Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

Бактерии и археи способны быстро приспосабливаться к изменениям среды, это одни из самых жизнестойких организмов на Земле. Бактерии могут существовать в безводных горных породах на границе вечных льдов Антарктиды, они прекрасно себя чувствуют в жерлах подводных вулканов, где температура воды превышает точку кипения, они живут даже в земных недрах — их находили в большом количестве в образцах пород, взятых с больших глубин. Эти микробы, способные жить и размножаться в совершенно невыносимых для высших форм жизни условиях, получили название экстремофилов. Они подразделяются на классы в зависимости от их экологической ниши, отличающейся от комфортных для всей остальной жизни условий. Термофилы обитают в горячих источниках и жерлах подводных вулканов, галофилы и алкалифилы — в содовых озерах, психрофилы способны расти и размножаться при отрицательных температурах. Мой любимый микроорганизм — Deinococcus radiodurans — полиэкстремофил, который одинаково хорошо переносит низкую температуру, кислотную и безводную среды и даже вакуум‹‹10››. Мы еще вернемся к обсуждению экстремофилов в следующих главах главным образом потому, что я хочу поговорить о них в контексте неблагоприятных (но в принципе пригодных для жизни) условий окружающей среды в пределах Солнечной системы. Но, чувствую, вы уже поняли, к чему я клоню: какие бы биохимические процессы вы ни проводили, на свете существует микроб, у которого это получается лучше, чем у вас.

Искра жизни?

Итак, мы проследили историю нашей планеты от глубин архея — 3,8 млрд лет назад — до сегодняшнего дня. Теперь мы встали перед самой большой научной загадкой: как на Земле зародилась жизнь? Каким образом из безжизненных химических веществ возникла биологическая среда? Если мы сумеем найти удовлетворительный ответ на этот вопрос, тогда за ним логично последует другой: возникнет ли жизнь снова в аналогичных условиях на отдаленной планете или спутнике?

Как мы представляем себе Протоземлю, на которой зародилась жизнь? Какие у нас есть данные, позволяющие рассуждать о химическом составе окружающей среды в архее? Скорее всего, атмосфера формировалась из вулканических газов и испарившихся остатков ледяных комет. В таком случае, согласно современным представлениям о вулканах и кометах, земная атмосфера должна была состоять из углекислого газа, воды, азота и сероводорода (и прочих соединений).

История научных поисков возобновляется в 1924 г., когда через 50 с лишним лет после рассуждений Дарвина о небольшом теплом водоеме русский биолог Александр Опарин заинтересовался вопросом возникновения жизни. Он полагал, что основным источником кислорода в атмосфере древней Земли мог быть только фотосинтез. Поскольку фотосинтез — очень сложный процесс, он не мог возникнуть у самых ранних форм жизни. В таком случае зарождение жизни должно происходить в отсутствие молекулярного кислорода, реагирующего почти со всеми простыми веществами. Несколькими годами позже британский биолог Джон Холдейн независимо пришел к такому же заключению: в атмосфере древней Земли практически не было свободного кислорода, и в результате простые органические вещества, прореагировав друг с другом, породили множество более сложных молекул, ставших предшественниками живых организмов. Как Опарин, так и Холдейн считали, что энергия для осуществления таких реакций могла взяться только из природных источников — либо от удара молнии, либо от ультрафиолетового излучения Солнца, от которого Земля в то время была не защищена.

В последующие 30 лет в истории древней Земли ничего не менялось, пока наконец любознательный студент-старшекурсник Стэнли Миллер не решил проверить рассуждения Опарина и Холдейна на практике. В 1953 г. он сконструировал необычайно простую, но в то же время эффектную модель химической активности на раннем этапе развития Земли. Научным руководителем Миллера был Гарольд Юри, получивший в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие изотопа водорода — дейтерия. Их совместная работа получила известность как эксперимент Миллера — Юри.

Экспериментальная установка являла собой замкнутую систему стеклянных трубок и колбу с водой, представляющую земные океаны. В первоначальном варианте вода при нагревании испарялась и по трубке поступала в колбу, в которую была закачана смесь аммиака (NH₃), метана (CH₄) и водорода (H₂), выполнявшая роль древней атмосферы. Впоследствии Миллер несколько изменил свой эксперимент, добавив электрический разряд (в других вариантах он использовал ультрафиолетовое излучение, а также иные источники энергии). Газы из колбы, служившей атмосферой, поступали в охлаждаемую трубку, где конденсировались и снова стекали в «океан». Эксперимент Миллера, во многих смыслах революционный, был невероятно простым, но, как ни удивительно, прошло почти 30 лет, прежде чем экспериментаторы обратили внимание на идеи, высказанные Опариным и Холдейном.