Пришло время переосмыслить наши представления о зарождении жизни. Она появилась гораздо раньше и развивалась значительно быстрее, чем мы когда-либо считали возможным.
Вот история, которую вы, возможно, читали в научно-популярных книгах или видели в документальных фильмах. Речь идет о ранней Земле как о безжизненном вулканическом аде.
Согласно этой истории, когда наша планета только сформировалась, ее поверхность представляла собой бесплодную пустошь из острых скал, усыпанную потоками лавы от извергающихся вулканов. Воздух был непригодной для дыхания смесью газов. Жидкой воды было мало или вообще не было. Как только обстановка начала успокаиваться, из космоса обрушился шквальный поток метеоритов диаметром в десятки километров, уничтожая целые ландшафты и отправляя огромные шлейфы обломков высоко в небо. Этот бесплодный мир сохранялся в течение сотен миллионов лет. Наконец, окружающая среда достаточно стабилизировалась, чтобы могли образоваться океаны, и условия, наконец, стали подходящими для возникновения микроскопической жизни.
Эту историю палеонтологи и геологи рассказывали на протяжении многих десятилетий. Но множество свидетельств предполагает, что она совершенно неверна.
Молодая Земля не была адской или, по крайней мере, недолго (в геологических терминах). И, что особенно важно, жизнь сформировалась вскоре после того, как планета затвердела — возможно, на удивление быстро. Вполне может быть, что первая жизнь появилась всего через несколько миллионов лет после возникновения планеты.
Ретроспективно странно, что идея об адской Земле стала настолько устоявшейся. Никогда не было никаких прямых доказательств таких смертоносных условий. Однако отсутствие доказательств может быть объяснением. Люди очень склонны к созданию теорий, когда нет доказательств, а затем крайне привязываются к своим предположениям. Та же тенденция — чрезмерная привязанность к идеям, имеющим лишь шаткую поддержку — также мешала исследованиям происхождения жизни. У каждого журналиста, писавшего о происхождении жизни, есть несколько страшных историй о вспыльчивых исследователях, не желающих терпеть инакомыслие относительно своих лелеемых идей.
Теперь, когда идея об адской Земле так полностью рухнула, нам нужно отбросить некоторые затянувшиеся предубеждения о том, как началась жизнь, и принять более открытый подход к этой самой сложной проблеме. Если многие исследователи когда-то полагали, что для возникновения биосферы Земли потребовалось случайное событие в очень длительные сроки, то теперь это выглядит все более несостоятельным. Жизнь возникла быстро — и любая теория, которая стремится объяснить ее происхождение, теперь должна объяснить, почему.
Одним из величайших научных достижений прошлого века стало значительное расширение палеонтологической летописи вглубь времен. Когда Чарльз Дарвин опубликовал «Происхождение видов» (1859), самыми древними известными окаменелостями были останки из кембрийского периода. Более древние слои пород казались бесплодными. Это было проблемой для теории эволюции Дарвина, которую он признавал: «На вопрос, почему мы не находим свидетельств этих обширных первобытных периодов, я не могу дать удовлетворительного ответа».
Проблема усугубилась в начале 20-го века, когда геологи начали использовать радиометрическое датирование для уточнения возраста горных пород и, в конечном счете, самой Земли. Ключевой кембрийский период с его древними окаменелостями начался 538,8 миллионов лет назад. Однако радиометрическое датирование показало, что возраст Земли составляет немногим более 4,5 миллиардов лет — текущая наилучшая оценка равна 4,54 миллиарда. Это означает, что вся палеонтологическая летопись от кембрия до настоящего времени составляет менее одной восьмой части истории нашей планеты.
Строматолиты были хорошо известны, но эти, из региона Пилбара в Западной Австралии, были на удивление древними
Однако в середине 20-го века палеонтологи, наконец, начали находить более древние, «докембрийские» окаменелости. В 1948 году геолог Ред Спригг описал окаменелые отпечатки того, что казалось медузами, в породах из холмов Эдиакара в Южной Австралии. В то время он описал их как «базальные кембрийские», но оказалось, что они старше. Десятилетие спустя Тревор Форд написал о похожих на ветви останках, найденных школьниками в лесу Чарнвуд в Англии; он назвал их «докембрийскими окаменелостями». Палеонтологическая летопись медленно продвигалась в прошлое.
К 1980 году палеонтологическая летопись стала поистине эпической. 3 апреля того же года в журнале Nature были опубликованы две статьи, описывающие еще больше окаменелостей из Австралии. Это были строматолиты: холмы с чередующимися слоями микроорганизмов и осадочных пород. При жизни микробы, такие как бактерии, часто растут в матах. Они покрываются осадками, такими как песок, и новый слой клеток растет сверху, снова и снова. Строматолиты были хорошо известны, но эти, из региона Пилбара в Западной Австралии, были на удивление древними. Одна группа была возрастом 3,4 миллиарда лет; другая выглядела еще старше, целых 3,5 миллиарда лет.
За последние 45 лет палеонтологи тщательно заново проанализировали останки из Пилбары, чтобы подтвердить, что они настоящие. Это нетривиальная проблема: с такими древними породами могут образовываться странные искажения, которые выглядят как окаменелые микробы, но на самом деле являются просто деформированными породами. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали множество методов, включая поиск следов органического вещества. На данный момент мы настолько уверены, насколько это возможно, что окаменелости из Пилбары настоящие. Это означает, что жизнь существовала по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Когда я писал «The Genesis Quest» еще в 2020 году, я сказал, что это дает нам миллиардный временной промежуток после формирования Земли, в течение которого могла сформироваться жизнь. С тех пор свидетельства жизни были отодвинуты еще дальше в прошлое.
До недавнего времени многие исследователи сказали бы, что окно было значительно уже. Это потому, что были причины полагать, что Земля была полностью необитаемой в течение сотен миллионов лет после ее формирования.
Первым препятствием для появления жизни было формирование Луны. Это, по-видимому, произошло очень скоро после того, как Земля сформировалась, и самым драматическим образом, какой только можно представить: другое планетарное тело, размером с Марс, столкнулось с Землей. Удар высвободил столько энергии, что испарил поверхность планеты, выбросив огромный объем породы и пыли на орбиту. Некоторое время у Земли было кольцо, пока весь этот материал постепенно не слился, чтобы сформировать Луну. Этот взрывной сценарий — единственный, о котором до сих пор думали, который может объяснить, почему лунные породы разделяют сходные изотопы с земными породами.
Кажется ясным, что если какая-либо зарождающаяся жизнь была на молодой Земле, она была уничтожена в обжигающей жаре удара. Тем не менее, это произошло около 4,5 миллиардов лет назад. Что насчет миллиарда лет между формированием Луны и окаменелостями Пилбары?
Поверхность была океаном магмы, который медленно остывал и затвердевал
Мы можем разделить этот огромный промежуток времени на два эона. Они разделены одним простым фактором: существованием летописи горных пород. Самые древние известные породы имеют возраст 4,031 миллиарда лет. Полмиллиарда лет до этого называется Гадей; последующее время называется Архей.
Как предполагает его зловещее название, Гадей считался адским. Непосредственно после удара, сформировавшего Луну, поверхность была океаном магмы, который медленно остывал и затвердевал. Художественные изображения этого эона часто изображают вулканы, потоки лавы и удары метеоритов.
Ранний Архей, если что, казался еще хуже — благодаря маленькой вещи под названием Поздняя тяжелая бомбардировка. Между примерно 3,8 и 4 миллиардами лет назад волны метеороидов пронеслись через солнечную систему. Земля получила сокрушительные удары, и любая жизнь была бы уничтожена. Только когда бомбардировка ослабла, 3,8 миллиарда лет назад, жизнь могла начаться. В этом случае жизнь началась в течение 300 миллионов лет между концом Поздней тяжелой бомбардировки и окаменелостями Пилбары.
Это была убедительная история на протяжении многих лет. Ее повторяли без критики во многих книгах о происхождении и истории жизни. Тем не менее, всегда были назойливые проблемы. В частности, палеонтологи продолжали находить очевидные следы жизни из более древних слоев — жизни, которая, по всей видимости, была слишком стара, чтобы быть реальной.
Еще в 1996 году геолог Стивен Мойзсис, тогда работавший в Калифорнийском университете в Сан-Диего, и его коллеги сообщали, что жизнь старше 3,8 миллиардов лет. Они изучали кристаллы апатита из пород возрастом 3,8 миллиарда лет из пояса Исуа в Западной Гренландии. Внутри кристаллов есть следы углерода, которые оказались богаты одним изотопом, углеродом-12, и бедны более тяжелым углеродом-13. Это характерно для живого вещества, поскольку живые организмы предпочитают использовать углерод-12.
Почти два десятилетия спустя рекорд был отодвинут еще дальше в прошлое Элизабет Белл из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и ее коллегами. Они изучали тысячи крошечных кристаллов циркона из холмов Джек-Хиллз в Западной Австралии. Некоторые из этих кристаллов имеют гадейский возраст: поскольку нет пород из Гадея, эти крошечные осколки — почти все, что у нас есть. Один циркон оказался возрастом около 4,1 миллиарда лет. Внутри него было заключено крошечное количество углерода с той же характерной изотопной смесью, которая предполагала, что он биогенного происхождения.
Возможно, наиболее драматично, в 2017 году Доминик Папино из Лондонского университетского колледжа и его коллеги описали трубки и нити, напоминающие колонии бактерий, в породах из пояса Нуввуагиттук в Квебеке, Канада. Возраст этих пород оспорен: им по крайней мере 3,77 миллиарда лет, и исследование, опубликованное в июне этого года, показало, что некоторым из них 4,16–4,20 миллиарда. Это означало бы, что жизнь сформировалась в течение 200 миллионов лет после формирования Земли, глубоко в Гадее.
Есть много других таких исследований. Ни одно из них не является полностью убедительным само по себе: они часто основываются на одном кристалле или формации пород, которая была нагрета и сжата, и таким образом искажена. Каждое исследование подвергалось жесткой критике. Это затрудняет оценку доказательств, потому что в игре несколько аргументов.
Сторонник раннего происхождения жизни подчеркнул бы само количество исследований, из разных частей мира и с использованием разных форм доказательств. Скептик парировал бы, что мы должны принимать окаменелость только в том случае, если она подтверждена несколькими линиями доказательств, как это было в Пилбаре. На что сторонник сказал бы: летопись горных пород раннего Архея очень скудная, и нет пород из Гадея вообще. Просто невозможно получить несколько линий доказательств из такого ограниченного материала, поэтому мы должны сделать вывод на основе того, что у нас есть. Затем скептик сказал бы: в этом случае мы не знаем и не можем знать ответа.
В течение многих лет скептики побеждали в аргументе, но недавно ветер переменился. Это отчасти потому, что доказательства ранней жизни накопились — но это также потому, что доказательства того, что Поздняя тяжелая бомбардировка стерилизовала планету, рухнули.
Ранняя трещина в фасаде появилась, когда Мойзсис и Олег Абрамов из Университета Колорадо смоделировали Позднюю тяжелую бомбардировку и пришли к выводу, что она не была достаточно интенсивной, чтобы стерилизовать Землю. Поверхностная жизнь могла быть уничтожена, но микробы могли выжить под землей в огромных количествах.
Однако более серьезная проблема заключается в том, что Поздняя тяжелая бомбардировка, возможно, вообще не происходила. Доказательства основывались на аргоновых изотопах из лунных пород, собранных миссиями «Аполлон» в 1960-х и 70-х годах. Повторный анализ обнаружил, что эти изотопы были склонны к определенному виду артефакта в радиоизотопных данных — создавая иллюзию резкой бомбардировки 3,9 миллиарда лет назад. Более того, миссии «Аполлон» все отправились в один и тот же регион Луны, поэтому астронавты, возможно, в основном собрали породы от одного и того же большого столкновения — которые все естественно будут одного возраста. Между тем, породы на Земле сохраняют свидетельства прошлых столкновений, и они показывают долгое медленное ослабление до 3 миллиардов лет назад или позже. Подобным образом, гигантские impacts на Марсе, по-видимому, пошли на убыль к 4,48 миллиардам лет назад. Также нет признаков Поздней тяжелой бомбардировки на астероиде Веста.
Если Поздняя тяжелая бомбардировка действительно не происходила, то разумно представить, что жизнь началась гораздо раньше — возможно, даже в Гадее. Проблема в том, как это продемонстрировать, когда палеонтологические доказательства так невозможно скудны.
Вот где генетика приходит. В частности филогенетика, что означает создание генеалогических деревьев различных организмов, показывающих, как они связаны, и когда произошли различные разделения. Например, филогенетика говорит нам, что люди, шимпанзе и бонобо произошли от общего предка, который жил около 7 миллионов лет назад.
Создавая генеалогические деревья самых древних и самых отличных форм жизни, филогенетики попытались отодвинуться к последнему универсальному общему предку (LUCA). Это самая недавняя популяция организмов, от которой произошло каждое живое существо сегодня. Это пра-пра-и т.д. бабушка всех нас, от бактерий до мхов и алых ара. Оценка даты LUCA сопряжена с неопределенностями, но за последнее десятилетие филогенетики начали сужать ее.
Одна такая попытка была опубликована командой под руководством Давиде Пизани из Бристольского университета в Великобритании. Они создали генеалогическое дерево из 102 видов, фокусируясь на микроорганизмах, поскольку это самые древние формы жизни. Они откалибровали их дерево, используя 11 дат, известных из палеонтологической летописи. Главным результатом было то, что LUCA был по крайней мере 3,9 миллиарда лет назад.
Возможно, что жизнь существовала задолго до LUCA — начиная с раннего Гадея
В 2024 году многие из тех же исследователей вернулись с более подробным анализом LUCA на основе более чем 3500 современных геномов. Это предположило, что LUCA жил между 4,09 и 4,33 миллиардами лет назад, с наилучшей оценкой около 4,2 миллиарда.
Более того, их реконструкция генома LUCA предположила, что он был довольно сложным, с геномом, который кодировал около 2600 белков. Он также, по-видимому, жил в сложной экосистеме. В частности, он, по-видимому, имел примитивную иммунную систему, что подразумевает, что ему пришлось защищаться от некоторых своих микробных соседей.
Эти детали подчеркивают момент, который не всегда очевиден: LUCA не представляет начало жизни. Это просто самый недавний предок, общий для всех современных организмов. Возможно, что жизнь существовала задолго до LUCA — начиная с раннего Гадея.
Это согласуется с накапливающимися доказательствами, что Гадей не был таким уж адским после всего. Это правда, что вся планетарная поверхность была расплавленной в самом начале Гадея, но, по-видимому, она затвердела к 4,4 миллиардам лет назад. Доказательства из цирконов предполагают, что было много жидкой воды по крайней мере 4,3 миллиарда лет назад, и возможно 4,4 миллиарда. К 4,2 миллиардам лет назад, по-видимому, были океаны. Эти первозданные моря могли быть значительно глубже, чем сегодня, потому что недра Земли были горячее и не могли удерживать столько воды, так что какое-то время, возможно, не было выступающей суши — или, по крайней мере, только небольшие острова.
Эти нити доказательств приводят к полному переписыванию ранней истории жизни на Земле. Вместо того чтобы жизнь началась вскоре после Поздней тяжелой бомбардировки 3,8 миллиарда лет назад, она могла возникнуть в течение 100 миллионов лет после формирования планеты. Если так, то что это говорит нам о том, как это произошло?
Самое непосредственное следствие заключается в том, что наши идеи не могут полагаться на силу случая вообще. Было много гипотез о происхождении жизни, которые полагались на совпадение: скажем, один-на-миллиард столкновение между двумя биологическими молекулами в первобытном супе. Но если жизнь действительно сформировалась в течение 0,1 миллиарда лет после рождения планеты, идеи подобные этой абсолютно несостоятельны. Просто не было времени.
Возьмите Мир РНК, одну из ведущих гипотез происхождения жизни с 1980-х годов. Идея заключается в том, что первая жизнь не содержала разнообразия органических химических веществ, которые делают современные клетки. Вместо этого жизнь была основана полностью на РНК: близком родственнике более знакомой ДНК, из которой состоят наши геномы. РНК привлекательна, потому что она может нести генетическую информацию, как ДНК, но она также может контролировать скорости химических реакций — что-то, что чаще делается белковыми ферментами. Эта адаптивность, гласит аргумент, делает РНК идеальной молекулой для запуска жизни.
Они должны найти процессы, которые работают быстро и эффективно, чтобы генерировать сложность и похожие на жизни системы
Однако при близком рассмотрении сценария Мира РНК обнаруживаются огромные дыры. Молекула РНК по существу является цепью, и существует огромное число возможных РНК, в зависимости от последовательности звеньев в цепи. Только часть этих РНК фактически создают белки. Не очевидно, как эти «хорошие» РНК должны были образоваться: почему условия на молодой Земле просто не создали случайную смесь РНК? И, помните, мы не можем полагаться на силу случая и больших чисел: все произошло слишком быстро.
Вместо этого исследователи теперь в основном согласны, что они должны найти процессы, которые работают быстро и эффективно, чтобы генерировать сложность и похожие на жизнь системы. Но что это означает на практике? Есть различные идеи. Одна видная школа мысли заключается в том, что жизнь сформировалась в щелочных гидротермальных источниках на морском дне, где поток горячей воды и химических веществ создал колыбель, которая инкубировала жизнь. Другие подчеркивали потенциал вулканических источников, метеоритных ударных кратеров, геотермальных водоемов и приливных зон: где угодно, где есть поток энергии и химических веществ.
Реальность такова, что мы имеем дело с огромным числом пересекающихся вопросов. Какой была среда, в которой появилась первая жизнь? Из чего была сделана та первая жизнь и как она работала? Была ли первая жизнь упрощенной версией чего-то, что мы можем наблюдать сегодня, или это было нечто радикально иное — либо по составу, либо по механизму, либо и то, и другое — что затем было вытеснено более знакомыми системами?
Я верю, что самое многообещающее, что произошло в исследованиях происхождения жизни за последние годы, — это растущая готовность принимать неопределенность и отвергать догму.
Исследования происхождения едва ли насчитывают век: первые широко обсуждаемые гипотезы были изложены Александром Опариным и Дж. Б. С. Холдейном в 1920-х годах, а эксперимент Миллера-Юри, который положил начало практическим исследованиям в этой области, был опубликован в 1953 году. В те первые несколько десятилетий исследования происхождения находились на окраинах науки, и лишь горстка исследователей активно работала над ними.
Так же, как не было прямых доказательств того, что Гадей был адским, было очень мало веских доказательств для любого из конкурирующих сценариев происхождения жизни. Исследователи придумывали сложные истории с множеством этапов, находили экспериментальные доказательства, подтверждающие один или два из этих этапов, и объявляли проблему решенной.
Что нужно исследованиям происхождения, так это открытость и готовность конструктивно не соглашаться
Небольшая группа людей, отсутствие веских доказательств и множество пересекающихся вопросов: это рецепт догматичных идей и гневных разногласий. И именно так выглядели исследования происхождения на протяжении десятилетий. Я освещаю эту область с 2000-х годов и не раз видел, как исследователи — включая руководителей лабораторий — используют язык, напоминающий худший вид интернет-троллинга. Было время, когда я думал, что эта резкость забавна: теперь я просто считаю ее уродливой и бессмысленной.
Что нужно исследованиям происхождения, так это открытость и готовность конструктивно не соглашаться. Этот культурный сдвиг движется поколением более молодых исследователей, которые организовались через Сеть начинающих исследователей происхождения жизни (OoLEN). В 2020 году большая группа членов OoLEN и других исследователей изложила то, что они видят будущим области. Они жаловались на «тревожные разногласия в исследованиях OoL»: например, сторонники Мира РНК склонны пренебрежительно отвергать тех, кто утверждает, что жизнь началась с метаболических процессов, и наоборот. Команда OoLEN утверждала, что эти «классические подходы» к проблеме не должны рассматриваться как «взаимоисключающие»: вместо этого «они могут и должны питать интегрирующие подходы».
Именно это и происходит. Вместо того чтобы фокусироваться исключительно на РНК, многие команды теперь исследуют, что происходит, когда РНК — или ее составные части — комбинируются с другими биологическими молекулами, такими как липиды и пептиды. Они используют искусственный интеллект, чтобы осмыслить огромное количество задействованных молекул. И они воздерживаются от резких заявлений в пользу своих собственных любимых гипотез и против других.
Это не просто более здоровый способ работы — хотя это абсолютно так. Я верю, что это также приведет к более быстрому и глубокому прогрессу. В ближайшие годы я ожидаю много больше прорывов в то, что произошло на нашей планете, когда она была молодой, и как могла выглядеть первая жизнь.
Я представил сценарий адской Земли как своего рода «just-so» историю (просто так). Конечно, поскольку данные так ограничены, мы не можем избежать рассказывания историй о младенчестве нашей планеты. Но, возможно, скоро мы сможем рассказать некоторые лучшие.
