Акт творения: жизнь на Земле появилась благодаря супервспышкам молодого Солнца?

Аминокислоты (строительные блоки белков) могли появиться на древнейшей Земле благодаря солнечным вспышкам. Такой вывод сделала научная группа под руководством Владимира Айрапетяна из Центра космических полетов имени Годдарда (НАСА). Проведенные эксперименты позволяют по-новому взглянуть на загадку происхождения жизни.

Собрать жизнь по частям

Из чего состояли первые живые существа – трудный вопрос. Многие специалисты считают, что в основном из РНК. Дело в том, что размножающийся организм должен хранить наследственную информацию – чертеж по воспроизведению потомков. Но также он должен и управлять химическими реакциями, чтобы получать вещество и энергию для производства этих самых потомков. РНК – единственная молекула в клетке, умеющая и то и другое.

Тем не менее на каком-то этапе жизнь изобрела белки. Это куда более совершенные химические регуляторы, чем РНК, и, кроме того, удобный строительный материал для клеток. Изобретение оказалось настолько удачным, что ни один современный организм просто шагу не может ступить без белков. Недаром еще недавно с каждой философской кафедры одной огромной страны жизнь объявляли «способом существования белковых тел».

Молекула белка состоит из повторяющихся звеньев-аминокислот, как поезд из вагонов. Аминокислоты – довольно обширный класс веществ. Однако в состав белков входят только 20 из них, которые так и называются белковыми.

Аминокислоты достаточно просты, чтобы возникнуть в неживой природе. В метеоритах найдено более ста из них, в том числе как минимум восемь белковых. Несколько аминокислот, в том числе белковых, недавно были обнаружены и в грунте астероида Рюгу. Иногда во внеземном веществе встречаются и короткие аминокислотные цепочки. В 2020 году одна исследовательская группа даже заявила о первом внеземном белке, но эта статья так и не была опубликована в авторитетном журнале. Вероятно, авторы просто приняли желаемое за действительное, интерпретируя состав метеорита.

Откуда на древней Земле взялись аминокислоты, которые позаимствовала жизнь? Возможно, что как раз из метеоритов, благо в молодой Солнечной системе хватало «строительного мусора». Однако вопрос, откуда аминокислоты взялись в метеоритах, едва ли проще. Наверняка мы знаем только то, что они там есть. И раз уж нам нужно объяснить происхождение аминокислот, лучше начать с Земли. Огромная теплая планета, богатая разными минералами, наверняка была благоприятнее для химических реакций, чем какой-нибудь завалящий астероид.

Рухнувшие надежды

 В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри поставили, наверное, самый знаменитый эксперимент во всех исследованиях происхождения жизни. Они заполнили колбу смесью водяного пара, метана, аммиака и водорода. Эта смесь имитировала древнейшую атмосферу Земли, какой ее тогда представляли. Химики пропускали через газы электрические искры, имитирующие молнии. В результате в колбе возникало множество разнообразных органических веществ, в том числе несколько белковых аминокислот.

Это был триумф. Из простейших неорганических газов с помощью заурядных искр получились «кирпичики» белков! Скоро появились и другие многообещающие эксперименты, имитировавшие не молнии, а вулканическое тепло и солнечный ультрафиолет. Напомним, что до появления фотосинтеза на Земле практически не было свободного кислорода, а значит, и озонового слоя. Поэтому ультрафиолетовые лучи беспрепятственно достигали поверхности планеты.

Последний сценарий выглядел особенно заманчиво. Конечно, молния или вулканическая лава вмиг поджарят что угодно, не в пример солнышку. Вот только извержения или даже грозы еще надо дождаться, а солнце исправно встает каждый день. Так что по среднему потоку энергии на квадратный метр земной поверхности солнечный ультрафиолет далеко обставлял и молнии, и вулканы.

Все было прекрасно, пока под давлением многих фактов ученым не пришлось в корне пересмотреть свои представления о первичной атмосфере. Сегодня считается, что она в основном состояла из углекислого газа, как на современном Марсе и Венере. Вторым по распространенности газом был азот. Метана было очень мало (вероятно, менее 5%), аммиака еще меньше.

Это совершенно меняло дело. Для аминокислот нужны атомы азота, а где их взять? Место неустойчивых, готовых к реакциям молекул аммиака NH₃ заняли чрезвычайно прочные молекулы азота N₂. Источником углерода (а он основа любой органической молекулы) теперь был не активный метан, а куда более неуступчивый углекислый газ. Ни электрические разряды, ни ультрафиолет не производили в такой смеси интересных соединений. У них просто не хватало энергии, чтобы разорвать прочные молекулы. «Пребиологам» как будто заменили полный стол пирожных на гору зерна. Прежде чем пообедать, изволь-ка смели да выпеки!

 Правда, с синтезом органики справлялась самая коротковолновая часть ультрафиолета, уже без пяти минут рентгеновская. Но эта составляющая солнечных лучей без всякого озона поглощается на высоте более 90 км – как сегодня, так и на древней Земле. Образовавшаяся там органика разбавлялась тогдашним «воздухом» и даже если и опускалась в итоге на поверхность, то уже в ничтожных концентрациях.

Жизнь на вулкане

Эксперимент Миллера и Юри особенно впечатлил современников тем, что аминокислоты и прочая интересная органика образовывались в типичных для древней Земли условиях (как тогда считалось). Молнии, ультрафиолет и атмосферу можно было найти в любом уголке планеты. Химические предшественники жизни могли возникать повсеместно, снова и снова, бессчетное число раз, пока однажды (а может быть, даже и не однажды?) из них не развилась жизнь. Не надо быть специалистом в методологии науки, чтобы понять: сценарий куда убедительнее, если он исходит из обычного течения дел, а не требует специфических условий и невероятных совпадений. Но ученым, пересмотревшим состав атмосферы, пришлось признать, что для возникновения жизни подходили лишь избранные уголки.

 Одна из распространенных теорий гласит, что это были подводные горячие источники вроде современных «черных курильщиков». Здесь при температуре 50–150 °С, высоком давлении и в присутствии местных минералов возможны очень интересные химические реакции. Кому доводилось окунаться в геотермальные воды, знает, что они часто отдают тухлыми яйцами. Это потому, что они насыщены сероводородом. Соединяясь с азотом, этот газ образует вожделенный аммиак. В дальнейшей цепочке реакций – вуаля – синтезируются аминокислоты.

Еще одна гипотетическая колыбель жизни – это вулканические грязевые котлы, но не всякие, а богатые цинком. Ископаемые следы таких котлов были обнаружены в 2017 году. Это уже не подводные, а наземные объекты, и в каком-то смысле это проблема. Во времена зарождения жизни океан покрывал более 99% поверхности планеты. Что угодно наземное и сухопутное было редкостью. Зато у «цинковых котлов» еще более многообещающая химия, чем у «черных курильщиков». И там тоже из атмосферного азота образуется аммиак, на сей раз в реакции с водой и сульфидом цинка. А от аммиака, как мы помним, рукой подать до аминокислот.

Еще в одной гипотезе первую скрипку играет метан – один из основных вулканических газов. В атмосфере в целом его было, как мы помним, маловато, зато вблизи изливающейся лавы вполне достаточно. Солнечный ультрафиолет соединял метан с атмосферным азотом в синильную кислоту HCN. Это всем известный смертельный яд, но лишь потому, что он мешает дышать кислородом. Некоторые анаэробные бактерии с удовольствием питаются этой «отравой». Синильная кислота могла снабжать азотом зарождавшуюся жизнь, знать не знавшую ни о каком кислородном дыхании.

Дебаты между сторонниками разных теорий вряд ли скоро закончатся. Тем временем новое исследование предлагает отвернуться от заманчивых, но редких вулканических «реторт» и вернуться в негостеприимные объятия первичной атмосферы. Группа Айрапетяна нашла источник энергии, способный продуцировать аминокислоты без экзотических вулканических добавок. И это заряженные частицы, извергаемые Солнцем.

Когда Солнце было молодо

Наша звезда буквально истекает плазмой в окружающий космос. В основном это солнечный ветер – непрерывный поток протонов и электронов, летящих со скоростью в сотни километров в секунду. Случаются также выбросы корональной массы. Эти облака плазмы плотнее фонового солнечного ветра и движутся быстрее. Достигая Земли, они вызывают магнитные бури и полярные сияния. Корональным выбросам, как и обычному солнечному ветру, на такой круиз требуется несколько суток.

Куда быстрее летят частицы, которые в отечественной литературе называются солнечными космическими лучами (СКЛ), а в англоязычной – солнечными энергичными частицами (solar energetic particles).  Пролетая десятки тысяч километров в секунду, они достигают Земли за считанные часы или даже минуты. Выбросы СКЛ – одно из проявлений солнечной активности, и обычно они приурочены к вспышкам. Иногда (примерно раз в год) эти события бывают такими сильными, что реактивным самолетам приходится летать пониже, чтобы не подвергнуть экипаж и пассажиров вредному облучению.

Солнечные космические лучи никогда раньше не рассматривались как источник энергии для синтеза пребиотической («преджизненной) органики. И это понятно: мощные выбросы СКЛ – слишком редкое явление. Во всяком случае, сегодня. А как было миллиарды лет назад, во времена зарождения жизни?

Сопоставив теоретические модели с наблюдениями за молодыми звездами, астрономы пришли к интересному выводу. Когда Солнцу было всего 100 миллионов лет, «супервспышки» с мощными выбросами солнечных космических лучей происходили… каждые несколько дней. Сотни миллионов лет спустя, во времена зарождения жизни, они все еще случались гораздо чаще, чем сейчас.

Вдохновившись этими результатами, Айрапетян и соавторы провели эксперименты над смесью, имитирующей древнейшую атмосферу. Они облучали протонами (основным компонентом СКЛ) смесь углекислого газа, водяного пара и азота с варьируемой добавкой метана. Для сравнения исследователи проделывали то же самое, заменив протоны на старый добрый ультрафиолет и электрические разряды.

Оказалось, что протонное облучение создавало аминокислоты даже при концентрации метана всего 0,5%. Протонам хватало энергии, чтобы разрывать прочные молекулы азота N₂ и вынудить их реагировать с метаном. Карбоновые кислоты (предшественники аминокислот, не содержащие азота) образовались даже при полном отсутствии метана. А вот синтез аминокислот путем электрических разрядов требовал нереальной для древней Земли концентрации метана: не менее 15%. Ультрафиолет же не справлялся даже при фантастическом содержании метана в 50%. Ультрафиолетовым квантам не хватало энергии, чтобы разорвать молекулу азота, а аммиака в смеси не было.

Остаток на дне колбы

Означают ли результаты Айрапетяна и его команды, что грязевые котлы, «черные курильщики» и другие экзотические места больше не актуальны как потенциальная колыбель жизни? Разумеется, нет. В пользу разного рода «вулканических» гипотез по-прежнему есть масса аргументов, и прежде всего – химический состав клеток. Например, в морской воде натрия гораздо больше, чем калия (соленый вкус ей придает обычная поваренная соль NaCl), а в клетках – наоборот. Далее, цитоплазма живой клетки подозрительно богата медью, марганцем и особенно цинком. Цинка в цитоплазме в миллион раз больше, чем в морской воде! А в состав многих ферментов входят наночастицы минералов, богатых железом и серой. Никакие солнечные протоны, разумеется, не помогут объяснить все эти странности. Зато они неплохо объясняются, исходя из состава «цинковых котлов» или «черных курильщиков».

Но если древняя Земля действительно изобиловала аминокислотами благодаря солнечным вспышкам, это хорошая новость. Где бы ни зародилась жизнь, она могла использовать этот ресурс, чтобы изобрести белки и приобрести свой нынешний облик.