ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 84, № 8, с. 724-734
ТОЧКА == ЗРЕНИЯ
Б01: 10.7868/80869587314080064
На протяжении десятилетий учёные пытаются выяснить, могла ли жизнь, подобная земной, зародится на иных планетах. Получить ответ на этот вопрос могут помочь упавшие на Землю метеориты. Авторы представленной статьи с помощью современных методов сравнили следы биологической активности, обнаруженные в космических телах, и цианобактерии из древнейших осадочных пород. Морфологические, биогеохимические и изотопные показатели микробиальной жизни на ранней Земле дают возможность использовать накопленный опыт для поиска и идентификации жизни инопланетной.
МИКРОБИАЛЬНАЯ ЭКСПАНСИЯ В АРХЕОЗОЕ КАК ОСНОВА ДЛЯ ПОИСКА И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИНОПЛАНЕТНЫХ АНАЛОГОВ
, А.С. Лопухин
Лишь "подготовленный ум" способен сделать открытия на определённой стадии научной и технологической эволюции.
Луи Пастер
М.Г. Шидловский
Доступная экстраполяция широко известных в настоящее время остатков жизни в древнейших отложениях Земли позволяет с уверенностью утверждать, что археопрокариотические экосистемы сформировались уже в предархейскую эру хадей (Иаёеап — 4.56—3.85 Оа, 1 Оа = 109 лет). Такая информация "закодирована" в осадках Исуа (3.8—3.85 Оа, Западная Гренландия) и свидетельствует о более раннем происхождении микроби-альной жизни на Земле, что справедливо как для
v 1
т
I jfi
ШИДЛОВСКИЙ Манфред Герхард — доктор геологических наук, Институт им. Макса Планка (Германия). ЛОПУХИН Александр Сергеевич — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Морского гидрофизического института НАН Украины. lopukhinastavr@mail.ru
морфологических (клеточных), так и для биогеохимических характеристик. Сигнатура ископаемого органического углерода 13С/12С передаёт стойкий биологический сигнал изотопного фракционирования углерода в период зафиксированной геологической истории Земли, проявляя в последующем крайнюю степень эволюционного консерватизма в биохимии (фотоавтотрофную углеродную фиксацию) [1]. К аналогичному заключению в начале XXI в. пришёл видный микробиолог Г.А. Заварзин в своей концепции аддитивной эволюции цианобактериальных сообществ: "Сохранение старого есть условие существования нового. Поэтому сохранение всей системы живых существ (старых даже больше, чем новых) — необходимое условие, а не упущение незавершённой эволюции. В функциональном отношении происходит наложение, а не второочередная замена, то есть эволюция совершается аддитивно". Цианобактерии "сохраняют свою архитектуру и состав на протяжении всей геологической летописи", проявляя при этом функциональное разнообразие при становлении биосферы [2, с. 989]. Можно ожидать, что основные свойства внеземной жизни подобны архео-цианофитной (ци-анобактериальной) биосфере нашей планеты. Отличительные свойства жизни, сохранённые в земных древнейших отложениях (и в падающих
на Землю метеоритах-хондритах), создают прочную базу для поиска и интерпретации инопланетных аналогов.
Мы знаем и понимаем лишь ту жизнь, которая существует на Земле, но вполне возможно, что проявления жизни в инопланетных условиях основаны на схожих принципах. Так, академик Э.М. Галимов полагает, что "где бы жизнь ни возникла в нашей Вселенной, молекулярно она должна быть построена сходным образом... Гипотетическая жизнь, построенная на иных принципах, из других химических элементов, на основе других химических соединений, чем белково-нуклеиновая форма, неосуществима. Процесс упорядочения материи заключён в сравнительно узком диапазоне возможностей" [3, с. 18]. Следовательно, основные свойства жизни, как мы их понимаем на Земле, должны служить ориентиром для поиска существующих или ископаемых жизне-подобных проявлений в космическом масштабе.
Есть два способа установить возможное наличие жизни на иных планетах, включая ископаемые проявления, которые могли возникнуть на Марсе и сохраниться в осадках в период существования марсианских акваторий. Первый — это поиск морфологических свидетельств, аналогичных земным ископаемым прокариотам, учитывая их способность к окаменению (фоссилиза-ции), в частности, аналогов сине-зелёных водорослей СуапорИуа или СуапоЪае1ег1а. Второй способ направлен на поиск остатков метаболизма древнейших организмов. Здесь следует опираться на тот факт, что в жизненных процессах принимает участие сравнительно небольшой набор химических элементов, из которых углерод — основной. Следовательно, заметные накопления углерода и их изотопные (13С/12С) соотношения являются потенциальным свидетельством прошлой жизни, если они установлены в соответствующих осадках. Это касается и дискретных углеродных соединений, которые сохранили свою молекулярную тождественность в процессе метаморфизма. Такие соединения можно назвать "химическими биомаркерами". Они являются исключительно стабильными молекулярными структурами, ограниченными по большей части пигментами типа порфиринов или единых дискретных углеродных цепей известного биологического происхождения. Поэтому информация, сохранённая в микрофоссилиях и биогеохимических окисях земных архейских отложений, исключительно важна для идентификации ископаемых микроорганизмов Марса (либо другой потенциально пригодной для жизни планеты). Земля и Марс, несмотря на большое различие по массе, изначально имели сходное планетарное состояние. Скорее всего, марсианская среда была так же благоприятной для возникновения жизненных процессов и формирования микробиаль-
ных экосистем, как и земная. Вероятно, Марс не мог удержать газовую оболочку, и потому эволюционные пути обеих планет разошлись настолько, что жизнь на Марсе угасла при неблагоприятных для белковой химии условиях. Таким образом, первичным для экзобиологических изысканий на Марсе должен быть целевой поиск угасшей жизни.
Основная трудность в поиске ископаемых проявлений марсианской жизни — это в первую очередь интуитивный выбор точки исследования среди огромной протяжённости материнских пород возраста свыше 3.8 Оа, что составляет 2/3 всей марсианской поверхности. Среди них фиксируются отложения с выраженной слоистостью предположительно плотных карбонатных пород, которые в регионе Тарсис и в объединённой системе каньонов Долины Маринер интерпретируются как озёрные осадки [4]. По-видимому, любые морфологические или химические следы ископаемой жизни в ранних марсианских формациях можно изучить с помощью робота или по доставке проб на Землю (не пренебрегая риском присутствия жизнеспособных цист).
Итак, любой поиск прошлой жизни в марсианских отложениях основан на двух категориях палеобиологических "документов" нашей планеты — структурных остатках и биогеохимических веществах. Это прежде всего первичные углеродные (графитовые или графитизированные) компоненты микроорганизмов с их внутренними 13С/12С соотношениями, а также одиночные углеродные соединения с проверенной биологической родословной, которые прошли через общее восстановление первичного органического вещества в осадках. Первая категория — это микрофос-силии, свидетельства, отражающие морфологию бактериальной клетки. Кроме отдельных клеток, безусловно, важны микробиальные сообщества в виде колоний. Микробы, как правило, не являются организмами-отшельниками и проявляют тенденцию соединяться и образовывать расширенные микробиальные скопления микропланктона, а также микробиальные маты, которые обычно появляются на границах интерфейсов осадок—вода, вода—атмосфера в виде макроструктур, в том числе строматолитов — последовательных наслоений биоплёнок [5].
Морфологические свидетельства ранней жизни — микрофоссилии докембрия и строматолиты. Начало палеобиологической летописи связано прежде всего с происхождением микробиального мира, предопределённого преемника химической эволюции углеродных соединений, которые в конечном счёте отвечают за появление первых экосистем [3, 6, 7]. Во второй половине ХХ в. микропалеонтология докембрия пополнилась открытием многих микробиальных группировок, которые были однозначно идентифицированы как клеточные микрофоссилии или их продуценты
Рис. 1. Микрофоссилии Dharvaria hindiLopuchin 1983, установленные в шлифах из тонкозернистых кварцитов формации Додгуни 2.9—2.6 Ga, Южная Индия (а) и сходные им представители рода Isuasphaera Pflug 1978 из кремнистых пород свиты Исуа 3.8 Ga, Западная Гренландия (б)
1 — размер 47 мкм; 2 — 80 мкм; 3 — сдвоенные индивиды, 70 мкм; 4 — цепочка Dharvaria hindi из малых форм 140 х 20 мкм; 5 — 100 мкм; 6и 7 — Isuasphaera isua, «100 мкм; 8 — цепочки Isuasphaera minima Lopuchin 2012 с обособленной оболочкой, установленные в образце № 2334 из коллекции Г. Пфлюга
(строматолиты). С увеличением возраста вмещающих пород и интенсивности метаморфических преобразований биогенная идентификация становилась всё более сложной и противоречивой. Для выяснения биогенности клеточных морфо-типов в архейских породах был определён иерархический ряд критериев, доказывающих истинность микрофоссилий:
• принадлежность микрофоссилий вмещающей породе, подтверждённая экспозицией в петрографических шлифах;
• обнаружение значительного количества экземпляров в однотипных породах;
• ассоциация с остаточным углеродистым веществом;
• оптимальный или превышающий минимальный размер, регламентирующий жизнеспособность клеток;
• наличие центральной впадины и структур -ных подробностей, связанных с неорганическими процессами.
Несмотря на немногочисленность архейских регистраций в шлифах из осадочных пород, существуют местонахождения микрофоссилий, которые отвечают указанным критериям. Наиболее значимая среди них — коккоидная и трихомная палеомикрофлора в слоистых кремнях Варраву-ны (Западная Австралия) её возраст приблизительно 3.5 Оа. Признанию подлинности этой находки предшествовала дискуссия, которая завершилась причислением обнаруженной микробиоты к древнейшим цианобактериям [8]. Заметная разнородность архейской микрофлоры даёт основа-
ние предполагать, что генетически соответствующие микробиальные виды появились задолго до периода Варравуны, то есть значительно раньше 3.5 Ga. В этом контексте открытие профессором
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.