Для химической эволюции необходима среда, где возможны многочисленные химические эксперименты. А такое встречается крайне редко. В чем же состоят условия Златовласки для проведения химических опытов? И почему на молодой Земле они были так распространены?
Во-первых, наша Солнечная система находится в правильной части Млечного Пути. На дальних рубежах галактики звездам достаются скудные, химически обедненные облака вещества. По тем звездам, что расположены слишком близко к ее центральной «деловой зоне», постоянно бьют ударные волны, которые активно испускают черные дыры в ее ядре. Солнечная система – как раз там, где нужно. Ее орбита находится примерно в двух третях пути от центра галактики, в самой середине «жилой зоны» Млечного Пути.
Во-вторых, химия хорошо работает только при низких температурах. В ранней Вселенной было слишком жарко, чтобы атомы соединялись в молекулы. Слишком жарко и внутри звезд. Химическое богатство возможно лишь в узком диапазоне довольно низких температур, которые встречаются в пригодных для жизни зонах – рядом со звездами, но не слишком близко от них. Орбита Земли находится примерно посередине пригодной для жизни области возле Солнца. Венера и Марс обращаются, соответственно, на внутренней и внешней границах жилой зоны нашей системы. Впрочем, оказывается, бывает, что внутри спутника, находящегося дальше от звезды, например спутника Сатурна Энцелада, горит огонь, и здесь могут протекать благоприятные для жизни химические процессы. В 2017 году ученые обнаружили, что в океанах Энцелада вырабатывается водород, газ, который обеспечивал пищей некоторые из самых первых организмов на планете Земля
[63].
Третье условие Златовласки, необходимое для химического богатства, – это присутствие жидкостей. В газах атомы носятся, как гиперактивные дети, и сложно удержать их так, чтобы они могли сцепиться с другими атомами. В твердом веществе обратная проблема: здесь атомы застряли на одном месте. Жидкости же подобны танцевальным залам, а вода в жидкой форме с ее перешептыванием водородных связей – это лучшая бальная зала из всех возможных. Атомы могут курсировать, вальсировать, танцевать танго, и электрону несложно сменить партнера, если он заметит кого-то поинтереснее. Наличие жидкостей зависит от химических условий, температуры и давления. Вода в жидкой форме существует в узком диапазоне температур (бóльшая часть воды во Вселенной находится в форме льда). Но при этих же температурах встречаются газы и твердые вещества, поэтому возникают очень интересные химические возможности. Таким образом, следует ожидать, что в химическом плане самыми любопытными будут планеты, где средние температуры на поверхности находятся примерно между 0 и 100 °С, между точкой замерзания и кипения воды соответственно. Это бывает редко, но Земля расположена как раз на правильном расстоянии от Солнца, чтобы на ней была жидкая вода.
Четвертое условие Златовласки для химического богатства – это разнообразие элементов. Правильная температура совершенно бесполезна, если в вашем распоряжении нет ничего, кроме водорода и гелия. А сегодня даже в химически богатых областях галактик они по-прежнему составляют 98 % всего атомного вещества. Сложная химия возможна в тех редких средах, где чаще встречаются другие элементы периодической таблицы. В Солнечной системе такое разнообразие можно увидеть лишь на каменистых планетах около Солнца, потому что молодая звезда выпарила бóльшую часть водорода и гелия с внутренних орбит Солнечной системы и здесь остался концентрированный дистиллят из всех остальных элементов.
Когда молодая Земля застыла, из месива разнообразных химикатов получились глыбы каменных пород – это твердые вещества, состоящие из множества разных простых молекул, перемешанных между собой. Появились и первые земные минералы, вероятно, в форме простых кристаллов, таких как графит или алмазы
[64].
В такой химически богатой среде многие простые молекулы, из которых образуются живые организмы, могут возникнуть более-менее спонтанно. Речь идет о маленьких молекулах, содержащих менее ста атомов, включая аминокислоты, из которых сделаны все белки; нуклеотиды, из которых состоит весь генетический материал; углеводы или сахара, часто использующиеся как батарейки для хранения энергии; и жирные фосфолипиды, что образуют клеточные мембраны. Сегодня эти молекулы не появляются спонтанно, потому что их разорвал бы на части атмосферный кислород. На ранних же этапах свободного кислорода в атмосфере Земли практически не было, так что такие простые молекулы могли образоваться, получив небольшой импульс энергии активации.
В 1952 году, желая продемонстрировать это, молодой химик, магистрант Чикагского университета Стэнли Миллер, создал лабораторную модель атмосферы молодой Земли, поместив воду, аммиак, метан и водород в замкнутую систему колб и трубок. Он подогрел смесь и стал пропускать через нее электрические разряды (лабораторный аналог вулканов и электрических бурь), чтобы создать энергию активации. Через несколько дней Миллер обнаружил розоватый компот из аминокислот. Теперь нам известно, что другие простые органические молекулы, включая фосфолипиды, тоже могут образовываться в такой среде. Основной результат Миллера считается верным и сегодня, хотя мы знаем, что на ранних этапах в атмосфере преобладали не метан и водород, а водяной пар, углекислый газ и азот.
С тех пор выяснилось, что такие молекулы образуются даже в менее благоприятных химических условиях межзвездного пространства, так что множество простых органических молекул могло прибыть на Землю уже в готовом виде, на кометах и астероидах. Например, Мурчисонский метеорит, который упал на Землю близ деревни Мурчисон в Австралии в 1969 году, содержал аминокислоты и некоторые химические основания, встречающиеся в ДНК. Такие метеориты в начале истории Земли падали гораздо чаще, чем теперь, поэтому можно предположить, что молодая планета уже была засеяна многими веществами, послужившими сырьем для жизни, и сама была вполне способна производить их.
Но большинство молекул в клетках, например белки или нуклеиновые кислоты, гораздо сложнее этих простых молекул. Они состоят из полимеров, длинных, хрупких молекулярных цепочек, а формировать полимеры непросто. Для этого нужно точное количество энергии активации и условия, которые подтолкнули бы молекулы друг к другу определенным правильным образом. Среда, в которой на молодой Земле могли возникнуть нужные условия, чтобы связать цепочки полимеров, встречается в глубоководных гидротермальных источниках, где сквозь дно океана просачиваются горячие вещества из недр Земли. Эти места были защищены от солнечной радиации и жестоких бомбардировок, которые случались на поверхности. Кроме того, здесь было много воды, встречались разнообразные химические элементы и градиенты тепла и кислотности – ведь горячая, химически богатая магма в этих местах проникала в холодные воды океана. Особенно многообещающая среда формируется вблизи щелочных источников, открытых лишь недавно, в 2000 году, а пористые породы, которые здесь образуются, могут служить миниатюрными убежищами для химических экспериментов, подобно колбам и трубочкам Миллера. В таких местах встречаются даже глинистые поверхности с правильными молекулярными структурами, которые могли сыграть роль физических или электрических лекал, чтобы выстроить атомы упорядоченным образом и заставить их оставаться неподвижными, пока те образуют цепочки, подобные полимерным.
