был не широко распространенный теперь фотосинтез, а термосинтез - при нем окружающее тепло потребляется. Важно заметить: Фаэтон, где возникла жизнь, находился от Солнца в три раза дальше, чем Земля. Следовательно, на него поступало лишь 10-15% той световой энергии, которая падала на нашу планету. Если добавить к этому, что его окружала сверхплотная атмосфера, дополнительно экранировавшая свет, то становится очевидным: механизм фотосинтеза на Фаэтоне не мог функционировать. Земля в эпоху зарождения на ней жизни также была окружена очень плотной атмосферой, задерживавшей если не всю, то большую часть световой энергии. Впрочем, в ней и не было нужды - земной вулканизм поставлял достаточное и даже избыточное количество энергии. А фотосинтез появился значительно позднее, когда температура на поверхности планеты понизилась, и бактериям, чтобы выжить, пришлось искать иной источник энергии.

Я представляю себе возникновение жизни на Земле и на Фаэтоне следующим образом. В темноте, при гигантском давлении водородной атмосферы из недр этих небесных тел выплескивалась магма, выбрасывались газы и пепел. С понижением температуры на застывшей лаве или в пепловом слое из аминокислот, Сахаров и других углеводородов формировались полимеры - возникла тонкая "пленка преджизни". Она часто погибала при росте температуры, но в исключительно редких случаях сохранялась, когда вырабатывался соответствующий механизм охлаждения. В одном или нескольких местах этих планет ей удавалось (путем отбора) пройти все стадии эволюции и обрести генетический код, позволяющий из аминокислот собирать полимер, способный к метаболизму. Это способствовало тому, что "пленка преджизни" постепенно распространялась по всей поверхности Земли и Фаэтона и положила начало биосфере. Составные элементы последней, используя химические реакции восстановления-окисления, продолжали совершенствоваться и создавали цианобактериальные маты, аналогичные современным. А эволюцию они проходили уже в мелководных бассейнах.

ГДЕ ЕЩЕ ВОЗМОЖНА ЖИЗНЬ?

Все сказанное позволяет назвать два условия, необходимых для того, чтобы на том или ином небесном теле возникла бактериальная жизнь: активное проявление на нем вулканической деятельности и наличие у него плотной водородной атмосферы. Первое условие выдерживается довольно часто - в процессе аккреции планеты разогреваются до состояния плавления их внешних оболочек (показательна в этом отношении Луна). Второе выполняется реже, ибо здесь играют роль два фактора - размер небесного тела и удаление его от Солнца. Небольшие небесные тела не способны удержать водородную атмосферу. Пример - та же Луна: хотя на ней был вулканизм и даже образовывались аминокислоты, другие углеводородные соединения, жизнь там не возникла, ибо ее высокоплотная водородная атмосфера быстро исчезла.

Разумеется, не могло быть атмосферы и гидросферы вокруг астероидов, как не было там и вулканизма, а потому жизнь не появилась.

Наличие первичной водородной атмосферы на более массивных планетах зависит от их расстояния от Солнца. У близких к нему (Меркурий и Венера) к концу аккреции ее полностью "сбил" солнечный ветер. Если же они удалены от светила на очень большое расстояние (Юпитер и Сатурн), то вокруг них остается слишком много водорода, и под его массой жизнь также не зарождается.

Лишь в промежутке между этими крайними случаями складывается обстановка, когда водородная атмосфера к концу аккреции планеты частично сохранилась, а ее давление на поверхность небесного тела благоприятствует появлению жизни. В Солнечной системе это произошло на Земле и погибшем Фаэтоне. Есть основания считать, что и на Марсе возникла и поныне существует бактериальная жизнь. Водородная атмосфера там составляет около 3% всей его массы. Первичная атмосфера этой планеты соизмерима с земной, но она оказывала вдвое меньшее давление, и ее диссипация не разрушила Марс. Факт существования и распада водородных атмосфер Земли и Марса подтверждается закономерным сокращением от Венеры к Марсу нерадиоактивных изотопов инертных газов (они были унесены вместе с водородом). Вулканизм на Марсе проявился очень рано, вероятно, одновременно с земным. Так что два основных условия, необходимые для возникновения жизни, там были. Есть и третий необходимый фактор - вода. Наконец, убедительным аргументом в пользу существования на Красной планете бактериальной жизни служит изобилие на ней окисленных соединений железа и серы. Образование их логично связать с биогенным продуцированием кислорода. Ну, а низкая температура на современном Марсе не могла совершенно погубить жизнь: ведь на Земле в вечной мерзлоте обнаружено огромное количество живых бактерий.

Итак, в Солнечной системе в первые 500 млн. лет ее истории жизнь возникла на трех планетах - Земле, Марсе и Фаэтоне. Но на последнем она погибла с его распадом. А на Марсе оказалась в угнетенном состоянии из-за низкой температуры поверхности.

Постоянный адрес данной публикации: