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

Рис. 11. Железосерные минералы и железосерные кластеры.

Близкое сходство железосерных минералов и железосерных кластеров, входящих в состав современных ферментов (Russell and Martin 2004). В центре показана повторяющаяся кристаллическая структурная единица грейгита (эти единицы в совокупности образуют решетку). Справа и слева – железосерные кластеры в составе белков. Их структура напоминает структуры грейгита и сходных минералов, например макинавита. Закрашенные области отражают форму и размер названных белков. Изображенные белки, как правило, содержат несколько железосерных кластеров (с никелем или без него).

В жерлах “черных курильщиков” содержится и CO, но его концентрация ничтожно мала, так что органическую химию так не построить. (Концентрация CO в “черных курильщиках” в 1–1000 тыс. раз ниже, чем CO2.) Есть и другая проблема. Внутри “черных курильщиков” чрезвычайно горячо: температура воды в жерле достигает 250–400 °C, но на большой глубине она не кипит из-за высокого давления. При такой температуре CO2 – самое стабильное углеродное соединение. Это означает, что синтез органических веществ в этих условиях не может осуществляться: любая синтезированная органика будет быстро разрушена и снова превратится в CO2. Предположение, что органические реакции могут протекать на поверхности минералов, также сомнительно. Если органические молекулы будут оставаться связанными с поверхностью минералов, их образование в конце концов остановится. Если же молекулы будут диссоциировать, их сразу смоет в океан, и синтез органики в прямом смысле вылетит в трубу. “Черные курильщики” еще и очень недолговечны, период их существования исчисляется десятками лет – слишком мало для зарождения жизни. Хотя “черные курильщики” представляют собой неравновесные диссипативные структуры и с их помощью можно разрешить некоторые проблемы гипотезы “первичного бульона”, их нестабильность и жесткие условия препятствуют синтезу хрупких органических соединений, необходимых для развития жизни. Но все же “черные курильщики” сыграли в этом процессе очень важную роль: насытили воды древнего океана важными для катализа ионами металлов, например железа и никеля, выщелоченных из магмы.

Преимуществами этих ионов могли пользоваться подводные источники и другого типа – щелочные гидротермальные источники (рис. 12). На мой взгляд, эти источники позволяют решить все проблемы, которые возникали с происхождением жизни в “черных курильщиках”. Щелочные гидротермальные источники, в отличие от “черных курильщиков”, образуются не из-за вулканической активности (и поэтому выглядят не столь впечатляюще), но на роль потоковых электрохимических реакторов подходят гораздо лучше. То, что щелочные источники отвечают требованиям жизни, показал геохимик Майк Рассел, опубликовав в 1988 году короткую статью в журнале “Нейчур”. В 90-х годах он написал ряд теоретических работ. Впоследствии к нему присоединился Билл Мартин, который обогатил исследования горячих источников своими микробиологическими идеями, и вместе они обнаружили множество неожиданных параллелей между источниками и живыми клетками. Как и Вехтерсхойзер, Рассел и Мартин утверждают, что жизнь началась с реакций между простыми молекулами, например H2 и CO2 – подобно тому, как автотрофные бактерии из простых неорганических предшественников синтезируют все свои органические молекулы. Рассел и Мартин также подчеркивают роль каталитических способностей железосерных минералов на ранних стадиях возникновения жизни. Мысль Рассела, Мартина и Вехтерсхойзера вращается вокруг горячих источников, железосерных минералов и происхождения автотрофности, и может показаться, что они говорят об одном и том же. В действительности их идеи радикально различаются.

Щелочные горячие источники возникают не при взаимодействии воды с расплавленной магмой, а при гораздо более мягких процессах – химических реакциях воды с горными породами. Мантийные горные породы, богатые оливином, реагируют с водой, превращаясь в гидратированный минерал серпентинит (змеевик) – красивый камень с пестрой зеленоватой расцветкой, напоминающей змеиную кожу. Серпентинит часто используют для облицовки (вспомните здание ООН в Нью-Йорке). Химическая реакция, в ходе которой оливин реагирует с водой и превращается в серпентинит, носит зловещее название “серпентинизация” (“озмеение”). Побочные продукты этой реакции и сыграли ключевую роль в возникновении жизни.

Рис. 12. Глубоководные гидротермальные источники.

Сравнение активного щелочного гидротермального источника из Затерянного города (А) с “черным курильщиком” (Б). Длина масштабной линейки в обоих случаях соответствует 1 м. Высота щелочного источника может достигать 60 м (как 20-этажное здание). Белая стрелка вверху указывает на зонд, прикрепленный к вершине источника. Более светлые участки щелочных источников – наиболее активные. В отличие от “дыма” “черных курильщиков”, гидротермальные жидкости щелочных источников не выпадают в осадок (и поэтому не выглядят как дым). Название “Затерянный город” было продиктовано возникающим там ощущением заброшенности и пустоты, однако это ощущение не вполне соответствует действительности.

Оливин богат соединениями двухвалентного железа и магния. При взаимодействии оливина с водой двухвалентное железо окисляется до трехвалентного – до соединений вроде ржавчины. Это экзотермическая (идущая с выделением тепла) реакция. В ее ходе выделяется большое количество газообразного водорода, который растворяется в теплой щелочной воде, содержащей гидроксид магния. Поскольку оливин – распространенный компонент мантии, эта реакция происходит преимущественно на дне океана вблизи спрединговых зон, где обнажаются свежие мантийные породы. Впрочем, мантийные породы в редких случаях взаимодействуют с водой непосредственно – она просачивается на глубину нескольких километров и уже там реагирует с оливином. Теплая, щелочная, насыщенная водородом жидкость поднимается (так как ее плотность ниже, чем у холодной морской воды), остывает, реагирует с растворенными в океане солями, и из нее выпадает осадок, который и формирует торчащие из морского дна столбы.

В отличие от “черных курильщиков”, щелочные источники не имеют никакого отношения к магме и формируются не над магматическими камерами в центрах океанического спрединга, а в нескольких милях от них. Вода в них не перегретая, а горячая: 60–90 °C. У них нет сквозного канала, из которого поток воды выходит в океан. Вместо этого они пронизаны сетью связанных друг с другом микроскопических пор. И вода в них не кислая, а сильнощелочная. По крайней мере, это те их свойства, которые предсказал Рассел в начале 90-х годов и которые лежали в основе его теории. Голос Рассела, одинокий и страстный, раздавался на конференциях, призывая ученых отвлечься от хтонической мощи “черных курильщиков” и обратить внимание на тихую гавань щелочных источников. Но никто не прислушивался к нему до 2000 года, когда был открыт первый подводный щелочной источник, названный Затерянным городом. Он удивительно соответствует почти всем предсказаниям Рассела, вплоть до местоположения – около 10 миль в сторону от Срединно-Атлантического хребта. Когда все это происходило, я стал задумываться о связи биоэнергетики с происхождением жизни и впервые написал об этом (в книге “Кислород”, опубликованной в 2002 году). Эти идеи сразу привлекли к себе внимание. Для меня в гипотезе Рассела важнее всего то, что она однозначно связывает происхождение жизни с протонным градиентом. Остается вопрос: как именно?