Цивилизация
Проблема возникновения жизни на Земле одна из центральных в человеческой культуре и в своей научной составляющей ещё очень далека от решения. Трудно поверить, но в науке этот вопрос в полный рост встал совсем недавно, в XIX веке, когда астрономы и геологи доказали, что наша планета не была здесь вечно, а Луи Пастер убедительно продемонстрировал невозможность «самозарождения» жизни в понимании Аристотеля.
Когда же эволюционисты и палеонтологи установили, что развитие разных жизненных форм следует своим собственным законам, стало ясно и откуда начинать поиски происхождения жизни. Её истоки спрятаны в химии, основе всех тех процессов, что на практике реализуют эволюционные законы. А химическая основа жизни — разнообразные органические молекулы, пусть и самые простые, из которых потом, постепенно усложняясь по классической схеме академика Александра Ивановича Опарина, могли появиться такие сложные образования, как структурные и каталитические белки и носители наследственной информации — РНК и ДНК.
Японские учёные показали, что начало биологической химии могли положить метеориты.
Речь не о панспермии — переносе жизни от одного небесного тела к другому, а о синтезе биологических молекул при метеоритной бомбардировке земных океанов. Ёсихиро Фурукава из японского Университета Тохоку и его коллеги смоделировали удары метеоритов самого распространённого типа по воде, обстреливая свои образцы из специального ружья. В продуктах этого ударного синтеза нашлись многочисленные жирные кислоты, молекулы аминов и простейшая аминокислота. Настоящие метеориты были крупнее зарядов Фурукавы и летели в десятки раз быстрее, а потому продукты их ударов, по мнению авторов принятой в Nature Geoscience работы, могут быть куда сложнее и разнообразнее.
Опыты Миллера не помогли
Появление органических молекул на Земле — может быть, и не самая сложный этап опаринской схемы зарождения жизни, однако и эта задача не решена. В принципе, даже относительно сложные органические молекулы астрономам удавалось увидеть в далёких облаках межзвёздного газа — таких, из которых вполне могла возникнуть Солнечная система. Однако количество, разнообразие и относительное обилие этих молекул совсем не похожи на то, что, по нашим смутным представлениям, требуется для зарождения жизни. А значит, химикам так или иначе придётся придумать способ синтеза большей части необходимой органики уже на Земле. И их успехи в этом деле впечатляют.
Разумеется, когда речь заходит о синтезе молекул жизни из неорганического «сырья», на ум тотчас приходят опыты Стэнли Миллера. Ещё в 1950-х годах молодой Миллер с подачи своего научного руководителя Гарольда Юри попытался в пробирке смоделировать химические процессы, которые происходили миллиарды лет назад на юной Земле. Опыты, в которых Миллер и Юри пропускали молнии через смесь метана, аммиака и паров воды, увенчались успехом: в продуктах этой реакции нашлись пять аминокислот — основных «кирпичиков» белков.
А как выяснилось совсем недавно, уже после смерти Миллера в мае прошлого года истинные результаты были ещё более впечатляющи: в пробирках остались следы не пяти, а 22 аминокислот и пяти аминов! Просто полвека назад экспериментальная техника не позволила их обнаружить, а позднее, при появлении новых методов анализа, Миллер распечатал и исследовал не всю свою «заначку».
Проблема в том, что к процессам на молодой Земле опыты Миллера вряд ли имеют прямое отношение.
По современным представлениям, земная атмосфера на заре существования планеты состояла не из метана и аммиака, как считали полвека назад, а из углекислого газа и азота, возможно, с небольшими примесями. Сделать из них аминокислоты куда сложнее.
Ударные теории
Когда стало ясно, что «франкенштейновские» эксперименты с молниями не помогают, учёные обратили своё внимание на не менее эффектные события — падения метеоритов. Ещё 20 лет назад сотрудники московского Института космических исследований (ИКИ) Лев Мухин, Михаил Герасимов и Энергина Сафонова показали, что при ударе метеорита о землю могут возникать достаточно сложные предшественники молекул жизни. Чтобы смоделировать падение «булыжников с неба», Мухин и его коллеги испепеляли образцы настоящих метеоритов и земные основные породы лазерными импульсами очень высокой интенсивности. Вырвавшиеся из каменного плена газы, нагретые до очень высоких температур, реагировали друг с другом.
В результате нашим соотечественникам удалось получить многочисленные соединения углерода и азота с кислородом, серой, водородом, цепочки углеводородов длиной до шести углеродных атомов и даже синильную кислоту HCN и уксусный альдегид CH3CHO. Им также удалось наблюдать признаки цепочек химических реакций, которые успевали протекать в плотном облаке газовой смеси прежде, чем оно рассеивается.
Хиромото Накадзава из японского Института наук о материалах в Цукубе уверен, что родиной первых органических молекул была не земная поверхность, а океан.
Накадзава предпочитает воду суше, потому что при ударах метеоритов о воду синтез органических молекул должен идти эффективнее. Например, никель и железо, в обилии присутствующие в метеоритах, должны катализировать реакции своим восстановительным действием на воду, насыщающим её ионами водорода. Металлические частицы катализируют процессы Габера — Боша и Фишера — Тропша, с помощью которых в окружающем пространстве появляются аммиак и всё более сложные углеводороды.
Кроме того, не исключено, что именно в воду и падали большая часть метеоритов, бомбардировавших Землю в течение сотен миллионов лет после её появления. Согласно геологическим данным, по крайней мере часть земной поверхности уже была покрыта водой во времена поздней метеоритной бомбардировки примерно 3,8 миллиарда лет назад. А по мнению многих планетологов, океан воды, поднявшейся к поверхности из расплавленных недр и затем сконденсировавшейся из остывающей атмосферы, покрывал практически всю Землю ещё на полмиллиарда лет раньше.
Чтобы проверить гипотезу, Накадзава попросил Ёсихиро Фурукаву и его коллег провести эксперименты и натурно проверить, что получается при ударе метеорита о воду. Поскольку заранее предсказать, где и когда метеорит плюхнется на Землю, пока удавалось лишь однажды, японцы ограничились лабораторными опытами. Они запечатали смесь «метеоритного вещества» и воды земных океанов гадейского эона в стальные цилиндры и обстреляли их снарядами из специальной лабораторной пушки.
В качестве метеоритного вещества использовалась смесь порошков железа, никеля и углерода, имитирующая состав метеоритов. Например, они присутствуют в метеоритах самого распространённого типа — обыкновенных хондритах. В качестве земной воды выступала H2O с небольшими примесями аммиака и азота, имитирующими раннюю атмосферу Земли. Скорость удара снаряда о герметичный цилиндр составила около 1 км/с, давление при ударе достигало 60 тысяч атмосфер, реакции продолжались около 0,7 мкс. По расчётам учёных, это соответствует удару метеорита, врезающегося в воду на скорости около 2 км/с. После обстрела содержимое цилиндра мгновенно замораживали в жидком азоте и в таком виде извлекали наружу через просверленные в стальных стенках дырочки. Образцы исследовали с помощью стандартных методов хроматографии и масс-спектрометрии.
Среди продуктов ударного синтеза нашлись уксусная, масляная и все остальные кислоты жирного ряда кислот с числом углеродных атомов от двух до шести штук, триметилуксусная кислота, алифатические амины от метил- до бутиламина и даже простейшая аминокислота — глицин.
При том учёные могут быть уверены, что все эти соединения были именно синтезированы в стальном цилиндре, а не попали в хроматограф случайно. В состав этих молекул входят только тяжёлые изотопы углерода 13C, которого в окружающем нас углероде около 1%. А вот в углеродном порошке, засыпанном в цилиндр, напротив, их было почти 99%.
Мокрым по сухому
Выход органических продуктов в реакции составил около 26 граммов органики на тонну вступившего в реакцию углерода метеоритного вещества (2,6x10-5). В пересчёте на 4 триллиона килотонн углерода (4x1021 г), что с метеоритами выпали на поверхность нашей планеты уже после её формирования, получается около 100 миллиардов тонн (1017 г) органических молекул. Не так уж и много — столько углерода в атмосферу человечество выбрасывает за десяток лет.
По экспериментально показанной эффективности «мокрый» ударный синтез Накадзавы и Фурукавы оказывается не лучше «сухого» синтеза Мухина, Герасимова и Сафоновой. Правда, говорят японцы, вещества при этом синтезируются более сложные. К тому же оценка эффективности мокрого синтеза, скорее всего, занижена: скорость реальных метеоритных ударов выше, а взаимодействие воды с ними дольше. В реальности органики рождалось больше и была она сложнее.
По словам Михаила Герасимова, возглавляющего теперь Лабораторию прямых физико-химических исследований планет ИКИ, тому, что результаты получились похожими, удивляться нечего.
Метеоритные удары происходят на таких огромных скоростях, что принципиальной разницы, куда падает метеорит — на твёрдую поверхность или в воду, нет.
Японские учёные взяли очень благоприятные для синтеза условия эксперимента — ту же воду, которую эффективно восстанавливает железо, насыщая реакционную среду водородом; к тому же железо присутствовало в виде порошка, что ещё более улучшает его каталитические способности. А вот кислорода, который неизбежно высвобождается при ударном разрушении кристаллической структуры силикатов в тех же обыкновенных хондритах, в цилиндрах Фурукавы не было, при том что этот активный газ мог бы существенно изменить состав полученных соединений не в пользу органики. И чем больше скорость удара, тем больше будет выбрасываться кислорода.
Сравнивать же сложность полученных в эксперименте органических молекул — дело вообще не слишком осмысленное. При огромных температуре, давлении и плотности активно идёт полимеризация, и в результате возникает что-то вроде керогенов — гигантских молекул, собранных из сотен и тысяч отдельных мономеров, по сути, случайным образом. Из таких молекул состоит, к примеру, битум. Те простые органические молекулы, которые удаётся зафиксировать среди продуктов реакции, — грубо говоря, лишь осколки этих керогенов, проявившиеся при хроматографии. Внутри гигантских молекул, в случайной смеси разных мономеров, наверняка присутствуют и более сложные соединения.
В своей работе Накадзава и Фурукава пишут, что простые органические вещества в воде могли накапливаться, так что при последующих ударах могли появляться всё более и более сложные молекулы. Впрочем, подобные построения вряд ли более основательны, чем рассуждения академика Опарина о постепенном усложнении пребиотических молекул. И наверняка тоже верны.