Есть ли альтернатива углеродно-водной жизни? Панспермия и альтернативная биохимия

Эта статья основана на выступлении Михаила Никитина на форуме «Ученые против мифов», состоявшемся в конце апреля 2023 года в Москве. В номере ТрВ № 378 от 16 мая 2023 года был опубликован краткий пересказ выступлений на форуме1, а теперь мы публикуем полный текст в последующей редакции Михаила.

Михаил Никитин
Михаил Никитин
Панспермия

Идея панспермии — занесения жизни на нашу планету — достаточно стара, в XIX веке она была очень популярна. Существует множество вариантов этой идеи: различают естественную и направленную панспермию. В первом варианте теории, в отличие от второго, разумные существа участия не принимают. В принципе, панспермия могла бы происходить или внутри Солнечной системы, между ее планетами, или же на бо́льших межзвездных расстояниях. К этой теории примыкают гипотезы о происхождении жизни вообще не на планетах, но на астероидах, метеоритах или прямо в межзвездных газопылевых облаках.

Сначала расскажу о направленной панспермии. Вся жизнь на нашей планете имеет общее происхождение. И у нас с вами, и у каких-нибудь самых экстремофильных микробов был общий предок, живший порядка 4 млрд лет назад. Да, ископаемые следы жизни практически такого же возраста существуют. Это значит, что занос чего-то другого должен был произойти раньше 4 млрд лет назад — куда более значимый срок, за который следы жизни, естественно, стерлись бы (а сама приспособившаяся жизнь осталась). Другая проблема состоит в том, что это время — довольно большое даже по сравнению с возрастом Вселенной (около 13,5–14 млрд лет). У предполагаемых пришельцев — заносителей жизни — на начинающую образовываться Землю было бы не сильно больше времени, чем у нас, чтобы эволюционировать от примитивных форм жизни до космической цивилизации. Естественно, эволюция жизни не могла начаться с самого момента Большого взрыва: должны были пройти сотни миллионов, а то и миллиардов лет. Это время нужно для синтеза элементов тяжелее гелия и образование из них пригодных для жизни планет с более-менее твердой поверхностью. Если эти ребята успели проэволюционировать, то чем мы хуже, почему не успели мы?

Естественная панспермия подразумевает перелеты устойчивых форм жизни (например, спор бактерий) в каменных и ледяных космических объектах. Межзвездная панспермия маловероятна, потому что даже в идеальных условиях перелеты естественных объектов вроде астероида 1I/Оумуамуа занимают десятки тысяч лет даже между ближайшими звездами. За это время несчастные споры бактерий получат слишком большую дозу радиации и погибнут: низкая температура и криоконсервация их не спасет. Если споры находятся не в покое, а поддерживают жизнеспособность, репарируя ДНК (или что там у них вместо нее), то откуда они возьмут себе пропитание на десятки тысяч лет? Всё это очень сомнительно… Конечно, внутри Солнечной системы с панспермией дела обстоят проще. Расстояние меньше, лететь не так долго: между Землей и Марсом вообще возможны перелеты выбитых камней за десятки и сотни лет. Так, ученые считают наиболее вероятной панспермию с Земли на Марс и в обратном направлении.

Почему вариант панспермии с Марса на Землю более интересен, нежели обратная гипотеза? Эти планеты когда-то были более похожи, чем сейчас: на Марсе тоже было тепло, был океан и пригодные для жизни условия. Более того, на Красной планете условия для благополучного зарождения жизни настали раньше, чем на Земле. Планеты Солнечной системы родились горячими в результате столкновения более мелких тел — планетарных зародышей (планетезималей) — на космических скоростях, измеряющихся в километрах в секунду. В процессе выделялось очень много энергии. В случае Земли с ее второй космической скоростью 11 км/с выделяемой энергии хватало на то, чтобы расплавить всю ее поверхность до состояния океана магмы — до 1500 °C. Остывание такого океана до пригодного для жизни состояния (хотя бы кипятка) занимало по разным оценкам от 100 до 300 млн лет — это довольно долго. В случае Марса этот процесс занял меньше времени. Столкновения в его истории были не такими жесткими, и из-за маленьких размеров Красная планета остывала быстрее. Марс, образовавшись, остыл для пригодных для жизни температур где-то за 20 млн лет — у планеты была огромная фора, и она стала пригодной для жизни куда раньше Земли. Подтверждений этому нет (равно как и весомых возражений): нельзя исключить, что Марс мог быть колыбелью жизни в Солнечной системе. Так, возможно, мы с вами все марсиане, но еще раз подчеркну, что подтверждений этому нет. Мы можем быть потомками марсианских микробов, прилетевших на Землю в выбитых ударами астероидов метеоритах. Чтобы это доказать или опровергнуть, нужно лететь на Марс с серьезной буровой установкой, ведь если бактерии еще живы, то прятаться они могут лишь в глубине марсианской коры на глубине нескольких километров. Образцы нужно будет сравнить с земными.

К панспермии примыкают идеи о жизни за пределами планеты, прежде всего в метеоритах. Активнее всего такую теорию развивает российский палеонтолог академик Алексей Розанов, изложив ее вместе с соавторами в книге «Метеорит Оргей (атлас микрофоссилий)» 2. Алексей Юрьевич полагает, что окаменевшие микробы могли попасть на Землю вместе с метеоритом, упавшим на юго-западе Франции в мае 1864 года. Оргей — метеорит семейства углистых хондритов, в таких камнях действительно можно найти множество микроструктур, которые академик Розанов интерпретирует как окаменелые остатки микробов, схожих с разными группами микробов земных. К сожалению, я не настоящий палеонтолог и не могу подтвердить или опровергнуть это предположение; могу лишь сказать, что другие палеонтологи встречают такую теорию в штыки: никакого консенсуса по поводу этой идеи нет. Но если структуры в углистом хондрите — действительно остатки окаменелых микробов, то это означает, что жизнь старше Земли. Метеорит Оргей, как и другие представители этого класса метеоритов, на десятки миллионов лет старше Земли. Чтобы доказать или развенчать такую теорию, нужны стерильные, не загрязненные земными микробами образцы астероидов-хондритов, доставленные космическими зондами. Микробы на нашей планете могут прилипнуть к космическим камням уже при входе в атмосферу, а лежание в пустыне и подавно не окажет на находку положительного влияния. Сейчас главная надежда на образцы с астероида Рюгу, привезенные зондом «Хаябуса-2» в декабре 2020 года.

И еще один вариант теории панспермии, который называют панспермией мягкой, или молекулярной. Она утверждает, что на Землю были занесены не живые организмы, но некие органические вещества, которые приняли важную роль в процессе абиогенеза — процессе появления жизни на Земле или Марсе. Этот вариант гипотезы о панспермии мне нравится больше всего, и вот почему. Одна из особенностей жизни на Земле и, наверное, жизни вообще — хиральная чистота. Молекулы аминокислот и сахаров, в принципе, могут существовать в двух вариантах, похожих друг на друга как левая и правая рука, или как любой предмет и его отражение в зеркале. В обычном химическом синтезе аминокислоты в равном соотношении получаются левыми и правыми, а в составе же наших белков встречаются только левые аминокислоты. Правые, конечно, в человеческих клетках бывают, но их гораздо меньше, и в составе белков их не встретишь. Так вот, помимо земной жизни только в составе метеоритной органики есть что-то похожее на хиральную чистоту. Полной хиральной чистоты нет, но в составе метеоритов-хондритов, вроде Оргея или Мурчисонского метеорита, есть аминокислоты, среди которых левых изомеров на несколько процентов больше, чем правых. Выпадение этой метеоритной органики с избытком левых аминокислот могло сдвинуть равновесие левых и правых аминокислот уже в каких-то земных средах. Это могло привести к тому, что наши белки стали строиться из левых аминокислот. В этом смысле метеоритная органика путем мягкой панспермии могла сыграть решающую роль в устройстве теперешней жизни.

Альтернативная биохимия

Бывают ли кремниевые, а также фтороводородные, аммиачные и т. п. пришельцы — возможна ли альтернативная биохимия? За десятки лет на этой поляне успели оттоптаться научные фантасты, придумав большинство возможных вариантов. Я попытался рассортировать эти варианты по убыванию чуждости. Совсем экзотикой оказалась жизнь совсем не на химической основе: плазмоиды, вихри токов в сверхпроводнике… Об этом лучше поинтересоваться у физиков. Чуть менее экзотична жизнь на совсем другой химической основе с другими основными элементами вроде кремния или бора вместо углерода. Еще чуть более похожа на нашу жизнь на основе углерода, но с совсем другими соединениями этого элемента и, возможно, не в воде, а в другом растворителе. Затем следует жизнь из белков и нуклеиновых кислот, но с аминокислотным набором, отличным от нашего. И, наконец, близкий к нам, но несовместимый вариант — зазеркальная жизнь из правых аминокислот в белках и зеркального отражения ДНК. Про такую жизнь мы точно можем сказать, что она возможна (ведь она по всем химическим параметрам не отличается от нашей), но несовместима с нашей (например, «зазеркальные» вирусы нас не заразят, и наоборот). В лабораториях уже идут работы по воплощению такой зазеркальной жизни.

На какой химический основе может строиться живое? Все наши основные молекулы, белки и ДНК лепили составляющие клеточки и мембраны в первом приближении из цепочек атомов углерода: связь C — C (углерод-углерод) довольно прочная. Чем можно заменить этот элемент? Сразу жестко отфильтруем таблицу Менделеева по диаграмме распространенности химических элементов во Вселенной (рис. 1).

Рис. 1. Земная жизнь использует семь из топ-10 самых распространенных элементов — водород, углерод, кислород, азот, сера, магний, железо
Рис. 1. Земная жизнь использует семь из топ-10 самых распространенных элементов — водород, углерод, кислород, азот, сера, магний, железо

Этот график не имеет никакого отношения к химии: он отражает ядерную физику, результаты термоядерных процессов в звездах, где одни элементы синтезируются лучше других. Красными кружочками обведена семерка из топ-10 самых распространенных элементов, используемых нашей земной жизнью: водород H, углерод C, кислород O, азот N, сера S, магний Mg, железо Fe. Все они играют важнейшие роли в нашей биохимии. Земная жизнь выглядит довольно-таки оптимально с точки зрения использования самого доступного. Из топ-10 не выбраны два инертных газа — гелий He, неон Ne и любимый научными фантастами кремний Si. Еще по графику сразу же можно отбросить фтор F. Океаны из плавиковой кислоты, описанные Иваном Ефремовым в «Сердце змеи», к сожалению, антинаучная фантастика. Фтору в этой Вселенной не повезло со стабильностью атомного ядра; в нашей галактике этого элемента на пять порядков меньше, чем кислорода, и он плохо образуется в звездах. Бор B — элемент с очень интересной химией, образующий сложные молекулы с цепочками и кольцами из своих атомов, но его в миллион раз меньше, чем углерода. Искусственную жизнь на основе бора, может быть, когда-нибудь и создадут в лаборатории, а вот естественной борной жизни во Вселенной мы никогда не найдем — в этом я уверен.

А вот кремния много. Тем не менее этот элемент не встречается в нашей биохимии, базовой универсальной основе. В «Звездном пути» есть жизненная форма кремниевого цикла под названием Хорта, но за пределы своего сеттинга она не выходит. Кремний образует цепочки из своих атомов не хуже углерода и способен образовывать сложные молекулы как таковые. Кремние-органические молекулы, которые синтезируют химики, получаются, как правило, в безводной среде. В результате воздействия воды или кислорода или кислородосодержащих соединений кремний в конечном итоге превращается в SiO2 — твердые устойчивые кристаллы вроде кварца или опала. Оксид углерода, в свою очередь, достаточно химически активный газ, который даже при комнатной температуре растения успешно используют в фотосинтезе. Соответственно, основная проблема с кремнием состоит в том, что он слишком охотно и слишком прочно связывается с кислородом — из получившихся соединений его уже не достать. Такое случается не только на Земле, но и в космических условиях. Радиоастрономы своими спектроскопическими методами могут определять различные молекулы в газовых туманностях. Для углерода удалось найти более сотни органических молекул, среди них привычные биохимикам уксусная кислота, мочевина и глицин. А вот для кремния молекул найдено куда меньше, и это в основном прочные устойчивые соединения либо с углеродом (карбиды кремния), либо с кислородом (оксиды), либо с азотом (нитриды). Карбид кремния еще устойчивей оксида, а по твердости мало уступает алмазу. Для биохимии это не очень удобно. Собственно, единственное, на что земная жизнь пустила кремний в виде оксида, — на скелеты некоторых групп одноклеточных, вроде радиолярий или диатомовых водорослей. Эти красивые ажурные структуры весьма инертны химически. Ни на что, кроме скелетов, кремний не сгодился.

Чуть менее экзотический вариант — жизнь на основе углерода, но на основе совсем других соединений и с участием другого растворителя. В научной фантастике встречались варианты жизни во фтороводороде или аммиаке. Бывает, что фантасты селят жизнь в жидкости, составляемой из доступных в космосе элементов, вроде диоксида серы. Но вот лично мне больше всего нравится жизнь в диоксиде углерода, которую фантастика еще не описала: в привычных условиях это соединение не бывает жидким, а сжижается лишь при повышенных давлениях выше земного атмосферного. Его обычное агрегатное состояние — газ или твердое вещество, сухой лед. Но при давлении в сотню атмосфер диоксид углерода становится жидким в широком диапазоне температур. Жидкий CO2 используется в химической промышленности как растворитель, например бескофеиновый кофе получается путем экстракции кофеина жидким диоксидом углерода под давлением. Это очень хороший растворитель, превосходящий воду. Он совместим с белками: белковые ферменты в нем сохраняют структуру, и многие работают даже активнее, чем в воде. Жидкий CO2 гораздо менее вязок, чем вода, что ускоряет процесс диффузии и других химических реакций — молекулы двигаются быстрее. Более того, на Земле есть места, где жидкий CO2 встречается, и в нем живут микробы — привычные микробы с белками и ДНК. Его можно найти только на больших глубинах: лишь на океанском дне достаточно давления для существования такого соединения. Японские океанологи запускали подводного робота в Окинавский желоб на глубину около 1300 м. Там есть черные гидротермальные источники — черные курильщики — а в стороне от них под слоем глины скрылось озеро с жидким CO2, который медленно просачивается из глубин земной коры. Пузыри, которые выходят, когда робот ковыряет глину пробоотборником, на самом деле — капли жидкой углекислоты. Их плотность меньше плотности воды, и они всплывают вверх. Вот самое близкое и реальное, что можно найти на Земле в качестве прообраза альтернативной биохимии. В этом жидком CO2 живут микробы, бактерии и археи, вполне родственные остальным живым микробам. Для такого образа жизни им пришлось перестроить только свои клеточные мембраны, так как жидкий диоксид углерода растворяет стандартные мембраны. (Поэтому, кстати, в промышленности его используют для мягкой стерилизации.) Белки совместимы с жидким CO2, а вот ДНК вступает в конфликт. У микробов, живущих в этой среде, внутри клетки все-таки вода. Двойные спирали ДНК не образуются в среде диоксида углерода — образуются только одиночные цепи. Поэтому у жизни в такой среде, если она образовалась с самого начала с CO2 внутри клеток, белки быть могут, а вот вместо ДНК явно будет что-то другое.

Наконец, интересный вариант — зазеркальная жизнь. Как я уже упоминал, в наших белках встречаются только левые варианты аминокислот; зеркальное отражение нашей жизни с правыми хиральными аминокислотами в белках и с левой ДНК имеет право на существование. Уже ведутся попытки создать подобное в лабораторных условиях. Из научной фантастики можно вспомнить пришельцев Станислава Лема из «Восьмого путешествии Ийона Тихого», выливших прокисший раствор аминокислот на безжизненную Землю и перемешавших его в левую сторону: так и получилось, что мы левохиральны. В научной фантастике эта тема лучше всего раскрыта в играх серии Mass Effect, где есть два правоаминокислотных вида: турианцы с кварианцами. Часть игрового процесса включает в себя подбор лево- и правоаминокислотных пайков для вашего разношерстного экипажа, состоящего из разных представителей разумных видов. С перепутыванием продовольствия связаны некоторые свои приколы. В этой вселенной преувеличена ядовитость еды: на самом деле, смертельно отравиться пищей не той хиральности не получится. Некоторые из правых аминокислот даже синтезируются в нашем собственном организме — это правый серин и правый аспартат в мозге. Правые аминокислоты синтезируются микробами, наш организм не сможет построить из них белки, но переварить их, получив калории, вполне возможно. А правые белки мы действительно не можем переваривать — нечем. Но они не токсичны и представляют примерно такую же угрозу, как съеденный кусок полиэтилена: гибкая и никак не перевариваемая субстанция в пищеварительном тракте. Не смертельно и чревато максимум диареей.

Какую еду мы можем разделить с правоаминокислотными пришельцами? И в биохимии, и в кулинарии есть некоторые важные нехиральные вещества (строго говоря, их нельзя назвать едой). Они действуют схожим образом на самый широкий спектр земных организмов и, скорее всего, так же подействуют и на правохиральных созданий. Это прежде всего этиловый спирт. Он нехирален и действует похожим образом на самые разные земные организмы. Я наблюдал действие этанола на ракообразных: как и млекопитающие, они сначала веселеют, а потом засыпают. Подозреваю, что на правоаминокислотных товарищей он подействует похожим образом. Тут мне следует предупредить слушателей о вреде неумеренного употребления этилового спирта: для правоаминокислотных пришельцев вред и другие последствия будут примерно такими же, как и для нас. Если потерпите кораблекрушение на планете с правоаминокислотной жизнью, то придется вам делать брагу из местных дрожжей и питаться ею. Тренируйте печень! Шутка.

Вопросы зрителей

Александр Соколов (ведущий): Мы против употребления алкоголя инопланетянами и жителями планеты Земля. Тем временем подоспели результаты опроса: побеждает жизнь из белков и ДНК другой хиральности. Попросим Михаила прокомментировать это. На втором месте — жизнь на основе кремния…

— Как прокомментировать это, не повторяя моего доклада? Жизнь другой хиральности точно реальна, и отдельные ее куски уже получены в лабораторных условиях. Насчет же кремниевой жизни лишь скажу, что это должно быть какой-то жуткой экзотикой, существующей в весьма странных условиях: либо при высоких температурах, либо в совершенно неводных средах. В космосе всё это малореально, возможно, похоже, лишь в пробирке.

А. С.: Спасибо. А сейчас вам предстоит противостоять земной форме жизни — вредному оппоненту. На связи с нами Валерий Снытников, вед. науч. сотр. Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, редактор книги «Проблемы происхождения жизни». Валерий, здравствуйте.

Валерий Снытников: Здравствуйте. Пойду со своими вопросами прямо по докладу. В первые 200 млн лет от сотворения Вселенной в ней не было элементов жизни. Существует ли, по вашему, Михаил, мнению, общий механизм, в рамках которого жизнь создавалась в первый миллиард лет и зародилась в Солнечной системе?

— Я слишком плохо знаком с условиями во Вселенной в первый миллиард лет и подозреваю, что у астрономов тоже нет таких сведений…

В. С.: Нет, напротив, есть хорошие данные наблюдений. После первого миллиарда лет уже появилось очень много звезд…

— Были ли уже тогда звезды с солнечной металличностью? Тогда всё могло протекать точно так же, как у нас…

В. С.: Да, они были, и благодаря им появились первые элементы жизни. Это элементо­образование пришлось на первые 200–400 млн лет после сотворения Вселенной. В эти времена, думаю, пришельцев не было, или же они чрезвычайно быстро эволюционировали на протяжении менее миллиарда лет. Каков же все-таки механизм появления панспермии с этими пришельцами и как они сами могли возникнуть?

— Честно говоря, можно или ответить, что они возникли так же, как и мы, или углубиться в гипотезы, доказать или опровергнуть которые мы толком не можем.

В. С.: Второй вопрос: вы достаточно скептически отнеслись к возможности переноса биоценозов внутри комет, астероидов между звездами. Казалось бы, метровый слой грунта и криогенные температуры, которые хорошо сохраняют биологические материалы в земных условиях, должны защитить образцы от космического излучения. Астероиды такого сорта могут великолепно летать по Галактике, перенося биоценозы. Разве не так?

— Чтобы ответить по-хорошему на этот вопрос, надо поймать межзвездный астероид и проанализировать его. Насчет метрового слоя сомневаюсь — по-моему, для надежной защиты от гамма-излучения нужен десятиметровый слой грунта. Он потенциально может выполнять ту же функцию, что и атмосфера Земли, эквивалентная десяти метрам воды. Но криоконсервация, используемая на Земле, представляет собой искусственную криоконсервацию в каких-либо специальных средах (с веществами вроде формамида, защищающего мембраны), или в естественной — в вечной мерзлоте. Увы, из нее не удалось воскресить никого старше полумиллиона лет.

В. С.: Насколько я понимаю, биологические материалы — яйцеклетки, сперматозоиды — сохраняются при температурах жидкого азота, не теряя свою жизнеспособность довольно долго.

— Нет, не так долго — десять лет.

В. С.: Но это если мы рассматриваем человеческий материал, а что с бактериями? Споры в космосе подвергаются воздействию температуры в 4 K. Может быть, они будут лучше сохраняться при низких температурах? Там же не будет действовать практически ни одна химическая реакция…

— Это надо проверять. С яйцеклетками точно экспериментировали, и для них жидкий гелий оказался ничуть не лучше жидкого азота.

В. С.: Вы затронули жизнь метеоритов с бактериями и засомневались насчет надежности того, что делается с засорением упавших метеоритов земными микроорганизмами. Но дело-то в том, что с помощью электронной микроскопии можно достаточно легко различить современные бактерии с их элементным составом (он будет включать в себя в основном углерод) и отделить их от окаменевших бактерий, которые сохраняют свою форму, но там уже произошло замещение на тот же самый кремний. Возраст окаменелостей легко определяется по возрасту метеоритов.

— Наверное, настоящие палеонтологи будут бить меня тапками, но… давайте взглянем на рис. 2.

Рис. 2
Рис. 2

В метеоритах обнаруживается очень много всяких микроструктур самого разного происхождения. Одной из последних — и самых странных — находок стал метеоритный белок гемолитин. Его изотопный состав явно указывает на внеземное происхождение, причем на абиогенное — в очень холодных процессах при температуре жидкого гелия. Гемолитин состоит всего из двух аминокислот — глицина и гидроксиглицина (последнего в наших белках нет). Этот метеоритный белок способен образовывать трехмерные матрицы в виде тонких трубочек микронного размера, на которых происходит инкрустация с кремнием. Таким образом, мы имеем дело с белками, а с другой стороны, клеток и преемственности с земной жизнью здесь, скорее всего, нет. Боюсь, что мы и с сотой долей процента не можем утверждать, что происходило на родительских телах хондритов при рождении метеорита и какие от этого могли остаться морфоструктуры. Палеонтологи назовут немало примеров, когда какие-то упорядоченные маленькие структуры, считавшиеся остатками неких мелких живых организмов, на самом деле могут похвастаться абиогенным происхождением. Иногда их даже получалось воспроизвести в лаборатории…

В. С.: Как, впрочем, и наоборот: думалось, что структура якобы абиогенного происхождения оказывается биогенной.

— Наоборот — да, но реже. Чем мельче микрофоссилии и больше промежутки времени мы берем, тем проще наступить на такие грабли. Лучше оставить их настоящим палеонтологам, которые тоже регулярно выступают на «Ученых против мифов». Я упомянул про микрофоссилии, чтобы меня не ругали за замалчивание, но тут — извините — за что купил, за то продал. За биохимию отвечу, а вот за палеонтологию…

В. С.: Здесь возникает куда более серьезное возражение. Если мы все-таки принимаем факт, что жизнь одного из упомянутых вами типов зародилась и возникла в Солнечной системе, то это означает, что она могла зародиться лишь на стадии формирования Солнечной системы, в том же самом протопланетном диске. Те химические и химико-биологические процессы, которые могут проходить в околозвездном диске на стадии так называемого астрокатализа, вполне укладываются в те 10–60 млн лет, необходимых для формирования планет Солнечной системы.

— Да, действительно укладываются.

А. С.: Спасибо большое, Валерий! Коллеги, прошу вас оценить «вредность» оппонента Михаила. Кстати, на сегодня он был последним вредным оппонентом, так что вскоре мы узнаем, кто из них был самым «вредным». Настало время отвечать на вопросы зрителей. Вопрос, присланный Виктором Загребневым, звучит так: «Я читал, что сжатые азотоводороды могут давать гораздо более разнообразную химию, нежели углеводороды. Тогда, может быть, будущее не за кремнием, и средневековые цивилизации Урана и Нептуна только и ждут, пока мы их откроем?»

— Про интересную химию азота при высоких давлениях известно не из экспериментов, но только из квантовомеханического моделирования. Этим занимается, например, группа Артёма Оганова в Сколтехе: азотоводороды — это их история. Молекулы, вылезающие в их моделировании, выглядят очень интересно и красиво, а по сложности их можно сравнить с углеродной биохимией, но проблема в том, что они могут существовать только при чудовищных давлениях. При попытке перенести эксперимент в более-менее комнатные условия всё превратится в газообразный азот и взорвется. В планетах — ледяных гигантах типа Урана и Нептуна — давление достаточное, а азота с водородом много, так что исключать существование такой жизни нельзя, но судьба ее незавидна, ведь с родной планеты в космос ей не выйти. Материалы, которые нужны ей для того, чтобы сохранить внутри космического корабля нужное давление и не взорваться, есть только на родном ледяном гиганте. К ним полететь мы тоже не можем: нас раздавит гораздо раньше. Может быть, какими-то косвенными методами у нас выйдет установить с ними связь, но не более того. Очень грустная история…

А. С.: Спасибо. Поскольку вы согласились на блиц, у вас есть три минуты, чтобы попытаться побить предыдущий рекорд. Это будет непросто. Поехали!

Михаил, как вы оцениваете возможность переноса жизни в породах, отколотых от обитаемых планет в результате глобального катаклизма?

— Оцениваю как вполне возможное.

А. С.: Проводилось ли моделирование, как выглядела бы наша планета, не зародись на ней жизнь?

— Да, конечно.

А. С.: Смогли бы вы взаимодействовать с зеркальными пришельцами или вы бы, например, аннигилировали их как материя антиматерию?

— Нет, материя с антиматерией и хиральность — абсолютно разные вещи. С правохиральными можно нормально взаимодействовать, только не надо пытаться друг друга есть.

А. С.: Не столкнемся ли мы с самими собой в поисках жизни в Солнечной системе?

(Смеется.) В фильме «Солярис» всё в точности так и произошло, но, думаю, именно вашей точной копии вы во Вселенной не найдете.

А. С.: Как насчет жизни из антиматерии?

— Сначала найдите во Вселенной планету или звезду из антиматерии. Насколько я понимаю, у астрономов на эту тему консенсус, что таких тел не бывает.

А. С.: Смогут ли сами люди стать источником панспермии на другой планете?

— Легко! И могли уже стать. Мы уже столько железок накидали на Марс… Если хоть одну из них плохо простерилизовали…

А. С.: Возможна ли теоретически неорганическая жизнь, в которой скорость жизненных процессов во много раз меньше органической?

— Наверное, да, но это явление медленное и печальное.

А. С.: Почему в белках нет аминокислот, где радикал имел бы более одного уровня ионизации?

— В стандартном генетическом коде нет, а с модификациями — гамма-карбоксиглутамат — пожалуйста, есть.

А. С.: А РНК в углекислоте тоже не строится?

— Она не разрывается, но двуспиральные участки расплетаются.

А. С.: Насчет нетоксичности еды с другой хиральностью: а не будут ли здесь в итоге те же проблемы, которые приносят прионы?

— Не знаю. Кстати, прионы иной хиральности в принципе могут быть опасны, особенно если их специально отбирать.

А. С.: Если хочешь выпить с правоаминокислотным другом, то чем закусить?

— Уксусом занюхивать! Уксусная кислота тоже нехиральна.

А. С.: Изо всех азотистых оснований аденин наиболее устойчив к ультрафиолету. Может ли это служить причиной того, что аденозинтрифосфорная кислота — основная энергетическая валюта?

— Все азотистые основания хорошо сопротивляются ультрафиолету. Гуанин в этом плане ничуть не хуже аденина. Думаю, его выбрали из всей четверки потому, что аденин чуть проще и с большим выходом синтезируется абиогенно из синильной кислоты.

А. С.: Время вышло. 12 вопросов — неплохо! А мы продолжаем вопросы в более спокойном режиме от наших зрителей. Вижу свет мобильного устройства — скорее дайте микрофон владельцу.

Анастасия, Ростов-на-Дону: Вопрос формата да/нет: если человек попробует правохиральную пиццу, почувствует ли он ее вкус?

— Вкус точно почувствует. Велись эксперименты на тему вкуса правых аминокислот и левых сахаров. С левыми сахарами работали активнее: на их основе пытаются сделать некалорийный подсластитель. Так вот, большинство правых аминокислот имеют слабенький сладкий вкус. Наши левые аминокислоты — либо горькие, либо сладкие, либо ума́ми, а правые — почти все слегка сладковаты. Так что правохиральная пицца определенно будет обладать каким-то вкусом.

А. С.: Вопрос от Идалтыча, нашего зрителя: «Если кремниевая жизнь была бы возможна, то была бы она клеточной или же напоминала бы жизнь вирусов, или какое-то принципиально другое существование?»

— Наверное, все-таки клеточной, ведь вирусы умеют жить, только паразитируя на клетках. Клеточная жизнь в широком смысле подразумевает отделенность от внешней среды четким барьером, вроде нашей клеточной мембраны. Мне кажется, это довольно универсальный признак любой жизни, осваивающей хоть сколько-нибудь новые среды обитания. Наши микробы могут жить и в море, и в щелочных озерах, и в кислой воде — и при этом поддерживать внутри клетки нейтральную кислотность, потому что клеточная мембрана позволяет им изолироваться от наружной воды.

А. С.: А теперь дайте микрофон молодому человеку во втором ряду, пожалуйста.

Роберт, Владикавказ: Проводились ли какие-то эксперименты, хотя бы косвенно доказывающие, что жизнь может зародиться из ничего?

— Экспериментов, с разным успехом моделирующих разные предполагаемые этапы этого процесса, проведено много тысяч. Они включают образование таких молекул, как аминокислоты и нуклеотиды из более простых химических предшественников, самосборку РНК из нуклеотидов, размножение молекул РНК (с которого, скорее всего, и началась биологическая эволюция) и т. д. Для воспроизведения полного процесса эксперимент, скорее всего, займет миллионы лет и потребует лабораторию масштабов если не Земли, то сотни кубических километров точно. Денег на такое никто не даст… Приходится есть этого слона по частям, дробя процесс абиогенеза на малые этапы и моделируя их по отдельности.

А. С.: Михаил, к слову, написал об этом книжку. Вопрос задает shippernmusic: «К какому типу альтернативной жизни относится живой океан из „Соляриса“ Станислава Лема?»

— Мне кажется, что это относится больше не к биохимии, но к науке, изучающей галлюциногены. Биосфера в виде единственного живого организма невозможна. Требуется много организмов каждого вида, чтобы система была сколько-то устойчива и эволюционировала.

А. С.: Микрофон человеку с планшетом на балконе, пожалуйста.

— У вас в презентации был график распространенности всяких элементов во Вселенной. Он актуален на текущее время или на время формирования жизни на Земле, или же разница непринципиальна?

— Да, график построен на время текущее, но как упомянул вредный оппонент, примерно так же обстояла ситуация через миллиард лет после Большого взрыва. За последний десяток миллиардов лет график не изменился существенно.

А. С.: Вопрос задает Карт Август Аванти: «Вредит ли зацикленность на поиски пригодных для жизни планет и внеземного разума изучению многообразия небесных тел?»

— Нет, конечно, не вредит. Многообразие небесных тел всё равно изучать приходится. Скажем, большинство тел, обнаруженных телескопом «Кеплер», заведомо слишком горячие для жизни. Тем не менее их наоткрывали тысячи. Это было очень важно для понимания того, как получаются планетные системы.

А. С.: Передайте микрофон в середину зала…

Сергей, Москва: Если у Марса была такая фора во много лет, то почему на нем жизнь не прижилась, а у нас прижилась?

— Дальше на Марсе стали портиться условия. Из-за невеликих размеров планеты и малого содержания железа быстрее затухла геологическая активность, исчезло магнитное поле, солнечный ветер начал сдувать атмосферу: Красная планета превратилась в тот холодный и сухой мир, каким мы его видим сейчас. Где-то 1–1,5 млрд лет условия на поверхности были для жизни пригодны. Ныне в самых благоприятных марсианских местах одновременно холодно, как в Норильске; сухо, как в пустыне Намиб; да и радиация дает о себе знать. А в менее пригодных ситуация еще хуже.

А. С.: Вопрос от ir_ra: «Почему вы считаете земную форму жизни правилом, а не допускаете, что она — исключение?»

— Принесите нам тогда правило, утверждающее, что земная форма — исключение. По одной точке графика не построишь, но по ней можно хотя бы понять, что так бывает; а других вариантов мы еще не видели или не сделали.

А. С.: Вот сюда, пожалуйста, передайте микрофон — вижу руку с буклетиком…

Константин, Нягань: Вы говорили, что межзвездная панспермия невозможна из-за того, что заселенцам нечего будет есть. А если вспомнить наши родные организмы, такие как цианобактериальные маты и строматолиты, которым удалось построить энергетически замкнутый цикл — может быть, у подобных организмов получилось освоиться? Особенно если они, как вы сказали вредному оппоненту, залегли на десять метров внутрь грунта и построили там естественный радиоизотопный термоэлектрический генератор…

— Во-первых, замкнутость геохимических циклов строматолитов несколько преувеличена: потери вещества были и там. Во-вторых, строматолиты питались солнечным светом. Они строились на основе бактерий или каких-то еще фотосинтезирующих микробов. В условиях астероида или кометы, летящих сквозь межзвездную среду, света, само собой, ждать не стоит. Существует некоторый выход: среди грибов на Земле есть штаммы, приспособленные к высокому уровню радиации. Они накапливают огромное количество меланина, становясь похожими на черный бархат. Сначала такие выросли внутри Чернобыльского саркофага, испугав исследователей, но потом такие же штаммы обнаружились в дикой природе — в Гималайских высокогорьях, где много ультрафиолета. В лабораториях показали, что эти грибы отчасти могут использовать ионизирующее солнечное излучение — жесткий ультрафиолет, рентген и даже гамма-лучи — в качестве источника энергии. Оно ускоряет рост грибов в три раза в случае бедной питательной среды. Наверное, на этой основе можно сделать форму жизни, которая будет питаться только радиацией, но тут нужно, чтобы облучение было не слишком сильным и не слишком слабым на протяжении сотен тысяч лет. Либо рассматривать вариант с питанием температурным градиентом и естественным РИТЭГом — вот это уже представить совсем непросто. Я не говорю, что меж­звездная панспермия невозможна в принципе: она лишь маловероятна по сравнению с панспермией внутри одной звездной системы. В конце концов, сколько метеоритов падает на Землю каждый год, и сколько межзвездных объектов в Солнечной системе мы видели? На порядок разное количество.

А. С.: Вопрос задает Олег Нечибыло: «Зародилась ли жизнь на Земле единожды — и все существа в принципе друг другу родственники — или же было несколько независимых случаев появления жизни?»

— Если и было несколько независимых случаев, то от них не осталось никаких следов. Всё, что мы видим сейчас, — следы одной попытки. Возможно, она или была единственной, или съела конкурентов, но следов других попыток не видно.

А. С.: Дадим микрофон в левое крыло балкона. Пожалуйста…

Марина, Москва: Хотелось бы уточнить по поводу рис. 2. Вы сказали, что там инкрустируется кремний. Зачем он там, какую функцию он выполняет?

— Непохоже, чтобы он выполнял какую-то функцию. Сейчас это давно мертвые нереплицирующиеся структуры. Предполагается, что когда метеориты возникали в условиях межпланетного облака, репликация была.

А. С.: Следующий вопрос задает Ирина Тохадзе: «Не опасно ли отправлять человека на Марс? Ведь мы уже заносим туда бактерии».

— Если ходить только по поверхности Марса, то занесенное, скорее всего, там же и погибнет. Поверхность такой планеты все-таки жестковата для размножения и выживания. А вот если бурить, то да, безусловно, нужно соблюдать осторожность.

А. С.: Туда, пожалуйста, микрофон…

— Несколько лет назад я нашла сведения о том, что на спутнике Сатурна, на Титане, были найдены озера из углерода — из жидкого метана и этана. Вопрос: стоит ли рассматривать Титан как место, откуда жизнь могла прийти на Землю путем панспермии, или же место, где когда-нибудь может зародиться жизнь? Насколько жизнеспособна эта теория?

— То, что наша земная жизнь происходит с Титана, — это вряд ли. Переход был бы резким: жизнь, которая живет при температуре –170 °C в жидком метане, вряд ли устояла бы в жидкой воде при температуре на градусов двести больше. На Титане пытаются найти жизнь на какой-то другой химической основе — явно углеродную с использованием азота, но при низких температурах и в другом растворителе. Проблема, во‑первых, в том, что жидкий метан — довольно плохой растворитель. (В принципе, чем ниже температура, тем хуже все крупные молекулы растворяются в жидкостях.) Во-вторых, конкретно метан представляет собой неполярную молекулу без местных положительных и отрицательных зарядов, которые есть в молекулах воды, аммиака, углекислого газа, диоксида серы… Из-за этой неполярности растворяющие качества метана ухудшаются еще больше: в нем почти ничего, кроме других углеводородов, и то не слишком тяжелых, растворяться не будет. Химическое разнообразие того, что там возможно в жидкой фазе, как-то маловато.

А. С.: Вопрос задает наш зритель Имре Ач: «Есть же такое слово — „флуктуация“. Ничего не мешает фтору или бору иметь высокую локальную концентрацию. Если взглянуть на элементы с этой стороны, то появятся ли новые перспективные претенденты?»

— Свойства образовывать длинные прочные цепочки из своих атомов — редкое явление в таблице Менделеева. Это умеют делать углерод, кремний, бор; при некоторых условиях на такое становится способен фосфор; при высоких давлениях подобные свойства может проявлять азот (но это еще экспериментально не проверено). Вот и всё. Вариантов немного…

А. С.: Передайте микрофон в ту сторону, пожалуйста.

Ксения, Химки: Есть ли какие-то факторы в зарождающейся звездной системе, которые могут повлиять на хиральность аминокислот и, соответственно, на потенциальную жизнь?

— Отличный вопрос. Откуда вообще в метеоритах взялся перекос хиральности аминокислот — большая загадка. Тут есть две основные группы гипотез, одна из которых связана с астрофизикой, а другая — с физикой элементарных частиц.

Гипотезы первой группы гласят: есть оптические процессы, в которых аминокислоты одной хиральности могут разрушаться ультрафиолетовым излучением сильнее, чем группы хиральности иной. Для этого нужно ультрафиолетовое излучение с так называемой спиральной поляризацией. Это не обычный ультрафиолет, испускаемый по тепловому механизму, но синхротронное излучение, которое исходит из мест с сильными магнитными полями. Есть сильномагнитные белые карлики, испускающие это излучение в большом объеме, но проблема в том, что белые карлики — это трупы звезд, конечная стадия жизненного цикла. Они находятся не там, где зарождаются новые звезды. В газопылевых облаках, где новые звезды рождаются, есть другие источники спирально поляризованного ультрафиолета, связанные с его рассеиванием на магнитных пылинках, но это еще более сложные вещи. Главное, что следует понимать в астрофизических механизмах: в туманности образуются зоны, где преобладают аминокислоты одной хиральности, и зоны, где доминируют аминокислоты другой хиральности. В среднем по туманности тех и тех будет поровну, а в среднем по галактике мы будем находить поровну планет с левой и правой аминокислотной жизнью.

С физикой элементарных частиц история совершенно другая. Вообще в физике есть четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное. Последнее, в отличии от трех других, различает правое и левое. В процессах с участием слабого ядерного взаимодействия, вроде бета-распада, происходит нарушение право-левой симметрии. Вылетающий из ядра при распаде электрон — бета-частица — обладает, насколько я помню, правой поляризацией, и если его аккуратно замедлить, то он будет лучше разрушать правые аминокислоты, а не левые. В молодой Солнечной системе было много короткоживущих бета-радиоактивных изотопов типа алюминия-26 и железа-60. Продуктов их бета-распада тоже могло хватить для объяснения той хиральности аминокислот, которую мы видим в метеоритах. При этом слабое ядерное взаимодействие одинаково работает во всей Вселенной, и если дело в нем, то во всей Вселенной должна быть левоаминокислотная жизнь, а правой быть не должно. Сидя в Солнечной системе, мы не можем различить эти две ситуации: надо либо лететь к другим звездам, либо как минимум ловить межзвездные астероиды и искать в них органику. Какие аминокислоты там будут преобладать — правые или левые? Вот в чем вопрос.

Михаил Никитин,
ст. науч. сотр. НИИ физико-химической биологии им. Белозерского,
автор книги «Происхождение жизни: от туманности до клетки»


1 trv-science.ru/2023/05/populyarno-bez-zanudstva/

2 jinr.ru/wp-content/uploads/Books/The_Orgueil_meteorite_Atlas_of_microfossils.pdf

Подписаться
Уведомление о
guest

5 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Alеx
Alеx
8 месяцев(-а) назад

“У предполагаемых пришельцев — заносителей жизни — на начинающую образовываться Землю было бы не сильно больше времени, чем у нас, чтобы эволюционировать от примитивных форм жизни до космической цивилизации.”

Не понял этого тезиса. На миллион лет больше – это не сильно больше? Миллион лет развития цивилизации – это много или мало? Цифра 4 миллиарда лет – точная или приблизительная? Погрешность этой величины намного больше миллиона лет или ненамного? Совершенно непонятно, что хотел сказать автор.

Alеx
Alеx
8 месяцев(-а) назад
В ответ на:  Alеx

“сотни миллионов, а то и миллиардов лет”

Вероятно, имеется в виду “сотни миллионов, а то и миллиарды лет”.

Alеx
Alеx
8 месяцев(-а) назад

“гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное. Последнее, в отличии от трех других, различает правое и левое”

Помню, в школе было правило буравчика. Разве это не означает, что “электромагнитное взаимодействие различает правое и левое” (что бы это ни значило)? И не об этом ли шла речь в предыдущем абзаце?

torque_xtr
torque_xtr
8 месяцев(-а) назад

Интересная статья, про эксперименты в жидком CO2 раньше не слыхал! Но хотелось бы чуть поспорить и добавить) Солсистема по меркам Вселенной все же очень молода. Звезды солнечного состава появились не сразу, но можно с уверенностью сказать, что 8-10 млрд лет назад условия для образования аналогов Земли уже не были большой редкостью. Кроме того, тут “зачет по первым, кто успел”, а самые первые могли появиться и 11-12 млрд лет назад. Еще до окончательного формирования Млечного Пути, в наиболее быстро эволюционирующих регионах протогалактик. Можете ли прокомментировать еще один вариант экстремальной биохимии – жизнь в океанах расплавленной соли, построенную на металл- и кремний-оксидных полимерах? На мой взгляд, у этого предположения много сильных сторон. Солевые расплавы могут быть довольно распространенными жидкостями на твердых остатках горячих мини-нептунов – на планетах, потерявших несколько земных масс воды под действием экстремального прогрева. Мини-нептунов больше, чем земель, а их остатков – сравнимо с обычными скалистыми планетами. При соответствующих температурах, порядка 600-1000 градусов, кварц и оксиды металлов уже не инертны. Si-O и M-O-полимеры активируются и приобретают подвижность; как белки в воде, при этом сохраняя некоторую устойчивость. Металл-оксидные полимеры могут обладать огромным разнообразием. Основа нашей биохимии – углерод и азот с координационными числами 4 и 3, а металл-оксидной – несколько 3d-металлов с КЧ от 4 до 6 и большим разнообразием геометрий, а так же температурных диапазонов активации. Распространенность их, кроме титана и железа, не очень велика, но в земной коре – сравнимо с углеродом. К тому же, многие “интересные” элементы могут экстрагироваться расплавами в жидкую среду. Из недостатков – соль может оказаться “слишком хорошим растворителем”. Это получше силикатных расплавов и “лавовых монстров”, но все среда все-таки слишком агрессивная и горячая по отношению к предполагаемой основе. Из всего огромного диапазона составов и условий могут оказаться пригодными только редкие низкотемпературные расплавы. По той же причине под сомнением сама устойчивость солевых океанов, они… Подробнее »

protopop47
protopop47
8 месяцев(-а) назад

Спасибо.
Здоровья и удачи!

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (8 оценок, среднее: 4,88 из 5)
Загрузка...