Предвестники жизни

В грунте астероида Рюгу обнаружены компоненты РНК, аминокислоты и витамины. В космосе не впервые находят «кирпичики жизни». Каждая находка на шаг приближает к ответу на вопрос, как живое возникло из неживого.

Снимок поверхности астероида Рюгу, сделанный с космического зонда «Хаябуса-2». Затемнения — тень от солнечных батарей

Фото: JAXA / Neal Spence

В образцах, собранных на астероиде Рюгу, обнаружился урацил. Это компонент РНК, одного из главных веществ в живой клетке. Согласно популярной теории, первые живые организмы на планете — куда более примитивные, чем клетки,— состояли исключительно из РНК. Так что все мы в некотором смысле ведем род от этой молекулы.

С небес на землю

Японский зонд «Хаябуса-2» был запущен в 2014 году. В июне 2018 года он вышел на орбиту вокруг небольшого околоземного астероида Рюгу. Посланник Земли тщательно изучил Рюгу с орбиты и сбросил на его поверхность несколько исследовательских аппаратов. Но самое главное — «Хаябуса-2» дважды садился на Рюгу и собрал в общей сложности 5,4 грамма местного грунта. Немного, но это был всего лишь второй в истории отбор проб с астероида (первые образцы собрал зонд «Хаябуса-1» с астероида Итокава). В декабре 2020 года капсула с грунтом Рюгу достигла Земли.

Первые исследования показали, что на Рюгу есть органические соединения. Да и вообще, по содержанию различных химических элементов, изотопов и минералов этот астероид очень похож на славящиеся своей органикой углистые хондриты.

Хондриты — это самый распространенный тип метеоритов (около 90% всех находок), естественные консервы, запечатлевшие исходный химический состав Солнечной системы.

Органическая продукция

Жизнь — самое сложное химическое явление во Вселенной. Неудивительно, что белки, жиры, углеводы, ДНК, РНК и другие «биологические» соединения — органические. Поэтому обилие органики в ранней Солнечной системе очень интересно в контексте возникновения жизни.

Но, хотя жизнь невозможна без органических веществ, сама по себе органика совершенно не нуждается в жизни. Космос изобилует разнообразной органикой, от простейшей вроде метана (пять атомов в молекуле) до довольно сложной вроде цианонафталина (19 атомов). Органические соединения найдены не только на планетах, астероидах и кометах, но даже в межзвездных газовых облаках, где точно никогда не было и не могло быть никакой жизни. Так что органика — это в лучшем случае субстрат, из которого жизнь может развиться в благоприятных условиях.

Алфавит жизни

Найти в космосе ДНК, РНК или белки было бы очень захватывающе. Эти сложные соединения присутствуют в любой живой клетке, и они совершенно необходимы для всех ее функций.

Очень кратко напомним об этих функциях. ДНК — это носитель наследственной информации. В ней записаны доставшиеся от предков инструкции, что и как клетка должна делать. Белки — это «рабочие руки» клетки, следующие записанным в ДНК инструкциям. Они, во-первых, служат строительным материалом для живых тканей, а во-вторых, управляют химическими реакциями в клетке. РНК — это посредник, передающий информацию от ДНК к белкам. Но этим ее возможности далеко не исчерпываются. РНК управляет некоторыми химическими реакциями в клетке вместо белков. А некоторым вирусам она заменяет ДНК. Фактически РНК — единственная молекула в клетке, умеющая быть и «инструкцией», и «исполнителем». Поэтому многие специалисты и считают, что жизнь началась с РНК, а уже потом изобрела ДНК и белки.

Ни ДНК, ни РНК в метеоритах или на астероидах пока не находили. Но находили их составляющие — азотистые основания. Поясним, что это такое.

Молекула ДНК — это длинная цепь из повторяющихся звеньев-нуклеотидов. Главное, что отличает один нуклеотид от другого,— его азотистое основание. Этих оснований всего четыре вида: аденин, тимин, цитозин и гуанин. Молекулу ДНК можно уподобить слову, записанному в четырехбуквенном алфавите А, Т, Ц, Г. Правда, очень длинному слову: от десятков тысяч букв у вирусов до сотен миллионов у человека.

Молекула РНК очень похожа на ДНК, но в нуклеотидах РНК используется другой сахар: рибоза, а не дезоксирибоза, как в ДНК. Но главное отличие в том, что место тимина занимает другое азотистое основание — урацил. То самое вещество, которое теперь нашли в астероидном грунте.

Эта находка не то чтобы сенсация: ранее все пять азотистых оснований находили в метеоритах. Но всегда оставалась неприятная возможность, что они попали туда уже на Земле. А вот «Хаябуса-2» собрал грунт прямо в космосе, поместил в стерильную капсулу и герметично ее закрыл. Так что раз уж там найден урацил, он точно внеземного происхождения.

Чтобы извлечь органику, экспериментаторы выварили 10 мг астероидного грунта в сверхчистой воде и обработали реактивами. В этом растворе и обнаружился урацил, правда, очень немного: 11 плюс-минус 6 частей на миллиард в одном образце и 32 плюс-минус 9 — в другом. Возможно, в пробах присутствовал еще и цитозин, но в процессе экстракции он тоже должен был превратиться в урацил. Нашлось еще несколько биохимически важных веществ, в том числе витамин В3 в количестве 49 плюс-минус 1 и 99 плюс-минус 4 частей на миллиард соответственно.

Мог ли урацил на Рюгу образоваться без участия жизни? Да, разумеется. Есть несколько возможных сценариев синтеза азотистых оснований из простейших компонентов: воды, метанола, аммиака, циановодорода и так далее. В космическом холоде химические реакции идут медленно и неохотно, но благодаря солнечному ультрафиолету и космическим лучам все-таки идут.

Что же дает это открытие в контексте происхождения жизни? Во-первых, оно доказывает, что урацил мог попадать на нашу планету с метеоритами. А во-вторых, это косвенное подтверждение, что древнейшая Земля могла изобиловать азотистыми основаниями и без всяких метеоритов.

Способ существования белковых тел

Ранее в грунте Рюгу было найдено и несколько аминокислот. Аминокислоты — это обширный класс веществ, но 20 из них замечательны тем, что из них состоят белки. Таким образом, молекула белка — это слово в 20-буквенном алфавите. Она не такая длинная, как ДНК: редкий белок достигает в длину хотя бы тысячи звеньев. Белковый алфавит, как и нуклеотидный, один и тот же для всех живых существ. Но слова-белки у всех разные. Например, в организме человека около 20 тыс. различных белков.

В метеоритах найдено более ста аминокислот, из них восемь белковых (в грунте Рюгу пока найдены только небелковые аминокислоты). Изредка встречались и аминокислотные цепочки, но куда более короткие, чем настоящие белки.

Почти наверняка даже космические аминокислоты образовались без участия жизни. Об этом говорит не только тот факт, что белковые аминокислоты соседствуют с массой небелковых. Есть еще одна тонкость, связанная со строением молекул.

Многие органические вещества, в том числе аминокислоты, существуют в нескольких разновидностях — изомерах. Жизнь, изобретая белки, когда-то выбрала лишь по одному изомеру каждой из аминокислот. Единственное исключение — лейцин. Один из его изомеров, изолейцин, тоже допущен в состав белков. Но на правах отдельной аминокислоты, которую генетический код отличает от лейцина. Именно поэтому белковых аминокислот 20, а не 19, хотя с точки зрения состава лейцин и изолейцин — одно и то же вещество.

Жизнь настолько привередлива, что различает даже молекулы, являющиеся зеркальными отражениями друг друга, как левая и правая рука. Живая природа, за редчайшими исключениями, признает только «левые» аминокислоты в составе белков и только «правые» сахара в составе нуклеотидов. В неживой природе крайне мало процессов, различающих право и лево.

О космических аминокислотах можно сказать то же, что и об азотистых основаниях. Они не свидетельствуют о внеземной жизни, но дают подсказки о том, как зародилась земная.