homuncul

Все-таки панспермия

Александр Сергеевич Спирин, академик, первый директор Института белка РАН, член Президиума РАН.

Спирин продолжительное время занимался проблемой происхождения жизни, став одним из главных специалистов в России по "миру РНК". В результате он пришел к заключению: жизнь на Земле подобным путем возникнуть не могла.

Ниже приводится заключительный фрагмент из его недавней статьи "Когда, где и в каких условиях мог возникнуть и эволюционировать мир РНК?" (Палеонтологический ж-л, №5 2007):

"Принимая во внимание все трудности и неудачи с экспериментальным моделированием синтеза компонентов РНК и самих РНК в абиогенных условиях и парадоксальные, противоречащие друг другу условия для обеспечения устойчивости РНК и ее способности к репликации в земных условиях, а также малый временной промежуток геологической истории Земли для возможной эволюции мира РНК в клеточные формы жизни, приходится обратиться к гипотезе панспермии, т.е. к идее космического происхождения жизни на Земле. В свете сказанного в предыдущем разделе встает очевидный вопрос: А не принесена ли уже готовая форма клеточной жизни на Землю как раз теми метеоритами, которые ее бомбардировали в период до 3,9 млрд. лет назад? или галактическими кометами немедленно после такой бомбардировки? Или живые организмы, по крайней мере одноклеточные, приносились на Землю метеоритами и кометами повторно при каждом пролете Солнца сквозь скопления звезд Галактики, т.е. также и в периоды 2,6, 1,65 и 1,05 млрд. лет назад (см. Баренбаум и др., 2007)? Во всяком случае, нельзя исключать того, что появление клеточной формы жизни на Земле связано не с окончанием метеоритной (астероидной) бомбардировки 3,9 млрд. лет назад, а с самим ее фактом. Дальнейшее развитие жизни на Земле также могло быть связано с периодами последующих, менее интенсивных, метеоритных бомбардировок; по крайней мере, за вышеуказанными периодами бомбардировок следовали периоды бурных вспышек развития биоты как в количественном, так в качественном отношении (Баренбаум и др., 2007).

Предположения о космическом происхождении клеточной формы жизни на Земле находит поддержку в современных данных о диапазоне условий и мест обитания, в которых могут существовать микроорганизмы клеточная форма жизни на Земле, гораздо более широком, чем мы могли представлять себе еще недавно. Жизнеспособные и живые микробы находят в древних глубинных льдах Арктики и Антарктиды и в глубинах вечной мерзлоты (Звягинцев и др., 1985; Gilichinsky et al., 1992; Vorobyova et al., 1997; Розанов, 2002). Жизнь в виде бактериальных сообществ обнаружена на глубинах до 3 и даже до 5 км в горных породах континентов и в глубинах океанов при колоссальном давлении и высоких температурах (Gold, 1992; Stevens and McKinley, 1995; Розанов, 2002). Ряд исследователей полагает, что глубинная земная и морская биосфера может включать в себя более половины общей биомассы Земли. В таком случае основная живая компонента биосферы Земли – это не многоклеточные эукариотическими фотоавтотрофы и органотрофы, т.е. растения и животные, чаще всего ассоциируемые с понятием «жизнь», а прокариотические хемоавтотрофы глубинной (горячей и холодной) биосферы, полностью не зависимые от солнечной энергии и свободного кислорода (Gold, 1992; Заварзин, 2006б; Zavarzin, 2006; Hoover, 2006). Данные глубинной микробиологии континентов Земли дают пищу для размышлений о возможности существования глубинной биосферы и на других планетах, включая их спутники (в частности Ио и Европу Юпитера). Кроме того, свойством многих существующих на Земле свободно-живущих бактерий является их приспособленность к переживанию в условиях полного вакуума, т.е. сохранение жизнеспособности в вакууме, в том числе в обезвоженном состоянии, в течение длительного времени. Способность микроорганизмов (бактерий) сохранять жизнеспособность в глубоком вакууме и при крайне низких температурах позволяет предполагать, что ядра комет, полярные шапки Марса и ледовые спутники Юпитера и Сатурна тоже могут быть местами присутствия потенциально жизнеспособных микробов (Hoover, 2006).

Следует подчеркнуть, что при допущении панспермии безусловный приоритет имеет возможность распространения жизни во Вселенной именно в клеточной форме, а не в форме мира РНК. Как уже указывалось выше, существование мира РНК и сохранность самих молекул РНК узко ограничена условиями среды в силу чисто химических и физических свойств полирибонуклеотидов и их конформаций (рН = 7 ± 0,5, температура конформационной стабильности в пределах 0° - 40°С и относительной ковалентной стабильности не выше 90°, ионная сила в пределах 0,1 – 0,3, обязательное присутствие ионов магния и отсутствие ионов ряда тяжелых металлов, сильно дестабилизирующих РНК, и т.д.). В то же время белки могут сохранять свою нативную (функциональную) конформацию и целостность в гораздо более широком диапазоне условий, а при комплексообразовании с РНК могут их стабилизировать. Еще более широкими возможностями для приспособления к экстремальным условиям обладают микробы - не только благодаря стабильности белков, но также и возможности поддержания внутриклеточной среды, противодействующей ряду внешних условий, и мощным репарационным механизмам, быстро исправляющим повреждения нуклеиновых кислот и белков. Поэтому распространение жизни в клеточной форме во Вселенной кажется гораздо более реальным, чем в форме свободных молекул РНК.

Космические наблюдения показывают, что вода является главным летучим веществом ядер комет, причем как комет Солнечной системы (см., например, Mumma et al., 2005), так, возможно, и появляющихся с определенной периодичностью (при прохождении Солнцем спиральных рукавов Галактики приблизительно через каждые 25 млн. лет) галактических комет (Баренбаум и др., 2007). Сейчас известно, что ядра комет Солнечной системы имеют черную кору с исключительно низким альбедо (0,03), которая может достигать температур до 400 К в перигелии. Изображения кратеров, впадин, пиков, извержений и струй на ядрах некоторых комет наводят на мысль, что кора толстая и может удерживать достаточное внутреннее давление, позволяющее образовываться локальным участкам жидкой воды и солевых растворов при нахождении кометы в области перигелия (Hoover, 2006). Хотя бы эпизодическое существование жидкой воды в кометах укрепляет предположение о возможности активной микробной жизни на некоторых из них. Тогда кометы могут рассматриваться как переносчики жизни в пределах Солнечной системы и даже за ее пределами, а следовательно могут быть ответственными и за заселение Земли.

Действительно, обнаруживаемое в современных исследованиях сходство соотношения дейтерия и водорода (D/H), величины альбедо и химического состава комет и некоторых метеоритов, относимых к классу углистых хондритов, подтверждает уже давно выдвинутую гипотезу о том, что метеориты этого типа являются останками исчезнувших ядер комет, потерявших свои летучие вещества. В то же время, современные методы анализа некоторых упавших на Землю углистых хондритов открывают в них наличие не только органических веществ, но и отчетливых микроокаменелостей простейших форм организмов – прежде всего бактериальных клеток (см. Жмур и др., 1993; Герасименко и др., 1999; Розанов, 2000; Hoover and Rozanov, 2002; Hoover, 2006). Карбонатные гранулы и их свойства, исследованные на знаменитом марсианском метеорите ALH84001 (т.е. метеорите, признанном осколком планеты Марс, упавшем 13 000 лет назад на Землю в Антарктиде), также могут рассматриваться как останки примитивных живых организмов типа нанобактерий (см. обзор Спирин, 2005а) и служить свидетельством в пользу существования жизни за пределами Земли (McKay et al., 1996). Кстати, время формирования этих, предположительно биогенных, образований на Марсе оценивается как 3,6 млрд. лет назад – опять-таки близко к времени окончания метеоритной бомбардировки планет Солнечной системы.

Вместе с тем, принятие предположения о попадании жизни на Землю и расселении жизни во Вселенной уже в виде организованных одноклеточных организмов не освобождает нас от проблемы происхождения клеточных форм жизни – пусть не на Земле, но все же где-то во Вселенной, и происхождение простейших клеток из мира РНК представляется на сегодняшний день самой правдоподобной гипотезой, основанной на современных знаниях о молекулярных основах жизни.

Если действительно в ядрах комет и других внеземных тел (например, на Марсе или спутниках больших планет – Юпитера и Сатурна) могли или могут существовать живые или жизнеспособные микроорганизмы и если любая клеточная форма жизни действительно произошла путем эволюции мира РНК, то где искать то место, в котором этот однополимерный мир самовоспроизводящихся молекул возник, существовал (или существует доселе) и эволюционировал в клеточные формы жизни, способные распространяться по Вселенной? Некоторые дополнительные условия для существования и эволюции мира РНК можно сформулировать на основании анализа тех парадоксов, которые обсуждались выше. Во-первых, наряду с жидкой водой довольно очевидна необходимость РНК-адсорбирующих поверхностей. Во-вторых, трудно объяснить эволюцию мира РНК без циклов подсушивания и увлажнения (или затопления), нагревания и охлаждения, замораживания и оттаивания. В-третьих, кажется обязательным наличие каких-то механизмов защиты РНК от космического излучения и/или способов ее временной консервации.

Возможность выполнения, хотя бы частичного, этих условий не исключена в кометах Солнечной системы. Уже говорилось, что последние исследования таких комет прямо свидетельствуют о существования в их ядре больших количеств воды, органических веществ (так называемых CHON-частиц) и многочисленных адсорбирующих поверхностей внутри ядра (в частности, поверхностей микроскопических частиц, от 1 до 100 микрон, вместе со льдом образующих многометровый рыхлый слой непосредственно под корой ядра) (A’Hearn et al., 2005). Периодические прохождения области перигелия и затем удаление от Солнца и возможные встречи с другими космическими телами создают необходимую цикличность состояний и процессов. Другими словами, кометы могут рассматриваться как естественные космические лаборатории, в которых мог бы существовать, эволюционировать и временно консервироваться мир РНК. В частности, в кометах мог бы реализоваться и принцип циклического чередования амплификации и отбора в мире РНК по типу SELEX’a – рукотворной методики «систематической эволюции лигандов путем экспоненциального обогащения» (Tuerk and Gold, 1990; Спирин, 2005 б). Действительно, прохождение области перигелия кометой должно приводить к последовательной смене состояния воды внутри ядра по следующей схеме: (1) образование жидкой воды в полостях внутри ядра за счет разогрева, что обеспечивает условия для массовой амплификации всех РНК в растворе; (2) интенсивное испарение воды и подсушивание поверхностей внутри полостей, обеспечивающее рост успешных комбинаций РНК в виде колоний (селекция); (3) конденсация воды, растворение колоний РНК и снова массовая амплификация молекул РНК, но уже с образованием популяции, обогащенной «лучшими» молекулами РНК; (4) консервация этой популяции при удалении от перигелия, вплоть до следующего цикла приближения к Солнцу. Таким образом, кометы Солнечной системы могли бы быть искомой колыбелью мира РНК и его эволюции.
[...]
Вместе с тем, если мы переносим мир РНК, его возникновение и его эволюцию в космос, то становится вполне позволительной агностическая позиция: мы не знаем и даже не можем себе представит тех условий, которые имеют место в различных местах Вселенной, и поэтому мы должны принять нуклеотиды, полирибонуклеотиды и мир РНК, а также, возможно, и первые клеточные формы жизни, возникшие из мира РНК, как творение неких неведомых нам условий и сил – творение, данное нам, на Землю, а может быть и на другие планеты и тела Солнечной системы, уже в готовом виде."


Теории внеземного происхождения жизни -- передача на радио "Свобода" (22.02.08)

Добавлю, что сторонником гипотезы направленной панспермии был Ф.Крик

см. также:
http://nature-wonder.livejournal.com/94064.html
Tags:
"Защиты и справедливости !"
Гипотезы о происхождении жизни, попадавшиеся мне в учебниках и других публикациях меня не устраивали. Я не биолог, тем не менее натяжки были очевидными, а самое главное - ненужно усложненными - вероятность самопроизвольного возникновения сложной системы гораздо меньше, чем простой. Например, те же белки, которые интенсивно объявлялись преджизнью, не имеют "своих" механизмов для размножения. А без размножения - это не жизнь. В конце концов осталась одна, которую мне пришлось выдумать самому (это проще, чем перелопачивать груды [около]научной литературы). Ни на какую новизну я не претендовал, т.к. был уверен, что это гипотеза наверняка уже кем-то выдвинута и пару лет назад видел ее в весьма обстотятельном обзоре (перевод с американского).

Отличалась эта гипотеза отсутствием натяжек и измышленных сущностей, физической реализуемостью и т.п., короче, не имела существенных недостатков. Более того, эта гипотеза даже обладала предсказательной силой - из онлайнового общения с биологами я узнал факт, который очень мощно ее подпирал.

Между тем дискуссии о происхождении в онлайне развернулись с новой силой. Обсасывались все гипотезы, "за" и "против" сыпались как из мешка, и только эта оставалсь толком не рассмотренной. "Жизнь - такая сложная штука, что не могла возникнут на Земле самопроизвольно", говорят панспермисты. Оппоненты тут же кроют - "где-то же она все равно должны была возникнуть", и так далее. А моя любимая влачит себе нешумное существование, особой критике не подвергается, т.к. не за что, но и особого восторга не вызывает - слишком уж простовата.

Вот и здесь сразу же указано, что Спирин от нее вроде бы отказывается, но почему - непонятно. По ссылке он даже и не отказывается, указывает как на реальную возможность и единственный аргумент против - не знает как привязать белки. Папа ваш Студебеккер !? Дались им эти белки ! Ведь если нуклеотидные последовательности реплицируются - это и есть жизнь. А белки - дело десятое.
Re: "Защиты и справедливости !"
То есть как это дело десятое? Белки - и есть жизнь. Ну то есть жизнь - это код ДНК - РНК - белок. Потому что даже если себе представить, что ДНК сама научилась реплицироваться - ну и что дальше?
Re: "Защиты и справедливости !"
> Белки - и есть жизнь. Ну то есть жизнь - это код ДНК - РНК - белок.
Почему ?

> даже если себе представить, что ДНК сама научилась реплицироваться
ДНК ? Кто сказал ДНК ?
Re: "Защиты и справедливости !"
Сначала была самореплицирующаяся РНК, а потом она пригодила аминокислоты, чтобы делать белки и изобрела с их помощью ДНК, чтобы надежнее хранить информацию. Чем вас такой вариант не устраивает?

"Жизнь есть способ существования белковых тел". Ну да. Колбаса, например :-).
Re: "Защиты и справедливости !"
ДНК сама по себе смысла не имеет - только как носитель информации.
Re: "Защиты и справедливости !"
Опять ДНК ?
Насчет информации у вас как-то так неявно получается, что никакие другие молекулы, кроме ДНК, не являются носителями информации. Контрольный вопрос в затылок: что такое изомеры ?
Re: "Защиты и справедливости !"
Спирин от нее вроде бы отказывается, но почему - непонятно
Понимаете, я ведь привел только заключительный фрагмент статьи (вся тут просто не поместится, к сожалению). А перед этим он как раз все место посвящает разбору этих проблем, отвечая на ваш вопрос.
Вы упоминаете некую гипотезу, но не сообщаете о ней прямо, не приводите ссылко. Так что ничего на этот счет не могу сказать.

Не вполне согласен с тем, что "если нуклеотидные последовательности реплицируются - это и есть жизнь". Проблема возникновения жизни для меня - это возникновение клетки, метаболизма. Что же касается репликации нуклеотидных последовательностей, я об этом ни слышал.
Re: "Защиты и справедливости !"
Уточните, что-ли, что за гипотеза у вас такая.
Может, я чего-то не понимаю, но все-таки: какие именно условия, необходимые для зарождения жизни, имеются на кометах, но отсутствуют на Земле? Периодически тающего грязного льда/снега на любой горе по уши.
Более того, их там, пожалуй на порядки больше, чем во всех кометах солнечной системы вместе взятых. Особенно если на скорость цикла помножить.
на самом деле он и гипотезу комет рассматривает как маловероятную.

"...эта изящная гипотеза имеет весьма слабую сторону: время жизни хвостатых комет, обращающихся по околосолнечным орбитам (т.е. время после выхода из облака Оорта и до исчерпания запаса воды и других летучих веществ в циклах пролета через перигелий) относительно не велико. Если даже допустить возможность нескольких тысяч пролетов хвостатой кометы через перигелий, то это время укладывается всего в миллион лет для короткопериодических комет, и маловероятно, что за это время и, следовательно, за столь ограниченное количество циклов прогрева может возникнуть мир РНК и эволюционировать в мир клеточных форм жизни. Кроме того, эта гипотеза вряд ли помогает решить проблему первичного абиогенного синтеза рибонуклеотидов и полирибонуклеотидов. Другая трудность – отсутствие или малое содержание фосфора, по крайней мере в исследованных кометах Солнечной системы".

Что касается Земли, то один из главных аргументов "против" у Спирина - это крайне малый промежуток времени между окончанием массированной метеоритной бомбардировки (3,9 млрд. лет назад) и появлением первых свидетельств клеточной жизни (бактерий) в земных породах (3,8 – 3,85 млрд. лет назад или даже несколько ранее).
Ну всё-таки 100 миллионов лет на Земле это поболее будет, чем один миллион на комете. К тому же, как правильно заметили выше, Земля намного больше и вариация условий на ней тоже выше.
1) Это не снимает вопрос, кто занес РНК туда, откуда ее занесли
2) Логическим путем невозможно отделить творение от де ново синтеза и самоорганизации. И экспериментальным невозможно, всегда остается вероятность верности противоположного варианта.
3) Че неужели у АС уже маразм? Или он уже с богом беседует?
4) Интересно :)
Перечитав конец - ну в общем то, маразм снимаю из обвинений, сама агностик :)
конечно, маразм. И у Крика с Оргелом тоже маразм. Смело предполагайте, это хорошо закрывает вопрос.
знаете, Альцгеймер никого не щадит. :) А статьи должны умножать знания, или хотя бы приводить последнее в систему.
Панспермия, как вариант ухода от поиска.
Обычно, при отсутствии понятных объяснений человек отсылает решение к проискам высшего разума. Это успокаивает, поскольку дырявая картина мира почему-то является раздражителем человеческой психики. :)
Чтобы делать вероятностные оценки процессов мы должны быть уверены в том, что учитываем все возможные варианты и, выражаясь казенным языком, все константы реакций в присутствии всех возможных катализирующих факторов. А может и выпавших звеньев передачи и хранения информации (если ДНК кодирует белок, и, замечу, обратно, то почему не может быть других видов носителей информации, RNA-compatible) ;)
Я не являюсь мало-мальски специалистом в вопросе. Интересуюсь, поскольку попадаются иногда интересные авторы типа Супотницкого:
http://supotnitskiy.webspecialist.ru/stat/stat48.htm#_ftn1
Вопрос, к сожалению, не только научный, но и "политический". Пессимизм титанов никак приветствовать нельзя. (а отсылка к панспермии с последующим отказом от поиска механизмов - это таки сдача или слив)
Re: Панспермия, как вариант ухода от поиска.
да, понимаю. Если вы ведете с кем-то борьбу, это может для вас так выглядеть.
Я думаю, Спирину приведенные вами аргументы известны. Наука не может базироваться только на позитивных утверждениях, в ней присутствуют и негативные. Термодинамические, химические запреты. Вы ведь, скажем, не признаете алхимию - хотя не можете быть уверены в том, что учитываете все константы реакций в присутствии всех возможных катализирующих факторов. Спирин непосредственно занимался этой проблемой, миром РНК, и вот теперь говорит: гипотеза не работает. Разумеется, если полагаться на текущую картину геологического прошлого Земли и современную химию и биофизику. Это, кстати, не значит, что запрещены другие варианты абиогенеза - речь идет о мире РНК.
Насколько этот вопрос для вас политический, не знаю. Я же просто хочу знать определенные вещи о мире.
Re: Панспермия, как вариант ухода от поиска.
Грешен. Спирина читал только то, что Вы предложили в данном посте. Поэтому не вполне понял, какая менно гипотеза не работает, и является ли это заключение общим впечатлением Спирина по результатам работы или конкретно обоснованным утверждением.
Про политику я, наверное, зря (попы достали).
Вот такого рода фразы
"Принимая во внимание все трудности и неудачи с экспериментальным моделированием синтеза компонентов РНК и самих РНК в абиогенных условиях и парадоксальные, противоречащие друг другу условия для обеспечения устойчивости РНК и ее способности к репликации в земных условиях, а также малый временной промежуток геологической истории Земли для возможной эволюции мира РНК в клеточные формы жизни, приходится обратиться к гипотезе панспермии,.."
Не считаются вполне научно обоснованными, а являются частным мнением весьма авторитетного специалиста. Так что Ваше желание "просто знать определенные вещи в мире" в рамках информации изложенной в данном посте сводится к знанию точки зрения этого специалиста, не более. Т.е. вовсе не к знанию того, что некая гипотеза не работает. Ну, или другими словами, я уверен, что ни одна достаточно конкретная известная на сегодняшний день версия возникновения жизни (а ля опаринский бульон) - не работает. Но молекулярная биология - чрезвычайно быстро прогрессирующая область знаний. "Текущая картина" наверняка изменилась, пока мы с Вами беседуем. ;)