Все-таки панспермия
Александр Сергеевич Спирин, академик, первый директор Института белка РАН, член Президиума РАН.
Спирин продолжительное время занимался проблемой происхождения жизни, став одним из главных специалистов в России по "миру РНК". В результате он пришел к заключению: жизнь на Земле подобным путем возникнуть не могла.
Ниже приводится заключительный фрагмент из его недавней статьи "Когда, где и в каких условиях мог возникнуть и эволюционировать мир РНК?" (Палеонтологический ж-л, №5 2007):
"Принимая во внимание все трудности и неудачи с экспериментальным моделированием синтеза компонентов РНК и самих РНК в абиогенных условиях и парадоксальные, противоречащие друг другу условия для обеспечения устойчивости РНК и ее способности к репликации в земных условиях, а также малый временной промежуток геологической истории Земли для возможной эволюции мира РНК в клеточные формы жизни, приходится обратиться к гипотезе панспермии, т.е. к идее космического происхождения жизни на Земле. В свете сказанного в предыдущем разделе встает очевидный вопрос: А не принесена ли уже готовая форма клеточной жизни на Землю как раз теми метеоритами, которые ее бомбардировали в период до 3,9 млрд. лет назад? или галактическими кометами немедленно после такой бомбардировки? Или живые организмы, по крайней мере одноклеточные, приносились на Землю метеоритами и кометами повторно при каждом пролете Солнца сквозь скопления звезд Галактики, т.е. также и в периоды 2,6, 1,65 и 1,05 млрд. лет назад (см. Баренбаум и др., 2007)? Во всяком случае, нельзя исключать того, что появление клеточной формы жизни на Земле связано не с окончанием метеоритной (астероидной) бомбардировки 3,9 млрд. лет назад, а с самим ее фактом. Дальнейшее развитие жизни на Земле также могло быть связано с периодами последующих, менее интенсивных, метеоритных бомбардировок; по крайней мере, за вышеуказанными периодами бомбардировок следовали периоды бурных вспышек развития биоты как в количественном, так в качественном отношении (Баренбаум и др., 2007).
Предположения о космическом происхождении клеточной формы жизни на Земле находит поддержку в современных данных о диапазоне условий и мест обитания, в которых могут существовать микроорганизмы клеточная форма жизни на Земле, гораздо более широком, чем мы могли представлять себе еще недавно. Жизнеспособные и живые микробы находят в древних глубинных льдах Арктики и Антарктиды и в глубинах вечной мерзлоты (Звягинцев и др., 1985; Gilichinsky et al., 1992; Vorobyova et al., 1997; Розанов, 2002). Жизнь в виде бактериальных сообществ обнаружена на глубинах до 3 и даже до 5 км в горных породах континентов и в глубинах океанов при колоссальном давлении и высоких температурах (Gold, 1992; Stevens and McKinley, 1995; Розанов, 2002). Ряд исследователей полагает, что глубинная земная и морская биосфера может включать в себя более половины общей биомассы Земли. В таком случае основная живая компонента биосферы Земли - это не многоклеточные эукариотическими фотоавтотрофы и органотрофы, т.е. растения и животные, чаще всего ассоциируемые с понятием «жизнь», а прокариотические хемоавтотрофы глубинной (горячей и холодной) биосферы, полностью не зависимые от солнечной энергии и свободного кислорода (Gold, 1992; Заварзин, 2006б; Zavarzin, 2006; Hoover, 2006). Данные глубинной микробиологии континентов Земли дают пищу для размышлений о возможности существования глубинной биосферы и на других планетах, включая их спутники (в частности Ио и Европу Юпитера). Кроме того, свойством многих существующих на Земле свободно-живущих бактерий является их приспособленность к переживанию в условиях полного вакуума, т.е. сохранение жизнеспособности в вакууме, в том числе в обезвоженном состоянии, в течение длительного времени. Способность микроорганизмов (бактерий) сохранять жизнеспособность в глубоком вакууме и при крайне низких температурах позволяет предполагать, что ядра комет, полярные шапки Марса и ледовые спутники Юпитера и Сатурна тоже могут быть местами присутствия потенциально жизнеспособных микробов (Hoover, 2006).
Следует подчеркнуть, что при допущении панспермии безусловный приоритет имеет возможность распространения жизни во Вселенной именно в клеточной форме, а не в форме мира РНК. Как уже указывалось выше, существование мира РНК и сохранность самих молекул РНК узко ограничена условиями среды в силу чисто химических и физических свойств полирибонуклеотидов и их конформаций (рН = 7 ± 0,5, температура конформационной стабильности в пределах 0° - 40°С и относительной ковалентной стабильности не выше 90°, ионная сила в пределах 0,1 - 0,3, обязательное присутствие ионов магния и отсутствие ионов ряда тяжелых металлов, сильно дестабилизирующих РНК, и т.д.). В то же время белки могут сохранять свою нативную (функциональную) конформацию и целостность в гораздо более широком диапазоне условий, а при комплексообразовании с РНК могут их стабилизировать. Еще более широкими возможностями для приспособления к экстремальным условиям обладают микробы - не только благодаря стабильности белков, но также и возможности поддержания внутриклеточной среды, противодействующей ряду внешних условий, и мощным репарационным механизмам, быстро исправляющим повреждения нуклеиновых кислот и белков. Поэтому распространение жизни в клеточной форме во Вселенной кажется гораздо более реальным, чем в форме свободных молекул РНК.
Космические наблюдения показывают, что вода является главным летучим веществом ядер комет, причем как комет Солнечной системы (см., например, Mumma et al., 2005), так, возможно, и появляющихся с определенной периодичностью (при прохождении Солнцем спиральных рукавов Галактики приблизительно через каждые 25 млн. лет) галактических комет (Баренбаум и др., 2007). Сейчас известно, что ядра комет Солнечной системы имеют черную кору с исключительно низким альбедо (0,03), которая может достигать температур до 400 К в перигелии. Изображения кратеров, впадин, пиков, извержений и струй на ядрах некоторых комет наводят на мысль, что кора толстая и может удерживать достаточное внутреннее давление, позволяющее образовываться локальным участкам жидкой воды и солевых растворов при нахождении кометы в области перигелия (Hoover, 2006). Хотя бы эпизодическое существование жидкой воды в кометах укрепляет предположение о возможности активной микробной жизни на некоторых из них. Тогда кометы могут рассматриваться как переносчики жизни в пределах Солнечной системы и даже за ее пределами, а следовательно могут быть ответственными и за заселение Земли.
Действительно, обнаруживаемое в современных исследованиях сходство соотношения дейтерия и водорода (D/H), величины альбедо и химического состава комет и некоторых метеоритов, относимых к классу углистых хондритов, подтверждает уже давно выдвинутую гипотезу о том, что метеориты этого типа являются останками исчезнувших ядер комет, потерявших свои летучие вещества. В то же время, современные методы анализа некоторых упавших на Землю углистых хондритов открывают в них наличие не только органических веществ, но и отчетливых микроокаменелостей простейших форм организмов - прежде всего бактериальных клеток (см. Жмур и др., 1993; Герасименко и др., 1999; Розанов, 2000; Hoover and Rozanov, 2002; Hoover, 2006). Карбонатные гранулы и их свойства, исследованные на знаменитом марсианском метеорите ALH84001 (т.е. метеорите, признанном осколком планеты Марс, упавшем 13 000 лет назад на Землю в Антарктиде), также могут рассматриваться как останки примитивных живых организмов типа нанобактерий (см. обзор Спирин, 2005а) и служить свидетельством в пользу существования жизни за пределами Земли (McKay et al., 1996). Кстати, время формирования этих, предположительно биогенных, образований на Марсе оценивается как 3,6 млрд. лет назад - опять-таки близко к времени окончания метеоритной бомбардировки планет Солнечной системы.
Вместе с тем, принятие предположения о попадании жизни на Землю и расселении жизни во Вселенной уже в виде организованных одноклеточных организмов не освобождает нас от проблемы происхождения клеточных форм жизни - пусть не на Земле, но все же где-то во Вселенной, и происхождение простейших клеток из мира РНК представляется на сегодняшний день самой правдоподобной гипотезой, основанной на современных знаниях о молекулярных основах жизни.
Если действительно в ядрах комет и других внеземных тел (например, на Марсе или спутниках больших планет - Юпитера и Сатурна) могли или могут существовать живые или жизнеспособные микроорганизмы и если любая клеточная форма жизни действительно произошла путем эволюции мира РНК, то где искать то место, в котором этот однополимерный мир самовоспроизводящихся молекул возник, существовал (или существует доселе) и эволюционировал в клеточные формы жизни, способные распространяться по Вселенной? Некоторые дополнительные условия для существования и эволюции мира РНК можно сформулировать на основании анализа тех парадоксов, которые обсуждались выше. Во-первых, наряду с жидкой водой довольно очевидна необходимость РНК-адсорбирующих поверхностей. Во-вторых, трудно объяснить эволюцию мира РНК без циклов подсушивания и увлажнения (или затопления), нагревания и охлаждения, замораживания и оттаивания. В-третьих, кажется обязательным наличие каких-то механизмов защиты РНК от космического излучения и/или способов ее временной консервации.
Возможность выполнения, хотя бы частичного, этих условий не исключена в кометах Солнечной системы. Уже говорилось, что последние исследования таких комет прямо свидетельствуют о существования в их ядре больших количеств воды, органических веществ (так называемых CHON-частиц) и многочисленных адсорбирующих поверхностей внутри ядра (в частности, поверхностей микроскопических частиц, от 1 до 100 микрон, вместе со льдом образующих многометровый рыхлый слой непосредственно под корой ядра) (A’Hearn et al., 2005). Периодические прохождения области перигелия и затем удаление от Солнца и возможные встречи с другими космическими телами создают необходимую цикличность состояний и процессов. Другими словами, кометы могут рассматриваться как естественные космические лаборатории, в которых мог бы существовать, эволюционировать и временно консервироваться мир РНК. В частности, в кометах мог бы реализоваться и принцип циклического чередования амплификации и отбора в мире РНК по типу SELEX’a - рукотворной методики «систематической эволюции лигандов путем экспоненциального обогащения» (Tuerk and Gold, 1990; Спирин, 2005 б). Действительно, прохождение области перигелия кометой должно приводить к последовательной смене состояния воды внутри ядра по следующей схеме: (1) образование жидкой воды в полостях внутри ядра за счет разогрева, что обеспечивает условия для массовой амплификации всех РНК в растворе; (2) интенсивное испарение воды и подсушивание поверхностей внутри полостей, обеспечивающее рост успешных комбинаций РНК в виде колоний (селекция); (3) конденсация воды, растворение колоний РНК и снова массовая амплификация молекул РНК, но уже с образованием популяции, обогащенной «лучшими» молекулами РНК; (4) консервация этой популяции при удалении от перигелия, вплоть до следующего цикла приближения к Солнцу. Таким образом, кометы Солнечной системы могли бы быть искомой колыбелью мира РНК и его эволюции.
[...]
Вместе с тем, если мы переносим мир РНК, его возникновение и его эволюцию в космос, то становится вполне позволительной агностическая позиция: мы не знаем и даже не можем себе представит тех условий, которые имеют место в различных местах Вселенной, и поэтому мы должны принять нуклеотиды, полирибонуклеотиды и мир РНК, а также, возможно, и первые клеточные формы жизни, возникшие из мира РНК, как творение неких неведомых нам условий и сил - творение, данное нам, на Землю, а может быть и на другие планеты и тела Солнечной системы, уже в готовом виде."
Теории внеземного происхождения жизни -- передача на радио "Свобода" (22.02.08)
Добавлю, что сторонником гипотезы направленной панспермии был Ф.Крик
см. также:
http://nature-wonder.livejournal.com/94064.html
Спирин продолжительное время занимался проблемой происхождения жизни, став одним из главных специалистов в России по "миру РНК". В результате он пришел к заключению: жизнь на Земле подобным путем возникнуть не могла.
Ниже приводится заключительный фрагмент из его недавней статьи "Когда, где и в каких условиях мог возникнуть и эволюционировать мир РНК?" (Палеонтологический ж-л, №5 2007):
"Принимая во внимание все трудности и неудачи с экспериментальным моделированием синтеза компонентов РНК и самих РНК в абиогенных условиях и парадоксальные, противоречащие друг другу условия для обеспечения устойчивости РНК и ее способности к репликации в земных условиях, а также малый временной промежуток геологической истории Земли для возможной эволюции мира РНК в клеточные формы жизни, приходится обратиться к гипотезе панспермии, т.е. к идее космического происхождения жизни на Земле. В свете сказанного в предыдущем разделе встает очевидный вопрос: А не принесена ли уже готовая форма клеточной жизни на Землю как раз теми метеоритами, которые ее бомбардировали в период до 3,9 млрд. лет назад? или галактическими кометами немедленно после такой бомбардировки? Или живые организмы, по крайней мере одноклеточные, приносились на Землю метеоритами и кометами повторно при каждом пролете Солнца сквозь скопления звезд Галактики, т.е. также и в периоды 2,6, 1,65 и 1,05 млрд. лет назад (см. Баренбаум и др., 2007)? Во всяком случае, нельзя исключать того, что появление клеточной формы жизни на Земле связано не с окончанием метеоритной (астероидной) бомбардировки 3,9 млрд. лет назад, а с самим ее фактом. Дальнейшее развитие жизни на Земле также могло быть связано с периодами последующих, менее интенсивных, метеоритных бомбардировок; по крайней мере, за вышеуказанными периодами бомбардировок следовали периоды бурных вспышек развития биоты как в количественном, так в качественном отношении (Баренбаум и др., 2007).
Предположения о космическом происхождении клеточной формы жизни на Земле находит поддержку в современных данных о диапазоне условий и мест обитания, в которых могут существовать микроорганизмы клеточная форма жизни на Земле, гораздо более широком, чем мы могли представлять себе еще недавно. Жизнеспособные и живые микробы находят в древних глубинных льдах Арктики и Антарктиды и в глубинах вечной мерзлоты (Звягинцев и др., 1985; Gilichinsky et al., 1992; Vorobyova et al., 1997; Розанов, 2002). Жизнь в виде бактериальных сообществ обнаружена на глубинах до 3 и даже до 5 км в горных породах континентов и в глубинах океанов при колоссальном давлении и высоких температурах (Gold, 1992; Stevens and McKinley, 1995; Розанов, 2002). Ряд исследователей полагает, что глубинная земная и морская биосфера может включать в себя более половины общей биомассы Земли. В таком случае основная живая компонента биосферы Земли - это не многоклеточные эукариотическими фотоавтотрофы и органотрофы, т.е. растения и животные, чаще всего ассоциируемые с понятием «жизнь», а прокариотические хемоавтотрофы глубинной (горячей и холодной) биосферы, полностью не зависимые от солнечной энергии и свободного кислорода (Gold, 1992; Заварзин, 2006б; Zavarzin, 2006; Hoover, 2006). Данные глубинной микробиологии континентов Земли дают пищу для размышлений о возможности существования глубинной биосферы и на других планетах, включая их спутники (в частности Ио и Европу Юпитера). Кроме того, свойством многих существующих на Земле свободно-живущих бактерий является их приспособленность к переживанию в условиях полного вакуума, т.е. сохранение жизнеспособности в вакууме, в том числе в обезвоженном состоянии, в течение длительного времени. Способность микроорганизмов (бактерий) сохранять жизнеспособность в глубоком вакууме и при крайне низких температурах позволяет предполагать, что ядра комет, полярные шапки Марса и ледовые спутники Юпитера и Сатурна тоже могут быть местами присутствия потенциально жизнеспособных микробов (Hoover, 2006).
Следует подчеркнуть, что при допущении панспермии безусловный приоритет имеет возможность распространения жизни во Вселенной именно в клеточной форме, а не в форме мира РНК. Как уже указывалось выше, существование мира РНК и сохранность самих молекул РНК узко ограничена условиями среды в силу чисто химических и физических свойств полирибонуклеотидов и их конформаций (рН = 7 ± 0,5, температура конформационной стабильности в пределах 0° - 40°С и относительной ковалентной стабильности не выше 90°, ионная сила в пределах 0,1 - 0,3, обязательное присутствие ионов магния и отсутствие ионов ряда тяжелых металлов, сильно дестабилизирующих РНК, и т.д.). В то же время белки могут сохранять свою нативную (функциональную) конформацию и целостность в гораздо более широком диапазоне условий, а при комплексообразовании с РНК могут их стабилизировать. Еще более широкими возможностями для приспособления к экстремальным условиям обладают микробы - не только благодаря стабильности белков, но также и возможности поддержания внутриклеточной среды, противодействующей ряду внешних условий, и мощным репарационным механизмам, быстро исправляющим повреждения нуклеиновых кислот и белков. Поэтому распространение жизни в клеточной форме во Вселенной кажется гораздо более реальным, чем в форме свободных молекул РНК.
Космические наблюдения показывают, что вода является главным летучим веществом ядер комет, причем как комет Солнечной системы (см., например, Mumma et al., 2005), так, возможно, и появляющихся с определенной периодичностью (при прохождении Солнцем спиральных рукавов Галактики приблизительно через каждые 25 млн. лет) галактических комет (Баренбаум и др., 2007). Сейчас известно, что ядра комет Солнечной системы имеют черную кору с исключительно низким альбедо (0,03), которая может достигать температур до 400 К в перигелии. Изображения кратеров, впадин, пиков, извержений и струй на ядрах некоторых комет наводят на мысль, что кора толстая и может удерживать достаточное внутреннее давление, позволяющее образовываться локальным участкам жидкой воды и солевых растворов при нахождении кометы в области перигелия (Hoover, 2006). Хотя бы эпизодическое существование жидкой воды в кометах укрепляет предположение о возможности активной микробной жизни на некоторых из них. Тогда кометы могут рассматриваться как переносчики жизни в пределах Солнечной системы и даже за ее пределами, а следовательно могут быть ответственными и за заселение Земли.
Действительно, обнаруживаемое в современных исследованиях сходство соотношения дейтерия и водорода (D/H), величины альбедо и химического состава комет и некоторых метеоритов, относимых к классу углистых хондритов, подтверждает уже давно выдвинутую гипотезу о том, что метеориты этого типа являются останками исчезнувших ядер комет, потерявших свои летучие вещества. В то же время, современные методы анализа некоторых упавших на Землю углистых хондритов открывают в них наличие не только органических веществ, но и отчетливых микроокаменелостей простейших форм организмов - прежде всего бактериальных клеток (см. Жмур и др., 1993; Герасименко и др., 1999; Розанов, 2000; Hoover and Rozanov, 2002; Hoover, 2006). Карбонатные гранулы и их свойства, исследованные на знаменитом марсианском метеорите ALH84001 (т.е. метеорите, признанном осколком планеты Марс, упавшем 13 000 лет назад на Землю в Антарктиде), также могут рассматриваться как останки примитивных живых организмов типа нанобактерий (см. обзор Спирин, 2005а) и служить свидетельством в пользу существования жизни за пределами Земли (McKay et al., 1996). Кстати, время формирования этих, предположительно биогенных, образований на Марсе оценивается как 3,6 млрд. лет назад - опять-таки близко к времени окончания метеоритной бомбардировки планет Солнечной системы.
Вместе с тем, принятие предположения о попадании жизни на Землю и расселении жизни во Вселенной уже в виде организованных одноклеточных организмов не освобождает нас от проблемы происхождения клеточных форм жизни - пусть не на Земле, но все же где-то во Вселенной, и происхождение простейших клеток из мира РНК представляется на сегодняшний день самой правдоподобной гипотезой, основанной на современных знаниях о молекулярных основах жизни.
Если действительно в ядрах комет и других внеземных тел (например, на Марсе или спутниках больших планет - Юпитера и Сатурна) могли или могут существовать живые или жизнеспособные микроорганизмы и если любая клеточная форма жизни действительно произошла путем эволюции мира РНК, то где искать то место, в котором этот однополимерный мир самовоспроизводящихся молекул возник, существовал (или существует доселе) и эволюционировал в клеточные формы жизни, способные распространяться по Вселенной? Некоторые дополнительные условия для существования и эволюции мира РНК можно сформулировать на основании анализа тех парадоксов, которые обсуждались выше. Во-первых, наряду с жидкой водой довольно очевидна необходимость РНК-адсорбирующих поверхностей. Во-вторых, трудно объяснить эволюцию мира РНК без циклов подсушивания и увлажнения (или затопления), нагревания и охлаждения, замораживания и оттаивания. В-третьих, кажется обязательным наличие каких-то механизмов защиты РНК от космического излучения и/или способов ее временной консервации.
Возможность выполнения, хотя бы частичного, этих условий не исключена в кометах Солнечной системы. Уже говорилось, что последние исследования таких комет прямо свидетельствуют о существования в их ядре больших количеств воды, органических веществ (так называемых CHON-частиц) и многочисленных адсорбирующих поверхностей внутри ядра (в частности, поверхностей микроскопических частиц, от 1 до 100 микрон, вместе со льдом образующих многометровый рыхлый слой непосредственно под корой ядра) (A’Hearn et al., 2005). Периодические прохождения области перигелия и затем удаление от Солнца и возможные встречи с другими космическими телами создают необходимую цикличность состояний и процессов. Другими словами, кометы могут рассматриваться как естественные космические лаборатории, в которых мог бы существовать, эволюционировать и временно консервироваться мир РНК. В частности, в кометах мог бы реализоваться и принцип циклического чередования амплификации и отбора в мире РНК по типу SELEX’a - рукотворной методики «систематической эволюции лигандов путем экспоненциального обогащения» (Tuerk and Gold, 1990; Спирин, 2005 б). Действительно, прохождение области перигелия кометой должно приводить к последовательной смене состояния воды внутри ядра по следующей схеме: (1) образование жидкой воды в полостях внутри ядра за счет разогрева, что обеспечивает условия для массовой амплификации всех РНК в растворе; (2) интенсивное испарение воды и подсушивание поверхностей внутри полостей, обеспечивающее рост успешных комбинаций РНК в виде колоний (селекция); (3) конденсация воды, растворение колоний РНК и снова массовая амплификация молекул РНК, но уже с образованием популяции, обогащенной «лучшими» молекулами РНК; (4) консервация этой популяции при удалении от перигелия, вплоть до следующего цикла приближения к Солнцу. Таким образом, кометы Солнечной системы могли бы быть искомой колыбелью мира РНК и его эволюции.
[...]
Вместе с тем, если мы переносим мир РНК, его возникновение и его эволюцию в космос, то становится вполне позволительной агностическая позиция: мы не знаем и даже не можем себе представит тех условий, которые имеют место в различных местах Вселенной, и поэтому мы должны принять нуклеотиды, полирибонуклеотиды и мир РНК, а также, возможно, и первые клеточные формы жизни, возникшие из мира РНК, как творение неких неведомых нам условий и сил - творение, данное нам, на Землю, а может быть и на другие планеты и тела Солнечной системы, уже в готовом виде."
Теории внеземного происхождения жизни -- передача на радио "Свобода" (22.02.08)
Добавлю, что сторонником гипотезы направленной панспермии был Ф.Крик
см. также:
http://nature-wonder.livejournal.com/94064.html