Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Эти крошечные кристаллы циркона пережили разрушение горных пород, в которых образовались. Древнейшие цельные породы континентальной коры были найдены около десяти лет назад в северной части Квебека в Канаде. Установить их возраст нам помогли два редкоземельных элемента: Самарий (Sm) и Неодим (Nd). Самарий, 62-й элемент, имеет пять стабильных изотопов и два очень долгоживущих радиоактивных изотопа: 147Sm (t½ = 105 миллиардов лет) и 148Sm, который живет в 75 000 раз дольше (пока что он практически неотличим от стабильного). 147Sm претерпевает альфа-распад до 143Nd. С момента возникновения Солнечной системы распалось лишь 2,9 % этого изотопа, но этого достаточно, чтобы увеличить количество 143Nd в метеорах, обнаруженных сегодня, по сравнению с более молодыми земными породами, в которых Самарий присутствовал не так долго и, таким образом, произвел меньше Неодима. Определять возраст горных пород нам помогают «изохроны» – немного сложная процедура, которую мы объясним в главе 14, когда будем говорить о рождении Солнечной системы. Но применение этого радиоактивного хронометра к обнажениям магматических пород на севере Квебека дает возраст от 4,3 до 4,4 миллиарда лет. Они лишь немного моложе австралийских цирконов, и это также доказывает, что Земля уже тогда – спустя всего лишь 0,2 миллиарда лет после своего образования – была похожа на себя нынешнюю5.
Сколько времени потребовалось, чтобы появилась жизнь? Как и следовало ожидать, поиск древнейших свидетельств жизни порождает немало споров и конкурентных предположений. На момент выхода этой книги в печать самая старая из этих гипотез основана на анализе соотношения изотопов Углерода в графите, обнаруженном в старых горных породах на канадском острове Ньюфаундленд. Уран-свинцовое датирование цирконов в этом обнажении, трансформированном из осадочных пород, показывает, что их возраст составляет 3,95 миллиарда лет. Исследователи извлекли Углерод из карбонатных пород, а также из найденного в камнях графита, и обнаружили, что соотношение 13C/12C в карбонате более чем на 2,5 % превышает соотношение в графите (–0,26 % против –2,82 % по сравнению со стандартным значением). Как мы показали в главе 10, в ходе химического встраивания Углерода из окружающей среды в свои молекулы живые существа систематически отвергают более медленный и тяжелый изотоп 13C. Изучив все геологические процессы, затронувшие эти породы за почти 4 миллиарда лет, исследователи пришли к выводу, что графит, по всей видимости, произвели одноклеточные организмы, извлекавшие питательные вещества непосредственно из окружающей среды (так называемые автотрофы)6. Впрочем, с такой трактовкой согласны далеко не все.
Менее спорны свидетельства, полученные в ходе изучения строматолитов – слоистых пород, которые образованы фотосинтезирующими бактериями в виде больших матов, содержащих триллионы организмов. Считается, что именно цианобактерии ответственны за появление большей части Кислорода в атмосфере Земли (см. ниже). Они создают такие структуры в соленой среде и сегодня (например, в Большом Соленом озере и подобных озерах с высоким уровнем солености, а также в морских лагунах). Возраст окаменелых австралийских строматолитов, по разным оценкам, доходит до 3,4–3,7 миллиарда лет, и в некоторых случаях в них наблюдается дефицит 13C, чего можно ожидать от фотосинтезирующих организмов.
Похоже, что жизнь не только возникла, но и распространилась в достаточной степени, чтобы оставить ископаемые свидетельства в период, охвативший время от 4 до 3,5 миллиарда лет назад. Это не такой уж и долгий срок, особенно если учесть, что в течение первых 100–200 миллионов лет Землю все еще бомбардировали камни из космоса и она по-прежнему охлаждалась из своей изначальной расплавленной формы. Как мы увидим в главе 16, Солнце останется относительно неизменным на протяжении 10 миллиардов лет, а значит, жизнь возникла всего лишь примерно за 6–8 % жизни нашей звезды. В каком-то смысле это неудивительно, поскольку нам известно, что все сырьевые материалы (органические молекулы, о которых мы говорили выше) присутствуют именно в газовых облаках, заполняющих межзвездное пространство, где рождаются новые солнечные системы. Естественно, здесь есть пропущенный этап – он заключается в том, как совершился переход от этого исходного материала к самовоспроизводящимся организмам, которые хранят информацию в своих молекулах ДНК и передают ее новым поколениям, – с накоплением случайных ошибок, которые ведут от цианобактерии к вам.
 
 Левонаправленная жизнь 
К настоящему моменту нас устраивает тот факт, что каждый из основных строительных блоков материи – элементов – имеет множество разновидностей, называемых изотопами. Более того, мы видели, насколько они полезны в воссоздании истории. Основные «кирпичики» можно объединять в миллионы различных комбинаций – молекул, каждая из которых обладает специфическими свойствами, зависящими от точного сочетания задействованных атомов. Но оказывается, что некоторые молекулы, даже состоящие из одинаковых комбинаций атомов, могут относиться к разным ароматам. Мы называем такие молекулы правосторонними и левосторонними, а само подобное представление – хиральностью.
Рис. 13.1. Правосторонние и левосторонние изомеры молекулы бутанола. Хотя две молекулы имеют одинаковую химическую формулу, невозможно повернуть одну из них так, чтобы она стала точной копией другой; как и ваши руки, они зеркально отражают друг друга (обратите внимание на расположение полосатого атома Кислорода)
Подозреваю, что ваши руки удивительно похожи. Но это не значит, что вы можете надеть на правую руку перчатку для левой руки – как бы вы ее ни вращали и ни скручивали, ваша правая рука туда не войдет. Ваши руки – зеркальные отражения друг друга. Так же и две молекулы с совершенно одинаковой химической формулой – одинаковым количеством атомов каждого типа с одинаковыми химическими связями – могут быть зеркальными отражениями. Один из простейших примеров – бутанол (C4H10O), бесцветный легковоспламеняющийся спирт, используемый в промышленном изготовлении пластмасс и смазочных материалов (см. рис. 13.1).
В биологических процессах точная форма молекулы имеет решающее значение. Именно она определяет, как молекула взаимодействует со своими соседями и как она ведет себя при движении по миру. Для тысяч различных белков в каждой вашей клетке характерна очень специфическая форма, определяющая их функции, и они могут складываться в сложные структуры, определяемые точным расположением их химических связей. Более того, хиральные молекулы, как и наши руки, имеют разную форму, и, следовательно, «левые» и «правые» молекулы обладают разными свойствами: например, левосторонняя версия карвона (C10H14O) пахнет мятой, а правосторонняя – тмином. Именно благодаря разной форме они захватывают и стимулируют разные рецепторы в носу и посылают в мозг разные сигналы. У аспартама, искусственного подсластителя, который в 200 раз слаще сахара, сладка только левосторонняя версия молекулы; версия «для правшей» безвкусна – опять же, разные формы предполагают блокировку разных рецепторов, посылающих разные сигналы в наш мозг.
Многие органические соединения тоже хиральны. К примеру, при использовании препарата под названием пеницилламин (C5H11NO2S) для лечения острого ревматоидного артрита, а также других состояний необходимо соблюдать осторожность, выбирая и вводя только правосторонние молекулы, поскольку левосторонняя версия токсична – она блокирует действие незаменимого витамина B6. Пожалуй, самый печально известный и трагический случай хиральности лекарства – талидомид. В конце 1950-х годов его продавали в Германии для облегчения утренней тошноты у беременных, и он стал причиной от 5000 до 10 000 тяжелых врожденных дефектов и сотен смертей младенцев7. Эти проблемы вызывает только левосторонняя молекула, но поскольку в то время это было неизвестно, препарат продавался в виде так называемой рацемической смеси – равных количеств право- и левосторонних молекул (равная смесь – это то, что получается в типичном процессе химического синтеза любой молекулы)8.