Билл Меслер – Краткая история сотворения мира. Великие ученые в поисках источника жизни на Земле (страница 36)

Уолкотт вырос в Род-Айленде, у него не было отца, он не окончил среднюю школу и ни дня не проучился в университете. В подростковом возрасте он стал профессиональным искателем окаменелостей. Свои находки он отсылал в университеты, как когда-то Альфред Рассел Уоллес биологические образцы. В возрасте 26 лет Уолкотт был принят на работу в качестве помощника главного геолога штата Нью-Йорк Джеймса Холла, известного как своей деспотичностью, так и широчайшими познаниями в области палеонтологии.

Холл показал Уолкотту одно из своих самых интересных открытий – необычный риф в речном русле вблизи города Саратога. Известковый риф был украшен метровыми полосами круглых отпечатков. Холл был уверен, что рисунок имеет биологическое происхождение и представляет собой отпечаток колоний миллионов микроскопических водорослей. Он назвал этих гипотетических микробов Cryptozoon («скрытой жизнью»). Проблема заключалась в том, что самих окаменелостей не существовало. Даже в XXI в. идентификация окаменелостей микроскопического размера является чрезвычайно сложной задачей. Микробные клетки по форме и размеру очень похожи на самые разные частицы небиологического происхождения. У них нет скелета, поэтому они не окаменевают. Ученые часто спорят, какой тип среды и какое соотношение изотопов углерода или серы могли бы указывать на биологическое происхождение таких образцов. Для того чтобы констатировать биологическую природу образцов, современные микропалеонтологи используют сложное оборудование, которого не было у Уолкотта и его современников. Почти никто не верил, что Cryptozoon когда-то были живыми существами. Уолкотту были нужны более убедительные микроскопические доказательства. Через три года Уолкотта по рекомендации Холла приняли на работу в только что организованную Геологическую службу США. Вскоре его направили на запад для изучения одного из величайших природных чудес Северной Америки – Большого каньона, о котором тогда почти ничего не было известно.

Большой каньон оказался раем для палеонтологов. На протяжении 17 млн лет река Колорадо прокладывала себе путь в твердой каменистой почве, прорезав великое ущелье длиной более 450 км и глубиной более километра. Это второе по глубине ущелье после Кали-Гандаки в Непале, однако обнаженность скал Большого каньона объясняет его ни с чем не сравнимый потенциал для палеонтологических исследований. Рисунок геологических слоев каньона не спрятан под богатой растительностью, как в Кали-Гандаки или даже в предгорьях Англии и Шотландии, где на протяжении столетия вели поиски самые знаменитые охотники за окаменелостями. Поверхность скал Большого каньона напоминает чистую и слоистую стену канала, уходящего на километр вглубь земли и на два миллиарда лет назад во времени.

Руководитель экспедиции Джон Уэсли Пауэлл понимал палеонтологический потенциал Большого каньона. Он дал Уолкотту такую работу, с которой тот справлялся лучше всего, – поиск окаменелостей. Вскоре Уолкотт обнаружил признаки древней жизни, напоминавшие Cryptozoon Холла. Более того, он нашел их в тех слоях, которые с наибольшей вероятностью относились к докембрийской эпохе. В 1891 г. Уолкотт писал, что у него «практически нет сомнений», что жизнь существовала еще в докембрийских морях, но только в 1899 г. он нашел окончательные доказательства, за которыми он охотился. Через 20 лет после того, как Уолкотт впервые увидел Cryptozoon, в Большом каньоне он обнаружил окаменевшие остатки микроскопических одноклеточных водорослей, которых назвал Chuaria – от названия геологического пласта, в котором они были найдены. Происхождение этих клеток долго оставалось предметом споров, но теперь считается, что их возраст составляет около 1,6 млрд лет. Уолкотт наконец нашел недостающее звено в теории Дарвина. Позднее были найдены еще более древние окаменелости, и ученые пришли к выводу, что простейшие формы жизни появились не менее 3,5 млрд лет назад, то есть через миллиард лет после образования Земли.

Когда Холдейн и Опарин разрабатывали теории происхождения жизни, они уже понимали, что Земля намного старше, чем считали их предшественники. Это было очень важно, поскольку означало, что условия на планете в момент зарождения жизни могли коренным образом отличаться от современных условий. Холдейн и Опарин больше не нуждались в старой версии теории спонтанного зарождения (заключающейся в том, что появление живых существ из неживой материи может происходить в такой среде, которая окружает нас сегодня), а пытались понять, в каких условиях могла зародиться жизнь.

Работая над этим вопросом в 1920-х гг., и особенно при подготовке книги, вышедшей в 1936 г., Опарин ориентировался на новые данные относительно состояния первозданной Земли сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Земля была совсем иной и была совершенно непохожа на нашу современную планету; в частности, у нее была другая атмосфера.

Определить элементный состав первозданной Земли было несложно. Химический состав живых существ удивительно неразнообразен и прост. Все живые существа, начиная от мельчайших бактерий и заканчивая клетками самых сложных организмов, состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота – четырех основных элементов, которые химики иногда обозначают акронимом CHON (carbon, hydrogen, oxygen и nitrogen). Другие элементы содержатся в живых клетках в следовых количествах; среди них самыми важными являются сера и фосфор. Однако все живые существа на 98% состоят из четырех элементов: C, H, O и N[45]. Почти наверняка все эти элементы в изобилии содержались на первозданной Земле, как и повсюду в космосе. К тому же они относятся к числу семи самых распространенных элементов во Вселенной.

Труднее понять, как эти элементы соединялись между собой с образованием сложных молекул, необходимых для построения живых клеток. Скорее всего, четыре основных элемента присутствовали на Земле, но в какой форме? Существовал ли кислород только в составе воды (H₂O) или еще в виде атмосферного газа (O₂), как сейчас? Для того чтобы узнать, как зародилась жизнь, сначала нужно было определить, какие химические соединения были на Земле.

Опарин исходил из предположения, что поначалу в атмосфере не было газообразного кислорода. На основании результатов наблюдений за Юпитером Опарин сделал вывод, что первичная атмосфера Земли содержала метан и аммиак. Кроме того, на Землю лились потоки ультрафиолетовых лучей из космоса, от которых современная Земля защищена озоновым слоем. Поверхность планеты постоянно изменялась в результате вулканической активности, не соизмеримой ни с какими современными катаклизмами. Под возбуждающим действием солнечных лучей и вулканического тепла атмосферные газы могли расщепляться на составные части, которые затем могли вступать в реакции с образованием новых соединений и растворяться в океанах, покрывавших значительную часть поверхности планеты. Эта длинная цепь химических превращений могла привести к синтезу органических соединений и в конечном итоге неких доклеточных структур, представлявших собой промежуточное звено между живой и неживой материей. Холдейн выдвинул удивительно похожую идею, и в результате сочетания идей двух ученых родилась гипотеза Опарина – Холдейна.

Гипотеза Опарина – Холдейна выдержала проверку временем и сохранила свое значение в последующие десятилетия, когда значительно преумножились наши знания о геологических и атмосферных условиях в период возникновения жизни на Земле. К концу прошлого столетия благодаря геохимии, применяющей законы химии для объяснения планетарных процессов, было доказано, что в первичной атмосфере Земли действительно было мало кислорода. Такое положение дел сохранялось на протяжении почти двух миллиардов лет, пока жизнь не изобрела фотосинтез, при котором выделяется кислород. А без кислорода не существовало озонового слоя, защищающего Землю от ультрафиолетовых солнечных лучей.

Этот последний аспект – мощный поток космической энергии на Землю – сыграл ключевую роль в моделях Холдейна и Опарина. Именно он был движущей силой синтеза органических соединений, которые перемешивались и образовывали простые молекулярные агрегаты. Они были проще любых современных одноклеточных организмов, но все же достаточно сложными, чтобы воспроизводить самих себя из органических веществ. Некоторые структуры имели такую степень сложности, что Холдейн назвал их «полуживыми»; Опарин называл такие молекулярные агрегаты коацерватами.

Здесь мнения двух ученых расходились, и это имело большое значение для исследований последующих лет. Опарин и Холдейн по-разному определяли суть различий между живой и неживой материей. Опарин считал ключевым элементом жизни клеточный метаболизм – набор химических реакций, превращающих питательные компоненты из внешней среды в живую материю. Жизнь для него была химическим процессом, и важнейшими ее элементами он считал белки, помогающие осуществлять этот процесс. Такого направления мысли придерживаются сторонники концепции первичности метаболизма.

Холдейн видел основу жизни в генах. Его концепция промежуточной стадии между живой и неживой материей подкреплялась информацией о вирусах, о которых ученые в то время имели весьма ограниченное представление[46]. Вирусы мельче бактерий, и разглядеть их под микроскопом удалось только после 1933 г. Ученые долго спорили, можно ли относить вирусы к живым существам или нет. Холдейна особенно заинтересовали бактериофаги – вирусы бактерий. Ему казалось, что они соответствуют критериям «полуживых» организмов. В 1915 г. франко-канадский микробиолог Феликс Д’Эрелль попытался понять, почему вода из индийских рек Ганг и Ямуна удивительным образом защищает от заражения холерой, хотя она полна нечистот и опасных бактерий. Д’Эрелль обнаружил, что в этой воде жил удивительный «пожиратель бактерий» (бактериофаг). Вскоре ученые показали, что бактериофаги способны размножаться внутри бактериальных клеток.