Історія життя

На стіні наукового відділу редакції Economist висить знімок Extreme Deep Field, зроблений американським космічним телескопом «Габбл». Дивлячись на це фото, справжній масштаб Всесвіту уявляється на якомусь підсвідомому рівні. Картинка показує ділянку неба розміром менш як 1/150 повного Місяця. У цій краплі в космосі понад 5 тис. галактик. Якщо ж спроектувати це число на все небо, вийде, що тільки в частині Всесвіту, що лежить у нашому полі зору, близько 150 млрд галактик. У кожній із них, своєю чергою, мільярди зірок. Хто коли-небудь замислювався над цими цифрами, безперечно, думав і про те, чи можуть десь в обширах космосу повзати, літати чи стрибати інші форми життя, а може, ставити собі те саме питання, що й ми. Відповіді не знає ніхто. Але в 1961 році американський астроном Френк Дрейк запропонував ефективний підхід до таких роздумів. Він за­уважив, що кількість планет, на яких може бути життя, має залежати від кількості материнських зірок, навколо яких вони обертаються, кількості планет, що сформувалася навколо материнських зірок, частки цих планет, що придатні до життя, планет, на яких уже зародилося життя, і так далі. Рівняння Дрейка (див. «Де всі?») – це інтуїтивне припущення, виражене в кодах формули. Якщо зібрати достатньо інформації та екстраполювати її на масштаби Всесвіту загалом, то можна отримати відповідь.
Фізичні компоненти рівняння заповнити просто. Завдяки знімкам на кшталт Extreme Deep Field науковці добре уявляють, скільки існує зірок. Вивчаючи екзопланети — тіла, які обертаються навколо не Сонця, а інших зірок, вони дістали додаткові свідчення й про планети. Відомо про існування близько 2 тис. екзо­­планет, на підставі чого можна дійти висновку, що їх має більшість зірок. Припустити, на скількох із них можливе життя, важче переважно через визначення поняття «придатність до життя». Але, навіть за найскромнішими оцінками, таких світів лише в Чумацькому Шляху мільярди. З біологічними компонентами рівняння значно складніше. Єдиний відомий науці приклад, від якого та може відштовхуватися в екстраполяції на Всесвіт загалом, — життя на Землі. Але, якщо науковцям вдасться збагнути, як зароджується життя деінде, це дасть їм ключ до розуміння того, наскільки велика чи мала ймовірність зародження і які для цього потрібні умови. Таке знання вже буде прогресом. Та й питання початку життя на Землі вкрай важливе саме по собі.

Познайомтеся з предками

Відповідь можна шукати у два способи: перший — відштовхуватися від елементарної хімії, другий — відштовхуватися від наявних клітин.

У сучасних клітинах генетична інформація кодується за допомогою довгих ланцюгів ДНК, а передається коротшими ланцюжками РНК. Білки, що формуються за допомогою цієї інформації, каталізують хімічні реакції, необхідні для життєздатності клітин. Така трирівнева система просто не могла раптом з’явитися в якийсь момент у повністю сформованому вигляді. Однак один із її складників — РНК — здатний виконувати функції двох інших, а відтак можна припустити, що з’явився раніше за них. РНК, як ДНК, може зберігати генетичний код у відповідній послідовності компонентів і, як білок, пришвидшувати хімічні реакції, зокрема власну дуплікацію.

Читайте також: На зламі епох

На користь гіпотези про походження сучасних клітин від форм життя, що зародилися власне від РНК, свідчать деякі інші фактори. Майже у всіх наявна рибосома — молекулярна «фабрика», що синтезує білкові ланцюги з амінокислот. Найімовірніше, така ключова для життя структура зберігається без змін уже довгий час, можливо, навіть мільярди років. Ключова ланка у функції рибосоми, у якій, власне, формується ланцюг, — це один довгий ланцюжок РНК. У сучасних клітинах також мітяться хімічні елементи, відомі як рибозими — ензими, синтезовані з РНК, а не білків; вони виконують різні важливі клітинні функції. Як і рибосоми, вони можуть бути «біо­хімічними рештками» найдавніших форм життя.

У теорії такий рибонуклеїновий світ, де невеликі ланцюжки елементів самовідтворювалися, а іноді мутували, можливий. Але тут виникає інше питання: звідки постала РНК? У пошуках відповіді інші дослідники вдалися до протилежного підходу: почати з хімії й подивитися, що з того вийде.

Трирівнева система функціонування сучасних клітин із ДНК, РНК і білків не могла в якийсь момент раптом з'явитися у сформованому вигляді

Найвідоміший такий експеримент провели 1952 року Стенлі Міллер та Гарольд Юрі. Вони наповнили ємність водою, воднем, амонієм і метаном — вважається, що приблизно з цих елементів складалася молода атмосфера Землі. За допомогою енергії — електричної іскри (замість блискавки, хоча необхідними каталізаторами на початку життя могли бути й ультрафіолетові сонячні промені) — ці хімічні елементи об’єдналися в більш тривкі та складні сполуки, які осіли на дні ємності у вигляді густого смолянистого коричневого осаду. Аналіз цього болітця виявив, що воно містить, зокрема, кілька амінокислот.

З часу проведення того експерименту гіпотеза Міллера — Юрі про «прадавній суп» втратила актуальність. Її критики зазначають, що навіть за дуже сильної блискавки інтенсивність хімічного синтезу була б украй низькою. Крім того, не зрозуміло, у яких пропорціях мають сполучатися хімічні компоненти такого «супу». Зате постали інші ідеї. Дослідник НАСА Майкл Рассел стверджує, що життя могло зародитися у підводних «білих курцях» — гейзерах нагрітої вулканом і збагаченої мінералами води, що струмує з-під океанського дна. «Курці» мають схожу на бджолині стільники структуру, а експерименти Ніка Лейна з Університетського коледжу Лондона засвідчили, що їхні пори можуть діяти як примітивні клітини, накопичуючи в собі органічний матеріал, і навіть формують електрохімічні градієнти на кшталт тих, що забезпечують енергією сучасні клітини.
Оскільки викопних решток із найбільш раннього періоду життя на Землі не лишилося, ні на що, окрім таких теорій, спиратися на доводиться. Хоча науковці можуть, наприклад, самі спробувати створити просту форму життя в лабораторії. Саме це й намагається зробити біолог із Гарварда Джек Шостак. Він комбінує два згадані вище підходи, намагаючись отримати протоклітини, які теоретично могли сформуватися з простих первісних хімічних елементів і водночас слугували середовищем для самовідтворення малих ланцюгів РНК.
Доктор Шостак із командою вже створили протоклітини з ліпідів , які утворюють зовнішні мембрани живих клітин. Ці протоклітини достатньо міцні, щоб ізолювати будь-яку РНК, що міститься всередині, від впливів зовнішнього середовища.

Є там хтось живий?

Інший спосіб виявити ймовірність зародження життя — пошукати його деінде. У перший тиждень серпня 50 років тому британський учений Джеймс Лавлок опублікував у науковому тижневику Nature статтю «Фізичне підґрунтя експериментів із виявлення життя». Там уперше прозвучало припущення про те, як можна здійснювати такі пошуки дистанційно від об’єкта. Автор наголошував, що шукати треба нестійкі сполуки хімічних елементів в атмосферах планет.
Згодом, у 1970-х, пара американських космічних апаратів «Вікінг» в експедиції на Марс виявила дивні хімічні процеси, але не знайшла чітких ознак життя. Попри це, деякі дослідники все ще сподівалися, що їх таки вдасться знайти. Хоча для будь-якої відомої форми життя необхідна вода в рідкому стані, а сучасний Марс — це крижана пустеля. Є свідчення, що планета в юності була теплішою й вологішою. З орбіти на ній видно русла давніх річок, а на поверхні повно каміння, сформованого осадовими відкладеннями.

Якщо вважати, що життя на Землі зародилося в «прадавньому супі», або з «білих курців», припущення такої самої точності можна зробити й судячи з їхніх еквівалентів на Марсі. І так само можна припустити, що сьогодні якісь живі істоти там виживають у куточках, де збереглися малесенькі резервуари рідкої води. Справді, коли життя може ховатися у будь-якому закутку в масштабах планети, пов­ністю відкинути думку про наявність марсіанських організмів-відлюдників важко.

Читайте також: Антон Цайлінґер: «Наука не може бути мотивована застосуванням винаходу в майбутньому»

Але шукачам інопланетян може більше пощастити деінде в Сонячній системі — там, де води ще вдосталь. Серед таких тіл Європа та Енцелад, супутники відповідно Юпітера й Сатурна. Це крижані світи, де, схоже, є величезні підповерхневі океани. Вони нагріваються завдяки теплу, що генерується через взаємодію з гравітаційними полями їхніх планет.

На Енцеладі є водяні гейзери, які фонтанують у космос. У 2008 році станція НАСА «Кассіні» пролетіла через ці «гейзерні хвости» та передала інформацію про вміст у них молекул з атомами вуглецю (їх у хімії називають органічними незалежно від того, чи біологічне в них походження). Виходить, що Енцелад має всі базові необхідні для виникнення життя елементи: воду, органічні хімічні елементи й енергію. Учені розглядають різні варіанти роботизованих розвідувальних місій, які допомогли б розгледіти супутник ближче.  Навіть якщо з’ясується, що життя в нашій Сонячній системі немає, невдовзі його або при­найм­ні ознаки, які чітко вказуватимуть на його можливість, можна буде шукати в інших сонячних системах. Більшість планет у них виявляються за малесенькими відблисками світла зорі, які видно, коли планета проходить між нею та Землею. Коли таке трапляється, через атмосферу тієї планети пробивається ще менша кількість зоряного світла. Її атмосферні гази вбирають певні його часточки, залишаючи дірки (які згодом проявляються у вигляді чорних смуг) у спектрі випромінювання. Малюнок смуг допомагає зрозуміти склад атмосфери.
Особливу увагу слід звертати на кисень. У Сонячній системі вдосталь вільного кисню є тільки в атмосфері Землі, оскільки життя або при­наймні бактерії та рослини, які беруть участь у процесі фотосинтезу, виробляють його в достатній кількості для компенсації обсягу, що виводиться з повітря через реакції з іншими газами, наприклад метаном. Якби в атмосфері іншої планети був і кисень, і метан, цей хімічний набір мав би ключову властивість, виявлену доктором Лавлоком, — нестійкість. А це давало б підстави припускати, що на ній є щось, що вироб­ляє достатньо кисню. Уяви­ти, що це, особливо протягом тривалого періоду, може відбуватися в результаті будь-якого процесу, окрім фотосинтезу, складно.  

Знайти переконливі докази існування життя, а не близькі до ймовірності натяки у хімічному складі атмосфери, буде важко. Єдиний доказ — побачити його на власні очі (марсіанських мікробів, наприклад, що цілком можливо) або виявити бажання тих форм життя (якщо вони розумні) йти на контакт, чим не одне десятиліття, але поки що безрезультатно займається проект із пошуку позаземних цивілізацій SETI.  

Можливо, Земля справді унікальна — наслідок надзвичайного збігу обставин, які запустили неймовірні самовідтворювальні хімічні процеси, незнані деінде. Але, якщо дивитися на відомі елементи рівняння Дрейка, у це важко повірити. Те, що позаземне життя досі не виявлене, не означає, що його не існує. Може, воно знайдеться в наступній зоряній системі, яку відкриють науковці. А може, одного дня доктор Шостак зайде до своєї лабораторії і побачить, що в одній із його колб плаває щось, чого ще вчора в ній не було.

© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com