Дед Мороз — творец жизни
Происхождение жизни — по-прежнему главная загадка естествознания. Ученые предложили разные сценарии: от синтеза первых органических веществ в жерлах вулканов до их образования в космосе, однако воспроизвести эти процессы в лабораторных условиях оказалось не так просто. Лишь недавно появилось сообщение о синтезе рибонуклеотидов, но даже эти, безусловно, выдающиеся достижения не дают четкого понимания, как именно возникла жизнь на Земле и только ли на ней имели место такие события. Ясно одно: вероятность случайной самосборки молекул ДНК или РНК практически равна нулю, поэтому для первоначальной (абиогенной) сборки нужна была какая-то матрица, на которой выстроилась первая «молекула жизни» из минеральных и органических компонентов абиогенной природы.
Такой матрицей, по мнению Э.М. Галимова, могли стать глинистые минералы. В.Е. Островский и Е.А. Кадышевич (см. «Химию и жизнь» 2009 №5) считают, что это были кристаллогидраты метана. Согласно гипотезе, предложенной А.М. Асхабовым, матрицами служат кластеры воды, существующие в виде «скрытой» фазы (автор называет их кватаронами). В обоих случаях матрица — это каркас из молекул, пустоты в котором могут заполняться молекулами газов или радикалами органических соединений. Такой каркас, по предположению авторов, обеспечивает абиогенную сборку сложных молекул и, возможно, даже получение хирально чистых продуктов. Разница в том, что гидраты метана — это кристаллы, и сборка происходит в их полости, а клатраты могут существовать и в конденсированной, ив паровой фазе. Такие теории предполагают, что возникновение «молекул жизни» было не единичным актом, а часто повторяющимся событием, которое может происходить и сегодня — и не только на нашей планете.
Большинство гипотез происхождения жизни предусматривает наличие источников тепла, благодаря которым вода находится в жидком состоянии. Это либо тепло Земли, либо излучение Солнца. Между тем не надо забывать, что Земля пережила целый ряд глобальных оледенений и сегодня на ней много областей с постоянными или сезонными отрицательными температурами. А если говорить о космосе, то там все время довольно холодно. Об этом образно пишут А.Н. Хименков и А.В. Брушков, авторы книги «Введение в структурную криологию»: «Сегодняшнее состояние Вселенной можно сравнить с окончившимся праздником: вспышки фейерверка остались в прошлом, искры в виде звезд пока горят, но все пространство уже наполнил холод с температурой, близкой к абсолютному нулю, и лишь близость к звездам позволяет некоторым планетам иметь такую роскошь, как жидкая вода».
Учитывая такую распространенность отрицательных температур, можно предположить, что они, равно как процессы промерзания и протаивания, каким-то образом повлияли на синтез биомолекул в пределах Земли, а может быть, и на других планетах. Гипотеза, предложенная В.Е. Островским и Е.А. Кадышевич, лучше других показывает возможную роль отрицательных температур в возникновении жизни.
Газовые кристаллогидраты, которые согласно этой гипотезе служат первичной матрицей для сборки сложных биологических молекул, широко распространены на Земле в областях вечной мерзлоты, а также под дном морей и океанов, где господствуют низкие температуры и высокое давление. В 70-х годах ХХ века после изучения химических реакций в промерзающих растворах ученые доказали, что скорость некоторых из них, в том числе и реакций со сложными органическими веществами, не уменьшается с понижением температуры раствора ниже 0°С, а иногда даже возрастает. Скорость реакций увеличивается не только потому, что остаточный раствор становится более концентрированным, но и потому, что растущие кристаллы льда работают как катализаторы.
Надо отметить еще одну особенность промерзающих водных растворов. Между растущими кристаллами льда и жидкой фазой возникает разность электрических потенциалов (их называют потенциалами Воркмана–Рейнольдса, или потенциалами замерзания). Поскольку в промерзающем грунте исследователи наблюдали разделение водородных и гидроксильных
ионов и подкисление промерзшей части системы, есть предположение, что именно это и создает разность потенциалов. Нельзя исключить, что эти разделенные заряды как-то «работают» ив реакциях синтеза первых органических молекул — предшественников «молекул жизни».
Низкие температуры, возможно, регулируют еще один аспект той загадочной первичной реакции. Они предотвращают или тормозят разрыв длинных молекулярных цепей, который происходит за счет энергии теплового движения молекул. При объединении аминокислот в полипептидные цепи выделяется вода, поэтому если удалять ее из системы, то скорость реакции полимеризации должна расти. Таким образом, и с этой точки зрения промерзание системы может способствовать образованию молекул жизни. А сформировавшиеся живые организмы вполне способны существовать при низких температурах, о чем свидетельствуют, например, находки жизнеспособных микроорганизмов в кернах антарктического льда, сохранявшихся в состоянии анабиоза десятки и даже сотни тысяч лет.
Предполагая, что жизнь зародилась при участии низких температур и процессов промерзания, надо сделать одну оговорку: более вероятно, что живые молекулы сформировались все-таки не в твердой фазе промерзающей системы, а в приграничной жидкой фазе. Поэтому, например, в районах вечной мерзлоты область зарождения жизни может находиться под ее подошвой, а в морях и океанах — ниже слоя газовых кристаллогидратов. В пользу того, что жизнь могла возникнуть не на поверхности Земли, а на глубине, свидетельствует гораздо более позднее появление фотосинтеза и кислородного дыхания организмов.
Предложенный В.Е. Островским и Е.А. Кадышевич сценарий возникновения жизни, в котором участвуют газовые гидраты в глубинах Земли или под дном океанов, низкие температуры и процессы промерзания-протаивания, по крайней мере, не противоречит физико-химическим
законам и существовавшим в прошлом условиям окружающей среды. Такой подход объясняет и то, почему до сих пор не найдена жизнь на Марсе. Ведь там ее искали на поверхности планеты! Между тем на ней нет жидкой воды, а любые проявления жизни убивают жесткая радиация и окислительная среда (перекись водорода и перхлораты), обнаруженная при исследовании марсианского льда. В то же время на Марсе существует мощный (до 4–5 км) слой вечной мерзлоты, под которым могут быть и жидкая вода, и залежи криогидратов. Поэтому проявления жизни на Марсе целесообразно искать в местах
выхода подземных вод, которые видны на снимках — темные полосы на крутых обрывистых
склонах эскарпов и других образований. Возможно, жизнь найдут и на крупных спутниках Юпитера, например на Европе, где, по-видимому, существует океан жидкой воды под ледяным покровом, а также на спутнике Нептуна Тритоне, на котором есть криовулканизм.