При одноячеистой конвекции положение полюсов подъема и опускания вещества всегда будет несколько отличаться от идеального (точно по диаметру планеты); там, где соединяющие их «меридианы» будут самыми длинными, образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и потому постепенно оказывается тяжелее окружающей его среды. Через некоторое время оно «проваливается» вглубь мантии, создавая второй полюс опускания и превращая конвекцию в двухъячеистую. Двухъячеистая конвекция постепенно ослабляется и затем переходит в одноячеистую (одна из ячеек как бы «съедает» другую), и конвекционный цикл начинается заново. Таким образом, взаиморасположение континентов определяется фазой конвекционного цикла в мантии — и наоборот: фаза конвекционного цикла, имевшая место в некую геологическую эпоху, может быть определена исходя из взаиморасположения континентов, реконструированного палеомагнитными, палеоклиматологическими и другими методами. Понятно, что все эти изменения весьма существенно влияют на климат соответствующей эпохи, а через него — на функционирование ее биосферы.
ГЛАВА 4
Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл. Геохимический подход к проблеме
Рассмотрев вопросы, связанные с эволюцией самой Земли, мы приступаем теперь к изучению эволюции жизни на ней. Сразу оговорюсь: я не собираюсь ни углубляться в дебри определений того, что такое «жизнь», ни обсуждать чисто химические аспекты этого явления — это увело бы нас слишком далеко от темы спецкурса.[8] Наш подход к проблеме жизни на Земле будет сугубо функциональным, и в его рамках нам следует принять одно аксиоматичное утверждение: эволюция биосферы и составляющих ее экосистем идет в целом в сторону возникновения все более совершенных (т.е. устойчивых и экономных) круговоротов вещества и энергии. Совершенствование циклов направлено на то, чтобы минимизировать безвозвратные потери биологических систем: экосистема стремится препятствовать вымыванию микроэлементов и захоронению неокисленного углерода, переводить воду из поверхностного стока в подземный и т.д. Поэтому с общепланетарной точки зрения жизнь следует рассматривать как способ стабилизации существующих на планете геохимических циклов.
Вопрос о происхождении жизни на Земле еще со времен Э. Геккеля (1866) сводят к решению чисто химической задачи: как синтезировать сложные органические макромолекулы (прежде всего белки и нуклеиновые кислоты) из простых (метана, аммиака, сероводорода и пр.), которые составляли первичную атмосферу Земли. Ответ пока не найден.
В 20-е годы прошлого века А. И. Опарин и Дж. Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации — коацерватные капли, которые в определенном смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела. Затем, в 1953 году, С. Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических газов) и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений, в том числе аминокислоты. Через некоторое время С. Фоксу удалось осуществить безматричный синтез полипептидов (соединить аминокислоты в короткие нерегулярные цепи); подобные полипептидные цепи были потом найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Этим, собственно говоря, и исчерпываются реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза, если не считать того, что было ясно осознано, по крайней мере, одно фундаментальное ограничение на возможность синтеза «живых» (т.е. биологически активных) макромолекул из более простых органических «кирпичиков».
Многие органические соединения представляют собой смесь двух оптических изомеров — веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся оптической активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через их кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими (таким свойством обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны). Это явление связывают с наличием в молекуле таких веществ асимметричного атома углерода, к четырем валентностям которого могут в разном порядке присоединяться четыре соответствующих радикала (рис. 13). Так вот, эти химически идентичные вещества, как выяснил еще в 1848 году Л. Пастер, вовсе не являются таковыми для живых существ: плесневый гриб пенициллиум (Penicillium), развиваясь в среде из виноградной кислоты, «поедает» лишь ее правовращающий изомер, а в среде из молочной кислоты — левовращающий (на этом, кстати, основан один из методов разделения оптических изомеров); человек легко определяет на вкус изомеры молочной кислоты.
Рис. 13. «Левая» и «правая» молекулы аланина
Сейчас известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты — из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого. А поскольку при любом абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятностей) долей право– и левовращающих изомеров, то в дальнейшем — при синтезе из этого «сырья» белков — перед нами встанет задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны? (Не зря оптической активностью обладают лишь природные сахара — и ни один из синтетических, а упомянутые выше полипептиды из метеоритного вещества состоят из равных долей право– и левовращающих аминокислот.)
Между тем даже успешный синтез «живых» макромолекул (до которого еще, как говорится, «семь верст — и все лесом») сам по себе проблемы не решает. Для того чтобы макромолекулы заработали, они должны быть организованы в клетку. Причем никаких возможностей для «промежуточной посадки» в ходе этого немыслимой сложности «перелета» вроде бы не просматривается: все так называемые доклеточные формы жизни (вирусы) являются облигатными (т.е. обязательными) внутриклеточными паразитами, а потому вряд ли могут являться предшественниками клеток. Пропасть, отделяющая полный набор аминокислот и нуклеотидов от простейшей по устройству бактериальной клетки, в свете современных знаний стала казаться еще более непреодолимой, чем это представлялось в XIX веке.
Известна такая аналогия: вероятность случайного возникновения осмысленной аминокислотно-нуклеотидной последовательности соответствует вероятности того, что типографский шрифт, сброшенный с крыши небоскреба, сложится в 105-ю страницу романа «Война и мир». Абиогенез (в его классическом виде) как раз и предполагал такое «сбрасывание шрифта» — 1 раз, 10 раз, 10100 раз (пока шрифт не сложится в требуемую страницу). Сейчас всем понятно, что это просто несерьезно: потребное для этого время (его вполне можно рассчитать) на много порядков превосходит время существования всей нашей Вселенной (не более 20 млрд лет). В результате мы оказываемся перед неизбежной необходимостью признать прямое вмешательство в этот случайный процесс Бога (тут можно придумать какие-нибудь эвфемизмы, но суть от этого не изменится); а раз так, то данная проблема, как легко догадаться, вообще не относится к сфере науки. Получается, что, по крайней мере, при чисто химическом подходе проблема зарождения жизни принципиально неразрешима.
В качестве альтернативы абиогенезу выступала концепция панспермии, связанная с именами таких выдающихся ученых, как Г. Гельмгольц, У. Томсон (лорд Кельвин), С. Аррениус, В. И. Вернадский. Эти исследователи полагали, что жизнь столь же вечна и повсеместна, как материя, и зародыши ее постоянно путешествуют по космосу. Аррениус, в частности, доказал путем расчетов принципиальную возможность переноса бактериальных спор с планеты на планету под действием давления света. Предполагалось также, что вещество Земли в момент ее образования из газо-пылевого облака уже было «инфицировано» входившими в состав последнего «зародышами жизни».