Теория панспермии: а что если жизнь на Земле появилась из космоса? | Наука

Наука|Космос

##рекомендуем #космос #теории

Теория панспермии: а что если жизнь на Земле появилась из космоса?

Антон Первушин

9 ноября 13:00

1025

13 минут на чтение

Наука пока не может сказать точно, как именно зародилась жизнь на Земле, а потому допустимо делать любые обоснованные предположения. Теория панспермии гласит, что жизнь была занесена на нашу планету из космоса. Впервые положения этой теории сформулировал знаменитый античный философ Анаксагор, основоположник афинской школы и один из сторонников гелиоцентрической космологии. Он говорил о существовании вечных «семян» (гомеомерий), порождающих жизнь: они рассеяны повсюду во Вселенной, и их движение предопределено разумным началом (нусом).

Пришельцы извне

NASA, ESA, and Z. Levay (STScI)

15 марта 1806 года на юге Франции, неподалёку от городка Валанса, упал метеорит, который позже получил имя Alais. Он раскололся на части, и через 28 лет один из осколков оказался в руках шведского химика Йёнса Якоба Берцелиуса. Поначалу тот решил, что произошла ошибка: в отличие от других метеоритов, образец был слишком рыхлым и «таял» в воде. Однако осколок имел кору плавления: его поверхностный слой расплавился из-за действия высоких температур, а затем вновь затвердел. А значит, метеорит всё же прилетел из космоса.

Химик принялся анализировать состав пришельца. К изумлению учёного, в образце было много углеродных соединений. Создавалось впечатление, что он содержит перегной — смесь разложившихся растительных и животных веществ, которой богата земная почва. В своём сообщении «О метеорных камнях» (1834) Берцелиус задался вопросом: говорят ли результаты анализа о том, что на внеземных телах действительно есть живые организмы?

И ответил на него отрицательно, ведь был уверен, что все метеориты прилетают с безжизненной Луны — следовательно, конкретный Alais родился в результате какого-то сложного вулканического процесса.

Сегодня мы знаем, что Берцелиус исследовал метеорит редчайшего типа — углистый, или углеродистый, хондрит. Эта работа положила начало поискам органических веществ в небесных камнях. Энтузиасты, продвигавшие идею обитаемости космоса, обрели надежду получить прямое доказательство того, что существуют инопланетяне — хотя бы простейшие микроорганизмы.

Метеорит Оргей — один из самых крупных среди обнаруженных углистых хондритов. Его масса достигает 14 килограммов

Eunostos [CC BY-SA 4.0]

13 октября 1838 года в Южной Африке, в районе гор Колд-Бокквельд, упал похожий камень, который по месту падения назвали Cold Bokkeveld, а в апреле 1857 года около венгерского города Дебрецена был найден третий углистый хондрит Kaba. Их изучением занялся немецкий химик Фридрих Вёлер — наиболее способный ученик Берцелиуса. Он сумел выделить из образцов маслянистое вещество с «сильным битуминозным запахом» и пришёл к заключению, которое обнародовал в статье «О составе метеорного камня из Кейптауна» (1859): «Масса, прибывшая на Землю из космического пространства, содержит углеродсодержащее вещество, которое может иметь только органическое происхождение».

В 1860 году, обобщая свой анализ углистых хондритов, Вёлер сделал ещё более сильное заявление: «Согласно нашим современным знаниям, это органическое вещество могло образоваться только из организмов».

В мае 1864 года крестьяне, проживающие на юге Франции, опять стали свидетелями падения большого метеорита, который рассыпался на множество осколков поблизости от города Монтобана. Фрагментом небесного камня, получившим имя Orgueil, заинтересовался химик Франсуа Клоэ. Его поразило, что в составе образца есть соединения углерода, водорода и кислорода, схожие с теми, которые обнаруживают в торфе и буром угле. Сравнивая свой анализ с предшествующими исследованиями углистых хондритов, Клоэ писал, что эти соединения говорят «о наличии органических веществ на небесных телах».

Доклад под названием «Химический анализ метеорного камня Оргея» (1864) был представлен в Парижскую академию наук, когда там бурно обсуждали знаменитое открытие Луи Пастера: тот с помощью простых и наглядных опытов стерилизации образцов доказал, что популярная теория самозарождения микроорганизмов в органических средах ошибочна. Но в таком случае возникал вопрос: как же появилась жизнь на древней Земле? И Клоэ, кажется, нашёл ответ.

В 1860-х годах Луи Пастер доказал несостоятельность теории самозарождения

Альберт Эдельфельт, 1885

В 1860-е годы учёные располагали только четырьмя углистыми хондритами. Однако желание обнаружить фактические доказательства того, что внеземная жизнь существует, было очень велико. Поэтому сразу появилась спекулятивная теория, согласно которой какие-то простейшие организмы попали на нашу планету из космоса. Раньше остальных о ней заговорил французский популяризатор Камиль Фламмарион. В расширенном издании своей первой книги «Множественность обитаемых миров» 1864 года он упомянул обнаружение органики внутри метеоритов. Впрочем, автор отметил, что они представляют собой «только обломки угасших миров, вулканические их остатки», поэтому «невозможно открыть на них прямые следы растительного или животного мира». И всё же космическая органика, по мнению популяризатора, была краеугольным камнем в утверждении идеи о том, что небесные тела обитаемы.

Соображения Фламмариона могли остаться на периферии научных дискуссий, но его книги переиздавались огромными тиражами. Совсем игнорировать предположения учёного оказалось нельзя, и они постепенно овладевали умами.

В августе 1871 года британский физик сэр Уильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин, входя в должность президента Британской ассоциации содействия развитию науки, завершил свою инаугурационную речь необычным заявлением. Он высказал мысль о том, что мёртвая материя Земли после остывания не была способна породить жизнь сама, без божественного вмешательства. Однако учёный, объясняя наблюдаемые явления, не должен привлекать теологию, так что необходимо искать другие теории.

Томсон привёл такой пример: мы видим, как после извержения вулканов на их склонах, где затвердела лава, очень быстро появляется растительная и животная жизнь. Когда вулканический остров вырастает из моря и через несколько лет покрывается растительностью, мы знаем, что семена занесло на него ветром или они приплыли по воде. Разве не могла растительная жизнь на Земле зародиться аналогичным образом?

Барон Кельвин считал, что мёртвая материя Земли после остывания не была способна породить жизнь сама

Russell & Sons

Каждый год тысячи метеоритов падают на Землю — откуда они берутся?.. Поскольку все мы верим, продолжал Томпсон, что с незапамятных времён во Вселенной существует множество живых миров, то должны признать в высшей степени вероятным, что метеориты — их фрагменты, несущие семена через космос. Если бы сейчас на Земле не было жизни, её мог бы занести один из таких камней — и планета вскоре покрылась бы растительностью.

Научное сообщество разделилось во мнениях на этот счёт. Противники гипотезы указывали, что она по-прежнему не отвечает на главный вопрос: как именно зародилась жизнь? Обсуждения продолжались, а в 1880 году прогремела сенсация. Немецкий геолог Отто Ган заявил, что обнаружил в метеоритах останки простейших форм жизни: окаменелых губок, кораллов и морских лилий.

Однако его коллеги показали, что такие находки встречаются и в обычных земных породах, образовавшихся естественным путём без воздействия биосферы. Таким образом они опровергли «открытие» Гана, а заодно и дискредитировали тему жизни в метеоритах, так что к ней никто не возвращался до начала следующего века.

Галактический посев

Химик Сванте Аррениус считал, что простейшим организмам не нужны метеориты, чтобы путешествовать в космосе

В 1905 году шведский химик и нобелевский лауреат Сванте Аррениус выступил с ещё более дерзкой гипотезой. Он отбросил идею, будто метеориты переносят внутри себя развитые формы жизни. Вместо этого он предположил, что по пространству могут путешествовать мельчайшие споры простейших организмов, которые, как показывают опыты, способны выдержать самые суровые условия окружающей среды. Сначала под действием ветров и атмосферного электричества они поднимаются на космическую высоту, а там поток солнечных лучей подхватывает их и своим давлением толкает к другим планетам. Причём это касается не только Солнечной системы: споры способны долететь до соседних звёзд.

Аррениус писал:

Таким путём жизнь может целую вечность переноситься из одной солнечной системы в другую или с планеты на планету внутри той же самой солнечной системы. Но подобно тому, как среди миллиардов зёрнышек цветочной пыли, которую ветер разносит с большого дерева… в среднем только одно даёт начало новому дереву, — точно так же, вероятно, лишь один из миллиардов или, может быть, триллионов зародышей, которые уносятся давлением лучей с планеты в пространство, может попасть на планету, не тронутую ещё до того времени жизнью, и стать здесь производителем многообразных живых существ.

Теория Аррениуса, которую сегодня называют радиационной панспермией, выглядела экзотической даже по меркам начала ХХ века. Однако она всё же нашла сторонников, и в их числе оказался немецкий биолог Жак Лёб. В своей лекции, прошедшей в Гамбурге 10 сентября 1911 года, он назвал теорию «великой мыслью» и высказал уверенность в том, что будущая биология сохранит её «как одну из самых плодотворных идей, которыми она когда-либо обогащалась».

Теория панспермии упоминается даже в романе Алексея Толстого «Аэлита» (кадр из фильма 1924 года)

Считается, что российский академик, естествоиспытатель и космист Владимир Вернадский тоже поддерживал идею радиационной панспермии, но это не совсем так. Он неоднократно рассматривал её в своих работах наряду с другими теориями происхождения жизни и утверждал лишь, что её обязательно следует проверить и при отсутствии явных доказательств — отвергнуть. В этой гипотезе его больше интересовала принципиальная возможность того, что близкие друг к другу планеты обмениваются между собой материалом: это позволило бы исследовать химический состав и физические условия соседей по системе без привлечения космических аппаратов.

Тем не менее в нашей стране теория Аррениуса пользовалась популярностью. К примеру, она упоминается в знаменитом романе Алексея Толстого «Аэлита» (1922–1923). Инженер Лось говорил красноармейцу Гусеву перед полётом на Марс:

Во Вселенной носится живоносная пыль, семена жизни, застывшие в анабиозе. Одни и те же семена оседают на Марс и на Землю, на все мириады остывающих звёзд. Повсюду возникает жизнь, и над жизнью всюду царствует человекоподобный: нельзя создать животное, более совершенное, чем человек, — образ и подобие Хозяина Вселенной.

Из научных дискуссий панспермию вытеснила теория предбиологической эволюции, которую в 1924 году сформулировал советский биохимик Александр Опарин. Он обратил внимание на то, что сейчас на Земле свободный кислород, присутствующий в атмосфере, окисляет углеродные соединения до диоксида углерода (углекислого газа), поэтому органические вещества просто не могут синтезироваться в большом объёме. Кроме того, любое «бесхозное» органическое вещество «съедают» живые существа.

Термин «первичный бульон» придумал советский биохимик Александр Опарин (на переднем плане)

fbras.ru [CC BY 4.0]

Однако, утверждал Опарин, на первобытной Земле царили совершенно иные условия. В атмосфере не было кислорода, зато хватало водорода, а также углеводородных и водородосодержащих соединений (например, метана и аммиака). Обосновывая свою идею, биохимик указывал, что водород присутствует в звёздах; углерод обнаруживается в спектрах комет; углеводороды встречаются в метеоритах; атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком. Следовательно, первобытная Земля должна была переживать такое же состояние. В химических реакциях на её поверхности возникали сложные органические соединения, которые и дали жизнь первым существам.

Теория Опарина получила подтверждение в 1952 году. Физик Гарольд Юри и его аспирант Стэнли Миллер провели в Чикагском университете эксперимент с моделированием условий на первобытной Земле. Взяв пятилитровую колбу, Миллер налил на дно немного воды и заполнил её смесью газов, которые должны были составлять примитивную атмосферу. Затем через эту смесь пропускали электрический разряд. К концу недели, проведя химический анализ растворённых в воде продуктов, Миллер обнаружил среди них значительное количество аминокислот, входящих в состав белков: глицин, аланин, аспарагиновую и альфа-аминомасляную кислоты. Позже эксперимент повторяли с разным составом газовой смеси, и в ней опять образовывался «бульон» из аминокислот и других веществ. Таким образом было показано, что в некоторых условиях действительно формируется химическая основа для возникновения жизни.

Для своего эксперимента с моделированием условий первобытной Земли Миллер и Юри разработали хитрую установку

Но чем дольше учёные изучали, как устроены клетки и как в них передаётся генетическая информация, тем больше они убеждались, что самозарождение жизни где-либо — очень маловероятное событие. Слишком уж много факторов должно сойтись, чтобы из биохимического «бульона» появились организмы.

Так возникла гипотеза направленной панспермии. Одним из первых её высказал советский астрофизик Иосиф Шкловский в книге «Вселенная, жизнь, разум» (1962). Как и многие его современники, он верил, что в Галактике существуют сверхцивилизации, давно освоившие межзвёздные полёты, поэтому допускал, что они могли случайно или целенаправленно занести жизнь на стерильные планеты, включая Землю:

Можно даже предположить, что подобное «насаждение жизни», так сказать, «в плановом порядке» является нормальной практикой высокоразвитых цивилизаций, разбросанных в просторах Вселенной. Вместо того, чтобы пассивно ожидать «естественного», самопроизвольного возникновения жизни на подходящей планете — галактические цивилизации как бы планомерно сеют посевы жизни во Вселенной…

Если это так, то вероятность обитаемости планетных систем в Галактике может быть увеличена на много порядков. Наконец, чтобы быть последовательным, нужно ещё учитывать возможность заселения планет, на которых существуют подходящие условия, разумными существами — искусственными или естественными.

Фантастическая идея Шкловского оставалась на периферии научных интересов до июля 1973 года. Именно тогда нобелевский лауреат Фрэнсис Крик и химик Лесли Орджел опубликовали статью «Направленная панспермия». Они исходили из предположения о том, что в Галактике есть планеты, где зарождение жизни гораздо более вероятно, чем на Земле: в частности, там присутствуют минералы, чья каталитическая активность важна для возникновения биологических систем.

Участие редкого элемента молибдена в биохимических процессах может послужить доказательством теории о космическом происхождении жизни

Если жизнь на этих планетах развилась и достигла стадии разумной, то её носителям ничто не мешало отправлять к соседним мирам космические аппараты с микроорганизмами, чтобы увеличить разнообразие форм жизни во Вселенной.

Химический состав биологической системы, в которую попали живые организмы, должен хотя бы отчасти отражать условия, где они родились и развились. То есть, скажем, присутствие в земных организмах редкого элемента может подтвердить их инопланетное происхождение. Крик и Орджел указывали на молибден. Он составляет всего лишь 0,02% от общего состава Земли и в то же время как элемент участвует во многих биохимических реакциях. Если удастся показать, что элементы, присутствующие в земных организмах, коррелируют с элементами, присутствующими в «молибденовых» звёздах, это послужит серьёзным доказательством гипотезы.

Кометные инкубаторы

Ещё один вариант панспермии предложили во второй половине 1970-х годов британский астроном Фред Хойл, широко известный благодаря НФ-романам «Чёрное облако» (1957) и «Андромеда» (1962), и его ученик Чандра Викрамасингхе, уроженец Шри-Ланки, изучавший космическую пыль. Они обратили внимание общественности на то, что сложные органические молекулы, в том числе полисахариды и порфириноподобные соединения, обнаружены в газопылевых межзвёздных облаках. Учёные предположили, что эти молекулы служат «строительными блоками» для более сложных структур, которые в ходе эволюции развиваются в примитивные живые организмы.

Фред Хойл считал, что первобытная Земля скорее походила на Луну

Gregory H. Revera [CC BY-SA 3.0]

Затем в книге «Облако жизни» (1978) Хойл с учеником высказали ещё более революционную гипотезу: модель ранней Земли, предложенная Опариным и Юри, ошибочна; наша планета после остывания была похожа на Луну — бесплодную и с разрежённой газовой оболочкой; компоненты атмосферы, воду и органику заносили сюда в течение миллиарда лет кометы, которые в своём долгом полёте собрали всё это из рассеянного межзвёздного вещества. В следующем труде «Болезнь из космоса» (1979) соавторы заявили, что внутри комет, кроме органических соединений, есть и примитивные водоросли, бактерии, вирусы. Все они находятся там в «замороженном» состоянии и попадают на Землю в том числе и сегодня, вызывая эпидемии.

В книге «Эволюция из космоса» (1981) Хойл и Викрамасингхе пошли ещё дальше, предположив, что сам геном тоже формируется вне Земли, а попадая сюда, способствует взрывному появлению новых биологических видов. За одним из аргументов соавторы обратились к теории вероятностей:

Независимо от того, насколько велика окружающая среда, которую мы рассматриваем, жизнь не может иметь случайное начало… Проблема в том, что существует около двух тысяч ферментов [которые необходимы для возникновения организма], и шанс получить их все случайным пере- бором составляет всего лишь… 1 к 1040000 — чрезвычайно малая вероятность, которая не может стать реальностью, даже если бы вся Вселенная состояла из органического супа.

Новый вариант теории панспермии также подвергся критике. Особенно вызывающей выглядела идея кометных инкубаторов: в то время считалось, что кометы в основном состоят из водного льда, покрытого космической пылью, и каких-либо примесей органики в них нет.

Советские аппараты «Вега» и европейский «Джотто» подтвердили, что наша регулярная гостья — комета Галлея — в своей пыли переносит много органики

NASA / W. Liller

Но уже в 1986 году к комете Галлея направились три космических аппарата: советские «Вега-1» и «Вега-2», а также европейский «Джотто». Они сумели определить химический состав её пыли, и оказалось, что около 70% частиц содержат органический материал.

Позже, в марте 1996 года, близко к Земле подошла яркая комета Хякутакэ; благодаря наземным аппаратам удалось получить спектр её головы, в котором обнаружились линии органических молекул: цианистого и изоцианистого водорода, изоциановой кислоты, метилового спирта, формальдегида, сероводорода, этана и метана. Аналогичные исследования через год провели и для кометы Хейла — Боппа: они тоже подтвердили наличие органики в её ядре и гало.

Вдохновлённый такими находками, Чандра Викрамасингхе продолжил исследования. Периодически он делает сенсационные заявления. Например, в декабре 2012 года на территории Шри-Ланки упал метеорит, названный Polonnaruwa. В 2013 году учёный сообщил, что это фрагмент кометы, где обнаружено «огромное количество диатомовых водорослей различных форм». Через два года, когда европейский космический аппарат «Розетта» детально исследовал комету Чурюмова — Герасименко и нашёл там органические соединения, Викрамасингхе предположил, что на ней может существовать развитая биосфера. Хотя сами высказывания учёного и то, какую они провоцируют шумиху, неизменно вызывает критику коллег, благодаря его усилиям теория панспермии остаётся на слуху и привлекает новых исследователей.

Жизнь в пустоте

Личинки комаров-звонцов оказались даже более живучими, чем одноклеточные

Andrew Butko [CC BY-SA 3.0]

Итак, многолетние наблюдения за газопылевыми облаками доказали, что в космическом пространстве может образовываться сложная органика. Однако в том, что там способны выживать даже простейшие споры, учёные ещё долго сомневались.

С 2010 по 2014 год российские космонавты на МКС проводили комплексный эксперимент «Тест», чтобы выяснить, не загрязняют ли продукты выбросов из жилых модулей станции её внешнюю поверхность. В собранных космонавтами пробах были обнаружены жизнеспособные бактерии разных видов, в том числе из родов Delftia и Mycobacteria, которые обитают в морской воде. Такие бактерии никак не могли попасть на внешнюю поверхность МКС изнутри или на территории космодрома Байконур — получается, их занесли восходящие потоки из Мирового океана. Таким образом, эксперимент «Тест» прямо подтвердил гипотезу Аррениуса: действительно существует глобальный электрический «лифт», который поднимает микроорганизмы на космическую высоту, где они способны летать под давлением солнечных лучей.

Чтобы выяснить, способны ли примитивные формы жизни противостоять смертоносным условиям космического пространства, на МКС провели многолетнюю серию экспериментов под названием «Биориск». Космонавты разместили в открытом космосе контейнеры с образцами спор бактерий и грибов, семенами растений, ракообразными и личинками африканского комара хирономиды. Каково же было удивление учёных, когда после прибытия контейнеров на Землю им удалось вернуть к жизни практически все образцы. Погибли только семена томатов и икра рыб, а наиболее живучими оказались комары хирономиды: более 80% личинок восстановили жизнеспособность. Они обогнали даже споры и одноклеточные!

Конечно, эксперименты на МКС не отвечают на вопрос о том, есть ли жизнь на других планетах или на кометах. Но они убедительно доказали: даже если её источником остаётся только наш мир, теперь можно быть уверенным, что она распространится по Вселенной. Случайно или целенаправленно — мы сами её туда занесём.