Мы все — марсиане? Почему биологи сомневаются, что жизнь успела возникнуть на Земле

Вопрос возникновения жизни на Земле остается одной из самых спорных проблем современной науки. Несмотря на десятилетия исследований, биологи и химики до сих пор не могут детально описать процесс абиогенеза — превращения неживой материи в первые самовоспроизводящиеся организмы. Мы не знаем точной последовательности химических реакций и не можем назвать точную дату появления первой живой клетки.

В условиях этой неопределенности существует гипотеза, предлагающая альтернативный взгляд на проблему. Это концепция литопанспермии — идеи о том, что биологическая жизнь зародилась не на Земле, а была занесена сюда с Марса посредством метеоритов. Обычно она считалась маловероятной, но новые данные о геологической истории Солнечной системы и уточненный возраст общего предка всех живых организмов заставляют ученых вновь рассматривать ее всерьез. Причиной тому служит фактор времени.

Геологический контекст: условия на ранних планетах

Сопоставим временные шкалы формирования двух планет. Марс образовался около 4,6 миллиарда лет назад. Земля немного моложе — ее формирование завершилось примерно 4,54 миллиарда лет назад. На начальном этапе поверхности обеих планет представляли собой расплавленную магму, которая постепенно остывала, образуя твердую кору.

Согласно современным планетологическим моделям, ранний Марс обладал условиями, пригодными для возникновения жизни. На планете существовала плотная атмосфера, защищавшая поверхность от космического излучения, и присутствовала жидкая вода в виде рек, озер и, вероятно, океанов. Кроме того, Марс проявлял высокую геотермальную активность. Наличие гидротермальных источников и горячих ключей могло обеспечить необходимые химические элементы и энергию для синтеза органических молекул.

История Земли развивалась по другому сценарию. Примерно 4,51 миллиарда лет назад, вскоре после формирования, Земля пережила столкновение с гипотетической протопланетой Тейя, размеры которой были сопоставимы с Марсом. Энергия удара была очень высокой: она привела к полному расплавлению земной коры и мантии, а из выброшенного на орбиту вещества впоследствии сформировалась Луна.

Если до столкновения с Тейей на Земле и успели начаться процессы предбиологической эволюции, удар полностью стерилизовал планету. Любые сложные молекулы были бы уничтожены высочайшими температурами. Таким образом, отсчет времени для возникновения жизни на Земле следует вести не с момента формирования планеты, а с момента ее остывания после образования Луны.

В то же время Марс избежал глобального переплавления. Несмотря на бомбардировку астероидами, поверхность Красной планеты оставалась относительно стабильной. Если жизнь возникла на Марсе вскоре после его формирования (4,6 млрд лет назад), у нее было около 500 миллионов лет спокойной эволюции до того момента, как планета начала терять магнитное поле и атмосферу, становясь непригодной для обитания.

Проблема дефицита времени на Земле

Главный аргумент в пользу марсианской гипотезы связан с темпами эволюции на Земле. Чтобы оценить, когда именно появилась земная жизнь, ученые используют метод «молекулярных часов» и анализ ископаемых останков. Исследования ведут к общему предку всех ныне живущих организмов — микроорганизму, известному как LUCA (Last Universal Common Ancestor).

LUCA не был первым живым существом вообще, но он является тем организмом, от которого произошли все современные бактерии, археи и эукариоты. Недавние исследования, опубликованные в профильных научных журналах, датируют существование LUCA периодом около 4,2 миллиарда лет назад.

Здесь возникает хронологическое противоречие.

1. Земля становится пригодной для жизни (остывает после удара Тейи) примерно 4,5-4,48 миллиарда лет назад.
2. Развитая экосистема с участием LUCA существует уже 4,2 миллиарда лет назад.

Разница между этими событиями составляет менее 300 миллионов лет. За этот период на Земле должны были произойти следующие процессы:

• Накопление необходимых химических компонентов (пребиотический синтез).
• Возникновение первых репликаторов (молекул, способных к самокопированию).
• Появление клеточной мембраны и простейшего обмена веществ.
• Эволюция этих примитивных форм до уровня LUCA.

Важно отметить, что LUCA был уже сложным организмом. Генетическая реконструкция показывает, что он обладал развитым механизмом синтеза белков, имел геном (ДНК) и сложные ферментативные системы. Более того, LUCA существовал не в вакууме, а в конкурентной среде, взаимодействуя с другими видами микробов и вирусами. Возникает вопрос: достаточно ли 290-300 миллионов лет для того, чтобы хаотичная химия превратилась в столь сложную биологическую систему?

Многие исследователи полагают, что этот срок слишком маленький. Гипотеза панспермии решает эту проблему, предполагая, что жизнь возникла на Марсе, где у нее было на сотни миллионов лет больше времени для развития, а затем была перенесена на Землю.

Механизм переноса: литопанспермия

Перенос биологического материала между планетами технически возможен. На Земле найдено множество метеоритов марсианского происхождения. Механизм их появления таков: крупный астероид ударяет по поверхности Марса, выбивая обломки породы с такой скоростью, что они преодолевают гравитацию планеты и выходят в открытый космос. Со временем некоторые из этих обломков пересекают орбиту Земли и падают на ее поверхность.

Гипотеза предполагает, что внутри таких камней могли находиться колонии микроорганизмов. Однако для успешного заселения Земли марсианские микробы должны были пережить экстремальные факторы космического путешествия.

• Удар и выброс. В момент удара астероида по Марсу горные породы подвергаются воздействию колоссального давления и температур. Выживание биологических организмов в эпицентре взрыва невозможно. Шанс имеют только те микробы, которые находятся в породах на некотором отдалении от точки удара, где ускорение уже позволяет покинуть планету, но нагрев еще не является смертельным.

• Пребывание в космосе. Путешествие от Марса до Земли может длиться от нескольких месяцев до миллионов лет. В этот период микроорганизмы подвергаются воздействию космического вакуума, экстремально низких температур и, что самое опасное, ионизирующего излучения (радиации). Ультрафиолет и космические лучи разрушают ДНК. Лабораторные эксперименты показывают, что большинство известных организмов погибают в таких условиях очень быстро. Выжить могут только экстремофилы, способные впадать в состояние анабиоза и обладающие развитыми механизмами репарации (восстановления) ДНК, либо организмы, находящиеся глубоко внутри крупного каменного фрагмента, который служит естественным экраном от радиации.

• Вход в атмосферу и приземление. При входе в атмосферу Земли метеорит разогревается до тысяч градусов. Хотя внутренняя часть камня может оставаться холодной, удар о поверхность Земли создает еще одну шоковую нагрузку.

Соответствует ли LUCA профилю «космонавта»?

Анализ генома LUCA позволяет реконструировать среду его обитания. Данные указывают на то, что этот организм жил в бескислородной среде, потреблял молекулярный водород и предпочитал высокие температуры. Вероятнее всего, его средой обитания были гидротермальные источники на дне океана или в геотермальных зонах.

Геном LUCA не содержит явных признаков адаптации к условиям открытого космоса, таким как вакуум или высокий уровень радиации. Хотя он был устойчив к теплу (термофил), это адаптация к горячей воде, а не к перегрузкам при падении метеорита.

Это ставит под сомнение возможность выживания именно предков LUCA при перелете. Для подтверждения гипотезы панспермии необходимо допустить, что марсианские предки земной жизни были гораздо более устойчивыми к радиации и механическим повреждениям, чем реконструированный общий предок, либо что перенос произошел внутри очень крупных фрагментов породы, обеспечивших надежную защиту.

Контраргументы и выводы

Существует и логический контраргумент против теории активной панспермии. Если перенос жизни между планетами — явление вероятное, то оно должно работать в обе стороны. За последние 4 миллиарда лет Земля также подвергалась ударам крупных астероидов (например, того, что уничтожил динозавров). Земные породы с микроорганизмами неизбежно выбрасывались в космос. Если выживание в метеоритах возможно, земная жизнь должна была распространиться по всей Солнечной системе. Однако на данный момент следов земных бактерий на Луне, Марсе или спутниках планет-гигантов не обнаружено (кроме тех, что могли быть занесены космическими аппаратами людей).

На сегодняшний день научный консенсус склоняется к тому, что 300 миллионов лет, хотя и являются кратким сроком по геологическим меркам, могут быть достаточным временем для возникновения жизни на Земле. Высокая химическая активность ранней Земли, наличие воды и источников энергии создавали условия для ускоренной химической эволюции.

Тем не менее, марсианская гипотеза не опровергнута окончательно. Она остается интересной теоретической моделью, которая указывает на пробелы в нашем понимании скорости эволюционных процессов. Дальнейшие исследования Марса, поиск следов древней жизни на и под его поверхностью и более точное моделирование условий внутри метеоритов помогут окончательно подтвердить или опровергнуть идею о том, что все мы — потомки марсианских микробов.