Марк Мосевицкий - Распространненость жизни и уникальность разума?

• Название: Распространненость жизни и уникальность разума?
• Автор: Марк Мосевицкий
• Жанр: Биология
• Год: 2008
• ISBN: 5-86763-203-2

Исследование самых ранних осадочных пород показывает, что клеточные формы жизни присутствовали на Земле около 3.85 млрд лет тому назад, т. е. появились вскоре после создания совместимых с жизнью условий. Это означает, что доклеточная эволюция при всей ее сложности могла быть осуществлена в очень короткий срок (10–50 млн лет). Согласно другой версии, доклеточная эволюция происходила вне Земли (панспермия). В любом случае пример Земли позволяет предполагать широкое распространение жизни везде, где созданы подходящие для ее развития условия. С другой стороны, палеонтологическая летопись, начатая около 3.5 млрд лет тому назад, позволила выявить многочисленные кризисы (вымирания), приводившие к крутым разворотам в ходе эволюционного процесса. В основе эволюционных кризисов лежали природные катастрофы, вызванные падениями астероидов, глобальными оледенениями, длительными (в течение миллионов лет) истечениями лавы, изменениями газового баланса в океане и атмосфере. Бесчисленные воздействия на эволюцию оказывали также происходившие спонтанно мутации и горизонтальные обмены генетическим материалом. Благодаря наложению большого числа случайных факторов эволюционный процесс каждый раз является уникальным. На Земле после почти 4-х млрд лет существования жизни эволюционный процесс дал единственную ведущую к разуму ветвь гоминин (прямоходящих наследников шимпанзе). После многих критических ситуаций на этой ветви сохранился один побег – современное человечество. Отсутствие признаков существования других цивилизаций в доступном для общения космосе подтверждает весьма низкую вероятность выхода эволюции на маршрут, ведущий к разуму. Понимание природы кризисных событий, имевших место на Земле в прошлом, необходимо для того, чтобы, опираясь на все возрастающие возможности человечества, предотвратить наступление этих событий в будущем или хотя бы смягчить их последствия. Основной материал доступен широкому кругу читателей. Автор стремился также сделать книгу интересной для специалистов. Этим, в частности, объясняется большое число ссылок на последние публикации в научных журналах.

---

До настоящего времени предположение о существовании жизни на Марсе, хотя бы в прошлом, остается под вопросом. В частности, высказаны сомнения в том, что обнаружение в марсианских метеоритах магнетитовых зерен, организованных в форме цепочек, доказывает их биологическое происхождение (Bradley et al., 1998; Kerr, 1998; Scott, 1999; Treiman, 2003). Высказанные возражения достаточно серьезны. Тем не менее, в одном из последних исследований (Thomas-Keprta et al., 2002) приводятся новые доводы в пользу биологического происхождения марсианских магнетитовых гранул (высокая химическая чистота, форма, однородность размеров и др.). Возраст этих структур оценивается в 3.9 млрд лет. Не исключают биологическое происхождение цепочек магнетитовых гранул в марсианских метеоритах и другие авторы (Weiss et al., 2004).

Другой сенсацией работы МакКея и сотр. (McKay et al., 1996) явилось открытие структур, весьма напоминающих сами бактерии. Их отличие от известных тогда земных микроорганизмов – в существенно меньших размерах (Рис. 3 З-И). Земные бактерии, например Escherichia coli, имеют толщину 2–3 мкм, а толщина марсианских “бактерий” не более 0.05 мкм. Отсюда их условное название нанобактерии. Столь малые размеры этих структур послужили основным поводом для сомнений в их биологическом происхождении: многие авторы считают, что просто не остается внутреннего пространства для размещения всех систем жизнеобеспечения (Maniloff et al., 1997; Vogel, 1998). C другой стороны, появились данные о присутствии нанобактерий на Земле, причем, даже в наше время (Folk, 1997; McKay et al., 1997; Vogel, 1998; Drancourt et al., 2003; Miller et al., 2004; Ciftcioglu et al., 2006). Да и хорошо известные клетки микоплазмы только вдвое толще “марсианских”. Реальность наблюдавшихся МакКеем и сотр. структур была подтверждена другими авторами (Steele, 1998; Gillet et al., 2000). Однако очень похожие структуры были найдены также в метеорите, которому приписывают лунное происхождение (Sears and Kral, 1998). Точку в этих дискуссиях должна поставить уже скорая экспедиция на Марс. Измерения с помощью лазерного альтиметра, произведенные с орбитальной станции, выявили береговую линию некогда существовавшего на Марсе океана (Head III et al., 1999). В последнее время получены и другие свидетельства, причем высказываются предположения о периодических выходах глубинных вод на поверхность Марса и в наше время. Следовательно, должны быть и осадочные породы. Именно в них могут быть обнаружены следы жизни при условии, что она действительно существовала на Марсе. Если (пока условно) принять, что жизнь на Марсе когда-то все же была, то возникнуть она могла до земной, т. к. Марс, имея меньшую массу, затвердел раньше. Если на нем не было преследовавших Землю катастроф, приводивших к глобальным стерилизациям, то “фора” могла составить до 400 млн лет. Поэтому вполне возможно, что к моменту, когда на Земле, наконец, сформировались благоприятные для развития жизни условия, на Марсе жизнь в форме бактерий уже была. Подсчитано, что не менее десяти найденных марсианских метеоритов приземлились за последние 150 лет. Очевидно, что значительно большее количество марсианских метеоритов, попавших на Землю за тот же период, еще не обнаружены. Интенсивность же камнепада с Марса в те далекие времена (около 4 млрд лет тому назад) была существенно выше. Так что есть надежда и на Земле получить новые данные о жизни на Марсе.

Отдельный вопрос, способны ли клетки, если они находились в расщелине скальной породы, которая стала метеоритом, сохранить жизнеспособность при вылете с родной планеты, за время путешествия в космосе и при падении метеорита на Землю. В принципе, такая возможность признается (Rettberg et al., 2002; Gladman et al., 2005; Warmflash and Weiss, 2005). Структурный анализ доступных ныне марсианских метеоритов показал, что многие из них не претерпевали ударного метаморфизма или глубокого плавления в момент вылета. Это означает, что внутри метеорита условия оказались тогда достаточно мягкими и клетки, попавшие в его глубокие расщелины, могли сохранить жизнеспособность при вылете. Далее – путешествие в космосе. Как уже говорилось выше, для найденных марсианских метеоритов максимальная длительность пребывания в космосе составляла около 11 млн лет, но теоретически при удачной траектории она могла быть многократно меньше, вплоть до всего лишь нескольких лет. На Земле столь “скорые” марсианские метеориты еще не найдены. Наконец, исследование метеоритов показывает, что приземление может оказаться достаточно плавным и без перегрева, благодаря чему находящиеся в глубоких трещинах клетки имеют шанс сохранить способность к делению.

Очевидная и, пожалуй, главная проблема гипотезы панспермии заключается в вопросе, возможно ли после блужданий в космосе сохранение клетками (бактериями или их спорами) способности к размножению в случае попадания в благоприятные для этого условия.

Какие же опасности подстерегают клетку в открытом космосе? Первая из них – пронизывающие космос излучения. Ультрафиолетовые лучи весьма эффективно повреждают нуклеиновые кислоты, которые активно поглощают свет в области спектра 250–270 нм. Главный вид УФ повреждений ДНК – образование тиминовых димеров. Жесткие гамма-лучи и элементарные частицы (протоны, мезоны, нейтроны и др.) вызывают, главным образом, разрывы как отдельных, так и обеих нитей ДНК. Естественно, эти же воздействия в той или иной степени клетка испытывает и в условиях нормального существования. Для восстановления поврежденных участков ДНК-клетка располагает разнообразными, сформированными из многих ферментов, репарационными системами (для обзора: Мосевицкая, 1978; Жестянников, 1979; Крутяков и др., 1985; Королев, 2005). Однако при попадании в космос клетки обезвоживаются и большую часть времени пребывают при близкой к абсолютному нулю температуре, т. е. никакие биохимические реакции в них идти не могут. Поэтому все повреждения за время блуждания клетки в космосе сохраняются, а значит, и накапливаются.

В реальном эксперименте споры бактерий Bacillus subtilis были экспонированы в открытом космосе в течение шести лет на спутнике и затем доставлены на Землю. В партии, ничем не защищенной от излучения, сохранили жизнеспособность 0.01 % спор. Главным повреждающим агентом было УФ излучение, испускаемое Солнцем. Однако не все так безнадежно. Проникающая способность УФ-лучей крайне мала. В партии, защищенной от УФ лучей тонкой алюминиевой пластинкой 80 % спор сохранили жизнеспособность.

Споры, обретшие чехол благодаря аккреции пылевых частиц, а тем более спрятавшиеся в расщелине метеорита, также оказываются защищенными от этого вида излучения. Однако спутник обращался на невысокой околоземной орбите, где поток космических заряженных частиц существенно ослаблен магнитным полем Земли. Во внешнем по отношению к этому полю космосе в полной мере проявляется воздействие на споры потоков заряженных частиц (протонов, ядер гелия, электронов и др.), а также жестких рентгеновских и у-лучей. При значительно большей по сравнению с УФ лучами проникающей способности эти формы излучения вызывают в толще метеорита вторичные ливни частиц и “тормозную” радиацию (Hubner et al., 1994; Warmflash and Weiss, 2005). Только споры, находящиеся на расстоянии более 1 м от поверхности метеорита, могут считаться защищенными от действия фонового космического излучения. В этой оценке не учтены нейтральные частицы нейтроны, проникающая способность которых значительно выше. Однако их доля в фоновом космическом излучении невелика. Исключением являются окрестности сверхновых. Судя по довольно частому появлению сверхновых на земном небосводе, клетка за время пребывания в космосе может оказаться (и не раз) в интенсивном потоке нейтронов, испущенных сверхновой, которая вспыхнула на “близком” расстоянии (в пределах 15 световых лет).

Необходимо иметь в виду также внутренние повреждающие факторы. Это частицы и излучения, освобождающиеся при распаде радиоактивных элементов, присутствующих в окружающем клетку материале (пылевой чехол, метеорит-носитель), или непосредственно инкорпорированных в состав клетки (14C, 3H, 40K, и др.).

Наконец, необходимо иметь в виду еще один механизм повреждения молекулярных структур – спонтанные химические процессы, которые приводят, главным образом, к разрывам химических связей в молекулах белков и нуклеиновых кислот. Этот же механизм может оказаться ответственным за образование случайных связей (сшивок) между оказавшимися в тесной близости реакционными группами. В обычных условиях, а тем более при повышенной температуре, эти процессы являются главной причиной инактивации даже высокоочищенных ферментов, понижения растворимости веществ и др. Однако при сверхнизких температурах, господствующих в космосе, вероятность (скорость) таких процессов резко падает. Это связано с тем, что для осуществления реакции перехода из одного конечного состояния в другое должен быть преодолен активационный барьер, соответствующий энергии активации (U) химической реакции (20–30 ккал/моль). Формально кинетика реакции определяется следующим уравнением: Kp = Be-Uact/RT (Kp – константа скорости реакции).