Происхождение жизни на Земле: доказанная теория или нераскрытая тайна
Валерий Спиридонов, первый кандидат на пересадку головы, для РИА Новости
Человечество на протяжении многих лет пытается разгадать истинную причину и историю появления жизни на нашей планете. Еще чуть более ста лет назад практически во всех странах люди даже не думали подвергать сомнению теорию божественного вмешательства и сотворения мира высшим духовным существом.
Ситуация изменилась после выхода в ноябре 1859 года величайшего труда Чарльза Дарвина, и сейчас вокруг этой темы существует немало споров. Число сторонников дарвиновской теории эволюции в Европе и Азии насчитывает больше 60-70%, приблизительно 20% в США и около 19% в России по данным конца прошлого десятилетия.
Во многих странах сегодня призывают исключить труд Дарвина из школьной программы или хотя бы изучать его наравне с другими вероятными теориями. Если не говорить о религиозной версии, к которой склоняется большая часть населения планеты, сегодня существует несколько основных теорий происхождения и эволюции жизни, описывающих ее развитие на самых разных этапах.
Панспермия
Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса. Так считал известный немецкий ученый-энциклопедист Герман Гельмгольц, английский физик Кельвин, российский ученый Владимир Вернадский и шведский химик Сванте Аррениус, считающийся сегодня родоначальником этой теории.
Научно подтвержден факт, что на Земле неоднократно были обнаружены метеориты с Марса и других планет, возможно с комет, которые могли прибыть даже из чужих звездных систем. В этом сегодня никто не сомневается, однако пока не понятно как жизнь могла возникнуть на других мирах. По сути, апологеты панспермии переносят «ответственность» за происходящее на инопланетные цивилизации.
Теория о первичном бульоне
Рождению этой гипотезы поспособствовали эксперименты Гарольда Юри и Стэнли Миллера, проведенные в 1950-е годы. Они смогли воссоздать почти те же условия, которые существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды и ультрафиолет.
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий (8 фото)
1.Панспермия
Гипотеза о занесении жизни на Землю с других космических тел имеет массу авторитетных защитников. На этой позиции стоял великий немецкий ученый Герман Гельмгольц и шведский химик Сванте Аррениус, российский мыслитель Владимир Вернадский и британский лорд-физик Кельвин. Однако наука – область фактов, и после открытия космической радиации и ее губительного действия на все живое панспермия, казалось, умерла.
Но чем глубже ученые погружаются в вопрос, тем больше всплывает нюансов. Так, теперь – в том числе и поставив многочисленные эксперименты на космических аппаратах – мы с куда большей серьезностью относимся к способностям живых организмов переносить радиацию и холод, отсутствие воды и прочие «прелести» пребывания в открытом космосе. Находки всевозможных органических соединений на астероидах и кометах, в далеких газопылевых скоплениях и протопланетных облаках многочисленны и не вызывают сомнений. А вот заявления об обнаружении в них следов чего-то подозрительно напоминающего микробы остаются недоказанными.
Легко заметить, что при всей своей увлекательности теория панспермии лишь переносит вопрос о возникновении жизни в другое место и другое время. Что бы ни занесло первые организмы на Землю – случайный ли метеорит или хитрый план высокоразвитых инопланетян, они должны были где-то и как-то родиться. Пусть не здесь и гораздо дальше в прошлом – но жизнь должна была вырасти из безжизненной материи. Вопрос «Как?» остается.
1.Ненаучно: Самозарождение
Спонтанное происхождение высокоразвитой живой материи из неживой – как зарождение личинок мух в гниющем мясе – можно связать еще с Аристотелем, который обобщил мысли множества предшественников и сформировал целостную доктрину о самозарождении. Как и прочие элементы философии Аристотеля, самозарождение было доминирующей доктриной в Средневековой Европе и пользовалось определенной поддержкой вплоть до экспериментов Луи Пастера, который окончательно показал, что для появления даже личинок мух нужны мухи-родители. Не стоит путать самозарождение с современными теориями абиогенного возникновения жизни: разница между ними принципиальная.
2. Первичный бульон
Это понятие тесно связано с успевшими обрести статус классических экспериментами, поставленными в 1950-х Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. В лаборатории ученые смоделировали условия, которые могли существовать у поверхности молодой Земли, – смесь метана, угарного газа и молекулярного водорода, многочисленные электрические разряды, ультрафиолет, – и вскоре более 10% углерода из метана перешло в форму тех или иных органических молекул. В опытах Миллера – Юри было получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.
Современные вариации этих классических экспериментов используют куда более сложные постановки, которые точнее соответствуют условиям ранней Земли. Имитируются воздействия вулканов с их выбросами сероводорода и двуокиси серы, присутствие азота и т. д. Так ученым удается получать огромное и разнообразное количество органики – потенциальных кирпичиков потенциальной жизни. Главной проблемой этих опытов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул (таких как аминокислоты) образуются в смеси в равных количествах, тогда как вся известная нам жизнь (за единичными и странными исключениями) включает лишь L-изомеры.
Впрочем, к этой проблеме мы еще вернемся. Здесь же стоит добавить, что недавно – в 2015 году – кембриджский профессор Джон Сазерленд (John Sutherland) со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси – циановодород и сероводород, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остается добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, – такие как фосфаты, соли меди и железа. Ученые построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нем появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция.
3.Химическая эволюция
Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента (воду и углерод – NS) в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные – прежде всего – к саморепликации.
По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль. Эту идею несколько лет назад выдвинул шотландский химик Александер Кейрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith). На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса.
«Матрицами» для роста полимерных молекул могли служить поверхности кристаллических минералов: пространственная структура их кристаллической решетки способна вести отбор лишь оптических изомеров одного типа – например, L-аминокислот, – решая проблему, о которой мы говорили выше. Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции – такие как восстановление минерала пирита (FeS2) водородом (до сульфида железа и сероводорода). В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера – Юри. А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия.
4. Черные курильщики
В самом деле, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой еще не содержала кислорода и не имела такой замечательной штуки, как озоновый слой, должно было быть убийственным для любой зарождающейся жизни. Из этого выросло предположение о том, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены существовать где-то, скрываясь от непрерывного потока стерилизующих все и вся лучей. Например, глубоко под водой – конечно, там, где имеется достаточно минеральных веществ, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись.
Ближе к концу ХХ века стало ясно, что океанское дно никак не может быть пристанищем средневековых монстров: условия здесь слишком тяжелые, температура невелика, излучения нет, а редкая органика способна разве что оседать с поверхности. Фактически это обширнейшие полупустыни – за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом. Насыщенная сульфидами черная вода горяча, активно перемешивается и содержит массу минералов.
Черные курильщики океана – весьма богатые и самобытные экосистемы: питающиеся на них бактерии используют железосерные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой для вполне цветущей жизни, включая массу уникальных червей и креветок. Возможно, они были основой и зарождения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе все необходимое для этого.
2.Ненаучно: Духи, боги, первопредки
Любые космологические мифы о происхождении мира всегда венчаются антропогоническими – о происхождении человека. И в этих фантазиях можно лишь позавидовать воображению древних авторов: по вопросу о том, из чего, как и почему возник космос, откуда и каким образом появилась жизнь – и люди, – версии звучали самые разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна громадным вороном, люди выползали червями из тела первопредка Паньгу, лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения.
5.Мир РНК
В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь – это «единство и борьба» двух начал: изменяющейся и передающейся по наследству информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций – с другой. Одно без другого невозможно – и вопрос о том, с чего жизнь началась, с информации и нуклеиновых кислот или с функций и белков, остается одним из самых сложных. А одним из известных решений этой парадоксальной задачи является гипотеза «мира РНК», появившаяся еще в конце 1960-х и окончательно оформившаяся в конце 1980-х.
РНК – макромолекулы, в хранении и передаче информации не столь эффективные, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций – не столь впечатляющие, как белки. Зато молекулы РНК способны и на то, и на другое, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, и катализируют целый ряд реакций в ней. Белки неспособны реплицироваться без информации ДНК, а ДНК неспособна на это без белковых «умений». РНК же может быть полностью автономной: она способна катализировать собственное «размножение» – и для начала этого достаточно.
Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Взять хотя бы наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом (Lesley Orgel): если в раствор способной к саморепликации РНК добавить бромистый этидий, служащий для этой системы ядом, блокирующим синтез РНК, то понемногу, со сменой поколений макромолекул, в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые инструменты-белки, а затем – в комплексе с ними – «открыть» для себя и двойную спираль ДНК, идеальный носитель наследственной информации.
3.Ненаучно: Неизменность
Не более научными, нежели истории о первопредках, можно назвать и взгляды, носящие громкое имя Теории стационарного состояния. По мнению ее сторонников, никакая жизнь вовсе никогда не возникала – как не рождалась и Земля, не появлялся и космос: они просто были всегда, всегда и пребудут. Все это не более обосновано, нежели черви Паньгу: чтобы всерьез принять такую «теорию», придется забыть о бесчисленных находках палеонтологии, геологии и астрономии. А по сути, отказаться от всего грандиозного здания современной науки – но тогда, наверное, стоит отказаться и от всего того, что полагается его жителям, включая компьютеры и безболезненное лечение зубов.
6.Протоклетки
Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь – это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь – это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле – первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин. В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие желтые капли масла, плавающего в воде.
В целом идеи ученого принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак, получивший за свои работы Медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамалой (Katarzyna Adamala) он сумел создать своего рода модель «протоклетки», аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из еще более простых органических молекул, жирных кислот, которые вполне могли накапливаться в местах возникновения первых протоорганизмов. Шостаку и Адамале удалось даже «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния (стимулирующие работу РНК-полимераз) и лимонную кислоту (стабилизирующую структуру жировых мембран).
В итоге у них получилась совершенно простая, но в чем-то живая система; во всяком случае это была нормальная протоклетка, которая содержала защищенную мембраной среду для размножения РНК. С этого момента можно закрыть последнюю главу предыстории жизни – и начать первые главы ее истории. Впрочем, это уже совсем другая тема, так что мы расскажем лишь об одной, но чрезвычайно важной концепции, связанной с первыми шагами эволюции жизни и возникновением громадного разнообразия организмов.
4.Ненаучно: Вечное возвращение
«Фирменное» представление индийской философии, в западной философии связанное с трудами Иммануила Канта, Фридриха Ницше и Мирчи Элиаде. Поэтическая картина вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, ее перерождения то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, а то и в существо, неизвестное нам, демона или бога. Несмотря на отсутствие идей реинкарнации, Ницше эта идея действительно близка: вечность вечна, а значит, любое событие в ней может – и должно повториться вновь. И каждое существо без конца вращается на этой карусели всеобщего возвращения, так что только голова кружится, а сама проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений.
7. Эндосимбиоз
Взгляните на себя в зеркало, всмотритесь в глаза: существо, с которым вы переглядываетесь, это сложнейший гибрид, возникший в незапамятные времена. Еще в конце XIX века немецко-английский естествоиспытатель Андреас Шимпер (Andreas Schimper) заметил, что хлоропласты – органеллы растительной клетки, ответственные за фотосинтез, – реплицируются отдельно от самой клетки. Вскоре появилась гипотеза о том, что хлоропласты – это симбионты, клетки фотосинтезирующих бактерий, когда-то проглоченные хозяином – и оставшиеся жить здесь навсегда.
Разумеется, хлоропластов у нас нет, иначе бы мы могли питаться солнечным светом, как предлагают некоторые псевдорелигиозные секты. Однако в 1920-е гипотеза эндосимбиоза была расширена, включив митохондрии – органеллы, которые потребляют кислород и поставляют энергию всем нашим клеткам. К сегодняшнему дню эта гипотеза приобрела статус полновесной, многократно доказанной теории – достаточно сказать, что у митохондрий и пластид обнаружился собственный геном, более или менее независимые от клетки механизмы деления и собственные системы синтеза белка.
В природе обнаружены и другие эндосимбионты, не имеющие за плечами миллиардов лет совместной эволюции и находящиеся на менее глубоком уровне интеграции в клетке. Например, у некоторых амеб нет собственных митохондрий, зато есть включенные внутрь и выполняющие их роль бактерии. Есть гипотезы и об эндосимбиотическом происхождении других органелл – включая жгутики и реснички, и даже клеточное ядро: согласно мнению некоторых исследователей, все мы, эукариоты, стали результатом небывалого слияния между бактериями и археями. Эти версии пока не находят строгого подтверждения, однако ясно одно: едва возникнув, жизнь стала поглощать соседей – и взаимодействовать с ними, рождая новую жизнь.
5.Ненаучно: Креационизм
Само понятие креационизма возникло в XIX веке, когда этим словом стали называться сторонники различных версий появления мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий. Однако по сути ничего нового в сравнении с этими книгами креационисты не предложили, раз за разом пытаясь опровергнуть строгие и основательные находки науки – а на самом деле раз за разом теряя одну позицию за другой. К сожалению, идеи современных псевдоученых-креационистов куда легче понять: на осознание теорий настоящей науки требуется-таки потратить немало усилий.
К вопросу о происхождении жизни
Подобно алхимику во время óно, Майк Рассел (Mike Russell) пытается из элементарных компонент составить нечто большее, — но не золото, а зачатки жизни. Рисунок Рассела с его экспериментальной установкой выполнен Д. Паркинсом (D. Parkins).
Автор
Редакторы
Вопрос происхождения жизни на Земле является настолько дискуссионным и всеобъемлющим, что заниматься им фактически обозначает взять на себя бремя непосильных обязательств и оказаться в луче общественного внимания, скорее всего скептического оттенка. Недаром на все вопросы о происхождении жизни выдающийся советский генетик Тимофеев-Ресовский говорил: «Я был тогда очень маленьким, и потому ничего не помню. Спросите-ка лучше у академика Опарина. ». Британский учёный Майк Рассел проводит эксперименты по абиогенезу с целью доказать, что первичным в зарождении жизни является метаболизм, а не репликация, и что постулированные Опариным коацерваты являлись, возможно, не «свободноплавающими» коллоидными частицами, а гидротермальными источниками океанического дна.
Вопрос происхождения жизни волнует людей уже тысячи лет, и, даже если оставаться в рамках естественнонаучной концепции и не рассматривать гипотезу «разумного творения» и более экзотические вещи, предметов для спора остаётся более чем достаточно. С одной стороны, синтетическая биология уже подбирается к тому, чтобы создавать живые организмы искусственным путём [1], а с другой — учёные, пытающиеся объяснить возникновение жизни (а не скопировать уже «готовое» существо генно-инженерным путём), разделились на два лагеря.
Одни считают, что предопределяющим фактором для появления жизни стало возникновение молекул-репликаторов, способных самостоятельно размножаться и, вследствие этого, подвергаться процессам естественного отбора. Обычно на роль таких молекул выбирают РНК (гипотеза мира РНК [2]), способную играть и информационную, и каталитическую роли. Репликаторы могут обособляться в протоклетки (или, по терминологии А. И. Опарина, коацерватные капли), и недавно для искусственных протоклеток даже показана способность к спонтанному (без участия ферментов) синтезу ДНК [3].
Другие придерживаются мнения, что сначала должен был возникнуть элементарный метаболизм, «наводящий мостки» между (не)органической химией ранних геологических эпох и биохимией живых организмов. Важным результатом, поддерживающим теорию абиогенеза, стал «классический» эксперимент С. Миллера, который продемонстрировал синтез целого ряда органических соединений из неорганики [4].
Недавно в этом направлении сделан ещё один шаг — показана возможность абиогенного синтеза пиримидиновых оснований РНК [5], ранее считавшегося неосуществимым.
В ответ на это открытие журнал Nature опубликовал эссе об исследованиях британского учёного Майка Рассела (Mike Russell) [6], экспериментирующего с более простыми, чем РНК, молекулами. Бывший геолог, Рассел считает, что жизнь зародилась не в «свободноплавающих» коацерватах, а в гидротермальных источниках океанического дна, обеспечивающих необходимые для химической эволюции условия.
«Биомолекула» публикует перевод этого эссе, который удачно дополнит материал об абиогенном синтезе РНК с «Элементов» [5]. — А. Ч.
Два взаимосвязанных алюминиевых сосуда в лаборатории Майка Рассела (Mike Russell) можно назвать биологическим аналогом ускорителя частиц. Однако предназначен этот «ускоритель» не для имитации первых моментов существования Вселенной, а для создания условий, аналогичных существовавшим на Земле в самые ранние её эпохи, — чтобы подтвердить гипотезы Майка насчёт того, как геология «породила» биологию.
Один из сосудов содержит жидкость, имитирующую океаническую воду на ранней Земле: она обогащена диоксидом углерода и железом, поддерживается при комнатной температуре и имеет показатель кислотности pH 5. В другом сосуде вода обогащена водородом и сульфидами, имеет температуру 130 °C и имитирует горячую воду геотермальных источников, исторгаемую океаническим дном. Жидкости смешиваются в хромированном стальном сосуде, содержащем в качестве катализаторов железо и сульфид никеля.
Рассел вынашивает свои идеи уже около трёх десятилетий, и только сейчас, работая в Лаборатории реактивного движения (ЛРД) в Пасадене (Калифорния, США), он занимается активной экспериментальной проверкой этих гипотез. Рассел принадлежит к школе биологов, изучающих возникновение жизни, которые придерживаются концепции «сперва метаболизм» (в противовес более популярной «сперва репликаторы»). Последняя гипотеза подразумевает, что у истоков жизни лежали молекулы, способные к самостоятельному «размножению» (репликации), — скорее всего, это были РНК или более простые её аналоги. Однако Рассел считает, что ключевым моментом стало возникновение набора элементарных реакций органических веществ, положивших основу биохимии. Его мнение таково, что термодинамические и химические условия на ранней Земле неизбежно должны были привести к таким реакциям.
Несмотря на это противостояние, многие биологи признают вклад Рассела как «геологически реалистичный»: «что мне больше всего нравится в идеях Майка, это что они органичным образом учитывают геохимическую обстановку на ранней Земле, — говорит Роберт Хазен (Robert Hazen), геохимик и «исследователь истоков жизни» из Института Карнеги (Вашингтон, США). — Возникновение жизни на Земле — это история возникновения сложных систем, а возникновение сложных систем не может произойти без сложного окружения. Майк понимает это и учитывает в своих моделях, — вот его основной вклад».
Длинный путь от аспирина до вулканов
Изучение происхождения жизни на Земле — не самый удачный путь, чтобы начать научную карьеру, так что обычно исследователи попадают в эту область, уже заработав себе определённую репутацию в других, более «приземлённых» дисциплинах. [Исключение составляют, впрочем, академики РАЕН, астрологи, маги, экстрасенсы и другие лжеучёные, которым, как известно, любая проблема по плечу. — А. Ч.] Однако, даже по этим стандартам путь Рассела в ЛРД был весьма окольным и тернистым. После окончания школы в 1958-м он начал работать на фабрике по производству аспирина в небольшом городке Илфорде в пригороде Лондона, одновременно посещая вечерние занятия и колледж по предоставлявшимся ему выходным дням.
Через пять лет он защитил диплом по специальностям геология и химия, бросил работу на заводе и завербовался геологом в британскую миссию ООН на Соломоновы острова в Тихом океане. Уже в первую неделю пребывания начальство указало ему пальцем в окно на дымящийся конус вулкана на соседнем острове и сообщило, что тот, по всей видимости, должен вскоре взорваться. Рассел должен был принять решение об эвакуации 3000 обитателей острова, но отвлёкся на экспресс-курс вулканологии, провёл измерения температуры почвы в различных точках вокруг жерла вулкана и пришёл к решению — как [к счастью — А. Ч.] оказалось, правильному, — что тревога ложная.
Во время работы на Соломоновых островах Рассел сотрудничал с австралийским геологом Ричардом Стэнтоном (Richard Stanton) из Университета Новой Англии в Новом Южном Уэльсе, и по его совету специализировался по геологии рудных месторождений. Через какое-то время он отправился в Канаду на разработки минерального сырья, где находился до конца 1960-х, а затем перебрался в академическую науку. Стэнтон подбросил Расселу революционную тогда идею, что минеральные отложения — это наследие древнейших подводных гидротермальных источников, которые были «в реале» открыты только в 1977 году. Как оказалось, многие ценные минеральные отложения и в самом деле представляют собой остатки доисторических вулканических и гидротермальных жерл, наподобие существующих в наше время «чёрных курильщиков», которые изливают воду, нагретую до 400 °C, насыщенную солями цинка, меди, железа и других элементов.
. На тот момент Рассел работал в Университете Стратклайда (Шотландия) и был на полевых работах близ Ирландского городка Силвермайн. Он и его студенты нашли в рудных залежах камни, испещрённые маленькими трубочками сульфида железа, выглядевшими как миниатюрные версии гидротермальных «труб», образованных осаждающимися из охлаждённой воды минералами.
Рисунок 1. Минеральные месторождения, найдённые Расселом (в каске) около Силвермайна в Ирландии (справа), выглядели очень похоже на «трубы» океанических горячих источников. «Химические сады» (слева) очень помогли в подтверждении идей Рассела.
Открытие, сделанное ребёнком
Рассел начал думать, какие же условия могли привести к образованию подобных структур. Поначалу его предположение, что они — остатки «сопел» гидротермальных источников [7], было встречено с прохладцей, — главным образом потому, что каналы чёрных курильщиков имеют около 10 сантиметров в поперечнике, в то время как диаметр найденных им в Ирландии трубок не превышал миллиметров. Как это ни странно, решение проблемы пришло со стороны одиннадцатилетнего сына Рассела — Эндрю. Рассел дал ему поиграть с «химическим садом» — сосудом, в котором минеральные «деревья» образуются из перенасыщенного солевого раствора при добавлении кристалла-«семечка». Ребёнком овладела жажда познания: он заперся в ванной и стал препарировать хрупкие кристаллические деревца. «Смотри, пап, они пустые!» — услышал вдруг Рассел.
«Я сразу понял, что трубочки, найденные в Силвермайне — по сути, химические сады наподобие этого», — говорит он. Фактически это означало, что чёрные курильщики — не единственный возможный вариант «выпускных клапанов», — их могло быть множество. Должны были существовать более холодные и тихие источники, формировавшие более тонко организованные структуры. Примерно в это же время пришла идея, что эти «клапаны» — идеальное место для «колыбели» жизни. Некоторые учёные уже высказывали предположения, что гидротермальные источники могли послужить источником энергии и химических веществ для зарождения жизни, но критика настаивала на том, что высочайшая температура чёрных курильщиков несовместима ни с какой сложной органикой. Однако те источники, о которых думал Рассел, не должны были быть сильно горячее 100 °C, что уже гораздо лучше подходит для органических реакций.
Окончательное подтверждение идея разнообразия гидротермальных источников получила во время визита в Югославию в середине 1980-х. В современных курильщиках вода обладает кислотной реакцией из-за растворённых в ней соединений серы, дающих серную кислоту. Во времена Гадея (> 4 млрд. лет назад) океан также, видимо, был кислым — из-за большого количества углекислого газа в тогдашней атмосфере, который растворялся в воде. Однако на Динарском нагорье Рассел нашёл отложения карбоната магния, которые в древние времена выстилали морское дно и могли образовывать щелочные источники [8]. Однако на тот момент никаких щелочных источников никто не наблюдал, — были известны только чёрные курильщики.
К середине 90-х Рассел и один из его коллег Алан Холл (Allan Hall) были увлечены идеей, что минеральная химия в какой-то степени повторяет биологические процессы (а точнее, наоборот). Таким образом, их теория возникновения жизни начинается внутри крошечных минеральных трубочек, в которых химические вещества могут концентрироваться, — а проблема нужной концентрации компонент является одной из ключевых в вопросе «бесклеточной» биохимии. По-видимому, когда эти источники функционировали, они представляли собой не твёрдые минералы, а гель, формирующий полупроницаемую мембрану, сравнимую с биологической. (Содержащиеся в этой мембране сульфиды железа и никеля выполняют также каталитическую роль.) И, самое интересное, такой гель удалось успешно воспроизвести в лаборатории [9].
На мембранах должны были образовываться градиенты концентраций веществ. В каналах источников вода была горячей, щелочной и богатой водородом — из-за реакций воды с минералами земной коры (серпентинизация); в окружающем океане — холодной и кислой. Большинство клеток современных организмов тратят основной объём биохимической энергии на поддержание подобных градиентов, однако в них для этого используется масса специализированных белковых молекул. Мнение Рассела таково, что белки являются уже вторичной адаптацией, и что жизнь начала использовать химические градиенты намного раньше, чем научилась сама их создавать и поддерживать. Говоря о протонном градиенте, ускорявшем, например, синтез метана из водорода и углекислого газа, Рассел проводит аналогию с конвекцией в геологии, ускоряющей вынос тепла из глубинных слоёв Земли к её поверхности: «Метаболизм в геохимии — это как конвекция в геофизике».
Сначала Рассел полагал, что ключевой реакцией в становлении жизни были окислительно-восстановительные процессы с участием железа и водорода (в которых железо восстанавливалось, а водород окислялся). Однако в 1998-м ему на глаза попалась статья по эндосимбиозу, в которой выдвигали предположение, что эукариоты возникли в результате поглощения нуждающимися в водороде древнейшими клетками бактерий, водород вырабатывающих [10].
Впечатлённый, Рассел поделился своими идеями с одним из авторов, — Вильямом Мартином (William Martin) из Университета им. Гейне в Дюссельдорфе (Германия). Мартин, в свою очередь, впечатлился. Однако он увидел в теории Рассела изъян — если бы жизнь начиналась с реакций железа, то именно они (а не углеродный метаболизм) должны были бы наблюдаться и в современных организмах, даже следов чего никто нигде не видел. «Разумно ли предположение, что присутствовавшее во всех первичных клетках потом разом пропало?» — удивился он.
Он порекомендовал Расселу переключиться с неведомой гипотетической реакции на так называемый путь Вуда-Льюнгдала (Wood-Ljunghahl pathway), известного также как восстановительный путь ацетил-коэнзима А (КоА), встречающийся в метаногенных и ацетогенных бактериях. Таким образом, первичная роль аминокислот и нуклеиновых кислот, возникших на ранней Земле, сводится, по Расселу и Мартину, к катализу реакций углекислого газа и водорода [11].
В мире типа «сперва метаболизм», прежде чем генетические молекулы стали определять направление эволюции, отбор должен был направлять движение не в сторону лучшего репликатора, а в сторону химических реакций, наиболее эффективно создающих энергетический обмен, не позволяя энергии рассеиваться в побочных направлениях и формируя так называемую химическую эволюцию.
Что теперь необходимо, чтобы сделать возможным выбор из множества гипотез, — это «создать и продемонстрировать работу самоподдерживающихся химических циклов наподобие упомянутых», — говорит Роберт Шапиро (Robert Shapiro), химик из Университета Нью-Йорка. И, благодаря астробиологический программе НАСА, финансирующей работы по изучению возникновения жизни в ЛРД, Рассел теперь пытается это сделать.
Исполинский химический сад
Рисунок 2. Известковые образования на гидротермальных полях Затерянного Города в Атлантическом океане имели поначалу очень тонкую структуру (на врезке)
Рассел считает, что в его реакторе могут образовываться аминокислоты и пептиды, но сначала он поставил себе задачей выяснить, будут ли минеральные сульфиты, образующие океаническую кору, растворяться в щелочных гидротермальных потоках. Это стало бы отправной точкой к формированию железосульфидных трубок, являвшихся, по его мнению, прибежищем для первых метаболических систем.
Горячие источники у себя дома
Эрик Смит (Eric Smith), занимающийся теоретической физикой и вопросами происхождения жизни в Институте Санта-Фе (Нью-Мексико, США), считает, что концепция «сперва метаболизм» уверенно прокладывает себе дорогу — особенно в свете открытий, связанных с гидротермальными источниками. Он считает, что дело теперь стоит за экспериментом, и его коллеги работают над тем, чтобы воспроизвести в лабораторном подобии гидротермального источника реакции обратного цикла Кребса, являющегося источником углерода для многих бактерий.
Однако многие до сих пор не доверяют всей идеологии «сперва метаболизм». Стивен Бреннер (Steven Brenner) из Фонда молекулярной прикладной эволюции видит в этой идее принципиальные изъяны — в частности, в неконтролируемости многих органических реакций: «Органическая химия имеет неискоренимую особенность — превращать всё в комок смолы. Это высадит молекулу из любого цикла». Согласно его мнению, никакой набор реакций не способен эволюционировать в сторону усложнения организации в дарвиновском смысле; скорее всего это приведёт к рассеиванию химического потенциала. И, кроме того, — продолжает он свою аргументацию, — Ac-КоА не выдержит в течение длительного времени тех щелочности и температуры, которые предлагают Рассел и Мартин.
Рисунок 3. Вильям Мартин считает, что исследования по происхождению жизни — это «нефальсифицируемые гипотезы». [Что, по сути, ставит эти изыскания на грань научности. — А.Ч.]
Бреннер относит себя к другой школе, основным постулатом которой является первичность молекул-репликаторов над биохимическими системами. Он провёл многие эксперименты по абиогенному синтезу РНК, хотя и осознаёт маловероятность самопроизвольной сборки молекулы РНК, достаточно большой, чтобы обладать генетическими и ферментативными функциями. Однако недавно лагерь «РНК-шников» отметил крупную победу: в Nature доложено о новых возможностях абиогенного синтеза РНК, уменьшающих скепсис по этому поводу [14]. [См. также: «Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК» [5] — А. Ч.]
Из всего этого следует, что на настоящий момент проблема происхождения жизни не решена. Мартин считает, что исследования в этой области являются источником нефальсифицируемых гипотез, и теоретический максимум того, что можно получить, — это только убедительные предположения. «Даже если вы построите в лаборатории реактор, с одного конца в который подаются водород, оксид углерода и азот, а с другого будут получаться готовые кишечные палочки E. coli, это ещё совершенно не будет доказательством, что жизнь произошла именно этим путём», — заявляет он.
Рассел считает, что, если в эго экспериментах появится хоть что-то в промежутке между «смолой» и бактерией E. coli, то их уже можно будет считать не напрасными. «В оправдание» он цитирует Томаса Эдисона, который говорил, что он не создавал 1000 прототипов неработающих электрических ламп, но он нашёл 1000 причин, почему эти лампы не работали. Так и Рассел надеется продвинуть всю область вперёд хотя бы ценой своих ошибок и заблуждений насчёт тех тёплых геотермальных источников, что существовали на Земле более четырёх миллиардов лет назад.
Рисунок 4. Майк Рассел пытается в лаборатории воссоздать условия, приведшие к возникновению жизни
