Еще в середине ХХ века считалось, что в космосе образуются лишь самые простые молекулы — вода, метан, аммиак, углекислый газ, — и только в условиях молодой Земли они образовали первые аминокислоты и другие органические соединения посложнее. Частично это подтвердили классические эксперименты Миллера — Юри, в которых смесь исходных веществ подвергалась действию таких условий (ультрафиолет, электрические разряды, нагрев) и действительно стала превращаться в коктейль, полный «строительных блоков жизни». Однако с тех пор астрофизики нашли в космосе немало даже более сложных молекул, чем полученные тогда «в пробирке».
Отсюда возникает вопрос об их происхождении и первом появлении на свет. Этой проблеме посвящена работа Стюарта Кауффмана (Stuart Kauffman) из Института системной биологии в Сиэтле и его коллег из Венгрии, результаты которой представлены в онлайн-библиотеке препринтов arXiv.org. Вместо лабораторных экспериментов авторы моделировали взаимодействия на компьютере и попытались показать, как в ранней Вселенной могли образоваться те органические соединения, которые обнаруживаются в космосе сегодня.
С учетом разнообразия участвующих атомов, возможных взаимодействий и связей между ними провести такие расчеты напрямую пока что невозможно. Поэтому авторы упростили модель, сведя ее к массе молекул, которые могли формироваться в условиях ранней Вселенной. И начали они с Земли — химически наиболее богатого из известных нам объектов.
В крупнейшей открытой базе данных PubChem содержится информация более чем о 90 миллионах различных молекул, подавляющее большинство которых обнаруживается в природе. Проанализировав ее, ученые обнаружили, что их распределение по величине имеет пик на уровне около 290 Да, что эквивалентно массе примерно 24 атомов углерода, и длинный «хвост» в сторону высокомолекулярных соединений массой в тысячи Дальтон. Это дало авторам «стоп-кадр» химии нашего времени.
Эту картину они сравнили с аналогичным распределением для веществ, обнаруженных в составе знаменитого Мерчисонского метеорита, найденного в Австралии в 1969 году. На этом примечательном небесном теле обнаружили целый химический зоопарк в десятки тысяч разных соединений, а Кауффман с коллегами показал, что (если не учитывать наиболее простые и легкие молекулы) их распределение по массе демонстрирует пик около 240 Да — и также длинный «хвост». Астероид Мерчисон сформировался не менее 5 миллиардов лет назад, в молодой Солнечной системе, так что его состав дал ученым «стоп-кадр» той эпохи.
Идея их состояла в том, чтобы, ориентируясь на эти условные точки, оценить темпы увеличения размеров и сложности молекул во Вселенной. Расчеты показали, что основной пик возникает и сдвигается в сторону утяжеления постепенно, в ходе случайных столкновений и реакций все более сложных соединений. Длинный «хвост» образоваться таким путем не успел бы, и его появление авторы связывают с «механизмом предпочтительного соединения» — как при взаимодействии аминокислот и коротких цепочек аминокислот друг с другом в образовании белковых молекул.
Проявлением двух механизмов и являются две особенности распределения: большой пик, который возникает уже на ранних этапах химической эволюции Вселенной, и длинный «хвост» крупных молекул, появляющийся значительно позднее. Экстраполируя эти процессы в прошлое, ученые заключают, что первые аминокислоты должны были появиться уже 168 миллионов лет спустя после Большого взрыва. Практически мгновенно — и намного раньше, чем можно было предположить.
Это весьма смелый вывод, который, конечно, нуждается в более внимательном изучении и подтверждении. Однако он может объяснить главную загвоздку экспериментов Миллера — Юри: со времени первых опытов в середине ХХ века ученые не раз пытались «продлить» их, усовершенствовав постановку опыта, чтобы получить в пробирке что-нибудь более сложное, нежели смесь аминокислот и других «кирпичиков жизни» — то, что называется автокаталитической химической сетью, в которой происходят разнообразные и все более сложные реакции. До сих пор этого не удавалось — возможно, потому, что даже у Вселенной это потребовало многие миллиарды лет, начиная с той поры, когда ни Земли, ни Солнца еще не было.
Наука
Роман Фишман
