как на примере простейших доказать что жизнь зародилась в воде
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.
Почему жизнь зародилась в воде
Теория «первичного бульона»
Советский биолог Александр Иванович Опарин в 1924 году создал теорию о возникновении жизни на нашей планете посредством химической эволюции углеродосодержащих молекул. Он ввел термин «первичный бульон» для обозначения воды с высокой концентрацией подобных молекул.
Предположительно «первичный бульон» существовал 4 миллиарда лет назад в мелких водоемах Земли. Он состоял из воды, молекул азотистых оснований, полипептидов, аминокислот и нуклеотидов. «Первичный бульон» образовался под влиянием космического излучения, высокой температуры и электрических разрядов.
Органические вещества возникали из аммиака, водорода, метана и воды. Энергия для их образования могла быть получена от грозовых электрических разрядов (молний) или от ультрафиолетового излучения. А.И. Опарин предположил, что нитеобразные молекулы полученных белков могли сворачиваться и «склеиваться» друг с другом.
В лабораторных условиях ученым удалось создать подобие «первичного бульона», в котором успешно образовывались скопления белков. Однако не был решен вопрос о воспроизводстве и дальнейшем развитии коацерватных капель.
Белковые «шарики» притягивали к себе молекулы жиров и воды. Жиры располагались на поверхности белковых образований, покрывая их слоем, который по структуре отдаленно напоминал клеточную мембрану. Опарин назвал этот процесс коацервацией, а образовавшиеся скопления белков – коацерватными каплями. Со временем коацерватные капли поглощали из окружающей среды все новые порции вещества, постепенно усложняя свою структуру, пока не превратились в примитивные живые клетки.
Зарождение жизни в горячих источниках
Минеральная вода и особенно насыщенные солями горячие гейзеры могут успешно поддерживать примитивные формы жизни. Академик Ю.В. Наточин в 2005 году предположил, что средой образования живых протоклеток был не Древний океан, а теплый водоем с преобладанием ионов К+. В морской воде доминируют ионы Na+.
Теория академика Наточина подтверждается анализом содержания элементов в современных живых клетках. В них так же, как и в гейзерах, преобладают ионы К+.
В 2011 году японский ученый Тадаси Сугавара сумел создать живую клетку в горячей минерализованной воде. Примитивные бактериологические образования – строматолиты и сейчас образуются в естественных условиях в гейзерах Гренландии и Исландии.
Зарождение жизни. И вышел человек из воды…
Многочисленные данные, накопившиеся в антропологии, свидетельствуют о том, что предки человека жили в воде. И современные люди сохранили хотя бы на начальном этапе своего развития доказательства, говорящие в пользу «водных» предков человечества.
До своего появления на свет девять месяцев ребёнок проводит в околоплодных водах. Причём в первые недели развития плод имеет жаберные щели и хвост. Иногда у новорождённых детей наблюдается серьёзное заболевание, ихтиоз, при этом наблюдаются изменения кожных покровов, при этом кожа младенцев по структуре напоминает рыбью чешую.
У таких деток часто остаются и перепонки между пальцами, которые обычно исчезают у нормально развивающегося плода задолго до его рождения. Дети с этим заболеванием, если и выживают, то нуждаются в постоянном увлажнении кожи, которая обладает чрезвычайной сухостью. Является ли данная патология ещё одним свидетельством в пользу происхождения человека из воды? Трудно сказать.
Тем не менее, останки странных «рыбоподобных» существ, которые периодически находят археологи, продолжают будоражить умы учёных-эволюционистов.
Так, участники экспедиции, которую возглавил профессор Ричард С. Страттон, обнаружили в одной из пещер на Тибете четыре мумии, которые никак не подходят под описание обычных людей. У этих мумий, рост которых составлял 5 м, имелись ластоподобные ступни с межпальцевыми перепонками, а также в придачу к обычным органам дыхания прилагались и дополнительные – жабры.
Подобная необычная находка была сделана ещё в 1856г исследователем У.Буллосом и доктором К.Джилмором. Эти специалисты на территории Пенсильвании и Миссури в слоях каменноугольного периода натолкнулись на отпечатки следов загадочного существа, которое перемещалось на задних лапах. Причём следы походили на человеческие, вот только пальцы были растопырены таким образом, как будто ступни служили заодно и ластами. И эта находка позволяет сделать вывод, что за 300 млн. лет до того как появились первые обезьяны, под водой жили существа, к тому же умевшие ходить на двух ногах!
Многие народы в своих легендах связывали возникновение жизни на Земле именно с рыбами. И можно собрать большое количество мифов, в которых говорится о том, что некогда господствующей расой на нашей планете являлись люди-рыбы, по внешнему виду напоминавшие амфибий. Эти покрытые чешуёй создания дышали жабрами и большую часть времени проводили под водой.
Индейцы, населявшие территорию современной Америки, верили, что в воде обитает народ «водных индейцев», а их сородичи из Перу рисовали на стенах пещер человека с ластами и хвостом, выходящего из моря.
Древние шумеры главную роль в создании их цивилизации отводили рыбоподобному человеку Оаннесу. В записях вавилонского историка Белрушу (IV— III вв. до н.э.) говорится о том, что однажды к шумерам, жившим подобно диким зверям, из вод Эритрейского моря пришло существо с телом рыбы и головой человека, причём помимо хвоста у этого создания были и ступни. Оаннес умел говорить, он научил людей строительству, грамоте и умению возделывать землю. Этот загадочный получеловек мог проводить среди людей целые дни, не нуждаясь при этом в пище.
В пользу существования подводной расы полулюдей говорят и старейшие мегалитические постройки, расположенные на островах Мальты. Причём часть этих мегалитических храмов, которые, судя по размерам, предназначались для людей очень маленького роста, были найдены под водой. Но на расстоянии двух километров от берега. Специалисты при помощи лабораторных анализов доказали, что эти постройки не опустились под воду со временем, а были построены именно в воде 5000 лет назад. А тот факт, что мощёные дороги ведут вглубь моря, говорит в пользу того, что храмы использовались именно обитателями подводного мира.
Сохранившиеся до наших времён древнеиндийские тексты рассказывают о существовании в далёкие времена подводного многомиллионного общества демонов – данавов, а в старинных китайских и японских записях тоже говорится о человекоподобных созданиях с перепонками между пальцами.
Не исключено, что до сих пор в глубинах океанов обитают представители высокоразвитой цивилизации. И никому не известно, что скрывают под собой многокилометровые слои воды. Но то, что в морских пучинах регулярно происходят необъяснимые явления – это было ясно тысячи лет тому назад.
Например, на различных участках Мирового океана иногда появляются светящиеся колёса, вращение которых идёт против часовой стрелки. Свечение от этих образований можно увидеть и днём и ночью, а диаметр кругов достигает 200м!
В конце прошлого века японские учёные натолкнулись на странный водоворот в Тихом океане, находящийся на глубине 500 м. Гигантский водоворот в диаметре достигал 100км, причём высокая скорость его вращения заставляла усомниться в его природном происхождении. К тому же с периодичностью в 100 дней направление вращения водоворота менялось. Чуть позже были найдены и другие подобные образования, и все они обладали способностью к спонтанному появлению и исчезновению, что нехарактерно для естественных водоворотов. Может быть, именно раса разумных подводных существ и является источником этих странных явлений?
Вполне возможно, что наблюдая за жизнью людей, живущие под водой создания не желают быть замеченными, и используют особые маскировочные средства, чтобы избежать нежеланных контактов. В пользу этой гипотезы говорят результаты наблюдений океанологов, проводившихся не один год. Выяснилось, что раз в 20 лет громадная по размерам площадь поверхностных вод в Атлантическом океане нагревается без видимых причин, и в результате повышенной испаряемости эти территории покрываются плотными густыми облаками, которые не в силах разогнать даже мощные сезонные ветра. И кто знает, что происходит во время того, пока стоит эта непроницаемая облачная пелена.
Ученые смогли объяснить, как зарождалась жизнь на Земле
Условия зарождения жизни на Земле 4 млрд лет назад
Жизнь появилась на нашей планете спустя примерно полмиллиарда лет после возникновения Земли, то есть около 4 млрд лет назад: именно тогда зародился первый общий предок всех живых существ. Он представлял собой одну-единственную клетку, генетический код которой включал в себя несколько сотен генов. У этой клетки было все необходимое для жизни и дальнейшего развития: механизмы, отвечающие за синтез белков, воспроизводство наследственной информации и выработку рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая также ответственна за кодирование генетических данных.
Ученые понимали, что первый общий предок всех живых существ зародился из так называемого первичного бульона — аминокислот, возникших из соединений воды с химическими элементами, которыми были наполнены водоемы молодой Земли.
Возможность формирования аминокислот из смеси химических элементов была доказана в результате эксперимента Миллера — Юри, о котором «Газета.Ru» рассказывала несколько лет назад. В ходе опыта Стэнли Миллер смоделировал в пробирках атмосферные условия Земли около 4 млрд лет назад, заполнив их смесью газов — метана, аммиака, углерода и монооксида углерода, — добавив туда воды и пропуская через пробирки электрический ток, который должен был производить эффект разрядов молний.
В результате взаимодействия химических веществ Миллер получил в пробирках пять аминокислот — основных строительных блоков всех белков.
Спустя полвека, в 2008 году, исследователи провели повторный анализ содержимого пробирок, которые Миллер сохранил в неприкосновенности, и выяснили, что на самом деле смесь продуктов содержала вовсе не 5 аминокислот, а 22, просто автор эксперимента не смог идентифицировать их несколько десятилетий назад.
После этого перед учеными встал вопрос о том, какие из трех основных молекул, содержащихся во всех живых организмах (ДНК, РНК или белки), стали следующей ступенью формирования жизни. Сложность этого вопроса заключается в том, что процесс образования каждой из трех молекул зависит от двух других и не может быть осуществлен в ее отсутствие.
Таким образом, ученые должны были либо признать возможность формирования сразу двух классов молекул в результате случайной удачной комбинации аминокислот, либо согласиться с тем, что структура их сложных взаимосвязей образовалась спонтанно, уже после возникновения всех трех классов.
Проблема была разрешена в 1980-х годах, когда Томас Чек и Сидней Олтмен открыли способность РНК существовать полностью автономно, выступая ускорителем химических реакций и синтезируя новые, аналогичные себе РНК. Это открытие привело к появлению «гипотезы мира РНК», впервые высказанной микробиологом Карлом Везе в 1968 году и окончательно сформулированной биохимиком, лауреатом Нобелевской премии по химии Уолтером Гилбертом в 1986 году. Суть этой теории заключается в том, что основой жизни признаются молекулы рибонуклеиновой кислоты, которые в процессе самовоспроизведения могли накапливать мутации. Эти мутации в конечном итоге привели к способности рибонуклеиновой кислоты создавать белки. Белковые соединения являются более эффективным катализатором, чем РНК, и именно поэтому создавшие их мутации закрепились в процессе естественного отбора.
Одновременно с этим сформировались и «хранилища» генетической информации — ДНК. Рибонуклеиновые кислоты сохранились как посредник между ДНК и белками, выполняя множество различных функций:
они хранят информацию о последовательности аминокислот в белках, переносят аминокислоты в места синтеза пептидных связей, принимают участие в регулировании степени активности тех или иных генов.
На данный момент у ученых нет однозначных доказательств того, что подобный синтез РНК в результате случайных соединений аминокислот возможен, хотя определенные подтверждения этой теории есть: так, в 1975 году ученые Манфред Сампер и Рудигер Льюс продемонстрировали, что при определенных условиях РНК может спонтанно возникнуть в смеси, содержащей только нуклеотиды и репликазу, а в 2009 году исследователи из Университета Манчестера доказали, что уридин и цитидин — составляющие части рибонуклеиновой кислоты — могли синтезироваться в условиях ранней Земли. Тем не менее некоторые исследователи продолжают критиковать «гипотезу мира РНК» из-за чрезвычайно низкой вероятности спонтанного возникновения рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитическими свойствами.
Ученые Ричард Вульфенден и Чарльз Картер из Университета Северной Каролины предложили свою версию формирования жизни из первичного «строительного материала». Они полагают, что аминокислоты, сформировавшиеся из набора существовавших на Земле химических элементов, стали базой для образования не рибонуклеиновых кислот, а других, более простых веществ — белковых ферментов, которые сделали возможным появление РНК. Исследователи опубликовали результаты своей работы в журнале PNAS.
Ричард Вульфенден проанализировал физические свойства 20 аминокислот и пришел к выводу, что аминокислоты могли самостоятельно обеспечивать процесс формирования структуры полноценного белка. Эти белки, в свою очередь, являлись ферментами — молекулами, ускоряющими химические реакции в организме. Чарльз Картер продолжил работу своего коллеги, показав на примере фермента под названием аминоацил-тРНК-синтетаза то огромное значение, которое ферменты могли играть для дальнейшего развития основ жизни: эти
белковые молекулы способны распознавать транспортные рибонуклеиновые кислоты, обеспечивать их соответствие участкам генетического кода и тем самым организовывать верную передачу генетической информации последующим поколениям.
По мнению авторов исследования, им удалось найти то самое «недостающее звено», которое было промежуточным этапом между образованием аминокислот из первичных химических элементов и складыванием из них сложных рибонуклеиновых кислот. Процесс образования белковых молекул достаточно прост по сравнению с образованием РНК, а его реалистичность была доказана Вульфенденом на примере изучения 20 аминокислот.
Выводы ученых дают ответ и еще на один вопрос, в течение долгого времени волновавший исследователей, а именно: когда произошло «разделение труда» между белками и нуклеиновыми кислотами, к которым относятся ДНК и РНК. Если теория Вульфендена и Картера верна, то можно смело утверждать: белки и нуклеиновые кислоты «поделили» между собой основные функции на заре возникновения жизни, а именно около 4 млрд лет назад.
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