Книга: Происхождение жизни. От туманности до клетки

Заключение: о случайности и закономерности в эволюции, внеземных цивилизациях и о том, зачем Земле люди

Заключение: о случайности и закономерности в эволюции, внеземных цивилизациях и о том, зачем Земле люди

Одна из загадок, будоражащих умы человечества, – это молчание космоса. Мы до сих пор не нашли никаких достоверных следов других цивилизаций. Если все процессы на пути от неживой материи до цивилизации разумных существ закономерны, то только в нашей Галактике, содержащей примерно 100 млрд звезд, должно существовать множество разумных видов. Если хоть одна цивилизация развивается до строительства межзвездных кораблей, то за небольшое по космическим меркам время – считанные миллионы лет – она может заселить всю Галактику. Но мы не встретили инопланетян и не нашли следов посещения ими Земли в прошлом.

В 1960 году шло активное обсуждение программы поиска внеземного разума (SETI). Астроном Фрэнк Дональд Дрейк предложил использовать для оценки количества внеземных цивилизаций, которые мы имеем шанс найти, уравнение, которое впоследствии было названо его именем. Уравнение Дрейка выглядит так:

где

N – количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт;

R – количество звезд, образующихся в Галактике за год;

fp – доля звезд, обладающих планетами;

n_e – среднее количество планет с подходящими для жизни условиями в планетной системе;

f_l – вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями;

f_i – вероятность развития жизни до разумных форм;

f_c – вероятность развития разумной жизни до состояния, когда она способна к контакту и ищет его;

L – время жизни цивилизации, способной к контакту.

Величина R была известна с хорошей точностью уже в 1960 году – в нашей Галактике в среднем возникает семь звезд в год. Два следующих множителя Дрейк оценил в 0,5 планетных систем на звезду и две планеты, пригодные для жизни, на систему. Остальные четыре величины оценить гораздо сложнее. Если принять, как это сделал Дрейк, вероятность возникновения жизни на подходящей планете в 1, две последние вероятности – в 0,01, а время жизни цивилизации, способной к контакту, в 10 000 лет, то можно ожидать, что сейчас в нашей Галактике есть 10 цивилизаций, способных к контакту. Исходя из этих оценок развивалась программа SETI, основанная прежде всего на анализе сигналов, принимаемых радиотелескопами.

Сейчас мы можем точнее оценить многие множители уравнения Дрейка. Тысячи открытых экзопланет подтверждают старую оценку fp = 0,5. Однако подавляющее большинство этих планет находится слишком близко к звезде, и они слишком горячи, чтобы быть обитаемыми. Поэтому современные оценки ne более пессимистичны, чем предполагали в 1960-е годы, и лежат в интервале 0,001–0,1 (см. главу 2).

Ближе к теме основной части книги относятся следующие два множителя – вероятность возникновения жизни на планете, пригодной для этого, и вероятность развития возникшей жизни до разумных форм. Вероятность возникновения жизни (fl) оценить сложно по двум причинам. Во-первых, мы знаем только об одном таком событии. По одному событию нельзя оценить его вероятность. Во-вторых, трудно определить, какие планеты считать «подходящими». Например, в современной Солнечной системе Марс и Европа подходят для жизни некоторых земных микробов, но жизнь земного типа там сейчас возникнуть не может.

Дрейк взял вероятность возникновения жизни на «подходящей» планете за единицу, т. е. имел в виду «подходящую для возникновения жизни» планету, а не «подходящую для существования». Долю планет, подходящих для существования жизни земного типа, астрономы сейчас оценивают в пределах от 0,1 до 0,001. Доля подходящих для возникновения жизни планет явно меньше, и неизвестно, насколько. Поэтому большие надежды возлагаются на исследования Марса. Это единственное кроме Земли место в Солнечной системе, где теоретически могла появиться жизнь земного типа (водно-углеродная с ДНК и белками). Если следы возникновения жизни на Марсе будут найдены, значит, в Солнечной системе две планеты подходили для возникновения жизни, а значит, и в Галактике их много. Если же Земля уникальна в Солнечной системе, то трудно оценить, насколько она уникальна в Галактике.

Современные методы поиска экзопланет могут показать, что некая планета похожа на Землю по массе, температуре и наличию воды. Но она может быть, например, полностью покрыта океаном стокилометровой глубины, а для возникновения жизни, основанной на белках и нуклеиновых кислотах, нужны пересыхающие лужи. Мы не можем определить, есть ли у экзопланеты спутники, а Луна явно внесла вклад в появление жизни на Земле.

Короче, мы можем считать, что вероятность возникновения жизни на планете, очень похожей на древнюю Землю, достаточно велика (скажем, 0,5). Но мы не знаем, насколько часто такие планеты встречаются в Галактике. Ведь важны сразу многие параметры: масса, расстояние от звезды, история с мегаимпактом, спутник, содержание воды, состав атмосферы, осевое вращение, стабильность орбиты и минимум астероидных ударов. И мы не знаем, насколько большие отклонения от земных параметров допустимы для появления жизни.

О следующем множителе уравнения – fi, вероятности развития жизни до разумных существ, у нас больше информации. Эволюция от первых форм жизни до высших животных состоит из множества шагов. Отдельные эволюционные шаги не уникальны, их можно сравнивать друг с другом и оценивать вероятность. И здесь мы сталкиваемся с серьезным недостатком уравнения Дрейка: оно не учитывает времени, необходимого на возникновение и развитие жизни. Это время, судя по примеру земной жизни, весьма велико: от первых достоверных следов жизни до появления человеческой цивилизации прошло 3,5 млрд лет – четверть возраста Вселенной! Есть основания считать, что возраст земной жизни даже больше 3,5 млрд лет и может достигать 4,2–4,3 млрд лет. Поэтому пренебрегать этим сроком нельзя даже в масштабе возраста Вселенной. Может быть, небольшие различия начальных условий на планете могут удлинить этот срок в полтора-два раза и люди просто возникли раньше других разумных видов?

Попробуем разобраться, чем определяются сроки различных этапов эволюции жизни. Напомним основные даты истории жизни на нашей планете:

• 4,3 млрд лет назад – остывание планеты после мегаимпакта. Самый ранний срок, когда жизнь теоретически могла возникнуть;

• 3,5 млрд лет назад – первые следы сложных микробных сообществ, состоящих из клеток, похожих на современные бактерии;

• 2,4 млрд лет назад – появление кислородного фотосинтеза, первое глобальное вымирание, появление эукариот;

• между 800 и 600 млн лет назад – появление многоклеточных животных.

Мы не знаем точно, когда появились первые формы жизни на нашей планете. Но можно с достаточной уверенностью судить, что они населяли только определенное местообитание – наземные геотермальные водоемы (глава 6). Лишь с возникновением мембран, не пропускающих ионы (глава 15), клетки смогли выйти за пределы геотермальной колыбели. До этого примитивная жизнь была уязвима к колебаниям климата и геологической активности родного геотермального поля. Все промежуточные стадии на этом пути (главы 9–15) были поддержаны естественным отбором, и нет никаких причин, по которым переход от РНК-мира к клеткам мог бы затянуться. Следовательно, путь от РНК-мира до клеток бактерий и архей был пройден достаточно быстро, в пределах 10–100 млн лет – любая задержка привела бы к вымиранию.

Затем эволюция жизни замедлилась. Более 1 млрд лет (промежуток от 3,5 до 2,4 млрд лет назад) никаких крупных эволюционных событий не происходило. Лишь появление кислородного фотосинтеза 2,4 млрд лет назад резко подстегнуло эволюцию. Кислородное отравление уничтожило большинство древних видов микробов, освободившиеся экологические ниши стали занимать молодые группы, такие как альфа-протеобактерии и археи Sulfolobales. Что определило задержку эволюции на этапе бескислородной микробной жизни на миллиард с лишним лет?

Как мы видели в главе 16, кислородный фотосинтез возник на основе марганец-окисляющего фотосинтеза. Следы осаждения окисленного марганца фотосинтезирующими организмами есть в морских осадках возраста 2,4 млрд лет. Другие известные варианты бескислородного фотосинтеза используют более распространенные и легче окисляемые вещества – серу, сероводород и соединения железа. Следы железоокисляющего фотосинтеза – полосатые железистые отложения (джеспилиты) обычны в морских осадках возраста 3,5–2,4 млрд лет, а потом их образование прекратилось. Переход к окислению марганца, а затем к кислородному фотосинтезу, скорее всего, был вызван исчерпанием запасов растворенных солей железа в океане. Пока железа хватало, возникновение более сложных форм фотосинтеза не поддерживалось отбором.

Баланс растворенного железа в древних морях складывался из прихода (выброс железа «черными курильщиками» и смыв с суши) и расхода (осаждение фотосинтезирующими клетками и медленное абиогенное осаждение). Все поступление железа в море в конечном итоге связано с геологической активностью планеты и содержанием железа в ее верхних слоях. В ходе эволюции планеты железо из мантии постепенно переходит в ядро. Современная верхняя мантия Земли, из которой образуется новая океанская кора, заметно беднее железом, чем 3,5 млрд лет назад. Темпы осаждения железа к ядру планеты зависят от ее размера: чем больше планета, тем дольше идет процесс. Следовательно, на массивной планете (суперземле) «кислородная революция» и все дальнейшие этапы эволюции жизни будут отложены, возможно, на миллиарды лет. Другие факторы, которые могут оттянуть «кислородную революцию», – это любые ограничения продуктивности морских фотосинтезирующих микробов. Недостаток фосфора, растворимых форм азота, оледенение заметной части планеты – все эти факторы уменьшают продуктивность фотосинтеза и темпы осаждения железа.

Кислородная революция, судя по всему, стала толчком для появления нового уровня сложности – эукариотной клетки. Только из эукариотных клеток, обладающих цитоскелетом и сложной регуляцией работы генов, можно построить многоклеточный организм из разных типов клеток с разделением труда между ними. Бактерии и археи к этому не способны. Как мы видели в главе 18, появление эукариот включало в себя череду событий, которые сложно назвать закономерными. Сначала архея-метаноген, пострадав от кислорода, смогла перейти к совершенно другому обмену веществ – брожению. Потом она вступила в симбиоз с предками митохондрий. Прецедентов такого симбиоза среди бактерий и архей неизвестно! Возможно, в симбиозе принял участие и крупный ДНК-вирус. Все эти шаги были пройдены не благодаря естественному отбору, а, скорее, вопреки ему. Роль отбора и других эволюционных процессов, таких как дрейф генов, в появлении эукариот подробно рассматривал Е. Кунин в книге «Логика случая». На современном уровне знаний создается впечатление, что появление эукариот не было закономерно, в отличие от появления клеток. Вероятность развития жизни до эукариотного уровня оценить сложно, но она может быть достаточно мала. Вполне возможно, что миллионы планет в нашей Галактике заселены жизнью бактериального уровня сложности, но только на нескольких возникло что-то сравнимое с эукариотами.

Следующий ключевой этап на пути к разуму – это многоклеточные организмы. Многоклеточность среди эукариот возникала много раз: животные, настоящие грибы, оомицеты, три независимо возникших линии слизевиков, наземные растения, бурые водоросли, красные водоросли. Так что этот этап можно считать закономерным и неизбежным, но остается вопрос о сроках. От кислородной революции (и, видимо, появления эукариот) до достижения многоклеточного уровня прошло 1,5 млрд лет.

Первые несомненные остатки животных имеют возраст 635 млн лет (эдиакарская фауна, или вендобионты). Эти животные не имели рта, конечностей и скелета, об их способе питания и родстве с современными группами животных ученые спорят. Остатки современных типов животных, обладающих скелетом (членистоногие, моллюски, губки), появляются 540 млн лет назад. Этот момент истории Земли называется «Кембрийским взрывом». Тогда произошло лавинообразное возрастание разнообразия и сложности животных, появление разных типов скелетов, распространение хищников. Молекулярные часы указывают на более раннее появление животных, около 700–800 млн лет назад, но первые животные, видимо, были микроскопическими и бесскелетными и не сохранились в ископаемом состоянии. Зато сохранились окаменевшие одноклеточные водоросли, среди которых в период 750–700 млн лет назад происходили резкие изменения размеров и появление шипастых клеток. Это могло быть ответом на выедание первыми животными.

Для возникновения многоклеточных животных на Земле было необходимо накопление заметного количества кислорода в атмосфере и океане (подробно изложено у К. Еськова в «Истории Земли и жизни на ней»). Накопление кислорода началось 2,4 млрд лет назад, но шло медленно. Лишь примерно 800 млн лет назад концентрация кислорода стала лавинообразно нарастать и к моменту «Кембрийского взрыва» 540 млн лет назад превысила половину от современной.

Подобно железу, баланс кислорода складывается из прихода и расхода. Приход полностью определяется продуктивностью фотосинтеза, а расход зависит от множества факторов. Кислород расходуется на окисление органики и материковых горных пород. Захоронение неокисленных останков живых организмов приводит к накоплению кислорода в атмосфере, а эти останки превращаются в сланцы и нефть. На баланс между окислением и захоронением органических веществ влияет множество причин, включая соотношение суши и моря, площадь морей разной глубины, структуру морских течений и геологическую активность. Расход кислорода на окисление минералов также определяется геологической активностью, выносящей на поверхность окисляемые минералы, такие как базальт и пирит. Продуктивность фотосинтеза может ограничиваться холодами, недостатком фосфора или света. Недостаток света был вызван мутностью морской воды: до появления наземных растений вся суша сильно размывалась дождями, песок и глина сносились в моря, и мелкая глинистая взвесь делала весь океан мутным. Геологические данные показывают, что моря стали прозрачными и более продуктивными во время «Кембрийского взрыва», и очистили их животные-фильтраторы. В целом можно сказать, что сроки появления многоклеточных животных, судя по всему, велики и легко могли сдвинуться на миллиард-другой лет позже по самым разным причинам.

Многоклеточные животные и растения, особенно вышедшие на сушу, более уязвимы к глобальным катастрофам, чем микробная биосфера. Микробы пережили (хотя и с потерями) позднюю метеоритную бомбардировку, а подземная микробная биосфера вообще практически неуязвима. Эволюцию животных и растений может оборвать или отбросить на сотни миллионов лет назад один астероид или глобальное оледенение («Земля-снежок»). Таких глобальных оледенений на Земле было два: первое – 2,3 млрд лет назад, сразу за кислородной революцией, другое – 800–650 млн лет назад, примерно во времена появления первых животных. О причинах этих глобальных оледенений ученые спорят. Есть и другие варианты катастрофы, приводящей к глобальному вымиранию многоклеточной жизни, например близкая вспышка сверхновой. Орбита Солнца в Галактике проходит вдали от районов частых вспышек сверхновых, но это не дает полной гарантии безопасности. Многие другие звезды расположены менее благоприятно в этом смысле, и жизнь на поверхности их планет может гибнуть от вспышек сверхновых каждые 200–500 млн лет.

Относительную стабильность климата Земли обеспечивает Луна. Взаимодействие с Луной ограничивает колебания оси вращения Земли и, следовательно, колебания климата. Марс, не имеющий такого спутника, испытывает колебания наклона оси вращения от 0 до 40 градусов и частые изменения климата. Без Луны такие колебания климата на Земле, скорее всего, приводили бы к частым вымираниям животных и оттянули бы появление разумного вида.

Итак, мы видим, что в случае жизни земного типа множитель fi (вероятность развития жизни до разумных форм) может быть очень мал. Причин этому минимум три: возможная задержка с появлением кислородного фотосинтеза, сомнительная вероятность появления эукариот и задержка эволюции многоклеточности.

Со всеми этими поправками к уравнению Дрейка вполне возможно, что за всю историю нашей Галактики в ней возникли считанные десятки, а то и единицы разумных видов. Если что-то помешало им начать космическую экспансию, скорее всего, каждый из них вымер еще до появления другого, и ни один из видов не имел шанса вступить в контакт.

Исследования, которые проясняют новые детали происхождения жизни, как правило, имеют и важное практическое применение. Например, создание и изучение ксенонуклеиновых и пептидонуклеиновых кислот (глава 12) ведется прежде всего для нужд медицины. Очень перспективным считается создание лекарств, действующих по принципу РНК-интерференции. Такие лекарства могут выключать один строго определенный ген в определенном типе клеток, не воздействуя на другие процессы. Их можно быстро синтезировать «под заказ», создавая, например, противораковые лекарства для каждого пациента индивидуально, с учетом особенностей его опухоли. С одной стороны, химическая основа таких лекарств должна быть подобна РНК, чтобы образовывать двойную спираль с матричной РНК выключаемого гена, а с другой – она должна отличаться от РНК, чтобы не быть разрушенной клеточной системой противовирусной защиты. Ксенонуклеиновые кислоты удовлетворяют этим требованиям и могут стать основой нового класса лекарств.

Расширение нуклеотидного алфавита (глава 6) и набора аминокислот (глава 13) является важным направлением синтетической биологии. Это позволяет получать линии микробов с новыми, невозможными в рамках 20 аминокислот свойствами, что очень пригодится в биотехнологии. Переработка всевозможных отходов, обезвреживание разливов нефти, биотопливо, новые материалы и многое другое станет доступнее.

Изучение биоэнергетики – комплексов дыхательных цепей, фотосистем и белковых проводов (главы 15, 16, 17) – может помочь в решении энергетических проблем человечества. Знание тонкостей работы фотосистем помогает совершенствовать искусственные солнечные батареи. Есть и более смелые исследования: как оказалось, дыхательные цепи бактериальных клеток можно подключить к внешним электродам, и такие «микробные батареи» дают ток. Современные солнечные батареи требуют больших затрат энергии на свое производство, и возможно, их станут вытеснять пластиковые баки с генно-модифицированными цианобактериями. Их клетки могут быть напрямую подключены к проводам или же настроены на производство любого необходимого горючего – водорода, спирта, биогаза или дизельного топлива. В отличие от солнечных батарей, они растут сами.

При серьезной генной модификации организмов необходимо принять меры, чтобы искусственные гены не передались другим видам. Здесь может помочь расширение нуклеотидного алфавита – если новые гены будут записаны новыми буквами, дикие микробы не смогут их прочитать. Но самый радикальный способ остановить утечку генов – это создать «зазеркальные» клетки из правых аминокислот и левых нуклеотидов. В природе нет механизмов, которые могли бы перенести информацию из левой ДНК в стандартную правую. Такая «зазеркальная» искусственная жизнь будет полностью подконтрольна людям, а заодно и защищена от всех природных вирусов.

Эти перспективы могут показаться пугающими. Не приведут ли последствия таких модификаций к гибели существующих видов? Нет, не приведут. Все природные организмы оптимизированы на выживание и размножение. Творения биоинженеров же должны прежде всего выполнять свою функцию. А живой организм не может быть хорош сразу во всем. За выдающиеся достижения в любой одной области неизбежно приходится платить слабостью в других.

Поэтому у модифицированных и полностью искусственных микробов мало шансов в конкуренции с дикими видами. Даже обычные домашние животные, которые не подвергались генным модификациям, успешно дичают только в отсутствие конкурентов и хищников, например на островах. Организмы со значительными генными модификациями будут еще более несбалансированными и тем более уступят диким конкурентам. «Зазеркальный» микроб к тому же будет отрезан от обмена генами с другими организмами, что окончательно подорвет его эволюционные перспективы.

Вообще, противостояние человека и природы, рисуемое экологической пропагандой, несколько преувеличено. Внутреннее событие биосферы – «кислородная революция» цианобактерий – вызвало более масштабное вымирание, чем все падения астероидов, глобальные оледенения и тем более деятельность человечества. Даже глобальная ядерная война будет иметь меньшие последствия, чем появление кислородного фотосинтеза. Кстати, в зоне отчуждения вокруг Чернобыльской АЭС уже через несколько лет после катастрофы фактически образовался заповедник, населенный большим количеством оленей, кабанов, волков, лис и других животных. Радиоактивное заражение мешает им гораздо меньше, чем вырубка лесов и сельское хозяйство.

Какие действия человека считаются вредными для биосферы? Например, люди добывают нефть, газ и уголь, чтобы сжечь их. Но это не чужое для биосферы вещество. Это остатки древних растений и водорослей, это углерод, который захоронился и выпал из глобального круговорота в древние эпохи. Человек просто возвращает биосфере потерянное ею. Глобальное потепление и таяние ледников, которое может произойти из-за сжигания нефти, – это всего лишь возвращение Земли к нормальному для нее климату. Оледенения на полюсах за последние полмиллиарда лет были лишь два раза: в конце каменноугольного и пермском периодах (310–250 млн лет назад) и последние 40 млн лет. В остальные эпохи на большей части суши до самого полюса климат был близок к субтропическому. Например, ископаемые остатки крокодилов возраста 50 млн лет найдены на острове Элсмир (Канадский арктический архипелаг, далеко за полярным кругом). Так что таяние ледников будет неприятностью лишь для людей. Для Земли это скорее возвращение к норме из длительного ледникового периода.

Точно так же люди добывают фосфориты и производят из них удобрения для полей. Так в биосферу возвращается потерянный ею когда-то фосфор. Без человека круговорот фосфора практически не замыкается: фосфор постепенно смывается с суши в море и откладывается в морских осадках. Движение плит океанской коры может занести эти осадки в мантию, откуда фосфор выйдет с вулканическими газами и пеплом и вернется в биосферу. Но на современной Земле тектоническая активность не покрывает осаждения фосфора в океанах. Потеря фосфора постепенно снижает продуктивность всей биосферы. Только человек, добывая похороненные в толще земной коры фосфориты, решает эту проблему биосферы.

Есть и еще более важная услуга, которую только разумный вид может оказать родной биосфере. Время, отведенное на развитие жизни на планете, ограничено. Светимость Солнца неуклонно возрастает, и через 1,5 млрд лет даже полное изъятие углекислого газа из атмосферы не сможет предотвратить глобальное потепление. После этого Земля неизбежно превратится в подобие Венеры, а биосфера погибнет. Иначе говоря, земная жизнь уже потратила три четверти отведенного ей времени. И она неизбежно погибнет, если разумные существа не построят космические корабли и не возьмут земные организмы с собой к другим звездам. В этом смысле технологическое развитие человечества необходимо для всего живого на нашей планете.