Что интересного нашло NASA в канадском озере? Для экзотической среды озеро Павильон в Британской Колумбии довольно ординарно. Да, оно далеко: ближайший крупный город — это Ванкувер, далеко за горами. Ближайшие города представлены легкими домиками на сухих склонах, их разделяют десятки километров пустой засушливой сельской местности. Самое озеро пролегает вдоль асфальтированной дороги, и если смотреть с дороги, оно ничем не будет отличаться от других горных озер на западе Северной Америки.

Но под поверхностью дно озеро Павильон усеивает нечто напоминающее коралловые рифы: купола и конусы странных форм, похожих на артишоки. Но это не кораллы, которые представляют собой колонии крошечных животных; это скальные образования под названием микробиалиты, образованные и представленные цианобактериями. Иногда ошибочно называемые «сине-зелеными водорослями», эти бактерии, возможно, даже создали камни, на которых живут, высасывая питательные вещества из воды и оставляя после себя камень. Подобно растениям, они живут на солнечном свету, процветая на мелководье вниз по крутому склону до точки, где солнечный свет сходит на нет.

Они являются причиной интереса NASA. Люди, которые приходят к этому озеру, имеют нечто большее на уме, чем могут предположить случайные посторонние. Они хотят знать, что редкие формации в озере Павильон могут рассказать нам о происхождении жизни на Земле, жизни в других мирах и вообще что такое жизнь.

Котики и жизнь

Эрвин Шредингер был умным парнем. Вы, возможно, знаете его знаменитый мысленный эксперимент с «котом Шредингера», который сидит в коробке ни жив ни мертв, пока вы не заглянете внутрь. Тем не менее одна из его самых интересных работ представляет собой тонкую книгу 1944 года, основанную на серии лекций, которые Шредингер читал в Дублине. Она ставит один вопрос: что есть жизнь?

Книга оказала большое влияние на прогнозирование некоторых важных свойств ДНК, прежде чем они были обнаружены. За десять лет до того, как была обнаружена знаменитая структура двойной спирали ДНК, Шредингер правильно определил ключ к тому, как организмы развиваются и передают информацию между поколениями, как апериодический кристалл: цепочки атомов, которые никогда точно не повторяются. Даже если каждое звено в цепи содержит те же атомы (углерод, азот, кислород, водород и фосфор), их комбинация позволяет закодировать невероятное количество информации.

Шредингер сравнивал это с кодом Морзе, который воспроизводит весь язык с помощью всего двух «букв». Сегодня мы знаем, что код ДНК имеет четыре буквы (A, C, G и T), выстраивание и спаривание которых может закодировать все, что нужно организму для строительства протеинов, функционирования метаболизма и жизни. Кажется, это простейшее отличие живого от неживого: способность передавать информацию помимо простого воспроизводства.

Обычные кристаллы воспроизводят себя, но они только проходят через повторяющийся рисунок расположения атомов. Они не могут эволюционировать. Или, по словам Шредингера, это похоже на разницу между «обычными обоями, один и тот же рисунок которых повторяется снова и снова с завидным постоянством, и шедевром вышивки, скажем, гобеленом Рафаэля, на котором нет глупого повторения, а лишь сложный, последовательный, осмысленный дизайн, нанизанный великим мастером».

Странные на вид

От первого лица — Мэтью Франсис, ученый NASA.

Понтонная лодка под завязку набита людьми, обслуживающими и управляющими дистанционно управляемыми транспортными средствами. Эти небольшие субмарины (ROV, ТНПА — телеуправляемые необитаемые подводные аппараты) оборудованы камерами высокого разрешения и изучают ту часть озера, куда дайверы-люди будут погружаться в конце недели. Они также несут датчики для измерения температуры воды, pH, GPS-положения, глубины и потока. Для достижения идеального уровня плавучести, устройства набиты странной смесью высокотехнологичного и низкотехнологичного оборудования: передовыми моторами и устройствами плавучести из шаров Wiffle и ярко-оранжевой «лапшой» из плавательного бассейна, к которой крепится пластиковый кабель. Одна машинка суетится у дна озера, делая снимки микробиалитов; задача другой — наблюдать за первой и отслеживать общие условия воды.

Я смотрю на все это из «центра управления» NASA — трейлера на берегу — по видеоканалу от ТНПА. Пейзаж дивного нового мира: нерегулярные серо-зеленые курганы размером со стол, некоторые в кластерах, некоторые по одиночке, вытянутые дальше, чем может разглядеть камера в подводной темноте. Глядя на эти кадры со дна озера, я думаю о том, как сильно это напоминает юную Землю. Основанные на ископаемых микробиалитах, древние предки современных цианобактерий были, возможно, в числе самой первой жизни на Земле. Кислород в нашей атмосфере был, по всей видимости, создан цианобактериями миллиарды лет назад, когда они преобразовали богатую углеродом атмосферу юной Земли в современную сбалансированную смесь азота и кислорода, задолго до того, как планета получила мощное развитие. Вероятнее всего, слизистые коврики колоний, которые укрывают дно далеких озер, создают современные цианобактерии, а не сложные, скалистые микробиалиты, которые мы видим в Павильоне, так что 3,5 миллиарда лет назад все было точно так же.

Странные на вид, эти микробиалиты могут быть единственной смутно знакомой вещью для путешественника во времени, который вернется в юные дни нашей планеты. Потому что жизнь не просто сделала воздух, которым мы дышим — пойти куда-нибудь, увидеть что-то на Земле, значит увидеть среду, созданную жизнью. Химия пород, океанов, почвы — все было сформировано жизнью. И ученые находят организмы — бактерии и археи, одноклеточные организмы, которые процветают в экстремальных условиях — повсюду, от трещин в породах глубоко под землей до облаков высоко в атмосфере. В любой среде эти организмы адаптировались к своему окружению и сформировали это окружение, чтобы угодить себе в первую очередь.

Следы этого взаимного формирования известны как биосигнатуры, и у озера Павильон есть прекрасные их образцы, которыми интересуется Эллисон Брэйди. Геохимик из Университета Макмастера, Брэйди ищет способы различения абиотических процессов — которые происходит без влияния жизни — и однозначных биосигнатур. «Хотя бактерии давно мертвы, — говорит она, — камень сам по себе может все еще хранить химическую сигнатуру, о которой можно сказать, что «она была создана биологическим влиянием», в противоположность к сугубо абиотической химии. Это мы наблюдаем в Павильоне».

Биосигнатуры могут рассказать нам, будут ли подобные камни, обнаруженные на Марсе, ископаемыми микробиалитами — следами некогда существовавшей там древней жизни — или жестоким подобием. Относительные количества различных изотопов или наличие необычных молекул в камне могут выявить химические следы, произведенные процессом метаболизма микробов, которые давно умерли.

Очевидно, лучшим сценарием было бы увидеть микробов (если они существуют), но это куда сложнее, чем заявляют писатели-фантасты. Любой образец микроорганизмов, собранный марсоходом, зондом или астронавтом, должен будет пережить воздействие оборудования и оказаться живой штукой под микроскопом. Этот процесс требует времени и потребует некоторых предварительных химических подсказок, что на это стоит взглянуть на микроскопическом уровне. В отсутствие трикодеров из «Звездного пути» для автоматического сканирования, ученые будут искать биосигнатуры в почве Марса, льдах спутника Юпитера Европы и потоках воды, извергающейся из ледяных вулканов Энцелада, шестой из самых крупных лун Сатурна.

«Органический» не значит «живой»

На берегах Павильона меня постоянно окружали радужные голубые стрекозы, тогда как неподалеку плавали гагары. Спустя два дня работы только ТНПА, в дело вступили водолазы. Чтобы приспособиться к ним, ученые взяли дополнительную лодку к месту погружения. На этот раз я был на воде с ними, хотя моя основная задача была держаться подальше. По факту, мой вид из трейлера был куда лучше: мне приходится смотреть за тем, что ученые видят на мониторах, и стать свидетелем того, что на самом деле делают водолазы, я не могу.

Стрекозы, гагары, водолазы и даже необычные бактерии можно распознать как живых — ведь они «дышат, кушают и растут», как пелось в песенке. Но все ли живое так делает?

Самой трудной частью поиска жизни в других местах в космосе может стать ее узнавание на вид. Большая часть жизни на Земле микробная, и хотя мы часто связываем бактерии с болезнями, большинство видов не влияют на человека так или иначе. Огромное число видов процветает в местах, которые убили бы нас, и наоборот: глубокие воды, кислотные пещеры, жгучий холод или адская жара. Тем не менее между этими организмами и нами имеются сходства, хотя эволюция и адаптация разделили нас.

Из-за этого сходства вся жизнь на Земле состоит из клеток; вся она использует жидкую воду как часть своей основной структуры; вся она построена из похожих молекул, содержащих углерод, кислород, азот и несколько других распространенных элементов; вся она использует ДНК и РНК для кодирования информации о себе и передачи этой информации будущим поколениям. И опять же, мы должны задать вопрос: должна ли жизнь быть такой? Если мы проиграем заново историю нашей Солнечной системы, будет ли жизнь использовать ту же химию, делать клетки и изменять свое окружение таким же образом?

Жизнь — это органика, что простым языком означает «молекулы, содержащие углерод». Органические молекулы довольно распространены в нашей галактике. Астрономы нашли признаки аминокислот (строительных блоков белков) в кометах и азотистые основания (генетические «буквы» ДНК и РНК) в облаках газа между звездами.

Но хотя вода может быть необходимой для жизни, ее достаточно много в других мирах и межзвездном пространстве, чтобы быть ничем не примечательной. Мы до сих пор не нашли никаких признаков чего-то, что можно было бы истолковать как «жизнь».

Как бы парадоксально это ни звучало, может существовать и неорганическая жизнь: органический не значит живой. Жизнь на основе кремния, которая населяет популярные научно-фантастические вселенные «Звездного пути» и «Плоского мира» Терри Пратчетта, стала результатом мышления в этом направлении. Кремний находится в том же столбике периодической таблицы, что и углерод, так что химически они похожи. Правда, связи, которые он образует, не совсем нужные, поэтому мы не видим образования молекул того же типа. Углерод обладает уникальной способностью среди всех элементов периодической таблицы образовывать структуры с другими атомами, которые будут достаточно сложными для жизни.

ДНК определенно сложная, что заставляет многих ученых задумываться о том, как она вообще появилась изначально. Одна из распространенных гипотез подразумевает, что РНК — которая существует в виде одиночной цепи, тогда как цепь ДНК двойная — была раньше, но даже РНК сложная. «Может быть, жизнь начала не с РНК, а с чего-то более простого, — говорит Джон Шапут из Аризонского университета. — Чем бы этот простой материал ни был, он помог образовать РНК».

«Д» в ДНК и «Р» в РНК представляют дезоксирибозу сахаров и рибозу соответственно. Дезоксирибоза и рибоза являются лестничными стойками, на которых выстраиваются генетические буквы, но они не являются единственно возможными для работы сахаров. Искусственные генетические молекулы XNA можно построить из других сахаров: X означает лишь одну букву из ряда других возможностей.

Шапут наиболее заинтересован в сахаре, известном как «треоза», поскольку в результате молекула ТНК «узнает» РНК и связывается с ней, подобно тому, как ДНК связывается с РНК. ТНК проще РНК и ДНК как в химической структуре, так и в простоте производства. Шапут и его единомышленники подозревают, что на юной Земле сначала появилась ТНК: «Поскольку ТНК проще синтезировать, она возникла раньше, но быстро была вытеснена РНК».

XNA — только один из возможных альтернативных маршрутов жизни. Углерод создает гораздо больше молекул, чем использует известная нам жизнь. Белки не используют все типы аминокислот; ДНК и РНК не используют все азотистые основания, которые возможны химически. Вполне возможно, что формы жизни в другом месте могут обладать такой же органической химией и даже похожим на наш генетическим кодом, но использовать другие молекулы в конструировании своих клеток.

Ископаемые микробиалиты

Погода солнечная и приветливая, но Тайлер Маки и Фрэнсис Ривера-Хернандес одеты для холодных температур. Они в костюмах, готовые погрузиться в холодные воды озера, пока проверяют, работает ли все необходимое для проведения научных работ оборудование.

Маки будет изучать, как микробы формируют и формируются своим окружением и как эти взаимодействия могли бы отразиться в палеонтологических летописях на Земле. Большая часть его работы проводилась в полярных озерах Антарктики. Ривера-Хернандес работает на команду Mars Science Laboratory, которая занимается марсоходом «Кьюриосити», в настоящее время исследующим поверхность Марса. Ей интересно увидеть, разделяют ли озера на Земле геологические особенности с ныне сухими озерами на Марсе, которые в далеком прошлом могли быть покрытыми льдом водоемами.

О Марсе на озере Павильон говорят много. Водолазы не только собирают научные данные о микробиалитах: они тестируют программное обеспечение и протоколы для проведения похожих работ на поверхности Красной планеты. На смену водолазам придут будущие астронавты на Марсе; лодка, с которой они ныряют, является их «командным центром» (как тот, что однажды может разместиться на марсианской луне Фобос), а большой трейлер NASA на берегу — это центр управления полетом.

Чтобы приблизить моделирование к реальности еще больше, в программное обеспечение встроена пятиминутная задержка на пути между центром управления полетом и лодкой, чтобы сымитировать время, необходимое сигналу для преодоления 55 миллионов километров от Марса до Земли в момент их наибольшего приближения. С такой задержкой водолазы не могут получить инструкции напрямую с «Земли», а, значит, большинство действий, которые они предпринимают, должны быть тщательно спланированы заранее. (У астронавтов «Аполлона» была менее существенная задержка в одну секунду в каждую сторону).

Будущие космонавты на Марсе вряд ли найдут что-то такое же живое, как бактерии в Павильоне, но могут найти останки мертвых микробиалитов. Палеонтологи обнаружили окаменелости слоистых микробиалитов, известных как строматолиты, в Австралии, Гренландии, Антарктике и за ее пределами. В западной Австралии нашли останки возрастом 3,5 миллиарда лет, которые образовались вскоре после того, как расплавленная Земля затвердела. Если бы похожие на земные микробы возникли на Марсе в аналогичный период времени, но вымерли (или переместились в подполье), когда планета высохла, там могут быть похожие окаменелости.

В настоящее время поверхностная вода на Марсе кажется эфемерной и очень соленой, но так было не всегда. «Если на Марсе когда-то было изобилие воды — чему есть множество подтверждений на поверхности — она, наверное, была заморожена», — говорит Ривера-Хернандес. Это делает холодные озера на Земле особенно интересными для кого-то, кто находится в поисках жизни на Марсе. Павильон замерзает каждую зиму, а во время последнего ледникового периода его мог покрывать слой годового льда. Некоторые структуры микробиалитов кажутся достаточно старыми, чтобы пережить это замерзание.

Нет однозначного ответа

За 71 год после выхода книги Шредингера ученые прошли длинный путь, пытаясь понять, как работает жизнь, но к окончательному и ясному определению, что такое жизнь, так и не пришли. Эволюция — ее часть, как и связанное с ней понятие передачи генетической информации от одного поколения следующему. Метаболизм — ее часть, он изменяет химический баланс ее окружающей среды так, как он не мог бы измениться без метаболизма. Но даже если существуют вещи, которые точно не являются живыми, и вещи, которые определенно живы, между ними есть темный непознанный регион.

Это царство вирусов и изгоев-белков под названием прионы — печально известных за вызов губчатой энцефалопатии у крупного рогатого скота. У вирусов есть ДНК или РНК, но для воспроизводства им нужно проникнуть в клетку. Прионы известны тем, что могут передавать информацию и воспроизводиться без ДНК, взламывая другие белки, что наносит особенный вред тканям мозга. Вирусы и прионы зачастую вредоносны, но некоторые виды дрожжей извлекают выгоды из прионов, а млекопитающие используют ДНК вируса, чтобы плод не погиб в утробе матери. Ни те ни другие не являются живыми в строгом смысле — они не растут и не множатся, не подсоединяя себя к организмам — но могут мутировать и эволюционировать под давлением естественного отбора.

«Очевидно, у вируса есть возможность следовать дарвиновским эволюционным принципам, но не без клетки-хозяина, — говорит Дэвид Линн из Университета Эмори. Для него жизнь и не-жизнь лежат на континууме: «Существует некоторый переход, после которого мы можем отличить что-то, что способно эволюционировать на химическом уровне, и что-то, что способно на биологическом». Другими словами, существует размытое разделение между тем, что требует внешнего катализатора — клетки-хозяина, ткани мозга — для эволюции, и тем, что может эволюционировать и воспроизводиться самостоятельно. В какой-то момент безжизненные химические процессы преодолевают это разделение и становятся узнаваемо живыми.

Линн много думает о биохимической информации, содержащейся в сложных молекулах, и как понять эволюцию в этом контексте. Вместе с коллегами он исследует, могут ли белки (которые в химическом смысле являются относительно длинными цепочками органических молекул, используемых в строительстве клетки) хранить и передавать ту же информацию, что и генетические молекулы, без необходимости подключать ДНК или РНК. Но как ДНК белки являются сложными, поэтому вопросом остается, было ли в истории жизни на Земле что-то еще, что пришло первым и подготовило почву для обоих этих сложных химических веществ.

Небольшое канадское озеро Павильон является одним из мест, которое может подсказать нам ответы на эти вопросы. Различные исследователи Павильона, биохимики, работающие с XNA, и астробиологи, осмысляющие жизнь на других мирах — все они пытаются понять адаптации жизни, используя химические вещества и материалы на своих местах.

Бактерии вроде тех, что живут в озере Павильон, сегодня редко строят структуры микробиалитов; хотя Павильон немного более щелочное, чем другие озера поблизости, и имеет более высокое содержание минералов, нет никаких очевидных причин для существования таких структур. «Что позволяет этим микробиалитам существовать в этом озере? Что может быть такого особенного в этом озере? — задается вопросом Дарлин Лим, ведущий исследователь Павильона. — Это довольно сложная задача для решения, и она требует множества различных точек зрения под разными углами».

Вся жизнь на Земле связана с общим предком глубоко в геологическом прошлом. Но, возможно, известная нам жизнь однажды сосуществовала с другой биохимией. Если это правда, со временем наш общий предок оказался более успешным, чем организмы, основанные на альтернативных молекулярных структурах, используя и изменяя окружающую среду, пока другие формы жизни не вымерли. Эта мысль отрезвляет: смерть засилья видов, которые могли вырасти и доминировать на планете, если бы история пошла другим путем.

Конечно, эти «может быть» остаются в области размышлений. С Марсом, с Европой, с тысячей попавших в каталоги экзопланет, диапазон химических возможностей может быть огромным. Мы даже не можем допустить, что вся жизнь должна идти той же дорожкой, что пошла на Земле, биологически или химически.

«Что такое жизнь?» — это далеко не один вопрос и не должен быть одним-цельным. Возможно, его и задавать не стоит. Мудрые умы вроде Чарльза Дарвина огибали эти философские подводные камни.

По материалам Mosaic