Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Возникает вопрос: почему в ранней Солнечной системе, в которой образовались метеоры, предпочтение отдавалось «левым» молекулам? Существует несколько объяснений, но у меня есть любимое. В главе 15 мы еще узнаем, что незадолго до того, как начала формироваться Солнечная система, недалеко от нас взорвалась звезда. Одно из последствий такого звездного взрыва – это коллапсирующее звездное ядро, имеющее плотность атомного, но длиной 10 км в поперечнике, нейтронная звезда (см. гл. 16). Эти удивительные объекты вращаются с невероятной скоростью (до пятидесяти раз в секунду), и их магнитное поле от 10 до 100 триллионов раз сильнее, чем у Земли. В результате вдоль их северных и южных магнитных полюсов в космос, точно луч от маяка, изливается излучение. Одно из свойств этого излучения заключается в том, что оно циркулярно поляризовано; то есть ориентация осциллирующих электрических и магнитных полей, которые мы обсуждали в главе 4, проходит по кругу по мере их движения в пространстве.
Свет одного из полюсов нейтронной звезды вращается по часовой стрелке, а свет другого полюса – против часовой. Свет с круговой поляризацией может вызывать колебания молекулярных связей и, если возбуждение становится слишком сильным, разрушать их. Правосторонние молекулы охотнее отзываются на вращение по часовой стрелке, и если бы полюс близкой к нам нейтронной звезды, вращающийся именно так, был направлен в сторону газопылевого облака, которому предстояло стать Солнечной системой, это могло бы методично разрушать больше «правых» молекул, чем «левых». Так может быть, именно благодаря этому произошло смещение, в результате которого сам характер жизни стал «левосторонним». Впрочем, даже несмотря на всю привлекательность этой яркой картины, она не может объяснить самые большие излишки, наблюдаемые в метеоритах, – по всей видимости, необходимы еще и процессы обработки, происходящие в родительском теле метеора и до, и, возможно, после его падения на Землю17.
Выше я неоднократно называл «жизнь» левосторонней, но это применимо только к хиральным примерам среди двадцати аминокислот – главных «кирпичиков», из которых строятся белки. Код для построения этих аминокислот хранится в гигантской молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Спиральный остов молекулы ДНК, удерживающий кодирующие биты, представляет собой молекулу сахара (C5H10O4), а все сахара, как выяснилось, – это правосторонние молекулы (иными словами, остов ДНК закручивается вправо). Пробьет ли это брешь в моих изящных рассуждениях о происхождении и избытке левосторонних аминокислот?
Нет, это не окажет никакого влияния. В 2004 году Сандра Пиццарелло из Университета штата Аризона объединила изовалин с избытком левосторонних молекул, обнаруженный в метеорите Мерчисон, с гликольальдегидом и формальдегидом – двумя молекулами, которые, как считалось, преобладали на молодой Земле. В результате химической реакции образовалась треоза (C4H8O4), несколько более простой сахар, чем дезоксирибоза ДНК, который, как предположили ученые, мог быть предшественником самовоспроизводящихся молекул ДНК, составляющих в наше время основу жизни. Треоза, полученная из смеси Пиццарелло, имела 5-процентный избыток правосторонних молекул, возможно, предшественников «правонаправленного» мира сахаров, которые преобладают сегодня18. Кроме того, недавно сообщили о том, что в Мерчисонском метеорите обнаружили рибозу (сахар, лежащий в основе РНК), и в ней тоже наблюдается большой избыток правосторонних молекул19.
Несмотря на все эти заманчивые подсказки о происхождении жизни на Земле, мы по-прежнему далеки от полной картины. Как отмечалось выше, мы знаем, что это не заняло много времени, но мы не знаем, насколько быстро все произошло. Нам известно, что жизнь возникла по крайней мере однажды, но мы так и не смогли понять, произошло ли это хотя бы несколько раз пусть даже в нескольких местах (это важное соображение при рассуждениях о распространенности жизни в других местах Вселенной). И кроме того, мы не представляем, как именно произошел решающий первый шаг – переход от химических реакций, которые случаются по всему космосу, к биохимическим реакциям, до сих пор уникальным для Земли.
 
 Эволюция с изначальных времен 
В наши дни жизнь на Земле можно разделить на три отдельных надцарства: бактерии и археи – два домена одноклеточных организмов, не имеющих клеточного ядра, и эукариоты – домен, куда входят все остальные, от одноклеточных диатомей до человека. Мы направили немало усилий на то, чтобы описать нашего последнего универсального общего предка (LUCA)20 и установить его возраст – в первую очередь мы пытались опознать гены, наиболее распространенные во всех надцарствах, а затем, исходя из белковых продуктов, кодируемых ими, представить, на что был похож этот одноклеточный организм. К сожалению, на сегодняшний день не существует ни тикающих атомных часов, ни уникальной химической сигнатуры, способной помочь нам в этом поиске.
Однако ясно одно. Вскоре после того, как возникла жизнь, вступила в действие магия дарвиновского естественного отбора, и новые формы начали быстро осваивать самые разнообразные экологические ниши, доступные на планете, благодаря чему Земля, по сути, стала биологическим местом – таким, где жизнь формировала среду, а среда формировала жизнь. В следующей главе мы рассмотрим некоторые из этих симбиотических взаимодействий.
 Глава 14 
 Что там, в воздухе? Эволюция земной атмосферы 
То, что жизнь возникла на Земле, а не на другой планете Солнечной системы (предположим, что там она все-таки не возникла), – это не случайное совпадение. Сложные и довольно хрупкие молекулы жизни нуждаются в питательной среде, в которой они могли бы формироваться и развиваться. Самый важный момент – температура. Если слишком жарко, атомы и молекулы движутся быстро, и столкновения между быстрыми молекулами, скорее всего, разорвут их на части. Если слишком холодно, все конденсируется в твердую фазу, в которой атомы зафиксированы на месте, поэтому им трудно перемещаться и находить себе товарищей, с которыми можно соединиться, чтобы образовать молекулы.
Уравнение «поступившая энергия = выделенная энергия», представленное в главе 11, позволяет оценить температуру любой планеты, учитывая мощность ее родительской звезды и ее расстояние от этой звезды. Земля – единственная планета в Солнечной системе, на которой эта оценка температуры находится в зоне Златовласки – не слишком жарко и не слишком холодно. Однако, как отмечалось в главе 11, расчеты для голой Земли дают немного более прохладную температуру в –5 °C для большей части планеты. Наш атмосферный покров делает климат идеальным.
Атмосфера Земли находится в зоне Златовласки и по количеству воздуха, которым мы располагаем. Плотность атмосферы Венеры в 100 раз выше, а из-за неконтролируемого парникового эффекта (см. ниже) температура ее поверхности составляет почти 480 °C. Марс имеет только 1 % земной атмосферы, и поскольку он к тому же располагается дальше от Солнца, температура его поверхности составляет –60 °C. Наш воздух, простирающийся над поверхностью лишь на 1 % радиуса Земли и содержащий лишь 1 миллионную долю массы планеты, как раз подходит для создания оптимальных условий для формирования и развития сложных молекул. Так было не всегда, и более того, само существование жизни сильно изменило состав нашей атмосферы и продолжает делать это по сей день.
 Первозданная атмосфера 
Как отмечалось в последней главе, Солнечная система состоит преимущественно из Водорода и Гелия. Как следствие, в атмосфере каждой планеты изначально преобладали именно эти два элемента, а также простые молекулы, которые Водород может образовывать со следующими по распространенности элементами: Кислородом, Углеродом и Азотом: вода (H2O), метан (CH4) и аммиак (NH3). Обратите внимание, что изобильно встречающийся Водород присоединяется к каждому атому с достаточным количеством друзей, чтобы заполнить пустоту на внешней электронной оболочке своих более тяжелых «спутников» – два его атома вступают в связь с Кислородом, три – с Азотом и четыре – с Углеродом, как показано в главе 3. Сегодня в земном воздухе содержится 77,9 % N2, 20,9 % O2 и 0,9 % Аргона. Пять изначальных атомов и молекул в совокупности составляют менее 0,25 % современной атмосферы Земли, и большая часть этой массы – это итог испарения H2O из океанов, покрывающих 71 % планеты. Содержание Гелия составляет всего 5 миллионных долей (ppm); метана – 1,9 ppm; H2–0,5 ppm; а на долю аммиака, впервые обнаруженного в воздухе только в 2016 году, приходится 0,000033 ppm. Что привело к таким радикальным изменениям?