Где-то существуют другие миры, где-то эти миры начинались с пылинки, с лучика света, забредшего по чьей-то воле в абсолютное ничто, где-то уже все закончилось, а где-то только началось. Мы привыкли воспринимать мир через призму себя зрителя, мы привыкли оперировать веками, эпохами, миллионами и миллиардами лет, цивилизациями, культурами и целыми видами. Как нам удобно, тепло и уютно слушать рассказы, смотреть документалки и рассуждать о том, что было - и даже будет - где-то и когда-то, кадр за кадром. Ничто не потревожит неги интеллектуального созерцания этих где-то и когда-то, мы всё изучим и опишем, мы издадим про эти “где-то” и “когда-то” книги и обязательно снимем кино с компьютерной графикой для пущего эффекта. И вот, не где-то и когда-то, а прямо сейчас, каждый из ныне живущих, стоящий прямо сейчас рядом со мной, мои дети и лично я сам стали главными героями такого фильма. Теперь мы и есть чьё-то “где-то”, теперь мы и есть чьё-то “когда-то”...

Накопленные знания позволяют многое реконструировать и увидеть, как могло бы все начинаться, они позволяют это сделать в определённом диапазоне достоверности, который уже далеко не настолько широк, как это было даже 8-10 лет назад. Что формирует фокус вашего зрения на окружающую реальность и наполняет смыслами и особенно бессмыслицей вашу личную действительность? В определённой степени всем придётся отказаться от многого, потому что приобретения науки в последние 10-15 лет стали критично необходимы для определения другого диапазона - диапазона невежества, для узнавания этого невежества, для получения хотя бы шанса это невежество распознать, посмотреть ему в глаза, особенно, если это будут собственные глаза. Написанное здесь - это лишь короткое объявления на дверях познания, это тот минимум, который необходим для целостного восприятия причинно-следственных связей и благодаря которым мы имеем именно то настоящее, которое имеем. Итак, вернемся к названию, вынесенному в заголовок: "Contagium vivum fluidum". В переводе с латыни это звучит, как "заразная живая жидкость". Именно так когда-то впервые назвали то, что сегодня мы называем вирусами. Понять что это или кто это, вещество это или существо, насколько опасно, откуда взялось, как к этому относиться и что делать, лучше всего через эволюционную модель, которую в наиболее полном и корректном виде дают только междисциплинарные исследования. Ни вирусология, ни химия или геофизика отдельно друг от друга, ни палеонтология, медицина или что-то ещё, а именно междисциплинарные исследования, когда разные дисциплины науки - химия, физика и биология, если говорить в общем, без указания специализации в каждой из этих областей, объединяют свои знания и свои инструменты, методологии исследований и интерпретации этих исследований для совместного написания общей картины эволюции для более точного понимания. И здесь следует начинать сначала, а сначала был Большой Взрыв, или некое событие, очень напоминающее своими последствиями взрыв. Замечу, что начальное событие, породившее в итоге окружающую нас действительность, отнюдь не было взрывом в привычном для нас понимании, но про инфлатоны и порожденное ими инфляционное поле я рассказывать не стану: для наиболее полного понимания я лишь хочу показать, как цепочка событий комбинаторно привела в сегодняшний день, сделав его практически неизбежным. Так вот, именно это событие предопределило физическую и химическую неизбежность дальнейших событий, вплоть до происходящего сегодня. Сразу после этого события, условно "сразу" - в результате процесса остывания - вся Вселенная, вся её барионная масса, то есть материя, состояла на 75% из водорода, на 25% из гелия и мизерного количества лития. Накопленные знания позволяют воспринимать массовое распределение Вселенной таким образом, что все тяжёлые элементы во Вселенной составляют около 0,03%, нейтрино около 0,3%, звёзды около 0,5%, свободные водород и гелий около 4,2%, тёмное вещество (тёмная материя) около 25% и тёмная энергия - около 70%. Наука продолжает исследовать реальность и эти значения уточняются постоянно, но принципиальное соотношение уже не меняется. Я не собираюсь подробно и абсолютно точно останавливаться на отдельных аспектах моего повествования, включая парадоксы, несоответствия и странности, я даю лишь импульс в виде конкретных фактов грубыми мазками. Верующих удовлетворить я не смогу, а неверующие и сомневающиеся - будут удовлетворены в любом случае. Итак, продолжу...

Суть любого процесса, в том числе эволюции, комбинаторное накопление изменений в условном настоящем, основанных на уже свершившихся изменениях, накопленных в прошлом. Такие изменения накапливаются за счёт комбинаторного перебора вариантов, которые, в свою очередь, итог совокупления эндогенного (внутреннего) перебора, как результата взаимодействия подсистем, и перебора, продиктованного экзогенным (внешним) влиянием, как результата взаимодействия с другими системами или же попросту факторами внешней среды. Чтобы не заводить всех в сложное и очень объемное пояснение "а что это", можно сформулировать так: остаётся, а затем продолжает существовать и развиваться только то, что накопило достаточные изменения для адаптации к динамически изменяемому экзогенному фону или, попросту, внешней среде (немаленький штрих: накопить изменения могут только выжившие “участники состязаний”, что относится в равной степени как к субъектам, так и к объектам нашего неизмеримого мира). Например, то, чем вы занимались во время карантина, может послужить моделью того, о чем я говорю: вы проходите стадию адаптации к изменившимся внешним условиям, вы комбинаторно ищите варианты, которые позволят вам существовать и дальше в новых условиях, вы накапливаете достаточную изменчивость, которая позволит вам жить и просто выжить. Другое дело передача накопленной вами изменчивости в поколениях. Для этого вам придётся буквально учить детей приобретённым навыкам жизни в подобных ситуациях. И уж совсем другое дело устойчивое приобретение изменчивости, когда приобретённые вами навыки запишутся в ДНК, тогда вам не придётся специально учить детей - эти навыки они приобретут вместе с ДНК. Пусть вас не вводит в заблуждение биологический формат и контекст: любой процесс во Вселенной - суть комбинаторного накопления изменений под влиянием экзогенных и эндогенных факторов, которые комбинаторно не так уж бесконечны по их возможному количеству - помните, выше я писал про начальные "простые" условия, которые предопределили неизбежность? А откуда появились остальные химические элементы? В пределах миллиарда лет начали появляться первые звёзды. Именно в их ядрах, в результате термоядерного синтеза, стало появляться химическое разнообразие: элементы до двадцать шестого номера таблицы Менделеева, железа. Остальные химические элементы появляются после вспышек сверхновых, когда за секунды становятся возможны энергии и температуры, недоступные ядрам звёзд. Самое важное, для чего нужна эта часть рассказа, чтобы все наконец приняли: все события, в результате которых рождаются звезды, а затем планеты и вообще все процессы, случайны и... неизбежны, даже гарантированы. А все это возможно лишь потому, что у Вселенной есть преимущество, которого нет у нас - время, не имеющее пределов время. Чтобы было понятно, как вероятность, при отсутствии предела во времени, превращается в неизбежность и даже гарантию, приведу пример с авиакатастрофами. Вероятность нашей смерти в авиакатастрофе, а не от других причин, 1/8.000.000. Что это означает? Это означает, что если бы мы жили 21918 лет и летали бы каждый день, то гарантированно погибали бы в авиакатастрофе, а не умирали бы от каких-либо других причин. За время жизни нашей планеты, например, мы бы гарантированно погибли в авиакатастрофе 208000 раз. То есть, все события во Вселенной - результат случайный и, как вы обязаны уже для себя уяснить, гарантированный одновременно.

А что же дальше? А дальше случайности-гарантии начали готовить почву для зажигания нашего Солнца. Последовательно, шаг за шагом, неизбежно и гарантированно. Каждое следующее поколение звезд порождает более тяжелые химические элементы, насыщая ими пространство. Гравитационное притяжение сжимает водородно-пылевой микс, формируются первые звезды, первые галактики. Вселенная - прекрасная площадка для моделирования, если вам известны ее основные приемы. Вы можете долго ждать удачного, но неизменно гарантированного стечения обстоятельств, и как только они складываются, сразу начинается стандартная процедура - градиент температур призывает градиент плотности и давления, а они не могут обойтись без градиента скорости. Во Вселенной запуском стандартной процедуры может послужить и не температура: плотность, которая призовет остальных, давление или скорость - не важно, с кого начнется, важно, что в итоге мы получим условно стандартную процедуру. Затем приходят импульс и все его ипостаси, аккреция, гравитационное коллапсирование, гидродинамическое равновесие, гравитационная дифференциация, а также сотни других стандартных для Вселенной процессов. Поэтому, где бы процесс звездообразования ни начинался, он проходит по достаточно стандартной и, самое важное, неизбежной процедуре. Прохождение самой процедуры проходит с отличиями, находясь в зависимости от местных, локальных условий, поэтому мы в результате получаем разные типы звезд: разной массы, диаметра, температуры, светимости, химического состава и т.д., или же не получаем ничего, что тоже один из стандартных вариантов для Вселенной, учитывая зависимость от реального протекания стандартных процедур в локальных условиях.

Итак, где бы это не происходило, протозвездное облако должно быть сверххолодным, потому что только в таких облаках за счет неограниченного времени в состоянии собираться молекулы газа Н₂, становясь уже молекулярным облаком. Такое облако начинает сжиматься за счет гравитационного коллапсирования. В таких облаках существуют процессы, которые могут «отменить» дальнейший гравитационный коллапс, когда молекулы, которые пытаются обрушиться в центр притяжения, достигают настолько высокой скорости, что они неизбежно начинают сталкиваться друг с другом, а энергия сталкивания и их движения обязательно сопровождается выделением тепла, которое повышает температуру облака, тем самым повышая давление в нем, что и может остановить дальнейшее сжатие. Если же центр облака успел нагреться достаточно, то молекулы водорода, состоящие из двух его атомов и построивших между собой каталитическую связь, к примеру, на поверхностях пылинок, опять распадаются на атомы, а это уже происходит с поглощением энергии, что, в свою очередь, препятствует общему нагреву облака и позволяет продолжить процесс коллапсирования и рождения звезды. Всех этих причин отмены гравитационного коллапсирования и рождения звезды или же наоборот, конечно, намного больше, но главное, что требуется здесь понять, это размер облака: только немаленькое облако в состоянии обеспечить такое качественное сжатие, которое в состоянии преодолеть любые процессы, компенсирующие это сжатие. Если же облако недостаточно велико, то и в нем может родиться звезда, но тогда ему нужна помощь извне, чтобы преодолеть то, чего оно не может преодолеть из-за недостаточного размера. Такой помощью может стать смерть массивной звезды, произошедшая недалеко от такого облака: ударная волна, возникающая при вспышке сверхновой, помогает протозвездному облаку недостаточных размеров преодолеть компенсаторные процессы и закончить акт рождения. Именно такой сценарий и был реализован в облаке, которое породило наше Солнце. Случайно, конечно, и, конечно, по стандартной процедуре и, по странным Законам Вселенной, гарантированно… Далее, когда центр коллапсирующей массы достигает одного миллиона градусов по Цельсию, атомы водорода начинают двигаться с такой бешеной скоростью, когда преодолевается электростатическое отталкивание, кулоновский барьер, после чего становиться возможным начало термоядерного синтеза и появление протозвезды. Гравитация какое-то время продолжает сжимать центр облака, который уже превратился в ядро будущей звезды, но с дальнейшим ростом температуры и достижением, в случае с Солнцем, 10 миллионов градусов по Цельсию, наступает баланс между силами сжатия и энергией термоядерного синтеза, стремящейся в противоположном направлении, после чего сжатие прекращается, термоядерный синтез выходит на уровень максимальной эффективности, звезда становиться окончательно звездой главной последовательности, что, собственно, и считается моментом рождения звезды.

Перед тем, как мы приступим к повествованию о происхождении непосредственно нашего Солнца, Солнечной системы, планеты Земля и жизни на ней, хочу заранее сделать один важный вывод, который покажется повторением уже не раз высказанного ранее, чтоб не забывалась цель и суть понимания, как сегодняшний день, если не где-то, то почему бы не в нашей Солнечной системе, был предрешен и заранее “запланирован”: маловероятные, очень маловероятные и исчезающе маловероятные события превращаются в гарантию, если вы не ограничены в повторениях тмочисленных попыток на фоне и за счет некончающегося времени. Для того, чтобы получилось именно наше Солнце и именно наша планета, Вселенной пришлось сначала “устроить” в нашей области галактики, в пределах 2-х миллионов лет до рождения нашего Солнца, звезду Вольфа-Райе, фактически предшественницу нашей звезды - материя, из которой сформировались Солнце и окружающие его небесные тела, была выброшена именно этой звездой. Диаметр этой звезды был в 40-50 раз больше диаметра нашего Солнца. Термоядерный синтез в недрах звезды Вольфа-Райе и ее гибель породили все тяжелые элементы, которые затем окажутся в нашей Солнечной системе. Выгорая, то есть - умирая, эта звезда сбрасывала свои верхние слои и вещество равномерно “растекалось” во все стороны, образовав в результате эмиссионную туманность Вольфа-Райе с высокой плотностью вещества, нашу колыбель. Диспропорция элементного состава вещества в молодой Солнечной системе и в остальной Галактике это подтверждает: изотопов ²⁶Al и ⁶⁰Fe при прочих вспышках сверхновых достаточно, а вот в сброшенных оболочках умирающих звезд Вольфа-Райе содержится много изотопа ²⁶Al и мало изотопа ⁶⁰Fe, как и в метеоритах, сформировавшихся на ранних стадиях образования нашей Солнечной системы. Помимо этого, именно звезда Вольфа-Райе обеспечила протозвездную молекулярную колыбель нашего будущего Солнца достаточным количеством водорода, кислорода, углерода и азота, что запустило уже на этой стадии образование органических соединений. Итак, мы получили некую химическую данность, химический фон, и получили мы их в результате отнюдь неслучайных последовательностей миллионов случайно-гарантированных событий: случайно - потому что были и другие варианты, гарантированно - потому что каждое предыдущее событие сужало диапазон следующих возможных вариантов, гарантированно формируя именно такой, а не какой-либо другой вариант.

Итак, Солнце, как и любая другая звезда, облако газа повышенной плотности, которое прекратило свое сжатие из-за начавшегося процесса термоядерного синтеза. Термоядерный синтез - изготовление более тяжелого ядра из нескольких элементов полегче под воздействием высокой температуры. В случае с нашим Солнцем термоядерный синтез - синтез гелия из водорода и он становится возможен благодаря процессу, который называется протон-протонным циклом. Синтез гелия не так прост и процесс этот крайне неспешный, но стандартизированный и гарантированный на фоне некончающегося времени. Этот протон-протонный цикл, в результате которого происходит метаморфоза водорода в гелий, имеет три этапа. На первом этапе два атома водорода под воздействием сверхвысокой температуры сливаются в дейтерий, тяжелый водород, изотоп водорода. Изотопы всех химических элементов отличаются от основных элементов лишь числом нейтронов в ядрах атомов таких изотопов. В сравнении с обычным водородом, у его более тяжелого изотопа, дейтерия, как раз в ядре и появляется нейтрон. Появляется он в результате того, что во время соударения двух атомов, каждый из которых состоит из одного электрона и однопротонного ядра, один из протонов вынужден пройти стандартную процедуру β⁺-распада (бета-плюс-распад), в результате которой протон превращается в нейтрон, испустив один позитрон - античастицу электрона, антиэлектрон - и нейтрино, которое тут же становится частью потока нейтрино, испускаемого нашим Солнцем. Позитрон затем аннигилирует с первым встретившимся электроном, испустив в результате аннигиляции два γ-кванта (гамма). С учетом аннигиляции первый этап высвобождает 1,442 МэВ энергии. Для понимания неспешности протон-протонного цикла я отмечу, что после запуска процесса термоядерного синтеза атом водорода в среднем ждет своего шанса не просто столкнуться с другим атомом, а столкнуться настолько удачно, что произойдет образование дейтерия, минимум миллиард лет. На втором этапе начинается слияние дейтерия, изотопа водорода, и еще одного атома обычного водорода, но уже в атом гелия, точнее его изотоп ³He. На ожидание этого события у дейтерия уйдет всего четыре секунды, второй этап почти мгновенен, в отличии от первого. Ядро ³He состоит из двух протонов и одного нейтрона. В ходе его получения будет испущен один γ-квант и будет высвобождено 5,49 МэВ энергии. На третьем, последнем этапе, в среднем каждые четыреста лет будет происходить слияние двух изотопных атомов ³He в ⁴He. В результате такого слияния мы получим полноценный гелий с ядром из двух протонов и двух нейтронов, высвободится 12,86 МэВ энергии, а два освободившихся протона вернуться к своему прежнему занятию, повторяя этот цикл и, тем самым, поддерживая цепную реакцию термоядерного синтеза. Постепенно, за миллиарды лет, количество водородного топлива будет уменьшатся, увеличивая количество гелия.

Так подробно описать, хотя многое все равно осталось не описано, нужно было лишь для одного: именно так обеспечивается беспрерывный поток Солнечной энергии, которая и станет источником жизни на Земле, а затем и гарантом ее поддержания, именно так поддерживается и обеспечивается существование главного фактора для целого ряда физических процессов, приведших к созданию именно такой планетарной системы, как мы её знаем сегодня, именно за счет таких процессов возможно существование главной причины целого ряд химических реакций, без которых жизнь стала бы достоянием в любом другом месте Вселенной, но только не на Земле. Наша планета - одна из песчинок газопылевого молекулярного облака, которая оказалась среди призеров в состязании по наилучшему приращению массы в результате процессов аккреции, эта песчинка вышла победительницей в тысячах спаррингах с претендентами на её место и звание, и сумела выстоять в еще большем количестве групповых атак на неё. Этот состязательный процесс продолжается, хоть и с меньшей активностью, поэтому в будущем Земле и жизни на ней предстоит еще не раз доказывать свою состоятельность и даже жизнеспособность. Целый ряд процессов, связанных с вращением, гравитационным коллапсированием, центробежными силами, аккрецией, аккреционными вспышками и многого другого, в основе которых лежали градиенты - разности температур, плотности, давления, скоростей и массы, привели к сепарации вещества в облаке и уплощению диска. Солнце пылесосом вобрало в себя 99,86% массы вещества облака, в основном газа, а остатки газа и твердый материал пошли на создание планет, планетезималей, астероидов и комет. Возраст Солнца составляет 4,6 миллиардов лет, радиометрический анализ самого старого материала солнечной системы - 4,568 миллиардов лет, возраст Земли - 4,54 миллиардов лет. Формирование Земли и остальных планет произошло за достаточно короткое время. На начальном этапе потенциальных соискателей было значительно больше, планеты, которые известны нам сегодня, далеко не все были на тех орбитах, которые они занимают сейчас, но в какой-то момент все приобрело почти тот вид, который нам всем знаком. Описывать, как именно были сформированы планеты, я не стану, ибо это потребовало бы от меня писать фактически только про это, впрочем, как и про любой аспект, который здесь я описываю лишь в миллионной доле от требуемого для полного понимания объёма, что не соответствует цели и задачи этой заметки. Но я обязательно должен упомянуть, что процесс образования планет в нашей Солнечной системе и образования Земли в частности, это процесс, основанный на нескольких стандартных принципах: взаимное притягивание пылинок и частиц за счёт электростатических и нескольких других сил, включая силы Ван-дер-Ваальса; взаимное притягивание за счёт сопротивления остатков газа в протопланетном диске, заставляющее частицы, пылинки и частично сформированные из них комки двигаться по спирали к центру, то есть к Солнцу; преодоление барьера первого метра в размере, так называемый "парадокс первого метра"; дальнейшая аккреция уже за счёт гравитационного притяжения и достижение размеров и масс планетезималей; перемещение уже сформированных планетезималей и их взаимное влияние на орбиты каждой из них в зависимости от массы и т.д., т.д., т.д. Помните, выше я писал, что все видимое нами сегодня, это промежуточный итог случайно-гарантированных событий в результате прохождения стандартных процедур, когда случайно - потому что был выбор из множества вариантов, а гарантированно - потому что накопленные изменения предыдущих этапов сужали диапазон возможных вариантов продолжения этого невероятного действа? Именно так и сформировалась Земля, впрочем, по-другому в нашей Вселенной ничего и не происходит. Желающие погрузиться в подробности процессов этого этапа, могут обратиться к модели Ниццы, которая лучше других сегодня даёт понимание, как все происходило или могло бы происходить с высокой степенью достоверности. В этом месте мы вплотную подошли к процессам, которые уже непосредственно сформировали условия для возникновения жизни на Земле.

Не осталось ни одного шанса избежать одного важного отступления, прежде чем приступить к повествованию о формировании условий возникновения жизни на Земле. Постараюсь быть кратким... Сначала, долго и монопольно, существовала исключительно физика. Имеется ввиду, что кроме исключительно физических процессов, сутью которых в явном или неявном виде является трансформация энергии, порождаемой материей в результате внутрисистемного взаимодействия, других процессов во Вселенной не существовало. По мере остывания барионной составляющей градиенты температуры, плотности, давления и скорости играли все более сложную роль, по мере сборки ядер будущих атомов, по мере сборки первой пары атомов, по мере рождения первых протозвезд и запуска первых термоядерных фабрик химических элементов, по мере накопления внутрисистемных изменений такой степени, когда процессы конденсации стали приводить к последствиям, уже выходящими за пределы исключительно физики, стали проявляться и формироваться условия сначала для протохимии, а затем уже и самой химии, сутью которой всегда была субстанция - вещество, сформированное атомами, но более важно со свойствами, присущими исключительно этому веществу, а не только атомам или простому сложению свойств атомов, за счёт которых эта субстанция была собрана. С этого момента физика утратила монополию на формирование реальности, сложность процессов достигла того максимума, когда физика уже не могла ограничиться лишь собою - так на сцену реальности вышла химия. И здесь следует обязательно оговориться, что физика утратила не монополию вообще, а лишь одиночество в осуществлении этой монополии в силу возросшей сложности - количество факторов, число новых и новых нюансов, которых ранее реальность не знала, вариабельность последствий и т.д., мало того, эта монополия расширила свои границы: та реальность, которая определялась физикой в одиночку, стала необратимо иной после рождения химии, теперь химия стала вносить свой вклад в то, что до неё было прерогативой физики, отныне и присно физика будет формировать реальность с учётом влияния химии и исключительно вместе с ней, химия по праву получила свою долю реальности, формируя её с учётом влияния физики. Теперь вместе они окончательно сформируют физико-химическую неизбежность, которая и станет нашей реальностью, ее неизбежным и предопределяющим фоном, с этого момента ничто не сможет избежать влияния этого фона и проигнорировать эту неизбежность. Затем физика и химия приступили к сборке первых сложных молекул (конечно, сложных с точки зрения сборки в космическом пространстве, а не с точки зрения канонов в уже знакомых и привычных нам условиях), которые появились задолго до появления первых планет. Сегодня в космическом пространстве - как в звёздных системах, так и межзвёздном пространстве - известно не менее 150 молекул от простых двухтомный газов, до метанола, бензола, формальдегида и даже простых аминокислот. Позже физика и химия на нашей планете создадут биологию, когда совокупность материи и энергии в содружестве с субстанциями породят уникальные информационные структуры с присущими только им свойствами и качествами, запустившие Дарвиновскую эволюцию. Следует обязательно добавить, что биология в состоянии существовать исключительно на фоне физико-химической неизбежности, и хотя она локально в состоянии влиять на формирование реальности, является исключительно результатом и итогом адаптации к физико-химическому фону. Именно взаимодействие физики и химии, физических и химических процессов, стали неизбежным фоном, без которого биология и, следовательно, жизнь были бы невозможны. Сегодня мы окружены всеми этими частицами, атомами и молекулами, мы постоянно среди них, они постоянно вокруг и внутри нас. Мы буквально живем в физике и химии, творящих без перерывов и устали условия для биологии, то есть - жизни. Для наглядности: число молекул массой всего один килограмм, содержащихся в окружающем нас воздухе, составляет 10²⁶, а чтобы получить максимально наглядное представление, запишу это число полностью:

100 000 000 000 000 000 000 000 000

то есть, сто септиллионов. Много это или мало решайте сами: если каждую молекулу считать песчинкой, то этих песчинок хватит на минимум две!! Земли по объёму. В это же время до президенства Трампа и SARS-CoV-2 оставалось около четырёх с половиной миллиардов лет - это поощрение читателю за героическое терпение, позволившему добраться до этого места. Итак, продолжим...

Мы были сварены! Нет, точнее... Мы стали возможны благодаря цикличности: варка/остывание, варка/остывание. Нет, ещё точнее... Мы - результат цикличных повторений длительной варки и длительного остывания под большим давлением и при воздействии мощного ультрафиолетового облучения, а также последующих процессов тотального окисления в сочетании с цикличным замерзанием и оттаиванием... Можно ещё точнее, но шарм самого первого определения, мы были сварены, не отпускает, поэтому мне лучше просто продолжить. С момента начала образования нашей планеты, физика и химия начинают невероятный танец, формируя в нем будущее планеты - наше настоящее. В этом танце существует свой строгий порядок и этот танец очень ритмичен: физические процессы становятся условием и запускают химические, а химические процессы предопределяют следующие физические, и вместе, физика с химией, ритмично повторяют эти танцевальные па снова и снова. Физика уже умело пользуется дифференциацией. Поначалу, с её помощью физика осуществила дифференциацию газопылевого облака, породившего нашу звезду и все планеты. В результате этой дифференциации мы сегодня видим и каменные планеты, и газовые. Главными инструментами дифференциации на этом этапе для физики были масса, скорость, центробежные и центростремительные силы, градиенты давления, плотности и температуры, притяжение и немало других. Уже на этом этапе химия не стояла в стороне: кометы, железные метеориты, ахондриты и хондриты, изотопный состав, всевозможные молекулы, как в относительно свободном виде, так и включённые в состав тех же комет и разных типов метеоритов. Но с появлением нашей планеты состав инструментов изменился: одни инструменты перестали играть главенствующую роль, другие - наоборот, одних инструментов не стало вовсе, зато появились новые. Стали играть важную роль циклы расплавления и остывания с учётом скорости и времени каждой фазы, безграничное время делает значимыми фотолиз, конвекцию, химическое выветривание, ионизацию, новыми красками начинают играть испарение и конденсация, запускается химический отбор на принципиально новом уровне, что инициирует новую эру невиданных ранее по разнообразию соединений и так далее. Так начинается процесс дифференциации на уже созданной Земле и начинают постепенно, миллион лет за миллионами лет, формироваться невероятные условия для рождения жизни.

Итак, взаимодействие физики и химии постепенно формирует условия для возникновения уже привычного для нас мира. Предшествующая смерть звезды насыщает молекулярное облако необходимыми для будущей сборки химическими элементами. Процессы коллапса этого облака, процессы гравитационной дифференциации, аккреционные вспышки нашей протозвезды и вездесущие градиенты, силы притяжения, приращения массы за счет аккреции и целый ряд других процессов приводят к возникновению комет и разных типов метеоритов: железных, каменных ахондритов и хондритов. Важность этих образований трудно переоценить, потому что каждый из них стал важным звеном в процессе возникновения того физико-химического фона, на котором в будущем и станет возможным рождение биологии, породившей затем жизнь. Самый древний из известных твердый материал - досолнечные зерна (presolar grains). Эти частицы микронных размеров, найденные внутри метеоритов, состоят из тугоплавких минералов - карбида кремния, алмаза, оксидов алюминия и титана, оливина и пироксена. Досолнечные зерна отличаются по изотопному составу от остального вещества Солнечной системы. Например, они часто сильно обогащены тяжелым изотопом кальция ⁴⁴Са. Этот изотоп получается из радиоактивного титана ⁴⁴Ti с периодом полураспада 60 лет, который, в свою очередь, возникает в больших количествах при вспышках сверхновых (о роли одной из таких вспышек было уже рассказано выше). Следовательно, досолнечные зерна образовались в конце жизни различных звезд в процессе сброса их оболочек – как тихого (звездный ветер), так и взрывного (вспышки сверхновых). Самые древние твердые тела солнечной системы, кальций-алюминиевые включения, тоже входят в состав метеоритов, но они крупнее, до миллиметра в размере, и в их составе есть и менее тугоплавкие материалы. Их возраст, определенный с высокой точностью уран-свинцовым методом, одинаков и составляет 4,568 млрд лет. Кстати, именно момент образования кальций-алюминиевых включений принимается за точку отсчета существования нашей солнечной системы. Итак, уже в самом начале наша солнечная система получила кальций-алюминиевые включения с избытком ²⁶Mg и ⁶⁰Ni, которые стали продуктами распада радионуклидов ²⁶Al и ⁶⁰Fe с периодами полураспада 730 000 лет и 2,6 млн лет соответственно. Следующим поколением твердых тел солнечной системы стали хондры. Это силикатные шарики размером до нескольких миллиметров, составляющие основную часть материала самых обычных метеоритов - хондритов. Хондры состоят из таких минералов, как оливин MgFeSiO₄, пироксен (Mg, Fe, Ca) Si₂O₆, полевой шпат (K, Na) AlSi₃O₈, а также имеют примеси фосфатов кальция, сульфида железа, самородных железа и никеля. Структура хондр указывает на их образование при быстром (не более минуты) нагревании до примерно 1000 °C и таком же быстром охлаждении. Эпоха образования хондр началась с момента появления кальций-алюминиевых включений и продолжалась примерно 2 млн лет. Хондриты наиболее многочисленны из всего состава метеоритов и состоят как раз из хондр, а также небольшой доли кальций-алюминиевых включений и мелкозернистого матрикса, соединяющего крупные зерна. В состав матрикса часто входит до 5% воды и от 5 до 30% более сложных, включая органические соединения. Железные метеориты и каменные ахондриты более однородны и имеют следы полного расплавления. Скорее всего, железные метеориты и каменные ахондриты являются осколками крупных, диаметром более 100 км, астероидов, дифференцировавшихся на железное ядро и силикатную мантию, а хондриты никогда не входили в состав крупных тел и сохраняют древнейшие минералы Солнечной системы в неизменном виде. Железные метеориты и каменные ахондриты в среднем на 1–2 млн лет моложе хондритов, но самые древние из них – ровесники древнейших хондритов и кальций-алюминиевых включений. Именно за счёт гравитационной дифференциации мы получили ту планету, которую имеем. Средняя плотность Земли составляет 5,5 г/см³, но плотность горных пород, находящихся на поверхности Земли, почти вдвое меньше и составляет около 3 г/см³. В центре Земли, как и в центре других планет земной группы, находится ядро из железа с примесями никеля и других металлов, но уже со средней плотностью 10 г/см³. Ядро окружает полужидкая силикатная мантия, над которой находится твердая силикатная кора с плотностью около 3 г/см³. За счет ранней и последующих бомбардировок силикаты и тяжелые элементы, которым мы обязаны железным и каменным метеоритам, были перемешаны, а за счёт циклов расплавления и остывания, в результате тех же бомбардировок, был запущен неостановимый процесс гравитационной дифференциации уже в масштабах Земли: железо и вообще более тяжёлые элементы тонули, их тянуло к центру Земли, более лёгкие силикатные материалы, но все ещё достаточно тяжёлые, оказались мантией, а силикатные материалы, оказавшиеся самыми легкими, всплывали, оставаясь на поверхности расплавленного океана. Благодаря особой продолжительности этих чередований расплавления и остывания (в случае Земли такие циклы были самые продолжительные среди планет земной группы), и был “сварен” наиболее легкий силикатный материал гранит, который и стал основной породой земной коры. Все эти и целый ряд других процессов обуславливают наличие магнитного поля Земли. Помните Апостола Петра, ведь “петр” было греческим прозвищем, а не именем, означающим в переводе “камень”, поэтому желающим узнать про все эти процессы более подробно, рекомендую обратиться к петрологии - науке о горных породах, называвшейся в старые времена камневедением, которая, что уже не должно кого-либо удивить, совсем не случайно делится на петрофизику и петрохимию, составляя петрологию вместе и только вместе.

Отдельно следует упомянуть о нашем спутнике, Луне, которая сыграла одну из ведущих ролей в подготовке не менее простых условий для возникновения жизни на Земле и условий последующего развития жизни и вообще ее существования. Система Земля-Луна обладает большим моментом импульса, из которого основная часть приходится на орбитальное движение Луны. Породы Луны по химическому составу похожи на земную мантию, но в них практически нет воды, азота, инертных газов и других летучих веществ. Содержание умеренно летучих элементов, таких как сера, хлор, натрий и свинец (они переходят из минералов в газ при температурах 500–700 °C), в породах Луны в несколько раз ниже по сравнению с Землей. Железное ядро Луны очень мало и составляет около 1 % ее массы (на ядро Земли приходится более 30 % массы планеты). Изотопный состав всех элементов в лунном грунте точно такой же, как на Земле. Это очень важно, потому что по соотношениям изотопов кислорода, кремния и титана Земля, Марс и все семейства метеоритов четко отличаются друг от друга. Судя по изотопному и химическому составу Луна - это вырванный кусок земной мантии с небольшой примесью железа, который после отделения был полностью расплавлен и лишился всех летучих веществ. Исследования исключили все остальные гипотезы о возникновении Луны и осталась только одна рабочая и наиболее реалистичная гипотеза: Луна появилась в результате масштабного столкновения Земли с другой протопланетой, которую условно назвали Тейя, или серии менее крупных, но достаточно масштабных столкновений буквально сразу друг за другом, сформировавшись из выброшенных на околоземную орбиту расплавленных обломков. По изотопным часам Луна на 50 млн лет моложе Солнечной системы. Энергия удара разогревает Землю настолько, что вся ее поверхность представляет собой океан магмы, окутанный плотной и протяженной атмосферой силикатных паров, CO₂ и водяного пара. Благодаря этой атмосфере изотопный состав Земли и Луны выравнивается. Обломки на околоземной орбите собираются в Луну в течение всего нескольких лет, и начальная высота ее орбиты составляет около 25 000 км (сегодня чуть более 384 000 км). Через 1–2 млн лет поверхность Земли охлаждается достаточно для появления первых твердых пород земной коры. Радиус лунной орбиты увеличивается из-за приливного взаимодействия с Землей, момент импульса Земли передается Луне, при этом Луна отодвигается от Земли со скоростью 3-4 см в год, при этом вращение Земли замедляется, а часть энергии вращения при этом рассеивается в тепло. В результате именно этой череды событий Земля получает наклон оси, что обеспечивает сегодня смену времен года. Дифференциация Земли на железное ядро и силикатную мантию еще не завершена: железо продолжает тонуть, а силикаты по-прежнему всплывают на поверхность. За счет этого в мантии происходят конвективные течения, как при варке варенья. В этой аналогии плиты земной коры подобны скоплениям плотной пенки на поверхности: пенка в кастрюле скапливается там, где происходит опускание жидкости. В мантии Земли над областями опускания скапливаются будущие материки, а над зоной поднятия вырастают будущие срединно-океанические хребты. Химический состав двух типов коры также различен: океанская кора сложена базальтами (затвердевшей лавой с 50–55% SiO₂ и высоким содержанием оксидов магния и железа), а в континентальной коре преобладают граниты, но содержание SiO₂ в них достигает 72%, а из металлов, к радости будущей биологи, преобладают алюминий, натрий и кальций. Граниты менее плотны, чем базальты, благодаря чему континентальная кора плавает на поверхности жидкой базальтовой магмы и при столкновениях с океанской корой практически всегда оказывается сверху. В результате всех этих процессов и была сформирована наша планета в химическом, физическом, геологическом смыслах, в результате этих процессов вода, содержащаяся в хондритах, испарилась, а в сочетании с другими газами была создана первичная атмосфера, которую масса нашей Земли и величина второй космической скорости в 11,2 км/с сумели удержать (для примера: вторая косимческая скорость Марса - 5,5 км/с, он не в состоянии удержать земную атмосферу, она попросту от него “сбежит”, а вот Юпитер имеет вторую космическую скорость в 61 км/с, поэтому никакие газы не могут его покинуть), в результате этих процессов, в частности, последующего неизбежного остывания, испарившаяся вода скондесировалась и тысячами лет лил дождь, создавая первичный океан, что в сочетании с давлением и ультрафиолетом сформировало окончательные условия для возникновения на Земле жизни. Повторюсь: все описать невозможно, но описать достаточно, чтобы посмотреть короткометражку и получить наиболее корректное представление о сюжете, основных героях, их роли в сюжетной линии, я старался, как мог, на меньшее жизнь не согласна.

Основным источником пополнения атмосферы являются газы, которые выделяются из расплавленных минералов. Сейчас ими нас обеспечивают извержения вулканов, а раньше эти газы выделялись при падениях астероидов и прямо из океана магмы, когда планета была для этого достаточно горяча. Усредненный состав газов из современных вулканов Земли выглядит следующим образом: водяной пар - 80–85%, углекислый газ СО₂ - 10-12%, сернистый газ SO₂ - 5%, соляная кислота HCl - 1-2%, а также малые примеси водорода, сероводорода, метана и угарного газа. Потери атмосферы в космос происходят двумя путями: во-первых, при тепловом движении молекул некоторые из них могут получить скорость выше второй космической и сбежать от планеты, а во-вторых, молекула атмосферы может получить высокую скорость и улететь от планеты при столкновении с заряженной частицей солнечного ветра. В обоих случаях легкие молекулы теряются чаще, поэтому Земля легко теряет водород и гелий по тепловому механизму, но удерживает все остальные газы. Марс, к примеру, будет заметно терять воду, метан и аммиак, но удержит азот, кислород и углекислый газ. Сдувание атмосферы солнечным ветром зависит больше не от массы планеты, а от наличия магнитного поля: молекулы атмосферы при столкновениях с частицами солнечного ветра обычно получают скорость намного выше второй космической, но ионизируются, оказываются захваченными магнитным полем, постепенно теряют в нем энергию и возвращаются в атмосферу. Магнитное поле Земли практически полностью защищает атмосферу от разрушения солнечным ветром, а для Марса с его слабым полем и Венеры, которая магнитного поля лишена вовсе, это основной механизм потери атмосферы. Кроме того, атмосферные газы могут вступать в химические реакции между собой и с поверхностью планеты. Например, при химическом выветривании (взаимодействие с уже сформированным газовым составом атмосферы, а также с водой) горных пород углекислый газ переходит из атмосферы в карбонатные осадки: CaSiO₃ + 2CO₂ + H₂O → Ca (HCO₃)₂ + SiO₂ (на суше) и Ca (HCO₃)₂ → CaCO₃ + СO₂ + Н₂O (в воде). Если карбонатные осадки попадают в горячие недра планеты, например, при поддвигании (субдукции) океанского дна под материк, карбонаты разрушаются и СO₂ выделяется вновь в составе вулканических газов. Даже на безжизненной планете именно так и происходит круговорот углерода. Другие газы вступают в химические реакции прямо в атмосфере под действием ультрафиолетовых лучей и, например, метан под действием ультрафиолета разлагается с выделением водорода. Если в атмосфере нет других химически активных газов, то образуются сложные углеводороды – производные ацетилена. Именно они придают оранжевый цвет атмосфере Титана, спутнику Сатурна. Аммиак похожим образом разлагается на водород и азот, сероводород – на водород и пылинки элементарной серы. При том потоке ультрафиолета, который достигает атмосферы Земли и Марса, время жизни метана, аммиака и сероводорода в атмосфере не превышает 1 млн лет. Сернистый газ SO₂ тоже подвержен фотолизу. В отсутствие кислорода он разлагается на серную кислоту Н₂SO₄ и элементарную серу, а в кислородной атмосфере весь превращается в серную кислоту. Вода, азот и углекислый газ устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Таким образом, чтобы изначальная атмосфера сохранялась миллиарды лет, планета должна быть достаточно массивной и обладать значительным магнитным полем. Но даже в этих условиях устойчивы в течение миллиардов лет будут только азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и инертные газы. Метан, аммиак и соединения серы в атмосфере неустойчивы, и их содержание в атмосфере может сохраняться, только если они постоянно поступают из недр планеты. Время и жесткий ультрафиолет, который тогда был бы смертельным для существующей сегодня жизни, сыграли, пожалуй, самую главную роль в ее зарождении. Именно благодаря ультрафиолету газы, испаряющиеся в результате расплавления пород, подвергались беспрерывному фотолизу (химическая реакция, обусловленная взаимодействием химических соединений с квантами высоких энергий). Такой важный для нас сегодня озон один из таких примеров: озон, трехатомный кислород, образуется в результате фотолиза двухатомного кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения. В итоге, именно так и случилась уже знакомая нам атмосфера:

время стало холстом, а ультрафиолет стал тем творцом, который из красок, предоставленных физикой и химией, явил миру свой шедевр.

Уже в будущем ультрафиолет будет играть не меньшую роль и при непосредственном зарождении жизни.

Науку уже давно интересовал вопрос возникновения жизни. Исключая божественное происхождение, в этом вопросе всегда конкурировали две генеральные гипотезы: панспермия - Земля была “засеяна” жизнью метеоритами и кометами, в которых содержались ее образцы, и абиогенное зарождение жизни - жизнь зарождается на Земле без участия “засеянных” живых организмов, а появляется случайно, за счет стечения обстоятельств и обычной для Вселенной комбинаторики причин и их следствий, которые сразу же становятся причинами для последующих следствий, повторяя и повторяя этот причинно-следственный цикл. Накопленные знания, особенно открытия и исследования последних 10-15 лет, уже позволяют сказать, что жизнь произошла по второму, абиогенному, сценарию. И здесь важно разобраться в некоторых аспектах. Важнейшую роль в любом живом организме выполняют полимерные молекулы. Они состоят из множества звеньев, соединенных в цепочку. Полимерные молекулы в клетках относятся к трем основным классам: белки, нуклеиновые кислоты, более знакомые всем, как ДНК и РНК, и полисахариды. Белки состоят из соединенных в цепочку аминокислот, ДНК и РНК – из нуклеотидов, а полисахариды - из моносахаридов. Свойства полимеров зависят от типов входящих в них звеньев, от их последовательности и от типов связей между звеньями. В составе белков встречаются 20 основных аминокислот. Нуклеотидов же только пять, из них три (аденозин, гуанозин, цитидин) - общие для ДНК и РНК, тимидин же входит только в ДНК, а уридин - только в РНК, а полисахариды состоят из одного типа моносахаридов. Молекулы ДНК обычно образуют длинные нити. У большинства белков нить компактно свернута в клубок - глобулу, но бывают и белки, нити которых сплетаются в длинные нити - фибриллы. ДНК в клетках служит хранилищем генетической информации. Белки выполняют самые разнообразные функции, но чаще всего они работают ферментами, т. е. ускоряют (катализируют) определенные химические реакции. Кроме ферментов существуют транспортные, сигнальные, защитные и многие другие функциональные группы белков. Полисахариды обычно играют в живых организмах две роли: формы хранения сахаров (крахмал, гликоген) и прочного конструкционного материала (целлюлоза, хитин). Геном даже самых простых бактерий состоит из более чем миллиона нуклеотидов и кодирует свыше тысячи белков. Для работы этого генома требуются специальные молекулярные машины сборки белков, копирования ДНК, энергоснабжения и средства регуляции и управления. Сложность такой системы очень высока, а более простых, да и еще самостоятельно и самодостаточно размножающихся систем, биология не знает. Мы знаем только один путь происхождения более сложных систем из простых – это эволюция по Дарвину, путем естественного отбора. Но чтобы началась эволюция, нужны какие-то первичные единицы, способные к автокатализу и саморепликации. И здесь вопрос с моментом начала естественного отбора: если естественный отбор начинается только с появлением первой клетки, то для ее образования случайным путем требуется настолько гигантское время, которое позволило бы случиться такому числу попыток, что это время будет намного порядков превышать возраст Вселенной. Эта проблема называется “неупрощаемая сложность” (irreducible complexity). Астрофизик Фред Хойл охарактеризовал эту проблему следующим образом: случайное самозарождение жизни так же вероятно, как случайная сборка Боинга-747 при прохождении урагана через мусорную свалку. Теперь очевидно, что для абиогенного зарождения жизни необходим запуск естественного отбора раньше первой клетки. Есть ещё и чисто химический аспект, который связан с формой молекул аминокислот и сахаров в живых организмах, - они обладают хиральной (от древнегреческого “рука”) чистотой. Все белки состоят из левых аминокислот, а в составе ДНК и РНК только правые изомеры сахара дезоксирибозы или рибозы соответственно. Такие молекулы называются оптически активными и являются оптическими изомерами. Оптические изомеры многих веществ, например, молочной кислоты, легко отличить по вкусу и запаху, потому что наши обонятельные рецепторы - это белки, построенные из левых изомеров аминокислот. Живое вещество, таким образом, хирально чистое, то есть, состоит из оптических изомеров определенного типа. C другой стороны, важнейшим компонентом живых клеток, входящих в состав РНК, ДНК и других незаменимых молекул, является фосфор. В неживой природе он встречается только в виде нерастворимых и химически инертных минералов, таких как апатит Ca₅(PO₄)₃OH. Чтобы получить содержащие фосфор органические молекулы, надо где-то найти фосфор в растворимой и химически активной форме, а это возможно только при прокаливании апатита до температуры 1500°С, когда фосфор переходит в летучую форму оксидов фосфора P₄O₁₀, PO₂ и P₄O₆, образуя при попадании в воду растворимые фосфиты HPO₃²⁻ и полифосфаты P₂O₇⁴⁻ - источник энергии для всех биохимических реакций. Также, для удовлетворения условий абиогенного зарождения жизни, следует учесть обязательное присутствие металлов железа, цинка, меди и марганца, что до миллиона раз больше в сравнении с морской водой, и помнить, что в клетках много калия и мало натрия, в отличии от той же морской воды, где все наоборот. Вот наука и стала искать физико-химические условия, которые удовлетворяли бы химическим и физическим требованиям для абиогенного зарождения жизни. И такие условия были найдены - грязевые котлы геотермальных полей.

Теперь все мы готовы в достаточной степени, чтобы перейти непосредственно к процессу зарождения жизни. И здесь следует еще раз напомнить, что почти вся современная жизнь прямо или косвенно зависит от энергии солнечного света, которая в ходе фотосинтеза используется для построения сахаров и других клеточных веществ. Даже глубоководные сообщества, обитающие в полной темноте, зависят от кислорода, вырабатываемого водорослями в верхних слоях океана. В стратосфере существует озоновый слой, состоящий из молекул О₃, который поглощает 99% ультрафиолетового излучения Солнца, в основном оставляя землянам ультрафиолет UVA, совсем немного пропуская ультрафиолет UVB, и не пропуская совсем смертельный ультрафиолет UVC. В древние геологические эпохи, когда кислорода в атмосфере еще не было, озонового слоя не просто не существовало, его вообще не могло быть, а молодое Солнце излучало ультрафиолета минимум в десятки раз больше, чем сейчас. Поэтому, во времена появления жизни на Земле ее поверхность подвергалась настолько мощному ультрафиолетовому излучению, что смертельная доза излучения для подавляющего большинства современных организмов набралась бы буквально за пару минут. Именно поэтому долгое время считалось, что первые живые организмы должны были бы появиться в глубинах вод первичного океана, чтобы быть защищенными от губительного излучения ультрафиолетовых лучей. Сейчас уже ясно, что ультрафиолетовое излучение вызывает самые разнообразные химические реакции, в том числе ведущие к синтезу аминокислот и нуклеотидов из простых молекул, так что на ранних этапах зарождения жизни мощное ультрафиолетовое излучение наоборот, не убило, а создало чуть ли не самые важные и самые необходимые условия для зарождения жизни, то есть, сыграло роль фактора химической изменчивости или химической достаточности. С другой стороны, на других, более поздних этапах, ультрафиолетовое излучение сыграло роль фактора отбора, когда из всех молекул, появившихся на первых этапах, выживали лишь устойчивые к ультрафиолету молекулы. Как должно уже стать понятным, для абиогенного зарождения жизни необходимо было решить несколько базовых задач: найти условия, которые бы соответствовали всем требованиям для такого зарождения, раз; понять какая именно первичная единица способна к автокатализу и саморепликации, два; разобраться, как абиогенно могла случиться сама эта единица, три; и, наконец, понять, как эта единица приобрела специфические навыки автокатализа и саморепликации. Так вот, информационная роль РНК, подобная роли ДНК, была известна давно. Но только 30-35 лет назад стало понятно, что РНК способна на большее. Дело в том, что существует неразрывная взаимная зависимость ДНК и ферментов для каталитических, конечно, не только, но в интересующем нас контексте прежде всего каталитических, реакций в живом организме: ДНК не могут существовать без ферментов, а ферменты с направленной функциональностью не могут существовать без ДНК. В современных живых организмах РНК выполняет роль прораба, который получает чертежи в конструкторском бюро ДНК, осуществляя роль координатора работ и источника инструкций для деятельности тех или иных производственных участков. Так вот, оказалось, что РНК сама способна выполнять всю работу, включая и работу ферментов, тех самых других производственных участков, став, таким образом, той первичной единицей. Вот так и начинает формироваться основа современных - и современных именно на минуту прочтения этой заметки - знаний именно об абиогенном зарождении жизни, а не о каком-то другом.

На этом этапе мы уже знаем, что идеально подходящим местом для того, чтобы случилась жизнь, являются грязевые котлы геотермальных полей. Ну а первичной единицей - молекула РНК. И как же эта молекула могла абиогенно собраться, фактически в добиологическую, в добелковую эпоху, с учетом всех требований, о которых уже было написано в пред-предыдущей главе? РНК - это длинная нитевидная молекула, нить которой складывается из отдельных звеньев, нуклеотидов. Каждое такое звено, нуклеотид, в свою очередь, состоит из трех компонентов: рибоза C₅H₁₀O₅, фосфорная кислота H₃PO₄ и азотистое основание. Рибоза и фосфорная кислота во всех нуклеотидах идентичны друг другу, а вот азотистых оснований четыре: аденин C₅H₅N₅, гуанин C₅H₅N₅O, цитозин C₄H₅N₃O и урацил С₄Н₄N₂О₂. Именно эти четыре вида азотистых оснований и дают четыре вида нуклеотидов - А, Г, Ц, У или A, G, C, U в соответствии с названиями азотистых оснований. В атмосфере древней Земли было много углекислого газа и азота, но органические вещества в такой среде не образуются. Зато в геотермальных источниках было достаточно металов, для нас важнее их сульфиды, и за счет фотосинтеза на кристаллах сульфида цинка ZnS, получалась муравьиная, уксусная и другие органические кислоты, а реакции на горячем сульфиде железа FeS, в которых образуется карбонилсульфид COS, давали меркаптаны, тиоуксусную кислоту и ее эфиры. Это все тоже не очень подходящее сырье для синтеза азотистых оснований из-за отсутствия азота, зато есть вдоволь ненужной серы. Но если на планете есть постоянный источник метана CH₄, то ультрафиолет в состоянии производить из него и атмосферного азота необходимое сырье для азотистых оснований и сахаров. Казалось бы, новая проблема: абиогенный метан. Оказалось, что такой проблемы нет. Во время процесса серпентинизации - это когда вода, во время “созревания” базальта, подогревается не горячей магмой, а химическими реакциями в толще твердых донных пород - происходит остывание базальта до 200-300 °С. В результате базальт трескается и в его трещины входит вода первичного океана, затем она реагирует с силикатами железа, окисляя железо до магнетита, выделяя при этом водород 3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2H₂, а в присутствии в воде растворенного углекислого газа, он восстанавливается до метана и муравьиной кислоты HCOOH, при этом изотопный состав углерода в них точно такой же, как в углекислом газе, и, таким образом, метан и кислоты тоже образуются абиогенно, без участия каких-либо организмов. Пример такого абиогенного происхождения существует даже в наши дни - гидротермальные источники белые курильщики. Выходящий в атмосферу метан вступал в химические реакции под действием ультрафиолетовых лучей, образуя, среди прочего, синильную кислоту HCN при взаимодействии с азотом благодаря ультрафиолету. На древней Земле метан в атмосфере реагировал не только с азотом, но и с углекислым газом и водой, образуя формальдегид CH₂O. При этом, почти всегда шли дожди, поэтому продукты фотолиза метана не накапливались, а растворялись в каплях воды, выпадая с дождем, а синильная кислота и формальдегид хорошо растворимы в воде, вымываясь дождями из атмосферы. Аминокислоты, сахара и нуклеотиды собирались без остановки, за счет регулярного поступления на поверхность древней Земли необходимых для такой сборки органических веществ: формальдегид, цианид, цианамид и цианоацетилен, причем, не только описанным способом, их “производили” и геотермальные поля, и молнии в атмосфере, и контакт атмосферы с горячим железом во время падения метеоритов или при контакте с лавой во время извержений вулканов, одним словом - препятствий больше не осталось. Всего описать невозможно, поэтому: аденин получился при взаимодействии водного раствора синильной кислоты HCN с ультрафиолетом, при нагревании этого водного раствора, а в тех местах, где планета могла остыть настолько, что мог даже образоваться лед, и при замерзании; готовая молекула аденина при взаимодействии с водой уже давала гуанин; добавление мочевины (NH₂)₂CO дало цитозин и урацин; рибоза собралась при взаимодействии формальдегида CH₂O с апатитом Ca₅(PO₄)₃ или с боратом ВО₃³⁻, которые в избытке накапливаются в грязевых котлах. Правильную сборку всех компонентов в нуклеотиды обеспечил амид муравьиной кислоты формамид CH₃NO в грязевых котлах, облучаясь ультрафиолетом на глиняном основании или на основании сульфида цинка. Но была и другая возможность... При добавлении синильной кислоты к воде, содержащей соли железа и других металлов, что присутствует в избытке в грязевых котлах, образуются гексацианоферраты, которые при упаривании раствора выпадают в осадок. При нагревании гексацианоферраты разлагаются, давая различные продукты: карбид железа, азот, цианиды калия и натрия. Гексацианоферрат магния при таком разложении дает нитрид магния Mg₃N₂, а гексацианоферрат кальция - карбид CaC₂ и цианамид кальция CaNCN. Если эти продукты прокаливания залить водой, то цианид калия KCN и цианид натрия NaCN растворяются, соединения кальция разлагаются, давая цианамид NH₂CN и ацетилен C₂H₂, а нитрид магния разлагается с выделением аммиака. При добавлении солей меди ацетилен соединяется с цианидом, давая цианоацетилен (HC ≡ C–C ≡ N) и акрилонитрил (H2C = CH – C ≡ N). На древней Земле такие процессы происходили в окрестностях вулкана: сначала синильная кислота из дождей и вулканических газов попадает в озеро с обогащенной железом геотермальной водой, и там накапливаются гексацианоферраты. Потом повышение активности вулкана выпаривает озеро, и разные соли откладываются на его дне кольцами: менее растворимые выпадают в осадок первыми и откладываются ближе к исходным берегам, а более растворимые остаются на самом глубоком месте озерной котловины. Потом вулканическое тепло прокаливает осадки гексацианоферратов, а когда вулкан успокоится и высохшее озеро вновь зальет геотермальной водой с сероводородом, по запекшейся корке солей потекут ручьи из концентрированных растворов цианида и цианамида, в которых пойдет синтез нуклеотидов. Мало того, на основе акрилонитрила и цианоацетилена в этих условиях получаются не только нуклеотиды, но и дополнительные аминокислоты. Акрилонитрил присоединяет аммиак и превращается в бета-аминопропионитрил, который через несколько стадий дает пролин и аргинин. Цианоацетилен с помощью меди может присоединить еще молекулу цианида и превратиться в малеонитрил. Из малеонитрила образуются аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота. Таким образом, из четырех простых веществ, таких, как синильная кислота, сероводород, цианамид и ацетилен, получаются не только все четыре нуклеотида, но и десять из двадцати белковых аминокислот, а что еще интереснее - в этой сложной сети реакций практически не образуется никаких веществ, которые не встречались бы в современных клетках! Таким образом, цианосульфидные реакции и могли определить исходный набор нуклеотидов и аминокислот, из которых строились первые живые системы. Относительно же хиральной чистоты можно с уверенностью сказать лишь одно: на нашей планете случилось так, как случилось. Ответить однозначно на вопросы возникновения хиральной чистоты удастся лишь при получении дополнительных данных: если окажется, что в Галактике представлена лево- и правоаминокислотная жизнь примерно поровну или хотя бы в метеоритной органике разных планетных систем бывает как левый, так и правый уклон - значит основы хиральности закладываются в газово-пылевых облаках перед рождением звезд и планет, но если мы найдем только левоаминокислотную жизнь - значит хиральность жизни определяется квантовыми процессами.

На заключительном этапе мы уже знаем о длинной череде невероятных событий - случайных, потому что был немалый выбор, но гарантированных, потому что время обеспечило достаточное число попыток и пыток для накопления именно таких изменений, какие случились не где-нибудь, а здесь, - которая привела эту фантастическую историю именно к такому, безальтернативному, но радостному для нас итогу. И теперь, наконец, полюбуемся, как РНК прошла финишный участок пути, в конце которого Вселенную ждала биология, явившая Вселенной жизнь, построив из отдельных нуклеотидов длинные молекулы, способные создавать собственные копии.

Nota Bene. Из-за ограниченности формата (даже заметка фейсбука имеет ограничение по объему материала) и в силу вынужденного гуманизма, вынужден перейти к очень общему описанию.

 

Оказалось, что нуклеотиды вполне себе собираются в цепочки в несколько десятков звеньев на глинистых минералах и на подложке из сульфидов железа и цинка в условиях многообразия геотермального поля. Далее, помимо грязевых котлов, к процессу подключаются гейзеры с температурами не менее 80 °С, циклы высыхания, взаимодействия со всемогущим ультрафиолетом, смыва в грязевые котлы дождями и выбросами новых порций воды гейзеров, цитраты взаимодействуют с ионами меди, и целый ряд других химических и нехимических, физических и нефизических факторов под неусыпным оком времени. На каком-то этапе этой чехарды возникают кросс-хиральные лигазы и первые, еще “кривые” рибозимы, начинаются первые процессы сшивок коротких цепочек в более длинные и первые попытки протокопирования и т.д., и т.д. Многие процессы в разных местах происходят

одновременно в одной фазе, обмениваясь результатами в другой. Но в итоге - весь этот хаос оказывается в пористых структурах грязевых котлов, неорганических компартментах. И тут, к гонке за жизнью подключаются конвекция и термодиффузия (термофорез), то есть, движение молекул в градиенте температур. Все это в большой концентрации оказывается в стесненных условиях неорганических компартментов. В зоне нагрева молекулы начинают двигаться быстрее, расталкивая друг друга, поток частиц и молекул устремляется в более холодные области, а их концентрация в зоне нагрева снижается. Проток жидкости снизу вверх и нагрев с одной стороны поры, приводит к конвекции и термофорезу, молекулы РНК накапливаются на нижнем конце холодной стенки, но их поведение сильно зависит от длины: нуклеотиды и короткие РНК слабее увлекаются термофорезом в нисходящий холодный поток и в итоге вымываются из поры, а РНК длиннее определенного порога, что зависит от скорости потока и размеров поры, в ней накапливаются. В будущем это избирательное удержание длинных РНК будет противостоять и нивелировать быстрое и хаотичное размножение коротких РНК, сохраняя длинные молекулы в ряду поколений, несмотря на то, что они будут копироваться еще медленно. Во всей этой свалке цепочки РНК становятся длиннее, а рибозимы все проворнее и “умнее”, безгранично действуют его величество отбор и ее величество адаптация к условиям среды. Появляются своеобразные артели, когда молекулы уже копируют друг друга (не пытайтесь проследить хронологию - многие процессы проходят параллельно, а описывать подобное также параллельно - трудно, а иногда и невозможно). На невидимом фоне вовсю бушуют рекомбинации. Ключевыми игроками становятся молекулы РНК с РНК-полимеразной активностью, то есть, на авансцену выходят рибозимы, научившиеся катализировать свою собственную сборку. Со временем укрепляется и становится нормой содружество размножающихся рибозимов. Одни молекулы, а именно рибозимы с РНК-полимеразной активностью, размножали короткие молекулы РНК, а другие, лигазы, собирали из коротких молекул более длинные, в том числе копии самих себя и копии рибозимов-полимераз. Стала возможна система поэтапной взаимной репликации. Все это вместе и дальнейшее развитие содружества начинает накапливать достаточную изменчивость, чтобы более эффективно преодолевать мутационную деградацию. Теперь все опять зависит от времени - только оно позволит довести количество репликационных ошибок до такого уровня, когда в один прекрасный день, мне кажется это было спокойное и солнечное утро, не появятся первые вирусоподобные организмы, которые начнут эпоху горизонтального переноса, симбиогенеза и тогда можно будет сказать: все, жизнь - случилась!

В этой публикации я попытался передать читателю, очень храброму и терпеливому читателю, не просто хронологию событий, а неизбежность, ставшей таковой в силу накопления изменений, каждое из которых покоилось на предыдущих, предопределяя и сужая выбор для следующих. Также, я хотел показать глубочайшую взаимосвязь всех событий и последующих за ними последствий. В последних главах, где я непосредственно перешел к зарождению жизни, в основном была представлена доминирующая сегодня теория “РНК-мира”. Я совсем ничего не сказал про другие теории, например, про “железисто-серный мир” или “цинковый мир”. Время, вероятность, процессы капельного и катастрофического накопления изменений, как событие, произошедшее 13,7 млрд. лет назад, неотвратимо вело в сегодняшний день, вплетая следующие события в неразрывное полотно реальности. Скорее 0,000001 процента поместилось в эту публикацию, но может кто-то сможет отправиться за подробностями, хотя бы приблизительно зная куда.

А завершить я хочу невысказанным выводом Чарльза Дарвина, который он наверняка бы сделал, будь у него больше времени и доживи он до SARS-CoV-2...

 

Dr. Oort