Космос и жизнь
Обратим внимание на существование жизни в весьма различных, порой, очень суровых условиях. Так обстоят дела на Земле, но есть два исследования, дополняющие друг друга, которые раскрыли механизм потенциального появления на Титане (спутнике Сатурна) аминокислот и показали наличие благоприятных условий для предбиотической химии.
Первое – британским химикам удалось поставить опыт, в котором из смеси возникла сложная молекула, способная к саморепликации (то есть самовоспроизведению). Об этом было рассказано в докладе, сделанном на конференции Американского химического общества, сообщает Nature News. В опыте была использована смесь из 25 компонентов: различных альдегидов и малеинимида {H2C2(CO)2NH}. Составляющие были подобраны таким образом, что все 25 веществ могли переходить друг в друга химическим путём. Перед опытом смесь находилась в равновесии – количественное соотношение её компонент было постоянным. Туда добавлялось некоторое количество производного малеинимида немного другого строения, точнее, один из гомологов малеинимида вида {H2C2(CO)2NR}, где R – углеводородный радикал. Один из компонентов смеси «использовал» эту молекулу для превращения в самовоспроизводящуюся.
Второе – Кэтрин Нейш (Catherine Neish) из лаборатории прикладной физики (APL) выяснила, что будет со сложными углеводородами, открытыми в атмосфере Титана, при попадании на её поверхность. Смешав «холодный суп» из воды, аммиака и другой органики, Кэтрин обнаружила, что в нём за несколько дней появляются кислородосодержащие молекулы. В том числе, такие кирпичики жизни, как аспарагин, аспарагиновая кислота, глутамин и глутаминовая кислота.
Подобные вещества могут образовываться на поверхности льда, а для поддержания жизни у соединений должна быть возможность попадать в океан. Эти молекулы будут смешиваться с водой, и, хотя озёра Титана – это углеводороды, вода там тоже периодически появляется, благодаря криовулканам. При почти –180°C она быстро замерзает, но вулканы, как гласят расчёты, могут поставлять новые порции жидкой H2O столетиями. Имеются косвенные признаки, что жизнь там действительно есть. Важный элемент всех этих построений – криовулканы, такие как, например, объект рельефа Титана Sotra Facula, который удивительно схож обликом с земными вулканами.
Он имеет два пика высотой по километру с лишним, кратеры (крупнейший имеет глубину 1,5 км), а вокруг – застывшие в виде вытянутых пальцев потоки выброшенного материала.
Следующий шаг сделали американские исследователи под руководством профессора Джеральда Джойса (Gerald Joyce) из Исследовательского института Скриппса. Они разработали автоматизированную систему, которая позволяет за короткое время воссоздавать процесс эволюции молекул рибонуклеиновой кислоты (статья с описанием их работы опубликована в журнале PLoS Biology).
Исследователи моделировали эволюцию молекул РНК, обладающих каталитическими свойствами. Выбранные для исследования молекулы способны катализировать собственное воспроизведение. Длинные молекулы РНК состоят из отдельных блоков – нуклеотидов. В присутствии нуклеотидов и фермента, который «собирает» на матрице молекулы РНК её копию, молекулы могут размножаться. Для воспроизведения процесса эволюции были выбраны молекулы РНК, которые не очень эффективно катализировали собственное размножение. Через 70 часов эволюции in vitro молекулы стали выполнять свои функции в 90 раз эффективнее.
Эксперимент проводили по следующей схеме. В реакционной смеси, где размножались РНК, содержался флуоресцентный краситель, который встраивается во вновь синтезированные цепи РНК, однако не взаимодействует с отдельными нуклеотидами. Флуоресценцию реакционной смеси постоянно измеряли. При её усилении в 10 раз из смеси отбирали аликвоту (небольшое количество) и переносили её в пустую ёмкость. К аликвоте добавляли свежие реагенты, необходимые для размножения молекул: нуклеотиды и фермент, обеспечивающий синтез цепи. Таким образом моделировался процесс естественного отбора.
При наличии большого количества реагентов все молекулы РНК «выживают» и размножаются. В условиях же недостатка реактивов преимущество получают молекулы, способные более эффективно катализировать собственное размножение, а значит – увеличивать число копий самих себя.
Изначально все молекулы РНК имели одинаковую последовательность нуклеотидов. Однако при синтезе новых цепей фермент делает ошибки. Соответственно, «дочерние» молекулы не всегда являются точными копиями «родительских». Некоторые мутации вновь синтезированных цепей никак не влияют на их функции, некоторые увеличивают эффективность синтеза, а некоторые, напротив, уменьшают. В условиях недостатка реагентов преимущественно размножаются те молекулы, мутации в которых увеличили эффективность их «работы».
Соответственно, число таких мутантных молекул растёт. Число тех молекул, которые недостаточно эффективно катализируют своё размножение, не изменяется. Шансы таких молекул попасть в число «счастливчиков», которых заберут из истощённой смеси, всё время уменьшаются. Всего было проведено 500 этапов отбора. Проанализировав молекулы, «дожившие» до последнего этапа, исследователи обнаружили, что в них накопилось 11 мутаций, которые тем или иным образом увеличивали эффективность синтеза.
В том же Исследовательском институте Скриппса группе проф. Д. Джойса удалось смоделировать процесс самовоспроизведения РНК в присутствия только «строительного материала» (в предыдущей работе требовалось присутствие особого фермента, который «запускал» самовоспроизведение).
Модель, с которой работали исследователи, содержала две разных молекулы РНК, каждая из которых состояла из двух частей. При этом каждая из молекул являлась катализатором для формирования из составных частей другой (таким образом, процесс воспроизведения самоподдерживался). Экспериментаторы поместили в одну среду 12 различных видов пар, а также обеспечили свободный приток «строительного материала» – составных частей РНК. Большую часть времени молекулы копировали партнёров без ошибок, однако иногда возникали «мутации», то есть молекулы, не похожие на своих «родителей». В результате некоторые из новых видов оказались способны воспроизводить себя быстрее и в больших количествах, а некоторые вымерли.
Новые данные увеличивают вероятность существования жизни и на спутнике Юпитера Европе. Астрономы более чем уверены, что под коркой льда на Европе существует жидкий океан. Некоторые расчёты показывают, что из-за гравитационного воздействия Юпитера толщина ледяного покрова может оказаться заметно меньше, чем принято думать. Более тонкий лёд значительно увеличивает шансы на выживание гипотетических живых организмов Европы.
Как видим, зарождение жизни столь же естественно и неизбежно при наличии соответствующих условий, как, например, кристаллизация. Пока что на основании изложенного можно отметить в качестве необходимого условия зарождения жизни наличие возможности перемещения исходных «кирпичиков». Это условие может быть выполнено в жидкой или газообразной фазе. Таким образом, относительно «жизни на Марсе» вопрос остаётся открытым, но там, где есть жидкая вода, по современным воззрениям, жизнь возможна.
Поэтому, по-видимому, нет особого смысла считать признаком живого его состав, например, наличие белков или нуклеиновых кислот, считать основой жизни углерод и тому подобное. В конце концов, не кирпичи или брёвна являются жилищем, а их взаимодействие, обеспечивающее функцию защиты жильца от неблагоприятных погодных условий, а ведь, образно говоря, белки – это кирпичи, а нуклеиновые кислоты – чертежи клетки.
На Земле наиболее подходящими структурными элементами оказались углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера (жизнь типа CHNOPS). При других условиях на их месте могут оказаться, к примеру, кремний вместо углерода, водород, фосфор вместо азота, сера вместо кислорода, мышьяк вместо фосфора и селен (или кислород) вместо серы (жизнь типа SiHPSAsSe) или сочетания этих пар. GFAJ-1 даёт для такого вывода достаточно оснований. Возможны и совсем экзотические варианты (с непременным участием водорода, но уж его-то в космосе достаточно). Вот только вряд ли соединения на основе SiHPSAsSe и им подобные можно называть белками. Поэтому и определение понятия «жизнь» следует искать в функциональном отличии одного из естественных процессов от всех остальных, столь же естественных процессов, происходящих на остывающей поверхности планет.
Скорее следует вкладывать в это понятие способность наследования структуры путём передачи алгоритмов её построения, а не самих образцов структуры. Это способ нецелесообразен для кристаллов, но становится целесообразным для сложных гетерогенных структур, функции которых существенно зависят от порядка чередования их составляющих. Как видим, жизнь в таком смысле гораздо более распространена, чем пресловутая «форма существования белковых тел».