Преджизнь на конвейере

Ирина Николаевна Яковлева Владимир Н. Яковлев

По следам минувшего

 

 

Ирина Яковлева

Владимир Яковлев

ПО СЛЕДАМ МИНУВШЕГО

 

«…Палеонтология – наука, погруженная, казалось бы, в недра планеты, – служит окном в космос, через которое мы научимся видеть закономерности истории жизни и появления мыслящих существ».

И. А. Ефремов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава I

НАЧАЛО НАЧАЛ

 

 

 

 

 

На заре жизни

 

Биография жизни – это биография Земли, а всякую биографию обычно начинают с родителей.

К сожалению, это не так просто. Подробности рождения Земли до сих пор не ясны даже для специалистов. Большинство современных астрономов, пожалуй, согласны с тем, что родителями Земли были Солнце и облако.

Автор этой гипотезы, Отто Юльевич Шмидт, полагал, что много миллиардов лет назад Солнце прошло сквозь межзвездное облако пыли и газов. Пылевые частицы, захваченные светилом, начали вокруг него вращаться. Они сталкивались, слипались, вырастали, как снежный ком. Из них возникли планеты.

Однако вероятность такой встречи представляется очень малой, и сейчас принято считать, что протопланетное облако отделилось от молодого Солнца, когда оно сжималось и раскручивалось все быстрей и быстрей.

Другие ученые связывают рождение Земли с космической катастрофой. например, со взрывом звезды – спутника Солнца, как это предположил советский астроном С. К. Всехсвятский.

Споры о том, как родилась Земля и была ли она от рождения горячей или холодной, продолжаются и сейчас. Поэтому начнем рассказ с того, что сегодня кажется бесспорным, а именно с возраста нашей планеты.

 

ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

 

Земля родилась 4 миллиарда 500 миллионов лет назад. Определить ее возраст помогли две великие победы нашего века: открытие атомной энергии и полеты в космос.

В прошлом веке английский физик Томсон попробовал решить простую задачу. Если масса Земли известна и если вначале она была раскалена до температуры поверхности Солнца (температура эта тоже известна), то сколько времени потребуется, чтобы наша планета остыла до современного состояния? В ответе получилось 100 миллионов лет. Томсон был великим физиком. За свои открытия он даже получил титул лорда Кельвина. Ведь это он открыл первую элементарную частицу – электрон, и он же предложил абсолютную шкалу температур, которую и сейчас называют «шкала Кельвина». И все‑таки лорд Кельвин задачу о возрасте Земли решил на двойку. Он ошибся в сорок пять раз. О своей ошибке он узнал много лет спустя, когда майским утром 1904 года пришел послушать доклад своего любимого ученика Резерфорда.

– Пока в недрах Земли есть уран, торий, – говорил Резерфорд, – она не только не остывает, но и разогревается. И не остынет, пока хватит «дров» в атомной кочегарке.

Расчеты Кельвина предсказывали скорое умирание жизни на Земле в объятиях вечного ледника. Теперь этого можно было не бояться. И один из сидящих в зале журналистов тут же записал в блокноте название будущей своей статьи: «Конец света откладывается».

Резерфорд говорил, что радиоактивные элементы помогли найти ошибку Кельвина. Они же помогут ее исправить. Скорость их превращений постоянна. Ни чудовищные давления, ни температура земных недр не в силах ее изменить. Ровно через 4,5 миллиарда лет половина всего количества первоначального урана превращается в свинец. Поэтому, определив соотношение свинца и урана в куске руды, мы точно определим ее возраст. «Вот этот кусочек урановой смолки, – Резерфорд поднял руку, – образовался 700 миллионов лет назад. Уран – не исключение. Периоды полураспада определены для всех радиоактивных элементов. Следовательно, в момент рождения Земли заработали десятки атомных часов, которые год за годом отсчитывают и сейчас ее время».

Лекция кончилась под гром аплодисментов. И пожалуй, горячее всех аплодировал Резерфорду его старый учитель.

Теперь дело было за геологами. Именно им предстояло найти свидетелей «начала начал» – горные породы и минералы, образовавшиеся при самом рождении Земли. Но отыскать этих свидетелей оказалось совсем не просто. Ведь Земля сплошь покрыта многокилометровой броней «молодых» осадков рек и морей, толщами лав, пластами гранитов, которые образовались много позже ее рождения.

Руда из Африки, которую показал на лекции Резерфорд, недолго оставалась самой древней. На Кольском полуострове, где на поверхность выходит древний кристаллический щит Земли, нашли породы полуторамиллиардной давности «рождения». Затем на первое место снова вышла Африка – три миллиарда лет. Совсем недавно, всего несколько лет назад, в Антарктиде нашли самый древний на Земле минерал – чарнокит. Его возраст – четыре миллиарда лет.

Значит, Земля никак не моложе четырех миллиардов лет. Но может быть, она гораздо старше? Что если завтра найдутся образцы пяти‑, а послезавтра и десятимиллиарднолетней давности?

Геологи думали примерно так: наш космический дом – Земля – построен давно. Не раз и не два он был «облицован» и «оштукатурен» слоями молодых пород, и теперь трудно решить, берем ли мы пробу камня древнего фундамента или материалы последующих перестроек. Вот если бы удалось изучить строительный мусор, что остался от первых дней планетной новостройки, тогда ошибка была бы исключена. Ведь дом не может быть древнее камней, из которых он построен.

По единодушному мнению астрономов, таких отходов осталось много. Это те самые небесные камни, метеоры и метеориты, что чертят огненные линии в ночном небе. Они образовались вместе с другими телами Солнечной системы, но никогда не плавились в раскаленных недрах и не погребались под толщей осадков, как породы больших планет.

Возраст же всех метеоритов оказался одинаковым – 4,6 миллиарда лет. Получилась, как говорят артиллеристы, вилка: 4–4,6 миллиарда лет. Где‑то между этими цифрами – точная дата рождения Земли.

Тем временем пришла весть, что на Алдане, в Сибири, нашлись породы древностью 4,5 миллиарда лет. Что это? Прямое попадание или случайная ошибка? На этот раз геологи, казалось, изменили своей сугубо земной профессии и, как древние жрецы, ждали ответа с неба. Американские «Аполлоны» и наши роботы‑разведчики «Луна‑16» и «Луна‑20» наперебой задавали прекрасной богине ночи нескромный вопрос: «А сколько вам лет?»

От ответа зависело многое. Ученые были уверены, что Луна расскажет о тайнах рождения планет гораздо лучше, чем метеориты и Земля. Ровесница и родная сестра нашей планеты, но слишком миниатюрная и слабая, чтобы повторить бурную жизнь Земли, она обречена хранить облик космического детства Солнечной системы.

Но были приверженцы другой, красивой и дерзкой гипотезы, утверждающей, что Луна не сестра, а юная дочь Земли. Не на заре вечности, а совсем недавно, около 70 миллионов лет назад, она покинула материнское лоно, унося в космос загадку гибели динозавров. А в том месте, где она оторвалась от Земли, навеки остался след – впадина Тихого океана.

Особенно понравилась эта идея палеонтологам. Вдруг удастся продолжить исследования уже в космосе! Поработать там, куда не проникали разрушительные силы: воздух, вода и огонь. Ветер Космоса наполнил паруса старой науки. Незабываемое время! Темные лаборатории нашего Палеонтологического института словно озарились нездешним светом… Сотрудники жадно читали рукопись статьи Ивана Антоновича Ефремова «Космос и палеонтология». Известный палеонтолог, знаменитый писатель‑фантаст, он – быть может, один из немногих, кому по росту титул «мыслителя», – в работе о космических путях эволюции еще раз напоминал о загадке рождения Луны. Да что Ефремов, давно сроднившийся с космосом в своих романах! О высохших мумиях, нетленных мощах мезозойских ящеров, которые, возможно, ждут нас в лунных пещерах, вдруг увлеченно заговорил его ученик, Анатолий Константинович Рождественский, автор книги «На поиски динозавров в Гоби», всегда строгий и сдержанный поклонник научных фактов.

Мечты на этот раз, увы, не сбылись…

Возможно, что гипотезе «молодой Луны» симпатизировал и американский геолог Шмидт, участник одной из лунных экспедиций «Аполлона». Во всяком случае, кадры кинохроники запечатлели его радостные космические прыжки вокруг осыпи красно‑бурых камней, так непохожих на унылый покров лунных равнин. Но порода только казалась молодой. Все образцы из девяти районов Луны, изученные у нас и в Америке, показали возраст от 4 до 4,5 миллиардов лет.

Гипотеза «молодой Луны» рухнула. Зато стал точно известен возраст Земли и, по‑видимому, всех планет Солнечной системы – 4,5 миллиарда лет. Только учебники, как всегда, не поспевают за последним словом науки и продолжают говорить о 5–7 миллиардах лет.

Так был получен ответ на первый из трех вопросов, заданных четыре тысячи лет назад безвестным мудрецом Древней Индии. «Где начало начал? – спросил он и продолжал: – Кто видел первое живое существо? Когда лишенная костей родила первого, обладающего костями?» Эти вопросы поставлены в «Ригведе», древнейшей книге Индии, среди наивных гимнов наивным богам. Что это? Темное бормотание оракула, в котором каждый угадывает нужный ему смысл, или дошедший до нас отблеск мысли Эйнштейна бронзового века? Неважно. Большая Наука начинается именно с умения правильно задавать вопросы. Наука нашего века поставила и решает вместе с тысячами других и три вопроса «Ригведы»: происхождение Земли, жизни и скелетных организмов.

Теперь, когда мы рассказали, как решается первый вопрос, перейдем к двум следующим.

 

КОЛБЫ И КОСМОС

 

У биологов прошлого века не было нашей техники, но не было и наших проблем. Не было и проблемы происхождения жизни – биогенеза. Все казалось ясным: либо творение, либо самозарождение. Творение находилось за пределами науки, а самозарождение было очевидным. Уже давно отвергнуты средневековые сказки о самозарождении мух и мышей, но гнилая вода на глазах ученых продолжала исправно рождать бактерий – примитивных, но живых белковых организмов. А «Происхождение видов» Дарвина объясняло все остальное.

Простоте настал конец столетие назад, когда Луи Пастер прокипятил эту животворную воду в стеклянной колбе и даже не запаял, а просто загнул вниз тонкое капиллярное горлышко. Оставался питательный раствор. Оставался чистый атмосферный воздух. Только невидимые споры бактерий не могли попасть в колбу по извилистому стеклянному пути. И вода в сосуде навсегда осталась безжизненной!

Значит, всякая жизнь происходит только от жизни, всякая клетка только от клетки. Так была убита наповал теория самозарождения, а вместе с ней и наивная вера в безграничную простоту Вселенной!

Что же теперь делать? Вернуться от Дарвина к библии? Сложность проблемы прекрасно понимал Фридрих Энгельс. Во‑первых, на молодой Земле были совсем не те условия, что сейчас. Значит, нужно определить и смоделировать хотя бы самые важные из них.

Во‑вторых, в распоряжении природы была почти безграничная лаборатория, весь земной шар, и почти безграничное время для опытов. Природа никогда не сможет сделать за сутки в склянке воды то, на что ей потребовались океаны и тысячелетия. Ускорить естественный процесс может только человек, если он хорошо знает законы, по которым этот процесс протекает. Впереди открывался долгий и сложный путь изучения биогенеза.

Но многим химикам и биологам все представлялось гораздо проще. Все живое состоит из белка. Белок состоит из 20 «кирпичиков» – аминокислот. Все они уже известны. Достаточно правильно соединить эти «кирпичики», и лабораторный белок закопошится, оживет. Но шли годы, а искусственные наборы аминокислот не спешили оживать. Они не закопошились и до сих пор.

Скандинавский ученый Сванте Аррениус предложил разрубить гордиев узел. Если материя вечна, то вечна и жизнь, предположил он. Живое вещество в виде мельчайших спор‑зародышей существует с начала времен, оно вечно летит сквозь просторы Вселенной, подгоняемое давлением световых волн. Когда‑то они встретились с молодой Землей, как встречались до этого и будут вечно встречаться с мириадами молодых планет. И везде начинался закономерный и неизбежный процесс эволюции.

Космос Аррениуса, сияющий и плодоносный, пришел к нам в детстве со страниц «Аэлиты» и сразу заставил смотреть в небо с восторгом и ожиданием. Алексей Толстой знал и любил эту гипотезу, смело утверждавшую кровное братство жизни и разума бесчисленных миров Вселенной. «Во Вселенной носится пыль жизни. Одни и те же споры оседают на Марс и на Землю, на все мириады остывающих звезд. Повсюду возникает жизнь, и над жизнью всюду царствует человекоподобный…» – говорит инженер

Лось красноармейцу Гусеву, объясняя ему свое стремление лететь к Марсу.

Но сейчас, много лет спустя, нам вспоминается не Толстой, а другое имя. Многочисленным наукам, изучающим Вселенную, гений Владимира Ивановича Вернадского сумел вернуть жизнь и разум, единство цели, ощущение цельности мира. Пожалуй, после его работ все естествознание стало иным. Он создал учение о биосфере – неразрывном единстве живой и неживой природы.

Гипотеза Аррениуса тоже казалась Вернадскому логичным и необходимым элементом этой цельности, и он до конца жизни не уставал собирать факты и искать пути их проверки.

Космические зародыши должны были падать на Землю с пылью и метеоритами. Но как отыскать их среди земных спор и бактерий, дождем осыпающих вершины Гималаев и снега Антарктиды?

В науке есть выражение «чистый эксперимент». Это опыт, в котором случайные ошибки и погрешности исключены. Чистый опыт по проверке гипотезы Аррениуса можно было поставить только в космосе. И Вернадский мечтал о Луне, миллиарды лет собиравшей пыль Вселенной. Он не дожил до эпохи «Лунников» и «Аполлонов». Свидетелем решающего опыта стало наше поколение.

Результат известен. Зоркие глаза электронных сканирующих микроскопов не обнаружили «пришельцев из космоса», хотя при попытках расконсервировать и вырастить микроорганизмы внеземного происхождения использовались самые, казалось бы, заманчивые для них среды и питательные смеси.

Начало жизни следовало искать только на Земле. Но гипотеза «обитаемого космоса», представление о единстве жизни далеких миров получила другую, более надежную опору. В метеоритах не оказалось живых зародышей, зато обнаружилось огромное количество сложных органических соединений. Судя по всему, это не остатки былой жизни, а ее предвестники. Своего рода полуфабрикаты, биологический «конструктор». Были бы только подходящие условия для сборки.

 

ПРЕДЖИЗНЬ НА КОНВЕЙЕРЕ

 

Один из интереснейших опытов поставил американский физик Миллер. Была создана искусственная атмосфера Земли тех далеких времен. Состав ее к моменту опыта был уже известен: метан, аммиак, водяной пар. Начали пропускать через нее электрические разряды – лабораторное подобие гроз, потрясавших юную Землю. И что же? Глазам ученых предстали комочки жизни – аминокислоты, составные части белка.

Но когда‑то давно колбой Миллера был весь земной шар.

Юная Земля во власти могучих стихий. Земля, воздух, вода и огонь сошлись в битве титанов. Грохотали могучие вулканы, вздымая высоко в небо огненные столбы. Колыхались потоки раскаленных лав. Шипела и пенилась вода. Огромные клубы пара окутывали Землю, остывали и проливались стеной дождей. Сверкали невиданные ослепительные молнии. Гремели оглушительные раскаты грома. А ветер рвал и скручивал облачные громады, гнал вихри раскаленного пепла и швырял в воду огненные шары вулканических бомб. И совсем как в опыте Миллера, в водах океанов появились и начали накапливаться те самые «кирпичики» жизни, о которых мы только что говорили. Концентрация их росла, и в конце концов вода стала бульоном из белкоподобных веществ – пептидов и нуклеиновых кислот.

Кирпичики сталкивались между собой, образовывали непрочные скопления и распадались. Но однажды солнечный луч высветил странное скопление этих кирпичиков, которое почему‑то не распалось. Система оказалась прочной. Элементы ее цепко соединились друг с другом. Мало того, вокруг этого скопления начали образовываться другие, очень похожие скопления. Они еще не могли двигаться сами, и океан распоряжался ими, как хотел: то уносил в глубины, то выбрасывал в кипящую лаву, и они спекались в черную угольную пленку. Эти скопления, эти студенистые капельки, известный советский ученый, академик Опарин, назвал коацерватами.

Итак, на молодой Земле в изобилии были аминокислоты. Часть их попадала на Землю из космоса при ее рождении. Другая – образовалась из первичной атмосферы. Но как природе удалось собрать эти кирпичики в сложные молекулы белка? Сейчас выяснилось, что для этого нужно по крайней мере два условия. Во‑первых, энергия для сборки. Во‑вторых – сборочный конвейер, который облегчил бы соединение молекул в определенном порядке.

Энергии хватало во всех ее видах: тепло лав, электричество гроз и могучий катализатор химических реакций – ультрафиолетовые лучи Солнца.

Сейчас на Землю сквозь экран атмосферы просачивается лишь ничтожная часть ультрафиолетового спектра. А древняя атмосфера была полностью прозрачна для этих невидимых лучей. Их доза смертельна для любого живого существа, но как раз достаточна, чтобы принудить к синтезу инертную мертвую материю.

Не было нехватки и в сборочных агрегатах. По‑видимому, на Земле работало сразу несколько конвейеров по сборке белковых полимеров: горячая поверхность лав, глина морских прибрежий и, наконец, сама поверхность пептидов, плавающих в первичном бульоне. Все три способа сборки ученые испробовали в лабораториях, и все они действовали. Особенно хорошо «работал» глинистый ил. На нем из раствора оседали упорядоченные белкоподобные полипептиды почти неограниченной длины. Причем без нагревания. Значит, первичный белок мог рождаться почти везде – в воде, в грязи и в огне. Но белок, как мы теперь знаем, это еще не жизнь.

 

ПАМЯТЬ ЖИЗНИ

 

В чем сходство и в чем различие между живой и неживой природой? Сходство очевидно: кристалл кварца, лист березы, инфузория и обезьяна – все они имеют определенную видимую форму. Различие же между ними заключено в том, что в неживой природе форма эта мало зависит от происходящих в ней процессов. Тогда как в живой природе форма без них немыслима. Значит, живой организм – есть, прежде всего, движение. Движение осмысленное и великолепное, как симфонии Бетховена. Последовательно строгое, как теоремы Лобачевского. Тысячи и тысячи сложных реакций осмысленно разгораются каждая в свое время и в своем месте, обеспечивая в ряду поколений постоянство форм и устройств живой клетки.

Попробуем понять это.

 

 

Я помню чудное мгновенье:

Передо мной явилась ты,

Как мимолетное виденье,

Как гений чистой красоты.

 

 

– Помилуйте, – удивитесь вы. – Это – пушкинские строки! И непонятно, причем здесь они.

– А почему вы думаете, что это написал Пушкин? – в свою очередь спросим мы. – Чем докажете?

– Да тут и доказывать нечего! – возмутитесь вы, – Это есть в школьной программе. Мы учили и так хорошо помним!

Вот это нам и хотелось услышать! «Учили, помним» – и потому не переставим слов в этом прекрасном четверостишье, не нарушим его ритма.

То же происходит и с клеткой. Тончайшие ее устройства «научились запоминать» и поэтому точно помнят все слова, фразы и знаки препинания в сценарии своей жизни и могут точно перепечатать этот сценарий для своих потомков.

Память жизни хранят нуклеиновые кислоты. Сценарий, по которому разворачивается великое действо клетки, записан четырехбуквенным кодом нуклеотидов на бесконечной спиральной ленте ДНК.

Если вы захотите узнать об этом подробнее, прочтите великолепную книгу Уотсона и Крика «Двойная спираль». Наверное, никто не может рассказать об открытии лучше, чем сами открыватели, если они, конечно, захотят и сумеют говорить просто и понятно. А для нас пока самое важное вот что: жизнь, какой мы ее знаем сейчас, начинается с памяти, со взаимодействия трех блоков. ДНК хранит память, РНК «читает программу» и ведет сборку белков. Белок взаимодействует со средой и, в свою очередь, участвует в сборке ДНК и РНК. Именно это единство и есть тот самый крепкий орешек, который еще не разгрызла современная наука, чтобы окончательно решить проблему биогенеза. Понятно, как собирались детали блоков. Почти понятно, как складывались сами блоки. Но все еще не очень понятно, как они сложились в существо.

Взгляды многих современных ученых удивительно напоминают теорию древнего философа Эмпедокла. Он рассказал, как в первобытном хаосе блуждали, дико сплетаясь, части людей и животных. Красными лягушками прыгали сердца, фиолетовыми змеями извивались кишки, перебирая пальцами, ползли руки, и одинокая лошадиная нога вдруг ступала копытом на трепещущий мрамор безрукого бюста. Дико взирали на этот кошмар, достойный кисти средневекового художника‑фантаста Иеронима Босха, головы будущих Венер и Горгон, которые катились со стуком сквозь чащу грив и хвостов.

Части соединялись. Вступали в союзы. Затем все противоестественные сочетания вымерли. Остались целесообразные – люди, звери, чудовища.

Вот так и в первичном океане встретились, по мнению некоторых ученых, активные комочки белка с мертвой памятью цепей ДНК. До этого была сплошная химия, преджизнь. Теперь началась жизнь, эволюция.

Но счастливые встречи на этом не кончились. Современная клетка очень сложна. В ее состав входит много сложных устройств – органелл. Возможно, и они были когда‑то самостоятельными существами, которые вступили в союз ради общей пользы.

Так появилась клетка.