Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Тем временем другой немецкий биолог, Теодор Шванн, рассматривал в микроскоп клетки животных. Предполагается, что двое этих ученых как-то за обедом поговорили о работе и Шванн осознал сходство между изучаемыми Шлейденом растительными клетками и клетками животных, объектами своего изучения. В результате в 1839 году вышла его книга “Микроскопические исследования в области сходства структуры и роста у животных и растений” (Microscopical Researches into the Accordance in the Structure and Growth of Animals and Plants). В ней Шванн делает следующий очевидный шаг и заявляет, что не только растения, но и вообще все живые организмы в качестве основы имеют клетки[27]. Именно это объединяет синего кита с красным мухомором. Вопреки всем их различиям оба состоят из одинаково устроенных клеток.

“До чего же велико различие между мышечной и нервной клетками, между последними и клеточной тканью (которая используется только применительно к растениям), эластичной и ороговевшей тканями, и так далее, – пишет Шванн, прилагая все усилия к тому, чтобы читатель понял особую важность этих слов. – Однако когда мы обращаемся к истории развития данных тканей, мы понимаем, что все это многообразие форм объединяет происхождение от клеток и только от клеток, которые совершенно аналогичны таковым у растений и которые демонстрируют потрясающее сходство в некоторых самых существенных процессах, которые они сами и делают возможными”.

Суть идеи Шванна заключалась в том, что все живое либо состоит из клеток, либо, если речь идет о чем-то вроде ногтей и перьев, создано клетками. Позже она получила название “клеточная теория”, и в наши дни ее правильность не вызывает сомнений.

Как одна клетка может породить другую? Ответ на этот вопрос отыскивался постепенно, на протяжении 1830-х годов, по мере того, как ученые наблюдали за данным процессом в свои микроскопы[28]. Все оказалось очень просто: клетка умеет делиться надвое. Если она имеет сферическую форму, то сначала образует посередине перемычку. Затем перемычка постепенно сужается, и клетка приобретает форму галстука-бабочки. Наконец перемычка исчезает, и вместо единственной материнской клетки мы имеем две дочерние.

Последний штрих был нанесен биологом Робертом Ремаком[29], уроженцем Пруссии. Он пришел к выводу, что процесс деления клеток является единственным путем образования новых клеток. В 1840-е – 1850-е годы Ремак опубликовал целый ряд доказательств, но их никто не принял всерьез. Вдобавок – из-за иудейского вероисповедания – Ремаку много раз отказывали в получении профессорского звания, которого тот, несомненно, был достоин. В итоге идеи Ремака распространились благодаря Рудольфу Вирхову, который в 1855 году свел их к лаконичному Omnis cellula e cellula (лат. “клетка возникает только от клетки”). К тому времени Вирхов построил чрезвычайно успешную карьеру (он уже стал первооткрывателем лейкемии, и ему предстояло сыграть важную роль в создании общественного здравоохранения), однако не счел нужным как-либо упомянуть вклад Ремака. Лишь спустя три года он с неохотой и оговорками признал, что использовал работы своего предшественника.

Эта череда открытий (и один случай откровенного плагиата) привела к ответу на наш вопрос. Итак, поскольку все живое вокруг нас состоит из клеток, то, наверное, и первый живой организм тоже был клеткой – хотя, разумеется, более простой, чем современные клетки. И в этом случае вопрос “Как началась жизнь?” сводится к вопросу “Как возникла самая первая клетка?”

Здесь кое-кто из читателей может запротестовать. Разве вирусы – это не нечто несомненно живое и устроенное еще более просто, чем клетки? Все-таки вирусы намного меньше – недаром же их открыли только в 1890-е годы, когда миновало уже больше двух столетий с того дня, как Левенгук заприметил своих анималькулей. Обычный вирус – это всего лишь оболочка, в которую упаковано небольшое количество генов. Однако именно эта простота и делает вирусы плохими кандидатами на звание первого организма. Вирусы упростились настолько, что оказались неспособны к самостоятельному существованию. Для размножения и процветания им абсолютно необходимо проникнуть в клетку и завладеть ее внутренней машинерией, так что вирусы, пожалуй, все же не являются живыми в полном смысле этого слова. Очень может быть, что в ходе эволюции они возникли после клеток, на которых и начали паразитировать. Видимо, первой жизнью могли быть только клетки.

Теперь давайте обратимся к вопросу о месте зарождения жизни. Уж на него-то ответить совсем не трудно. Единственное известное нам место, где существует жизнь, это Земля. Поэтому будет естественным считать, что именно наша планета является местом зарождения жизни. Однако некоторые ученые полагают иначе: по их мнению, жизнь зародилась где-то за пределами нашей планеты и лишь потом была перенесена на Землю. Существует ряд вариантов этой так называемой “панспермии”; подробнее мы поговорим о ней в 6 главе. Пока же отметим, что, несмотря на активные поиски, жизнь в космосе обнаружить не удалось – скорее всего, это подрубает данную идею на корню.

Остается вопрос времени. Как долго было открыто окно возможностей для возникновения на Земле жизни? Чтобы понять это, необходимо выяснить, во-первых, возраст планеты Земля и, во-вторых, как давно на ней существует жизнь, то есть, по сути, узнать возраст наиболее древних свидетельств жизни.

Первым был получен ответ на вопрос о возрасте Земли.

Обсуждение этой темы обычно начинается с насмешек над ирландским архиепископом Джеймсом Ашшером, который в 1650 году заявил, что Земля была создана Богом в момент наступления темноты 22 октября 4004 года до Рождества Христова[30]. Ашшер получил эту дату путем сложения возраста ключевых действующих лиц Библии, дополнительно сверяясь с современными ему сведениями из древней истории, а также астрономии. Спору нет, Ашшер безнадежно ошибся, однако высмеивать его все-таки несправедливо. Труды Ашшера были написаны до того, как возникла наука в современном ее понимании. К 1650 году Коперник и Галилео Галилей уже внесли свой вклад в копилку знаний, однако Исааку Ньютону было всего восемь лет, а геологии как самостоятельной науки не существовало вовсе. С учетом этого вычисления Ашшера следует признать очень тщательными. Палеонтолог Стивен Джей Гулд мужественно защищал Ашшера, подчеркивая сложность построения временной шкалы на основе Библии, которая часто не указывает даты и вынуждает проводить параллели с историей Рима и Персии[31]. “Ашшер являл собой пример лучшего академического ума своего времени”, – пишет Гулд. Единственной ошибкой епископа было считать (подобно многим его современникам) Библию совершенно надежным источником.

За два следующих века ученые выяснили, что горные породы земной коры образуют отдельные слои и что более глубокие слои старше тех, которые расположены ближе к поверхности. Каждый из слоев относится к определенному периоду истории Земли – этим периодам позже дали названия, такие, к примеру, как “юрский”. К середине XIX столетия геологи (включая Чарльза Лайеля) пришли к выводу, что слои образовались в ходе длительного и постепенного отложения мелких частиц, – но вот установить их точный возраст возможным пока не представлялось.

Одно из первых кропотливых вычислений выполнил в XIX веке физик Уильям Томсон, который позже получил дворянский титул и стал известен как первый лорд Кельвин. Томсон был убежденным христианином и скептически относился к теории эволюции Дарвина. Однако он был еще и экспертом в области термодинамики – науки о тепле и о том, насколько быстро остывают те или иные объекты. Кельвин начал с предположения, что исходно Земля была очень горячей, – ведь ее более глубокие слои до сих пор имеют гораздо более высокую температуру. Это навело ученого на мысль, что наша планета остывает. В 1864 году он примерно оценил ее возраст: Земле от 20 до 400 миллионов лет[32]. Судя по наблюдаемой температуре, старше она быть не могла. К 1897 году Кельвин остановился на 20 миллионах.

Кельвин тоже безнадежно ошибался, но, опять-таки, в этом не было его вины. Одним из эпохальных открытий того времени стала радиоактивность, о которой впервые услышали лишь в 1896 году. В недрах Земли покоится множество радиоактивных горных пород, которые излучают тепло, – но Кельвин об этом ничего не знал. Он считал, что и Солнце столь же молодо, ведь в то время никто не мог вообразить, что звезда может сиять многие миллионы лет. Все изменило открытие в 1930-е годы ядерного синтеза. Стало понятно, что Солнце является колоссальным источником энергии и может оказаться очень древним, – и такой же древней может оказаться наша Земля[33].

Открытие радиоактивности оказалось ключом к получению правильной оценки возраста Земли. Это весьма любопытная история, однако мы сразу перейдем к ее развязке. В начале XX века физики выяснили, что некоторые атомы нестабильны и склонны разрушаться (или распадаться) на более мелкие и устойчивые атомы. При этом высвобождаются очень маленькие порции радиации.

Дело в том, что атом не является единой частицей, как это считали на протяжении длительного времени. В действительности он “сделан” из более мелких частиц трех типов. Всякий атом имеет центральную часть – ядро, состоящее из специфического для него числа протонов и нейтронов. Это ядро окружено “облаком” электронов. Вся суть атома заключена как раз в его ядре, поскольку протоны и нейтроны в нем должны быть упакованы строго определенным образом. И если частиц того или иного сорта в нем слишком мало или слишком много, то такое ядро становится нестабильным.

Каждый из радиоактивных элементов распадается с вполне определенной скоростью. Представьте, что у вас есть слиток урана-238 (самой распространенной разновидности урана) и что в этом слитке ровно 1000 атомов. Потребуется 4468 миллионов лет для того, чтобы половина их (то есть 500) распалась с образованием атомов свинца. Далее потребуется еще 4468 миллионов лет для распада половины оставшегося урана (250 атомов) – и так вновь и вновь вплоть до момента, когда урана уже не останется и слиток окажется полностью свинцовым. Этот период в 4468 миллионов лет, за который содержание урана-238 убывает вдвое, называют его периодом полураспада (англ. half-life). Поскольку каждый радиоактивный элемент имеет собственный период полураспада (установленный в эксперименте и постоянный), эта характеристика может быть использована для датировки горных пород (то есть оценки их возраста). Первым прошел по этому пути американский радиохимик Бертрам Болтвуд, измеривший в 1907 году соотношение урана и свинца в горных породах и заключивший, что им по меньшей мере 400 миллионов лет[34].

Однако вскоре стало понятно, что в действительности проблема гораздо сложнее. Оказалось, что уран – не единственный радиоактивный элемент, который распадается с образованием свинца. К тому же существует несколько разновидностей самого урана, и все они распадаются с разной скоростью.

Проблему, причем практически единолично, решил “тихий и непритязательный” Артур Холмс[35]. Свою первую статью он опубликовал в 1911-м, всего через два года после окончания университета. В ней Холмс описал успешную датировку горной породы девонского периода – тех времен, когда широко распространились первые наземные растения, а океан заполонили первые рыбы. Холмс сделал вывод, что его образцам 370 миллионов лет, – и это число соответствует девонскому периоду в современном понимании[36].

Два года спустя Холмс выпустил свою первую книгу, “Возраст Земли” (The Age of the Earth), – ее написанию не помешало даже то, что в это самое время автор принимал участие в геологоразведочных работах в Мозамбике. (Путешествие, кстати, едва не кончилось для Холмса трагически из-за заражения малярией.) В книге приведены доказательства того, что радиоактивный распад может служить надежным способом для установления возраста Земли, и – на основании датированных Холмсом ранее пород – сделано предположение, что нашей планете 1 миллиард 600 миллионов лет[37].

На протяжении следующих двух десятков лет Холмс продолжал отодвигать результаты своего радиометрического датирования в прошлое. (Две новые редакции его книги вышли в 1927 и 1937 годах.) Затем им была обнаружена порода возрастом 3 миллиарда лет – на этой цифре он настаивал в 1946 году[38].

В этом месте история слегка запутывается, поскольку Холмс, много лет использовавший радиометрический анализ, внезапно узнал, что его вовсю применяют и другие исследователи. Методики датировки были усовершенствованы, их даже начали использовать для изучения метеоритов – которые, как предполагалось, образовались одновременно с Землей, но не прошли через выветривание и прочие передряги, случившиеся на нашей планете.

Поворотным оказался 1953 год, когда двое ученых независимо друг от друга пришли к одному и тому же в целом правильному результату. Первый из них – это немец Фридрих Хоутерманс, побывавший в заключении и в Советском Союзе, и в нацистской Германии, а впоследствии получивший всеобщее признание как эксперт в области радиохимии. При исследовании состава метеорита Хоутерманс сделал вывод, что “небесному камню” 4,5 миллиарда лет, и предположил, что и нашей планете столько же[39]. За несколько месяцев до того Клэр Паттерсон озвучил близкие к этим данные – он получил их, изучая метеорит из Каньона Дьявола (тот самый, который создал колоссальный кратер Бэрринджера в Аризоне)[40]. Паттерсону обычно отдают пальму первенства, хотя такое предпочтение выглядит откровенно нелепым. Оба ученых пришли к этому выводу почти одновременно, так что успех было бы справедливо разделить между ними поровну. Позднее Паттерсон исправил некоторые неточности в своих результатах и надлежащим образом обнародовал их в 1956 году[41]

Примечания