Вселенская левизна

Пожалуй, один из главных вопросов, связанный с многовековым спором о происхождении оптической асимметрии живого вещества, звучит так: этот феномен земного происхождения или носит вселенский характер? Ответ на него принципиален. Если первое, значит, жизнь на Земле может быть уникальным явлением и никаких братьев не то, что по разуму, но даже по ДНК у нас скорее всего нет. Если же левизна аминокислот и правизна сахаров имеет вселенское происхождение, значит, в любом ее уголке на определенной стадии развития планетарных систем возникают условия для появления именно нашей, углевод-азотной жизни. Тогда и собратья по ДНК имеются. Ответ на такой вопрос связан с астрономическими штудиями. Оказывается, они предоставляют немало материала для размышлений.

Облака межзвездного газа наполнены углеродной пылью, на частицах которой может протекать синтез органики, причем с избытком L-аминокислот и D-сахаров, лежащих в основе земной жизни. Это облако в созвездии Большого пса, названное за свою форму Шлемом Тора, раздувает ветер, дующий от расположенной в центре яркой звезды Фото: ESO/B. Bailleul

Углеродный туман

Начнем с базового условия: для углеродной жизни нужен углерод. Источник его один — горение гелия в звездах-гигантах. А вот путей распространения углерода по галактикам два. Первый — взрыв сверхновой; содержащийся в ней углерод разлетается по объему туманности, созданной такой звездой. Второй — испарение звезды, производящей углерод. Неподалеку от Солнечной системы, на расстоянии 650 световых лет расположена такая звезда — CW Льва, или IRC +10216, и о процессе рождения углеродного вещества легко судить по спектральным характеристикам окружающего звезду облака пыли.

Этот красный гигант миллиард лет назад исчерпал свой водород, и в нем началось горение гелия с образованием углерода. При этом в окружающее пространство он выбрасывает вещество с такой интенсивностью, что должен бы давно испариться: четыре массы Солнца за 100 миллионов лет. Такая огромная интенсивность испарения связана с тем, что звезда очень скоро взорвется: жить ей осталось не более 50 тысяч лет. Однако уже сейчас испарение вещества создало столь плотную атмосферу, что красный гигант находится за густой завесой пыли. Поэтому в видимой части спектра этот красный гигант кажется неприметной точкой, проявляя всю мощь своего свечения в инфракрасной области.

Пыль получается за счет конденсации вылетевшего из звезды вещества. В частности, есть мнение, что углерод собирается в графитовые пылинки. И на них-то и происходит синтез органики, в том числе аминокислот. Сырьем для него может служить углерод самой частицы, если на нее осели кислород, водород, азот. А могут быть и более сложные образования, ведь атмосфера звезды наполнена молекулами разных веществ. Есть в ней угарный газ, ацетилен, метан, аммиак, разные цианосоединения и даже короткие цепочки из атомов углерода — готовые каркасы для получения углеводородов. Получается, что у ближайшего к нам красного гиганта есть условия для синтеза первых кирпичиков жизни и вряд ли этих условий нет у мириад таких звезд, разбросанных по Вселенной.

Аналогично может формироваться углеродное вещество и в облаках, оставшихся после взрыва сверхновой, хотя в атмосфере еще не взорвавшейся звезды процесс идет лучше — все-таки плотность вещества там гораздо выше. И вся эта пыль разносится по пространству звездными и галактическими ветрами.

Получается, что органические молекулы возникают непрерывно с древнейших времен: с появления во Вселенной углеродных звезд. А вот сумели ли из них действительно синтезироваться аминокислоты и можно ли узнать, как у них с хиральностью? Увы, на это нет ответа. Единственная аминокислота, замеченная в космическом пространстве, это глицин. И, как назло, у нее нет оптической изомерии. А концентрация остальных, видимо, слишком мала, чтобы их можно было заметить с Земли.

Солнечная аминокислота

Раз не удается получить галактические данные, сузим круг поиска. Углерода в Солнечной системе много, его даже специально искать не надо. А можно ли найти аминокислоты и проверить их хиральность? Оказывается, да, и эту работу ведут геохимики.

Чтобы изучить внеземную органику вовсе не обязательно лететь в космос, хотя покопаться, скажем, в хвосте кометы тоже интересно, и это делали. Внеземное вещество валяется буквально под ногами: это метеориты. Даже имея разное происхождение, они несут в себе немало сведений о химическом составе вещества протопланетного облака, породившего Солнечную систему, и его превращениях вне зависимости от наличия жизни.

Основным источником информации о наличии аминокислот в этих небесных телах долгое время был Мурчисонский метеорит весом 108 кг, который упал в 1969 году в Австралии. Изучая его фрагменты, исследователи спустя год впервые нашли внеземные аминокислоты. Правда, поначалу, различий в содержании изомеров не заметили. Более того, это равенство как раз и посчитали доказательством внеземного происхождения аминокислот. Шло время, совершенствовались методы исследования, и вот в 1990-м году, опять-таки в образце этого метеорита обнаружили, что L-изомера аланина, одной из важнейших для земной жизни аминокислот, на треть больше, чем D-изомера.

Это открытие вызвало некоторый конфуз. Ведь теперь для доказательства, что это внеземные аминокислоты, ссылка на равенство содержания изомеров не годилась. Тогда привлекли изотопный анализ. Оказалось, что в метеоритных аминокислотах заметно больше тяжелых изотопов всех четырех элементов жизни — водорода, углерод, азота и кислорода, — чем в аминокислотах земного происхождения. Кроме того, изотопные составы обоих изомеров метеоритных аминокислот совпадали, а ведь D-аминокислотами никак нельзя было загрязнить метеорит ввиду их отсутствия в нашей природе.

Со временем были найдены схожие хиральные аномалии для других аминокислот, в том числе тех, что входят в состав белков, — серина, треонина, пролина, изовалина, глутаминовой и аспарагиновой кислот. Нашли избыток L-аминокислот и в новых метеоритах. А с началом раскопок в Антарктиде в распоряжении исследователей уже имеются тысячи метеоритов разного размера и происхождения. Поэтому статистика наблюдений росла, и со временем вырисовалась такая картина. Аминокислоты, соответствующие тем, что присущи жизни, имеются отнюдь не у всех метеоритов. Они присутствуют главным образом в небольшой, три класса, группе углистых хондритов: входящие в нее метеориты не испытывали сильного нагрева, но подвергались умеренному воздействию воды, о чем судят по содержанию гидратированных минералов. В хондритах других классов либо аминокислот очень мало, либо их строение совсем не годится для изготовления белков земной жизни.

С сахарами история схожая, однако пока что не удалось найти разницы в содержании изомеров двух главных сахаров жизни — рибозы и дезоксирибозы (они составляют основу соответственно РНК и ДНК). Надежно установлено лишь, что глюконовая кислота, продукт окисления глюкозы, представлена в метеоритах исключительно D-изомерами.

Так выходит, что в Солнечной системе, а, скорее всего, и во всей Вселенной, ведь законы физической химии универсальны, имеется заметная оптическая асимметрия у аминокислот и сахаров, возникших непосредственно в космическом пространстве, вне каких-то крупных космических тел. И причина этой асимметрии — действие законов химии и физики. Каких — пока что неизвестно.

К вопросу о жизни во Вселенной

Вселенская оптическая асимметрия первичных кирпичиков жизни, следующая из изучения метеоритов, имеет два важных значения — теоретическое и практическое. В теории, ее обнаружение улучшает понимание хиральной загадки жизни. Предположим, что метеоритные аминокислоты вносили заметный вклад в аминокислотный состав той лужи, где возникла жизнь. Это не фантазии. Сейчас в год на Землю падает 400 тыс тонн внеземного вещества, а в древности, несомненно, поток был в сотни и тысячи раз больше. В этом случае, в упомянутой луже исходно было преимущество одних изомеров над другими. Поэтому не было никакой случайности в выборе L-кислот и D-сахаров: у эволюции отсутствовала свобода выбора, ей пришлось иметь дело с готовым хирально неоднородным материалом.

А практическое значение метеоритные аминокислоты имеют для поисков жизни. И, более того, полученные при изучении метеоритов результаты специалисты НАСА серьезно намерены использовать в своей работе. Согласно их мысли, наличие в образце внеземной породы оптической асимметрии аминокислот (их проще анализировать, чем сахара, поэтому речь главным образом о них) можно считать следом жизни — необходимым, но не достаточным, ведь такая асимметрия бывает и не связанной с жизнью. Поэтому нужно наложить еще два условия. Во-первых — изотопный состав: если найденные аминокислоты будут состоять из более легких изотопов, чем остальная органика метеорита, это окажется сильным аргументом в поддержку внеземной жизни. А во-вторых, таких аминокислот должно быть немного. Например, земной жизни хватает двадцати штук. Сейчас в метеоритах находят гораздо большее число аминокислот, и основная часть из них не входит в состав известных нам белков.

Вот на поиски таких следов и будут нацелены перспективные межпланетные экспедиции, которые станут изучать грунт астероидов, планет, вещество комет. Как на месте, так и после доставки образцов на Землю. Наверное, их результаты позволят нам продвинуться в понимании феномена жизни и ее оптической асимметрии.