Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Все эти простые органические вещества (особенно аминокислоты и нуклеотиды) проявляют некоторую каталитическую активность по отношению и к самим себе. В присутствии ацетилфосфата аминокислоты могут даже объединяться друг с другом, формируя пептиды – недлинные цепочки аминокислот. Устойчивость пептидов отчасти зависит от их взаимодействия с другими молекулами. Гидрофобные аминокислоты или пептиды, объединяясь с жирными кислотами, существуют дольше. Заряженные пептиды, которые связываются с неорганическими кластерами, например железосерными, могут быть более стабильными. Естественные связи между пептидами и минеральными кластерами могут повышать каталитическую активность минералов, а затем эти связи будут подвергаться отбору в зависимости от того, насколько связь стабильна. Представьте себе минеральный катализатор, осуществляющий органический синтез. Некоторые продукты реакции связываются с минеральным катализатором, что повышает их устойчивость и улучшает каталитические способности минерала (по крайней мере меняет их специфичность). Теоретически такая система может обеспечить появление более богатой и сложной органической химии.

Как построить клетку с нуля? Нужен непрерывный поток активного углерода и доступной химической энергии, который проходит через примитивный катализатор, преобразующий небольшую долю потока в новые органические вещества. Поток должен быть ограничен таким образом, чтобы органические вещества (в том числе жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды) достигали высоких концентраций, но ничто не препятствовало выводу отходов. Сосредоточение потока может быть достигнуто путем естественного ограничения или компартментализации, что напоминает управление потоками воды на мельнице: это повышает силу потока в отсутствие ферментов и, соответственно, уменьшает потребность в углероде и энергии. Лишь если скорость образования новой органики превышает скорость, с которой она теряется, уходя во внешнюю среду, станет возможно концентрирование веществ, а затем самопроизвольное формирование структур, таких как клеткоподобные везикулы, РНК и белки[45].

Ясно, что это лишь намеки на будущую клетку: необходимое, но не достаточное. А сейчас сосредоточимся на очень важном моменте. Без интенсивного притока углерода и энергии, пропущенного через неорганические катализаторы, возникновение и развитие клеток невозможно. Я готов поспорить, что такая закономерность действует во всей Вселенной: учитывая потребность в углероде (см. предыдущую главу), термодинамика диктует необходимость непрерывного потока углерода и энергии через природные катализаторы. Строго говоря, это требование заставляет исключить почти все среды, которые в разное время предлагались на роль места зарождения жизни: теплые водоемы (к сожалению, Дарвин в их отношении был неправ), “первичный бульон”, пористые вулканические породы, побережья, другие планеты (в рамках идеи панспермии) – можете сами продолжить список. Но это требование не исключает гидротермальные источники. Напротив, они отлично ему соответствуют. Гидротермальные источники – как раз та разновидность диссипативных структур, которую мы ищем: работающие на непрерывном потоке и далекие от равновесия электрохимические реакторы.

Гидротермальные источники как потоковые реакторы

Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке своей устрашающей оранжево-желто-зеленой окраской напоминает мне Око Саурона. Все дело в фотосинтетических пигментах бактерий, которые в качестве донора электронов пользуются выделяющимися из вулканических источников водородом и сероводородом. Хотя йеллоустонские бактерии-фотосинтетики почти ничего не могут рассказать о происхождении жизни, они дают представление о первобытной мощи вулканических источников. Если лишить растительности скалы вокруг источников, пейзаж стал бы напоминать место, где 4 млрд лет назад зародилась жизнь.

Правда, 4 млрд лет назад Земля была покрыта водой. Возможно, горячие источники имелись и на каких-нибудь крошечных вулканических островах, но в основном горячие источники находились глубоко под водой. Открытие подводных гидротермальных источников в 70-х годах XX века вызвало ажиотаж: не потому, что об их существовании никто не догадывался (их легко обнаружить по шлейфу теплой воды), а потому, что никто не представлял себе мощь “черных курильщиков” и не знал, что они выступают средоточием жизни на океанском дне. Оно представляет собой почти лишенную жизни пустыню. “Черные курильщики”, похожие на обвалившиеся дымоходы, непрерывно выбрасывающие клубы черного дыма, дали приют удивительным животным: гигантским червям, утратившим рот и анус, двустворчатым моллюскам с большую тарелку, безглазым креветкам. По плотности жизни “черные курильщики” сопоставимы с тропическими лесами. Открытие “черных курильщиков” привлекло биологов и океанографов, но особенно – ученых, занимавшихся проблемой происхождения жизни. Микробиолог Джон Баросс сразу оценил важность открытия. Он в большей степени, нежели остальные исследователи, сосредоточил внимание на необыкновенной силе и мощности неравновесных процессов, происходящих в гидротермальных источниках, скрытых от солнечного света километрами океанской воды.

Впрочем, “черные курильщики” не отрезаны от Солнца. Обитающие там животные существуют за счет симбиоза с бактериями, которые окисляют сероводород, выделяющийся из “курильщиков”. Именно сероводород является главной причиной неравновесного состояния в “черных курильщиках”: сероводород – восстановленное соединение, поэтому он реагирует с кислородом с выделением энергии. Вспомните механизм дыхания, описанный в предыдущей главе. Бактерии используют сероводород как донор электронов, кислород как акцептор электронов, а выделяющуюся энергию тратят на синтез АТФ. Но ведь кислород – побочный продукт оксигенного фотосинтеза, и до его появления на Земле кислорода быть не могло. Так что бурное развитие жизни вокруг “черных курильщиков” полностью, хотя и не непосредственно, зависит от солнечного света. Четыре миллиарда лет назад подводные гидротермальные источники выглядели совсем иначе.

Что останется, если убрать кислород? “Черные курильщики” возникают при прямом контакте морской воды с магмой в спрединговых зонах срединно-океанических хребтов или в других вулканически активных местах. Через океанское дно вода просачивается в вулканические камеры, которые залегают неглубоко под поверхностью дна. В них вода мгновенно нагревается до нескольких сотен градусов, насыщается растворенными сульфидами металлов и становится сильнокислой. Когда перегретая вода под давлением прорывается через дно, она резко охлаждается и растворенные в ней сульфиды железа, например пирит (“золото дураков”), сразу же кристаллизуются. Взвесь сульфидов железа образует тот самый черный “дым”. Четыре миллиарда лет назад “черные курильщики” были устроены почти так же – кроме того, что они были совершенно непригодными для жизни. Ведь жизнь целиком зависит от химического потенциала. Он обеспечивается наличием кислорода, а его тогда не было. Сероводород очень тяжело заставить реагировать с CO2 с образованием органики, особенно при высоких температурах. Но один революционер от науки, немецкий химик, патентный поверенный Гюнтер Вехтерсхойзер решил доказать, что на самом деле все не так, и весьма в этом преуспел[46]. С конца 80-х годов Вехтерсхойзер опубликовал ряд новаторских статей, в которых очень подробно описал путь восстановления CO2 до органических молекул на поверхности сульфидов железа. Этот процесс он назвал пиритным пуллингом. Вехтерсхойзер говорил о “железосерном мире”, в котором железосерные минералы (FeS) катализируют образование органических молекул. По своей структуре такие минералы представляют собой кристаллы, собранные из повторяющихся ячеек из ионов двухвалентного железа (Fe2+) и сульфид-ионов (S2–). Крошечные неорганические кластеры из ионов Fe2+ и S2–, известные как железосерные кластеры, до сих пор выполняют ключевые функции во многих ферментах, в том числе участвующих в дыхании. Структура железосерных кластеров идентична кристаллической структуре минералов сульфида железа (FeS), например макинавита и грейгита (рис. 8, 11). Такие минералы могли катализировать реакции на заре возникновения жизни. Но, несмотря на то, что железосерные минералы – прекрасные катализаторы, Вехтерсхойзер экспериментально доказал, что гипотеза пиритного пуллинга в своем первоначальном виде не работает. Только взяв более реакционноспособный монооксид углерода (CO), Вехтерсхойзеру удалось синтезировать органические молекулы. И тот факт, что неизвестны организмы, способные расти за счет пиритного пуллинга, подтверждает, что дело не в неудачных экспериментах: идея и в самом деле плоха.