Так когда же это все началось?

Долгое время считалось, что это потребовало большого времени. Но затем, один за другим, стали появляться свидетельства противного. В западной Австралии были обнаружены окаменевшие «микробные коврики» возрастом 3.45 млрд лет (эти «коврики» представляют собой колонии архей или бактерий, образующиеся в присутствии влаги в зазорах между слоями разных минералов). А затем в западной Гренландии были найдены следы углерода биологического происхождения возрастом 3.7 млрд лет.

И вот теперь этот знаменательный рубеж отодвинут еще дальше в прошлое. Ученые из Калифорнийского университета (Марк Гаррисон и другие) утверждают в своей статье, опубликованной в октябре 2015 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, что нашли свидетельства существования жизни на Земле уже 4.1 млрд лет назад, т.е. сразу же по окончании Поздней бомбардировки. Более того, они считают, что она могла возникнуть даже раньше, и «если Поздняя бомбардировка ее и убивала, то она почти сразу возникала снова», по словам одного из соавторов статьи, профессора Бёнке.

Американские исследователи собрали и изучили свыше 10 тысяч образцов т.н. циркона из различных мест все той же западной Австралии. Циркон (а точнее циркониевый силикат, ZiSiO4) – это минерал, образующийся при остывании расплавленной магмы и застывающий в виде небольших тетрагональных кристаллов. При застывании он захватывает в себя уран и торий, и по количеству распавшихся атомов этих радиоактивных элементов можно судить о возрасте того или иного кристаллика. Кроме того, в цирконах зачастую находят вкрапления древнего графита или других форм углерода, и это позволяет уловить изменения древнего климата. Незаменимы цирконы и для искателей первых следов жизни, потому что углерод, застывший в них, имеет то или иное содержание изотопов С13 и С12, а известно, что живым клеткам легче усваивать первый, ежели второй. Поэтому, сравнивая соотношение этих двух изотопов в цирконе с их естественным соотношением в неживой природе, можно судить, имеет его углерод биологическое или абиологическое происхождение.

Вот и сейчас циркон оправдал возложенные на него надежды. В Австралии много мест, где выходят наружу древнейшие магматические породы, и из 656 образцов циркона, собранных в таких местах и содержавших темные включения, 79 оказались достаточно древними, чтобы оправдать дополнительные, тончайшие исследования на предмет поиска в них графита. И в одном из 79 он оказался, причем, судя по соотношению изотопов углерода, биологического происхождения. Возраст же этого образца, определенный ураново-ториевым методом, оказался 4.1 млрд лет! У ученых нет сомнений в том, что углерод этот не занесен в образец извне, уже после образования данного циркона, потому что кристаллик его не имеет никаких трещин или других нарушений. Нет у них сомнений и в биологичности данного углеродного включения – все другие его приметы совпадают с соответствующими приметами множества других таких же включений более позднего времени, где биологичность очевидна и бесспорна. Сомнения у авторов в другом - а не является ли это включение более древним, чем сам циркон, который его содержит? Ведь если этот углерод – результат метаболизма каких-то первых живых клеток, архей или бактерий, то он должен был существовать уже до того, как попал в «циркониевую «ловушку времени».

Так, может быть, жизнь на («Ранней Холодной») Земле действительно началась много раньше, чем кончилась Поздняя бомбардировка?

Пока на этот вопрос нельзя ответить однозначно. Как нельзя однозначно ответить и на вопрос, как началась земная жизнь. Но и в отношении этого второго вопроса тоже уже есть новые ободряющие намеки. Здесь главной «заковыкой» является не бомбардировка, препятствующая зарождению жизни, а внутреннее противоречие, перегораживающее сам путь ее зарождения. Ведь для воспроизводства жизни нужны носители биологической информации – молекулы РНК и ДНК. Но образование этих молекул требует работы белков-ферментов. А такие белки могут образоваться вроде бы только по программам, заложенным в РНК или ДНК. Значит, пока нет РНК или ДНК, нет белков, а пока нет белков, нет и ДНК с РНК. Кроме того, процесс образования этих молекул, будь то РНК, ДНК или белки, требует также наличия замкнутого пространство живой клетки, иначе все молекулы, участвующие в этом процессе, рискуют никогда не встретиться. А замыкает клетку в пространстве ее жировая оболочка. Но образование жировых молекул требует наличия тех самых белков, для образования которых они нужны. Куда ни глянь – замкнутый круг.

Первый прорыв в нем сделала гипотеза «РНК-мира». Она появилась, когда было обнаружено, что некоторые архаичные формы РНК обладают способностью катализировать образование себе подобных даже без участия белков. Это навело на мысль, что такие РНК и были первыми кирпичиками жизни, с помощью которых затем возникли ДНК, а затем и белки. В 2009 году английский биохимик Сазерленд обнаружил довольно простые химические соединения, которые при определенных условиях могут соединяться, образуя два (из четырех) строительных блоков всякой РНК. Тем самым было показано, что – в принципе – РНК может не только катализировать образование себе подобных, но даже и возникать сама собой, без всякой сторонней помощи.

Критики, однако, заявили, что найденные Сазерландом вещества все еще «слишком сложны» и потому не могли сами собой возникнуть на ранней Земле. И вот в июне нынешнего года Сазерланд и его коллеги опровергли и эти возражения. Как сообщили они в журнале Nature Chemistry, им удалось создать блоки-предшественники РНК, пользуясь всего двумя простейшими вещества, двумя соединениями водорода – с цианистым азотом (HCN) и с серой (H2S). Более того, в той же работе авторы показали, что под воздействием ультрафиолетового света, эти два вещества образуют не только белки-предшественники РНК, но и блоки-предшественники белков (т.н. аминокислоты), а также молекулы простейших жиров. Что называется, «одним махом троих убивахом».

По мнению авторов, ранняя Земля была удобным полигоном для такого рода процесса, причем именно благодаря Поздней бомбардировке. HCN обильно представлен в в газовой оболочке комет, а они в ту пору дождем падали на Землю. Кроме того, энергия, выделяемая при их ударах, была достаточна для образования этого вещества на самой Земле, из ее собственных водорода, углерода и азота. Аналогично, на ранней Земле было предостаточно и своего сероводорода (H2S), и солнечного ультрафиолета, и металлосодержащих минералов, которые могли катализировать (т.е. резко ускорить) все эти реакции.

Это не значит, разумеется, что загадка возникновения жизни уже решена. Авторы отмечают, что для образования каждого вида блока предшественника нужна своя реакция исходных веществ и, соответственно, свои катализаторы, так что каждый такой блок мог складываться в ином месте, а поэтому какие-то факторы должны были способствовать их последующей встрече. Одним таким фактором могла быть вода, которая смывала все возникавшие на поверхности вещества в одну общую лужу. Может быть, первые живые клетки возникли как раз в одной такой луже? Тогда окажется пророчески прав Дарвин, говоривший, что «жизнь родилась в теплом мелком пруду».

Но так или иначе, но вполне реальный химический сценарий возникновения жизни на Земле уже налицо. И это – большой шаг к решению еще одной фундаментальной научной загадки. Этот шаг, однако, немедленно выдвигает новый вопрос – а откуда на ранней Земле взялась вода?

Считается, что воду на Землю занесли кометы и астероиды как раз во время Поздней бомбардировки, о которой говорилось выше. Но вода комет имеет несколько иной химический состав, чем вода земных океанов, а остатков древнего астероидного материала на Земле слишком мало для объяснения всей нашей воды. Что могло быть ее дополнительным источником? Возможный ответ на этот вопрос был опять же получен недавно – его дали исследования следов древних извержений в Исландии и Канаде, проведенные геохимиками Халисс и Миич из Глазго и Гонолулу. Этими следами являются стеклообразные образования в застывшей лаве, вынесенной на поверхность т.н. «шлейфами» - гигантскими столбами магмы, которые поднимаются в некоторых местах (в частности, как раз в Исландии и Канаде) к поверхности Земли почти от самого ее ядра. Захваченные в этом стекле газы дают представление о химическом составе глубочайших недр Земли, сложившихся в ее ранние времена. Ученые нашли в этих «ловушках времени» тяжелый водород, дейтерий, который тоже способен соединяться с кислородом, образуя т.н. «тяжелую воду». Дейтерий более энергично соединяется с кислородом при понижении температуры, поэтому большое содержание дейтерия говорит о том, что вода образовалась в более холодных (дальних) регионах Солнечной системы, тогда как пониженная концентрация дейтерия в воде говорит о ее образовании в более теплых (внутренних) регионах.

Изучив содержание дейтерия, вынесенного «шлейфами» из недр Земли, исследовательницы нашли, что оно на целых 22% меньше, чем его содержание в воде нынешних земных океанов. По их мнению, это означает, что первая вода пришла на Землю внутри тех космических пылинок, что составляли более «теплые», то есть более близкие к Солнцу, слои первичного газопылевого облака, из которого формировалась ранняя Земля. Позднее эта вода ушла в земные глубины, и это значит, что земная мантия, лежащая под корой Земли, стала богата первичной водой. Движение континентов, то и дело выносящее содержимое мантии на земную поверхность, должно было выносить с собой и эту воду, и она могла послужить той жидкой средой, в которой зародилась жизнь. Позднее кометно-астероидная бомбардировка, вызванная движение планет-гигантов, занесла на Землю ту воду, которая составила наши первичные океаны. А поскольку эти кометы и астероиды образовались в дальних (холодных) регионах Солнечной системы, содержание дейтерия в них (и, соответственно, в первичных океанах Земли) было выше, чем в воде мантии.

Кажется, мы и впрямь приближаемся к пониманию того, когда это все началось.

Рафаил Нудельман
"Окна", 4.02.2016