Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

— был первым в семье, кто получил степень PhD, так что путь к научной карьере оказался проложен. «Я хотела стать астрономом, палеонтологом, археологом. Больше всего мне нравилось играть с магнитами, литым резиновым шаром в виде Юпитера, бинокулярами и (продезинфицированными) куриными костями. Мне ничего не казалось слишком странным или пугающим — главное, чтобы в первую очередь оно было интересным», — вспоминает исследовательница.

Стать минералогом Эстрада решила, когда ее семья переехала в Тусон (штат Аризона) — место ежегодного проведения знаменитого Шоу драгоценных камней и минералов, самого крупного в мире. Каждый год она копила карманные деньги только ради возможности пополнить свою коллекцию камней за эти несколько недель в январе-феврале, когда тысячи участников-дилеров со всего мира приезжают в Тусон, выставляя образцы в павильонах, выставочных залах и гостиничных номерах по всему городу. Будучи студенткой Аризонского университета, Эстрада все время проводила в минералогической лаборатории Боба Даунса, где стала его лучшей студенткой — подающим большие надежды экспертом в этой области.

Я познакомился с Шарлин летом 2008 г., когда она приступила к практическим работам в моей Геофизической лаборатории. Она трудилась над лабораторными исследованиями поверхностей минералов с Димитри Сверженски и со мной, «объединяя» свои профессиональные познания в области кристаллов с углубленным изучением химии воды. За десять коротких недель Шарлин завершила элегантное исследование адсорбции аминокислот на рутиле — минерале оксида титана, который в силу особой устойчивости в воде мог служить отправной точкой для всех наших исследований поверхностей минералов.

Летом у Эстрады было своего рода прослушивание: она подала документы в аспирантуру Университета Джонса Хопкинса, легко прошла этап отбора и вскоре уже работала со Сверженски, погрузившись в геохимию и науку о поверхностях. Она публиковала статью за статьей, поочередно исследуя разные сочетания минералов и молекул и проводя эксперименты, которые подкрепляли предположения, что минералы могли играть ключевую роль в происхождении жизни.

В ходе одного такого замечательного эксперимента Эстрада добавила в раствор с ионами кальция (типичным химическим ингредиентом морской воды) смесь пяти аминокислот в равных пропорциях и брусит — магниевый минерал, который обычно формируется, когда свежие вулканические породы взаимодействуют с водой и преобразуются на океаническом дне. Мы думали, что брусит адсорбирует все аминокислоты одинаково, но Эстрада обнаружила, что только одна из пяти молекул — аспарагиновой кислоты — легко прилипла к поверхности минерала{164}. Но самое неожиданное — исследовательница открыла, что при адсорбции молекул аспарагиновой кислоты бруситу протянули руку помощи ионы кальция. Теперь мы понимаем, что такое сотрудничество молекул и ионов — один из ключей к пониманию происхождения жизни.

Информация

Наука — это здание, которое строит себя само. Достижения Шарлин Эстрады стали всего одним рядом кирпичиков лишь в одном углу этой конструкции, но зато указали другим путь, чтобы продолжать строительство. Следующим ученым, который присоединился к нашей команде, была Тереза Форнаро{165}. Получив докторскую степень в знаменитой Высшей нормальной школе в Пизе (неподалеку от Пизанской башни) и пройдя интенсивную исследовательскую программу во флорентийской Обсерватории Арчетри, Форнаро олицетворяет собой новое поколение астробиологов, которое, вероятно, раскроет секрет происхождения жизни. Ее знания необычайно широки и глубоки по сравнению с теми, что имели большинство молодых исследователей предыдущих поколений. Тереза — профессионал в областях органической химии и минералогии, планетологии и истории Земли, она с одинаковой уверенностью управляется с привередливыми аналитическими приборами в лаборатории изучения поверхностей и выполняет витиеватые квантово-механические вычисления взаимодействий минералов и молекул.

Терезе Форнаро необязательно было входить в конкурентный мир научных исследований. Она вполне могла присоединиться к семейному бизнесу — одному из первых предприятий по производству пасты ручной работы в итальянском Неаполе, поставляющему десятки разновидностей макаронных изделий ресторанам, получившим звезды Мишлена, по всей Европе и за ее пределами. Но стремительно развивающаяся астробиология стала ее главной страстью. Форнаро энергично и жизнерадостно рассказывает о своих последних находках и быстро заряжает вас своей уверенностью и энтузиазмом.

Основываясь на исследованиях Эстрады, Форнаро взялась за одну из центральных загадок происхождения жизни — образование насыщенных информацией молекул ДНК и РНК. Многие эксперты в вопросах происхождения жизни фокусируются на РНК как универсальной молекуле, которая, наверное как ничто другое, способна отражать некоторые характеристики жизни. РНК может катализировать химические реакции, ускоряя важные биологические функции. Помимо этого, молекула умеет переносить информацию в своем четырехбуквенном алфавите: A, Ц, Г и У[44]. А еще у РНК есть потенциал (правда, пока не доказанный в лаборатории) делать точные копии себя, т.е. она несет основное свойство жизни — самовоспроизведение. Следовательно, гипотеза «мира РНК» не просто оригинальная идея. Для многих ученых это та самая гипотеза происхождения, которую надо доказать. Затруднение состоит в том, что никто пока не смог понять, как собрать стабильную молекулу РНК в правдоподобной добиологической среде. Более того, структурные элементы РНК химически нестойкие, они имеют тенденцию распадаться в воде.

Сосредоточив свое внимание на брусите, а косвенным образом и на глубинной океанической среде, которая производит впечатление неблагоприятной для образования и стабильности РНК, Форнаро изучала, как структурные элементы РНК взаимодействуют с поверхностями минералов{166}. Она сделала важное открытие: брусит выборочно адсорбирует кирпичики РНК, защищая их от распада в водной среде. Она также обнаружила, что поверхность минерала ориентирует молекулы таким образом, который может способствовать добиологической самоорганизации РНК.

Понятно, что любой эксперимент лишь малая частица общей картины происхождения жизни. Для понимания взаимодействий минералов и молекул нужны еще десятилетия исследований. Но все больше настойчивых ученых получают обнадеживающие результаты с каждым новым экспериментом.

Эти исследования открывают важную истину о добиологической химии. Простые эксперименты только с одним или двумя химическими ингредиентами, проводимые при комнатной температуре и давлении и использующие обычную воду из-под крана, относительно легко выполнить, но они столь же легко могут привести к ошибкам, когда речь идет о процессах, ведущих к происхождению жизни. Существенную роль в появлении жизни должны были сыграть результаты сотрудничества и конкуренции большого количества молекул. Мы приходим к выводу, что сложность жизни в значительной степени связана со сложностью природной геохимической среды. Похоже, отбор, концентрация и монтаж молекулярных строительных материалов жизни требуют мудреных трехмерных процессов на атомном уровне — процессов, которые начали раскрываться в экспериментах Шарлин Эстрады и Терезы Форнаро.

Хорошие новости заключаются в том, что сложные взаимодействия между многочисленными небольшими биомолекулами, химическими веществами в растворе и поверхностями минералов намекают на некую тропинку от геохимии к сложности биохимии. А вот и плохие новости — исследование даже крошечной доли потенциально возможных комбинаций молекул, растворов и минералов в перспективе выглядит пугающе.