Таким образом, в нулевом приближении предполагая примерно равную частоту встречаемости всех азотистых оснований в молекулах РНК, можно так оценить процентное содержание атомов различных химических элементов, содержащееся в 4-х выбранных наугад фрагментах ее линейной структуры: водород - 37.8%, кислород - 25.6%, углерод - 24.4%, азот - 9.6%, фосфор - 2.6%.
Рассмотрим теперь наиболее вероятный химический состав среды, в которой зарождалась жизнь, с точки зрения двух конкурирующих гипотез - земного и внеземного абиогенеза. Абсолютное большинство гипотез земного абиогенеза предполагает зарождение жизни в водной среде. Однако, химический состав мирового океана архейских и преархейских времен по прежнему очень плохо известен. Использовать для его оценок химический состав современного океана явно некорректно, так как за миллиарды лет существования Земли он мог значительно измениться под действием как геологических, так и биологических процессов. Однако, с астрофизической и геологической точек зрения, большая часть базовых органических химических элементов, присутствовавшая в первичном океане, даже если она была извлечена из водной среды, должна была остаться либо в верхней коре Земли, либо в ее атмосфере. Действительно, все базовые химические элементы жизни достаточно легкие, чтобы не «утонуть» в земной мантии подобно тому, как это произошло, например, со значительным количеством железа. С другой стороны, за исключением водорода, большая часть которого должна была испариться в космос практически сразу же после образования первичной атмосферы Земли, остальные базовые химические элементы жизни образуют в атмосфере достаточно тяжелые молекулы, так что, большая их часть, по видимому, не должна была покинуть атмосферу. Таким образом, базовые химические элементы жизни (кроме, может быть, водорода) на протяжении существования Земли, начиная с ее возраста примерно в 100 млн. лет, должны были, в основном, циркулировать между мировым океаном, верхней частью земной коры и атмосферой, не покидая пределов указанных сред. В соответствии с вышеизложенным, можно попробовать грубо оценить химический состав первичного океана следующим образом - усреднить состав сегодняшнего мирового океана и состав земной коры с одинаковыми весами, а потом учесть состав современной атмосферы с весом, пропорциональным отношению общего количества атомов в атмосфере к общему количеству атомов в мировом океане. В Таблице 2 на основании данных, взятых из (CRC Handbook of Chemistry and Physics 2005) и (NASA Earth Fact Sheet 2007) приведено процентное содержание основных химических элементов жизни в составе земной коры, ее атмосферы и океана по количеству атомов. Исходя из того, что масса мирового океана примерно в 270 раз больше общей массы атмосферы Земли (NASA Earth Fact Sheet 2007), соотношение средних молекулярных масс воды и воздуха составляет 1:1.6, а соотношение среднего количества атомов в одной молекуле примерно 3:2, получим, что в мировом океане содержится приблизительно в 650 раз больше атомов, чем в атмосфере. В итоге, интегрируя данные из Таблицы 2 с учетом соотношения весов океана, земной коры и атмосферы, в пропорции 650:650:1, получим следующую оценку предполагаемого процентного содержания базовых химических элементов жизни в среде ранней (около 4.4-4.0 млрд. лет назад) Земли когда, в соответствии с гипотезой земного абиогенеза, на ней зарождалась жизнь: водород - 34.8%, кислород - 47.8%, углерод - 1.9*10-2%, азот - 6.1*10-2%, фосфор - 3.7*10-2%.
Теперь оценим распространенность этих же элементов в нашей Галактике в целом. Проще всего это сделать на основании анализа химического состава солнечной системы, который, с одной стороны, достаточно хорошо изучен, а с другой стороны, считается типичным для нашей Галактики в плане представительства в нем различных химических элементов. На основании различных источников, например, (Anders and Grevesse 1989), базовые химические элементы жизни содержатся в солнечной системе в следующиих пропорциях по количеству атомов: водород - 91.0%, кислород - 7.8*10-2%, углерод - 3.3*10-2%, азот - 1.0*10-2%, фосфор - 3.4*10-5%.
Любопытно отметить, что если не считать химически пассивных гелия и неона, которые в силу своей инертности абсолютно бесполезны для органической матрии, в состав РНК входят, за исключением фосфора, все наиболее распространенные в нашей Галактике химические элементы. Исходя из вышеприведенных цифр, можно составить матрицы взаимных отношений количества всех вышеназванных элементов вблизи поверхности ранней Земли, в нашей Галактике и в молекулах РНК, а потом вычислить средний десятичный логарифм отклонения этих отношений от принятых за «стандартные» отношений количества элементов для РНК. В результате, мы получим значения 2.20 для сравнения матриц РНК - Галактика, и 1.78 для сравнения матриц РНК - Земля. Это говорит о том, что гипотеза земного абиогенеза при использовании для исследования всех химических элементов, содержащихся в РНК, подтверждается лучше (в линейном приближении с соотношением шансов примерно 72% на 28%), чем гипотеза внеземного абиогенеза. Но здесь можно сделать одно существенное замечание. Дело в том, что водород, который широко представлен как на Земле, так и в нашей Галактике, играет в органических молекулах лишь вспомогательную роль. В силу своей одновалентности, он может находиться лишь на концах цепочек органических молекул, образуя на них что-то вроде внешней «шубы». Таким образом, атомы водорода лишь однозначным образом «налипают» на оставшиеся свободными одновалентные связи в уже практически сформированном на основе других атомов «скелете» органической молекулы. С этой точки зрения можно считать, что водорода забирается из внешней среды ровно столько, что бы заполнить все оставшиеся незанятыми терминальные одновалентные связи, и не более того. Соответственно, его очень широкая распространенность в природе должна достаточно слабо влиять на конкретный процент его содержания в органических молекулах. По этой причине представляется интересным произвести сравнение матриц взаимного отношения распространенности основных органических химических элементов так же и в варианте без учета в них водорода. В этом случае получаются значения 1.20 и 1.75 для сравнения, соответственно, матриц РНК - Галактика, и РНК - Земля. Таким образом, при исключении из списка сравниваемых химических элементов водорода, доступность которого не является лимитирующим фактором при синтезе органических молекул, преимущество (с отношением шансов 78% против 22%) имеет уже гипотеза внеземного абиогенеза. Автор оставляет на суд читателей самим решить, какой из способов оценки они считают наиболее адекватным.
Если говорить о качественном анализе приведенных выше данных, то можно констатировать, что взаимные отношения количества кислорода, углерода и азота в молекуле РНК хорошо согласуются с соотношением количества этих элементов в солнечной системе и Галактике вообще. В обоих случаях диапазон изменения отношений взаимной распространенности этих элементов заключен в достаточно узком по астрофизическим меркам интервале от 1 до 10, причем порядок следования распространенности внутри этой группы элементов один и тот же (в порядке убывания количества - кислород, углерод, азот). С другой стороны, очень важную роль в метаболических процессах самого нижнего уровня играет фосфор, которого в Галактике относительно мало - примерно на 3 порядка меньше, чем кислорода, углерода и азота. С этой точки зрения земной абиогенез выглядит предпочтительнее, так как распространенность фосфора на Земле сравнима с распространенностью углерода и азота. Однако, здесь нужно так же учитывать, что практически весь фосфор в породах земной коры находится в очень высокой степени окисления, и по этой причине в настоящее время он недоступен земным организмам. Вопрос о возможных механизмах его источников в доступной для биоты форме во времена архея и преархея, включая доставку метеоритами умеренно окисленных пород, содержащих фосфор, в настоящее время обсуждается (Schwartz, 2006). Слабым местом гипотезы земного абиогенеза является относительно низкая распространенность на Земле основного «элемента жизни» - углерода. Он является здесь самым редким из рассматриваемых нами химических элементов, уступая азоту примерно в три раза, а кислороду около трех порядков.
Любопытно отметить, что в составе используемых земными организмами аминокислот фосфор не встречается, что может косвенно свидетельствовать о более позднем возникновении каталитических комплексов на основе белков, возникших уже в другой среде, имевшей, по видимому, низкую концентрацию фосфора.
За пределами данной статьи оказались многие дискуссионные темы. Например, в недавно опубликованной работе (Boussau et al. 2008), посвященной исследованию оптимальной температуры роста LUCA, авторы приходят к выводу о том, что вопреки широко распространенному мнению, он отнюдь не был термофилом. В качестве одного из предполагаемых объяснений этого факта авторы рассматривают гипотезу панспермии, хотя возможны и другие варианты, скажем, пересмотр температуры океана в преархее в сторону существенного ее понижения, чему в последнее время тоже находятся некоторые геологические подтверждения (Hren et al. 2009). С другой стороны, данные молекулярных исследований продолжают поддерживать теорию о постепенной и независимой адаптации ко все более низким температурам у изначально гипертермофильных архей и эубактерий (Boussau et al. 2008, Gaucher et al. 2008). Так же представляют интерес работы последних лет, посвященные исследованию реконструированного генома LUCA. Например, в соответствии с ними, LUCA уже имел гены для осуществления всех основных видов клеточного дыхания, свойственных современным организмам, включая цепочку кислородного дыхания (Castresana and Moreira 1999). Этот факт противоречит как большинству современных теорий об эволюции ранней Земли, предполагающих восстановительный характер ее атмосферы, так и геологическим данным, фиксирующим первые следы наличия некоторого незначительного количества свободного кислорода в окружающей среде лишь в породах, возрастом не более 2.7-2.8 млрд. лет. (Frei et al. 2009). Некоторые авторы (Fedonkin 2009) высказывают предположение, что цепочка клеточного кислородного дыхания могла понадобиться первым земным организмам для нейтрализации растворенного в воде кислорода, который в дневное время мог образовываться в результате фотодиссоциации молекул воды под действием ультрафиолетового излучения Солнца. На наш взгляд, такое объяснение выглядит не слишком убедительным, принимая во внимание тот факт, что то небольшое количество кислорода, которое могло образовываться в результате указанного процесса, должно было и так очень быстро нейтрализовываться окружающей восстановительной внешней средой. Более реалистичным выглядит предположение о существовании в архее бактерий, извлекающих молекулярный кислород из содержащих его веществ. Например, недавно был открыт вид анаэробных бактерий Methylomirabilis oxyfera, способных извлекать кислород из растворенных в воде нитритов (Ettwig et al. 2010). Последующие исследования должны прояснить, когда у бактерий появился подобный механизм, включая появление фермента, необходимого для катализа реакции разложения оксида азота.
Таким образом, с точки зрения автора, проведенный в данной работе анализ позволяет заключить, что при оценке правдоподобности гипотезы внеземного абиогенеза различными методами, она явно лучше согласуется с наблюдаемыми фактами по двум из рассмотренных методов, а третий метод дает разные результаты в зависимости от принятия или непринятия постулата о необходимости очистки исходных данных от влияния на них самого распространенного в природе элемента - водорода. В связи с многочисленными трудностями, с которыми сталкиваются попытки вписать в гипотезу земного абиогенеза все новые и новые труднообъяснимые для нее факты, многие исследователи начинают либо перемещать предбиологическую эволюцию на этап формирования солнечной системы (Snytnikov 2008), либо вынуждены предполагать, что большинство необходимых для жизни химических веществ были доставлены на Землю метеоритами (Pasek 2008). Однако, на фоне последних данных о том, что ранний Марс обладал значительными запасами жидкой воды, на спутнике Сатурна Титане зафиксирована на 2-3 порядка большая концентрация углерода, чем она могла теоретически быть на ранней Земле, а так же стремительно множащегося списка планет, открытых вне солнечной системы, становится все более неочевидным, в чем же заключается уникальность Земли по сравнению с другими, возможно более подходящими для зарождения жизни планетами? В свое время российский астроном В.С. Троицкий предположил (Троицкий 1981), что жизнь с необходимостью возникает примерно одновременно во всей Вселенной, когда для этого складываются подходящие условия. Ее можно рассматривать как один из очередных этапов самоорганизации материи наподобии того, как до этого одновременно во всей Вселенной возникли элементарные частицы, атомы, молекулы, звезды, галактики и т.д. Если придерживаться этого взгляда на эволюцию Вселенной (так называемая теория «Универсальной истории», хотя на западе чаще используется термин «Big history»), то в свете предложенной А.Д. Пановым (Panov 2005, Панов 2008) модели развития предбиологической эволюции, жизнь (или «преджизнь») должна была на первых этапах синхронно эволюционировать на уровне всей Галактики, существенно ускоряя процессы ранней эволюции органических молекул за счет распараллеливания обработки информации, и последующего обмена полученной новой информацией различными частями «внутригалактической биоты». Естественным (и, что важно, потенциально проверяемым), следствием этой гипотезы служит постулирование единого генетического кода (возможно, с некоторыми местными «диалектами») у всех биологических систем нашей Галактики.
Резюмируя, можно сказать, что все вышеперечисленное позволяет автору утверждать, что гипотеза внеземного абиогенеза заслуживает серьезного рассмотрения и проведения дальнейших исследований в этом направлении, несмотря на широко распространенное мнение о том, что она «ничего не объясняет».
Список литературы
земной абиогенез биология
1. Галимов Э.М., 2001. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. УРСС.
2. Еськов К.Ю., 2000. История Земли и жизни на ней. МИРОС - МАИК Наука / Интерпериодика.
3. Марков A.В., Анисимов В.А., Коротаев А.В., 2010. Гиперэкспоненциальный рост минимального размера генома в эволюционном ряду от прокариот к млекопитающим // Палеонтологический журнал (в печати).
4. Панов А.Д., 2008. Универсальная эволюция и проблема поиска внеземного разума (SETI). Серия: Синергетика в гуманитарных науках.
5. Розанов А.Ю., 1996. Цианобактении и, возможно, низшие грибы в метеоритах // Соросовский Образовательный Журнал, N11, 1996, cтр.61-65.
6. Троицкий В.С., 1981. К вопросу о населенности Галактики // Астрономический журнал. Т. 58. С. 1121-1130.
7. Шкловский И.С., 1962. Вселенная. Жизнь. Разум. Изд-во АН СССР, 1962.
8. Anders E., Grevesse N., 1989. Abundances of the elements: Meteoritic and solar. // Geochimica et Cosmochimica Acta, V 53 (Jan. 1989), 197-214.
9. Arrhenius S., 1907. Panspermy: The Transmission of Life from Star to Star // Scientific American, 196 (1907).
10. Battistuzzi F.U., Feijгo A., Hedges S.B., 2004. A genomic timescale of prokaryote evolution: insights into the origin of methanogenesis, phototrophy, and the colonization of land // BMC Evol. Biol. 4:44.
11. Boussau B., Blanquart S., Necsulea A., Lartillot N., Gouy M., 2008. Parallel adaptations to high temperatures in the Archaean eon // Nature, 2008. V 456, 942-945.
12. Castresana J., Moreira D., 1999. Respiratory Chains in the Last Common Ancestor of Living Organisms // J. Mol. Evol. 49, 453-460.
13. Chesnais J.-C., 1992. The Demographic Transition: Stages, Patterns, And Economic Implications. Oxford University Press.
14. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 2005. 85th Edition, CRC Press. Boca Raton, Florida (2005). Section 14, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea.
15. Crick F., 1981. Life itself: its origin and nature. New York: Simon and Schuster.
16. Ettwig K.F., Butler M.K., Le Paslier D., Pelletier E., Mangenot S., Kuypers M.M., Schreiber F., Dutilh B.E., Johannes Z., de Beer D., Gloerich J., Wessels H., van Alen T., Luesken F., Wu M.L., van de Pas-Schoonen K., Op den Camp H., Janssen-Megens E.M., Francoijs K-J, Stunnenberg H., Weissenbach J., Jetten M., Strous M., 2010. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria // Nature, 2010. V 464, 543-548.
17. Fedonkin M.A., 2009. Eukaryotization of the Early Biosphere: A Biogeochemical Aspect // Geochemistry International, 47, No. 13, pp. 1265-1333.
18. Feng D.-F., Cho G., Doolittle R.F., 1997. Determining divergence times with a protein clock: update and reevaluation // Proc. Natl Acad. Sci. USA 94, 13 028-13 033.
19. Foerster H., Mora P.M., Amio L.W., 1960. Doomsday: Friday, 13 November, A.D. 2026 // Science. 1960. Vol.132, no. 3436, pp. 1291-1295.
20. Frei R., Gaucher C., Poulton S.W., Canfield D.E., 2009. Fluctuations in Precambrian atmospheric oxygenation recorded by chromium isotopes // Nature, 2009. V 461, 250-253.