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

В этом и проблема H2 и CO2. При нейтральном pH = 7 восстановительный потенциал H2 составляет –414 мВ. Если H2 отдаст свои два электрона, от него останется два протона: 2H+. Восстановительный потенциал водорода отражает этот динамический баланс – склонность H2 терять электроны, превращаясь в H+, и склонность 2H+ захватывать электроны, образуя H2. Если бы CO2 приобрел эти электроны, он превратился бы в формиат. Но восстановительный потенциал формиата равен –430 мВ. Это означает, что он склонен отдавать электроны на H+ с образованием H2 и CO2: фактически это обратная реакция. Формальдегид и того хуже. Его восстановительный потенциал примерно равен –580 мВ. Он крайне неохотно удерживает собственные электроны и с легкостью отдаст их протонам (с образованием H2). Таким образом, если рассматривать реакцию при pH = 7, Вехтерсхойзер прав: H2 никоим образом не сможет восстановить CO2[49]. Но некоторые бактерии и археи живут именно благодаря этой реакции, а значит, она возможна. Мы подробно рассмотрим, как они это делают, в следующей главе. А сейчас все, что нам нужно знать: что бактерии, живущие на H2 и CO2, могут расти, лишь получая энергию за счет трансмембранного протонного градиента. Это и есть ключ.

Восстановительный потенциал молекулы часто зависит от pH – иначе говоря, от концентрации протонов. Причина достаточно проста. При переносе электрона переносится и отрицательный заряд. Если молекула, которая восстанавливается, может принять еще и протон, продукт получается более стабильным, потому что положительный заряд протона компенсирует отрицательный заряд электрона. Чем больше протонов доступно для компенсации заряда, тем проще осуществить перенос электрона. Веществу становится легче принять пару электронов. Действительно, восстановительный потенциал повышается при закислении среды примерно на 59 мВ с каждой единицей pH. Чем кислее раствор, тем проще передать электроны на CO2 и получить формиат или формальдегид. К сожалению, то же самое относится и к водороду. Чем раствор кислее, тем проще перенести электроны на протоны с образованием водорода H2. И если просто изменить pH, это не возымеет эффекта. Восстановить CO2 при помощи H2 по-прежнему будет невозможно.

А теперь подумайте о протонном трансмембранном градиенте. Концентрация протонов – кислотность – по разные стороны мембраны различается. Точно такое же различие наблюдается в щелочных источниках. Щелочные гидротермальные потоки держат путь через лабиринт микропор. Сквозь них же течет слабокислая океанская вода. В некоторых местах потоки соприкасаются: при этом океанская вода, насыщенная CO2, отделяется от щелочных потоков тонкой неорганической стенкой, содержащей FeS минералы с полупроводниковыми свойствами. Восстановительный потенциал H2 в щелочных условиях становится ниже: водород в такой среде отчаянно желает отринуть свои электроны, а оставшийся после этого H+ может спариться с OH– в щелочных потоках, порождая стабильную воду. При pH = 10 восстановительный потенциал H2 равен –584 мВ: это сильный восстановитель. А при pH = 6 восстановительный потенциал для формиата равен –370 мВ, для формальдегида он равен –520 мВ. Иными словами, при такой разнице водороду довольно легко восстановить CO2 с образованием формальдегида[50]. Единственный вопрос: как именно электроны переносятся с H2 на CO2? Дело в том, что железосерные минералы в тонких неорганических перегородках микропористых источников проводят электроны – пусть не так хорошо, как медная проволока. Теоретически физическое строение щелочных источников могло обеспечить восстановление CO2 водородом, в результате чего могла получиться органика (рис. 14). Фантастика!

Но так ли это? Вот она, красота науки: это простой вопрос, который можно проверить. Не то чтобы это было просто. Некоторое время я уже пытаюсь это сделать в лаборатории вместе с химиком Барри Херши и аспирантами Александрой Уичер и Элоем Кампруби. На деньги фонда “Леверхульм траст” мы построили настольный реактор, чтобы попробовать провести эти реакции. Осаждение в лаборатории тонких полупроводниковых стенок из сульфида железа – дело не слишком простое. Еще одна проблема – формальдегид нестабилен и он “хочет” вернуть свои электроны протонам, а при этом вновь образуются H2 и CO2. Легче это происходит в кислотной среде. Определенный pH и точная концентрация водорода критически важны. И в лаборатории, разумеется, затруднительно воспроизвести размеры настоящих источников (десятки метров в высоту), а тем более обеспечить высокое давление (это позволяет добиться гораздо более высокой концентрации газов, например водорода). Эксперимент прост в том смысле, что вопрос четко сформулирован и проверяем, а ответ поможет многое узнать о происхождении жизни. Нам удалось получить формиат, формальдегид и другие простые органические вещества (включая рибозу и дезоксирибозу)[51].

Пока примем теорию такой, какова она есть, и предположим, что реакция пойдет именно так, как предсказано. Что произойдет? Медленный, но устойчивый синтез органических молекул. (Каких именно молекул, разберем в следующей главе. Пока лишь отметим, что это предположение проверяемо.) После образования органики ее концентрация будет увеличиваться в тысячи раз по сравнению с изначальной за счет термофореза, обеспечивая формирование везикул и, возможно, таких полимеров, как белки. (И это предположение можно проверить в лаборатории.) Первые шаги вдохновляют: флуоресцентный краситель флуоресцеин, по размеру такой же, как нуклеотид, в нашем потоковом реакторе увеличивает свою концентрацию минимум в 5 тыс. раз, а хинин может концентрироваться еще сильнее (рис. 13).

Итак, что означают рассуждения о восстановительных потенциалах? Они одновременно и ограничивают спектр, и выявляют широкий диапазон условий, при которых во Вселенной могла возникнуть жизнь. Да, из-за подобных вещей ученые часто выглядят так, как будто они живут в изолированном мирке, потерявшись среди абстрактных размышлений. Может ли тот факт, что восстановительный потенциал водорода падает вместе с pH, приблизить нас к разрешению проблемы? Да. В условиях щелочных гидротермальных источников H2 будет реагировать с CO2 с образованием органических молекул. Почти в любых иных условиях этого не случится. Выше я успел отвергнуть почти все остальные среды, которые могли обеспечить происхождение жизни. Исходя из законов термодинамики, мы установили, что для того, чтобы построить живую клетку с нуля, требуется непрерывный поток активного углерода и химической энергии, проходящей над примитивными катализаторами в системе, которая ограничивает и направляет движение потока. Лишь гидротермальные источники могут обеспечить необходимые условия, и лишь единственная их разновидность – щелочные гидротермальные источники – обладает абсолютно всеми необходимыми свойствами. Но идея щелочных источников одновременно порождает серьезную проблему – и дает красивое ее решение. Серьезная проблема состоит в том, что хотя эти источники богаты водородом, водород не будет просто так вступать в реакцию с CO2 с образованием органики. А красивое решение – это физическое строение щелочных источников: естественные протонные градиенты на тонких полупроводниковых стенках в теории могут инициировать образование органических веществ. А затем обеспечить их концентрирование. На мой взгляд, все это имеет смысл! Учтите при этом, что жизнь использует (до сих пор) трансмембранные протонные градиенты, чтобы обеспечивать энергией и углеродный, и энергетический метаболизм, и мне хочется стенать вместе с Джоном Арчибальдом Уилером: “О, могло ли быть иначе! Как мы все могли так долго оставаться слепы?!”