Mikhail Nikitin, forfatter av The Origin of Life: From Nebula to Cell, utgitt av Alpina Non-Fiction, fortalte på loftet hvordan leire, sinksulfider og litt flaks hjalp naturen til å krysse den fine linjen mellom livløs og levende.
Hva er livet?
- Hvis du tar stillingen til et barn som bare ser dyr og planter, så kan vi si at levende organismer er de som enten beveger seg eller vokser. Det er sant at hvis vi legger til mikrober eller noen marine dyr, for eksempel koraller som knapt beveger seg, vil mobilitetskriteriet allerede være kontroversielt. Så kan vi si at alle levende ting skal formere seg, men selv her vil det være moteksempler: noe krystall av salt i en mettet løsning vil både vokse og til og med formere seg (det kan deles i biter og settes tilbake i andre løsninger), men dette lager ikke en krystall i live.
Noen helt uklar definisjon kom ut
- Helt strenge definisjoner finnes bare i matematikk, og når vi vender oss til den virkelige verden - til og med til samme fysikk, og ikke nødvendigvis biologi, blir det mye vanskeligere å gi strenge definisjoner, og dette er ikke tilfeldig.
Hvis vi tydelig kunne dele verden i levende og livløse, ville vi aldri kunne svare på spørsmålet om hvordan livet på jorden i det hele tatt kunne fremstå.
Vi vet at universet har en begynnelse, Big Bang, og under disse forholdene kunne det ikke eksistere noe liv som er eksternt lik vårt, men vi vet også med sikkerhet at det nå eksisterer liv. Hvis det var en uoverstigelig avgrunn mellom de levende og de livløse, ville det til og med milliarder av år etter Big Bang være umulig å krysse den ved et skarpt hopp.
Likevel leter astrobiologer nå etter liv på andre planeter. Hva er det de leter etter? De kan ikke stole på barndomsopplevelser
Kampanjevideo:
- Ja, for disse formålene er det en arbeidsdefinisjon formulert i NASAs astrobiologiske program: livet er et kjemisk system som er i stand til darwinistisk evolusjon. "Kjemisk" betyr "sammensatt av atomer, molekyler og bruk av reaksjoner mellom dem." Og "darwinistisk evolusjon" brytes ned i fire forhold: (1) objekter må formere seg, det vil si lage egne kopier; (2) kopier må ikke være helt nøyaktige, det må være kopieringsfeil som kalles mutasjoner; (3) mutasjoner må overføres til neste generasjon kopier, det vil si at det må være arv; (4) kopieringsfeil skal påvirke sannsynligheten for videre kopiering, det vil si at det skal være valg.
Og hvorfor tror vi at livet nødvendigvis må utvikle seg, utvikle seg?
- Strengt tatt kan livet utvikle seg, men det skal det ikke. Noen cyanobakterier som lever i havene er nå nesten det samme som for to milliarder år siden - de blir ikke mer komplekse, men de utvikler seg fullt ut i henhold til disse veldig fire forholdene, som forresten ikke er spesifikke for jordliv og generelt ikke spesifikke for biologi. Darwins evolusjon er mer en matematiker: Den sovjetiske matematikeren Alexander Lyapunov, 100 etter Darwin, viste at dette er den eneste prosessen som kan skape fundamentalt ny informasjon, og samtidig trenger den ikke å være bundet til materielle legemer eller en slags kjemi. Det er for eksempel evolusjonær programmering, der nuller og ener blir utsatt for darwinistisk utvalg, men det er ingen kjemiske reaksjoner, og derfor kan vi ikke betrakte evolusjonære programmeringsprogrammer som liv, ifølge NASAs definisjon.
Vel, spørsmålet kokte ned til et enda mer abstrakt spørsmål: hvorfor tror vi at ny informasjon skal vises i utviklingen av levende ting?
- Faktum er at alle kjente organismer på jorden er i et "parasitt-vert" -forhold. På dyr, på planter, på sopp, på bakterier - i det minste lever noen virus alltid i et hvilket som helst cellulært liv, og i parasitt-vertspar begynner alltid et våpenløp når vertene blir mer motstandsdyktige mot parasitter under påvirkning av mutasjoner og parasitter - mer i stand til å infisere nye organismer.
Det er som i "Alice Through the Looking Glass" - "Her må du løpe veldig fort for å holde deg på plass." Den levende organismen som ikke forandrer seg i "vertsparasitt" -forholdet, vil snart dø ut.
Et lignende våpenkappløp blant søkemotorer og alle slags spammere og svindlere: min venn, som promoterte nettsteder på Internett, sa at nesten ethvert markedsføringsverktøy funnet slutter å fungere innen seks måneder, fordi Yandex og Google stadig endrer algoritmene sine.
Det viser seg at det at ingen lever i et vakuum får livet til å endre seg og utvikle seg?
- Sikkert. Og det fungerer ikke bare med individuelle organismer. For eksempel, når sjimpansegenomet ble sekvensert, skyndte alle seg for å se etter hvilke gener hos mennesker og aper som er mest forskjellige fra hverandre, noe som faktisk gjør en mann ut av en ape. Forskere fant flere hundre av disse genene, begynte å se på hvilke vev de jobber i, og det viste seg at nesten alle av dem er aktive i kjønnsorganene - enten i testiklene eller i eggstokkene, og produktene til disse genene er enten på sædceller eller på eggene, mellom som også er et slags våpenkappløp. Kvinner er interessert i at sædcellen ikke kommer for raskt inn i egget (ellers kan flere av dem trenge inn samtidig, og cellen med stor sannsynlighet vil dø), og menn vil formidle genetisk materiale på den mest effektive måten.
Fossile koraller ser mer ut som bergarter enn levende skapninger
Uten hvilke mineraler vil overgangen fra ikke-levende til å leve og utvikle seg være umulig?
- For det første er noen mineraler fortsatt i levende organismer. Dette er jern-svovelklynger av pyritt, mineraler med et karakteristisk gyldent protein, som på engelsk også kalles narrens gull - narrens gull. Pyritt-nanopartikler brukes til å lage ledninger inne i proteinmolekyler, gjennom hvilke en elektrisk strøm strømmer: de deltar i redoksreaksjoner i kroppen, og forstyrrelser i arbeidet med jern-svovelklynger kan til og med bli dødelige. I tillegg har noen bakterier også klynger av nikkel-svovel, og planter har klynger av mangan-oksygen. Dette er mineralene, uten hvilke levende organismer fremdeles ikke kan eksistere. I tillegg til dem antas deltakelse i fremveksten av liv i forskjellige sulfidmineraler av sink og lagdelte leirematerialer som smektitt.
Hvorfor er sinksulfider så viktige?
- Levende celler inneholder alltid mye sink, dette er faktisk det vanligste sporelementet. Ofte er det enda mer av det enn jern, og nå er det ikke kjent noen levende organismer som kan leve uten sink. Det finnes i mange proteiner, der det noen ganger ikke har noen biokjemiske egenskaper - det sitter ikke i de aktive sentrene til molekyler, men stabiliserer bare den tredimensjonale foldingen av proteinet. Samtidig har sink et stort underskudd i moderne ferskvann eller andre terrestriske miljøer, og det er forferdelig avfall å bruke det i slike mengder. Derfor oppstod hypotesen om sinkverdenen, formulert av Armen Mulkidzhanyan, ifølge hvilken levende organismer en gang oppsto og utviklet seg i nær kontakt med mineraler basert på sink - i sinksulfider.
Og hvorfor i kontakt med dem? Er det bare en ulykke som er forankret i en uvanlig mobilsammensetning?
- Nei, dette er ikke en ulykke. Den andre forutsetningen for sinkverdenhypotesen er knyttet til moderne nanoteknologers arbeid. Faktum er at kvantepunkter basert på sinksulfid og også kadmiumsulfid interagerer veldig interessant med lys. De kan gi luminescens, fosforesens og er i stand til å utføre alle slags uvanlige reaksjoner ved hjelp av lys, for eksempel for å redusere karbondioksid til maursyre, eddiksyre og andre organiske syrer. I tillegg gir sinksulfider god beskyttelse mot ultrafiolett stråling, og under forholdene på den gamle jorden, uten oksygen og ozonlag, er dette et veldig alvorlig pluss. For mange moderne mikrober ville en dødelig dose under den solen komme på få minutter.
Så sinksulfider kunne gi de første prebiologiske livsformene både tak over hodet og et rimelig kosthold med produkter fra mineralfotosyntese - både et bord og et hus.
I tillegg fører fotosyntese på sinksulfider til ødeleggelse av mineraler og frigjøring av sink i løsning, den svært unormale metningen av det ytre miljøet med sink, som er festet i alle levende celler. Alt er overraskende likt.
Hvor har sinksulfider gått nå? Hvorfor er det ikke så mange av dem på jorden som før?
- Vi dro til havbunnen. Avsetninger av sinksulfid oppstår der det bæres fra jordens tarm med varmt vann med en temperatur på mer enn 200 grader, og ved moderne atmosfæriske trykk koker vann mye tidligere. Slike forhold forekommer nå bare på havbunnen hos svarte røykere: enda varmere vann strømmer ut fra dem med en temperatur på 350 grader, som i tillegg til sinksulfider inneholder enda mer lite løselige jernsulfider. Dette er svarte mineraler, de danner kolonner med svart røyk over røykere og utgjør deres "rør", og sinksulfider er hvite, og de dekker bunnen rundt røykere. På den eldgamle jorden var atmosfæren flere ganger tettere enn den moderne, og varme kilder kunne gi den nødvendige temperaturen rett på overflaten av jorden, i landskap som geysirdalen i Kamchatka eller på Island. Fra de tidene som ble bevart, for eksempelDet iberiske pyrittbeltet i Spania er et 300 km massiv av sink, mangan og jernsulfider dannet av varme kilder for milliarder av år siden.
Vel, sinksulfider beskytter mot ultrafiolett stråling og gir ernæring. Hvilken rolle spilte smektitter og andre leire? Jeg kan ikke engang tro at noe smuss hjalp til med å komme til liv
- For det menneskelige øye er leire bare en slags smuss og uorden, mens det på mikroskopisk nivå er et veldig strukturert materiale: vanlige tynne og lange silikatplater, mellom hvilke det er hulrom rundt to vannmolekyler tykke, hvor aminosyrer eller nukleotider er ideelt plassert … Dette trange miljøet styrer ideelt veksten av protein- og nukleinsyrekjeder.
Eksperimenter viser at hvis til og med en veldig fortynnet løsning med byggesteiner av DNA eller RNA blir tilsatt smektitter, vil det i løpet av få minutter nesten alle være i et slikt leiresediment på bunnen av en sølepytt, og etter en stund vil de kombineres i små kjeder av nukleinsyrer.
Uten en slik ordenseffekt av leire, ville fremveksten av liv være umulig.
Hvem spilte inn tidligere: sinksulfider eller smektitter?
Å dømme etter studiene gjort av geologer, i gamle varme kilder kan sink sulfider eksistere sammen med smektitter, slik det fremdeles skjer i gjørme potter i Kamchatka: silikater oppløst i vann kondenserer der i veldig finkornet leire, ideell for akkumulering av forskjellige organiske stoffer. Så, mest sannsynlig, kom begge mineralene til spill samtidig. Sulfider ble beskyttet mot ultrafiolett stråling og matet med produkter fra mineralfotosyntese, mens smektitter skapte forhold for selvorganisering av molekyler og organisert metabolisme, siden de kan katalysere mange reaksjoner.
Mineralsfaleritt, en av de naturlig forekommende sinksulfidene
La oss forestille oss at på jorden eller på en annen planet, nøyaktig de samme forholdene som milliarder av år siden utviklet seg igjen - ville livet dukke opp igjen? Og i hvilke former ville det utvikle seg?
- Ærlig svar: Jeg vet ikke, og ingen vet. For min smak - 50/50, enten utviklet eller ikke. Men samtidig, hvis det utviklet seg, ville det være nøyaktig det samme som nå, eller i det minste veldig likt: det kjemiske grunnlaget for livet ville være det samme. De samme nukleotidene i DNA og RNA, de samme 20 aminosyrene i proteiner, den samme strukturen til cellemembraner, den samme fotosyntesen på klorofyll, de samme sporstoffene. Forskjellene ville være ganske bare historiske, med permutasjoner i tid: de samme dyrene, planter, mikrober, forskjellige økologiske grupper ville mest sannsynlig ha oppstått, men forholdet mellom dem ville være annerledes.
Hvor slik tillit?
- Jeg kan gi et lite eksempel på utviklingen av pattedyr på forskjellige kontinenter. I den mesozoiske perioden dominerte dinosaurene jorden, og hele landet ble forent først til superkontinentet Pangea, og deretter til to superkontinent - Laurasia (Eurasia + Nord-Amerika) i nord og Gondwana (alle sørlige kontinenter) i sør. Derfor, på dinosaurenes tid, var faunaen nesten den samme på hele jorden, og nærmere dinosaurenes utryddelse delte Gondwana seg og fikk isolerte kontinenter. Og på forskjellige kontinenter, like i utseende, men helt ubeslektede former dukket uavhengig opp: i Sør-Amerika var det analoger av antiloper, hester, neshorn, i Australia og Tasmania - pungdyr sabeltannede tigre. Det er fremdeles bevarte wombats - pungdyranaloger av murmeldyr eller kaniner - og de velkjente kenguruer,okkuperer den samme økologiske nisje med raske planteetere som antiloper og gaseller. Det vil si at evolusjon har en tendens til å gjenta de samme beslutningene under forskjellige forhold.
Vel, hva kunne da ha forhindret fremveksten og utviklingen av liv under de samme innledende forholdene? Hvor kommer 50/50 fra?
- Det er veldig vanskelig å vurdere det tilfeldige og naturlige ved en enkelt hendelse.
Hvis livet pålitelig bare har sin opprinnelse på en jordlignende planet, er det veldig vanskelig for oss å bedømme hvor mye det var forhåndsbestemt, fordi vi observatører per definisjon er på denne veldig bebodde planeten og kan ikke si med sikkerhet hvor unik det er: vår sak er en sak fra en serie på ni av ti eller en av en milliard?
For å svare, må vi fly til andre planeter eller i det minste se veldig bra gjennom et teleskop, fordi et slikt tegn på liv som en oksygenatmosfære, i løpet av 5-10 år, allerede kan sees på exoplaneter. Selvfølgelig betyr tilstedeværelsen av en oksygenatmosfære ikke automatisk intelligent liv og høyt utviklede dyr, men det snakker om utseendet på denne planeten av fotosyntetiske mikrober og planter, siden på jorden oppsto en oksygenatmosfære bare med deltagelse av livet.
Geolog Robert Hazen mener at vi også skylder mangfoldet av forskjellige former for livløse materier på jorden. Er du enig i denne oppfatningen? Kan biologisk evolusjon utløse mineralutvikling?
- Robert Hazen bygger resonnementet på eksemplet på mineraler, og her er alle kortene i hans hender. Han har vært engasjert i mineralogi hele livet, og hvis han skriver at mer enn halvparten av jordens mineraler bare kunne oppstå med deltagelse av en oksygenatmosfære, så har han mest sannsynlig rett. Det er faktisk kjent mange flere varianter av mineraler på jorden enn det finnes i månestein, meteoritter eller andre kosmiske kropper, og mange av disse bergartene kunne ikke ha dukket opp uten deltagelse av levende organismer.
En av de krypende steinene på Racetrack Playa Island i Death Valley, USA
Bilde: Wikipedia
Er livet mulig, å spille i henhold til de samme evolusjonslovene, men bygget på annen kjemi?
- Nå er det forskjellige dårlig begrunnede hypoteser om livet på et annet materielt grunnlag. For eksempel er det mistanke om at selvkopierende strukturer ikke kan eksistere fra atomer, men fra forskjellige subatomære partikler - nøytroner, protoner eller mer eksotiske partikler, som på jorden bare kan oppnås i akseleratorer. Så er det hypotesene om silisiumlevetid med silisiumbaserte polymerer i stedet for karbon. Endelig har Institute of General Physics en hypotese om støvete plasmalevetid. De viste at hvis støvpartikler tilsettes plasmaet, kan det oppstå ganske komplekse strukturer, for eksempel som ligner en DNA-spiral, men nå er det fortsatt nødvendig å vise at de kan formere seg, utvise variasjon og ha arvelighet.
Og hvordan kan vi forstå fra en sak om den er i live eller ikke, hvis den ikke beveger seg, vokser og styres av en helt annen biokjemi? Vil vi være i stand til å gjenkjenne eksotisk liv?
- I tillegg til definisjonene av liv, er det også tegn som vi, selv om vi bare har et lik av tvilsom sikkerhet, kan fastslå at det en gang var en levende skapning. For det første skiller alle levende ting seg fra ikke-levende i den isotopiske sammensetningen av elementer - i levende ting er de lettere, og for det andre er chiral renhet iboende i levende ting.
Hvorfor foretrekker naturen lette isotoper?
- Metabolismen til en levende organisme består av mange kjemiske reaksjoner katalysert av store proteinmolekyler - enzymer, og reaksjonsproduktene passerer fra ett enzym til et annet eksklusivt på grunn av molekylers termiske bevegelse - diffusjon. For eksempel er det i fotosyntese på vei fra karbondioksid til sukker mer enn et dusin kjemiske reaksjoner, og jo lettere molekyler deltar i dem, desto raskere vil stoffskiftet gå. Som et resultat er den lette karbon-12-isotopen i levende materie nesten 100 ganger mer rikelig enn den tunge karbon-13-isotopen, og i livløs natur er proporsjonene litt forskjellige. Et slikt tegn på liv kan skelnes selv i sammensetningen av olje, som en gang var levende mikrober og deretter spaltet i en oksygenfri atmosfære og ved høye temperaturer. Det samme skal være tilfelle med sammensetningen av samme silisiumlevetid.
Og den chirale renheten til levende materie? Hva menes?
- I naturen er det molekyler som kan ha to speilvendte, ikke sammenfallende former - som et objekt og dets refleksjon, eller som høyre og venstre hånd; uansett hvordan du vri det i rommet, vil det aldri fungere å kombinere dem med hverandre. Det viser seg at aminosyrer i proteiner bare er i venstre form, og nukleotider i DNA er i riktig form, og dette er et unikt tegn på levende ting, fordi i deres kjemiske egenskaper er høyre og venstre molekyler nesten identiske, de er bare litt forskjellige i fysiske egenskaper (for eksempel i interaksjon med polarisert lys) og biokjemisk (det er nettopp disse hulrom i smektitter, der bare venstre eller bare høyre molekyler ble plassert, kunne være ansvarlig for chiral seleksjon).
Så hvis vi ser en sak som bare består av høyrehendte eller venstrehendte molekyler - kiralt rene, så må vi forstå at mest sannsynlige levende organismer har fungert her, uansett hvor mange milliarder år det har gått siden de døde.
Derfor, når vi bygger sonder for å søke etter liv utenomjordisk på noen av de merkeligste kjemiske basene og sender dem til for eksempel Titan, Pluto eller Europa, må de være veldig nøye innstilt for å søke etter avvik med isotopisk og chiral sammensetning.
Kanskje det da viser seg at noe iøynefallende, iøynefallende stein faktisk er ganske levende?
- Vel, alle jordiske mineraler har ikke disse tegn på levevis, men i teorien - hvorfor ikke? Forresten er det en historie om krypende steiner i den californiske ørkenen - ganske merkbare brosteiner som veier under ett tonn, som kryper på grunn av det faktum at hver natt fryser mer is på den ene siden enn på den andre. Da smelter denne isen, utvider seg og skyver steinen med noen brøkdeler av en millimeter. Hvis du tar bilder med omtrent ett års mellomrom, kommer disse reisene av steiner ganske merkbare ut. Selv kjenner jeg et annet sted med vandrende brostein - dette er Hvitehavet. Det har lenge vært lagt merke til at hvis fotografier av samme art også blir tatt der med ett års mellomrom, vil noen steiner forsvinne, noen vil dukke opp: kombinasjonen av tidevann og lavvann sammen med is gjør at livløs materie ser ut som levende …I det minste på samme barnslige nivå.
Mikhail Nikitin, biolog, juniorforsker ved A. N. Belozersky Research Institute of Physical and Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University, forfatter av boka The Origin of Life. Fra tåke til celler , prisvinner av den litterære prisen oppkalt etter Alexander Belyaev.
Mikhail Petrov
