История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Стэнли Миллер и его единомышленники делали все, что могли, чтобы опорочить наши выводы и сорвать наш исследовательский проект. На нас обрушился шквал критических публикаций, в которых доказывалось, что высокие температуры подводных гейзеров должны немедленно разрушить любые биомолекулы. «Гипотеза, связанная с подводными вулканами, никуда не годится, – недовольно вещал Миллер в одном из интервью 1998 г. – Я не вижу смысла даже обсуждать ее». Они основывали свои доводы на тщательно проведенных экспериментах, в ходе которых биомолекулы погибали в кипящей воде. Но этот упрощенный подход к исследованиям не учитывал всей сложности условий эпохи формирования Земли; не принимались во внимание ни запредельные температуры и состав глубинных морских вод, ни бурные потоки и цикличность вулканических выбросов, ни сложность химического состава насыщенной минералами морской воды, ни защитная поверхность скал, на которых, как стало теперь ясно, и укреплялись биомолекулы. Как бы то ни было, исследования в этой области продолжались уже не по сценарию Миллера, и теперь для многих специалистов в области биогенеза интерес представляют именно темные глубоководные зоны.

Как уже говорилось выше, все первоначальные среды, где имелись источники энергии и миниатюрные углеродсодержащие молекулы, по-видимому, внесли свой вклад в производство аминокислот, сахаров, липидов и других молекулярных «строительных блоков» жизни. В теории биогенеза нашлось место и рассекаемой электрическими разрядами и пронизанной жестким излучением атмосфере, и глубоководным вулканическим гейзерам, и иным глубинным высокотемпературным средам. Биомолекулы образуются во время падения метеоритов, на опаленных лучами Солнца пылинках высоко в стратосфере и даже в молекулярных скоплениях в глубоком космосе, открытом космическому излучению. Ежегодно тонны насыщенной органикой пыли обрушиваются на поверхность Земли из космоса, и так все 4,5 млрд лет. Нам известно теперь, что строительные блоки живого вещества буквально разбросаны по всему космическому пространству.

Шаг 2. Отбор

Полвека назад самой смелой задачей науки являлся синтез базовых материалов: молекулярных «кирпичей и цемента» для строительства жизни. К началу XXI в. эта проблема была в основном решена; ученые выяснили, что Земля, должно быть, окружена разбавленным бульоном из ингредиентов для строительства жизни. Теперь интерес сместился в сторону отбора, концентрации и компоновки биочастиц в макромолекулы – в мембраны, замыкающие клетку, ферменты, содействующие ее химическим реакциям, и генетическим полимерам, которые передают информацию от поколения к поколению.

Два взаимодополняющих процесса, по-видимому, сыграли в этом важную роль. Это самосборка, при которой группа вытянутых молекул – липидов – спонтанно собирается в пучок, образуя мембраны, которые создают замкнутую оболочку первых клеток. Липиды представляют собой что-то вроде тонких цепочек, состоящих примерно из десятка атомов углерода. При определенных условиях они могут собираться в микроскопические полые шарики; продолговатые молекулы выстраиваются бок о бок, как семена в головке одуванчика. В одной из самых известных в этой области статей ее автор биохимик Дэвид Димер из Калифорнийского университета описал, как он извлек набор таких разных органических молекул из богатого углеродом Мерчисонского метеорита (скопления химических веществ, образовавшихся в глубоком космосе задолго до появления Земли), и обнаружил, что они стремительно собираются в миниатюрные шарики, подобные клетке, словно капли масла в воде. Несколько лет назад мы с Димером обнаружили, что насыщенные углеродом молекулы, возникающие в условиях высоких температур и давления глубинных вулканических гейзеров, ведут себя подобным же образом. Ряд экспериментов позволил выяснить, что окутанные мембраной пузырьки представляют собой характерную черту добиологического мира; самосборка липидов, по-видимому, сыграла ключевую роль в возникновении жизни.

Большинство других биостроительных блоков не самоорганизуются, но способны сосредоточиваться и накапливаться на надежных, защищенных поверхностях пород и минералов в процессе, известном как матричный синтез; он представляет собой второй из механизмов отбора. Наши эксперименты, проведенные в Институте Карнеги за последние десять лет, показали, что многие из жизненно важных молекулярно-строительных блоков прилипают практически к любой естественной минеральной поверхности. Аминокислоты, сахара, компоненты ДНК и РНК адсорбируются на всех минералах, входящих в состав базальта и гранита: полевом шпате, пироксене, кварце и др. Более того, когда на одно место претендуют несколько молекул, они нередко кооперируются и сами образуют сложные поверхностные структуры, позволяя другим молекулам наслаиваться на них. Мы пришли к выводу, что, где бы первоначальный океан ни вступал в контакт с минералами, из бесформенного бульона непременно образовывались плотно собранные органические молекулы.

Здесь я должен выразить предостережение. Занимаясь исследованием происхождения жизни (возможно, подобное происходит и во многих других областях науки), ученые тяготеют к моделям, отражающим их собственную специальность. Специалист по органической химии Стэнли Миллер и его последователи рассматривали происхождение жизни исключительно сквозь призму органической химии. В отличие от них, геохимики склонны к выработке более сложных сценариев, включая такие переменные величины, как температура, давление и химический состав горных пород. Специалисты в области формирования мембран из липидных молекул говорят о «липидном мире», а те, кто занимается молекулярной биологией и исследует ДНК и РНК, рассматривают мир как «модель РНК». Специалисты по вирусам, метаболизму, глинам или глубинной биосфере также имеют свое предвзятое мнение. Все мы таковы; мы опираемся на то, что лучше всего знаем, и рассматриваем мир через объектив своих знаний.

Я изучал минералогию, так что нетрудно угадать мои предпочтения в вопросе о происхождении жизни. Mea culpa[11]. Многие исследователи пришли к аналогичному заключению – на самом деле немало выдающихся биологов также тяготеют к минералам, поскольку сценарии происхождения жизни, опирающиеся только на океан и атмосферу, сталкиваются с неразрешимыми проблемами в объяснении базовых механизмов молекулярного отбора и концентрации. Твердые минералы отличаются высоким потенциалом отбора, концентрации и образования молекул. Так что минералы наверняка сыграли главную роль в происхождении жизни.

Правое и левое

Биохимические реакции – это комплекс циклических и сетевых молекулярных взаимодействий. Чтобы эти затейливые многоуровневые процессы работали, молекулы должны обладать подходящими размерами и формой. Молекулярный отбор решает задачу подбора наиболее подходящей молекулы для осуществления соответствующего биохимического действия, и матричный отбор на минеральных поверхностях в настоящее время считается наиболее правдоподобной версией происхождения жизни.

Пожалуй, самым большим препятствием на пути молекулярного синтеза является хиральность, разделение на правое и левое, столь распространенное в мире. Многие из живых молекул образуют зеркальные пары, подобно двум нашим рукам – левой и правой. Хиральные пары молекул во многих отношениях тождественны: они обладают одинаковым химическим составом, одними и теми же температурами плавления и кипения, одинаковым цветом и плотностью, одинаковой электропроводимостью. Но «леворукие» и «праворукие» молекулы имеют разные, несовместимые формы, в чем легко убедиться на опыте, если попробовать надеть перчатку с левой руки на правую. Оказывается, жизнь невероятно разборчива: живые клетки почти всегда используют левосторонние аминокислоты и правосторонние молекулы сахара.

Хиральность имеет огромное значение. Любопытно, что искусственно созданный лимонен правосторонней формы пахнет апельсином, а в левостороннем варианте эта простейшая кольцевая молекула пахнет лимоном. Обонятельные рецепторы нашего носа чувствительны к хиральности: левосторонний и правосторонний лимонен подает в наш мозг разные сигналы. Вкусовые рецепторы менее чувствительны к хиральности сахарозы. И правосторонняя, и левосторонняя сахарозы имеют сладкий вкус, но наша пищеварительная система настроена на усвоение исключительно правосторонних сахаров. На свойстве левосторонних сахаров основано действие заменителей сахара, например, тагатозы. Трагическая история с талидомидом тоже связана с хиральностью. Правосторонняя разновидность этого лекарства облегчала утреннюю тошноту у беременных женщин, но левосторонняя модификация, которая тоже попадала к пациенткам, вызывала родовые осложнения. Теперь FDA (Управление по контролю за лекарствами и продуктами США) строго требует, чтобы лекарства обладали правильной хиральностью – это требование спасает жизни, но дополнительные расходы на производство составляют при этом около 200 млрд долларов ежегодно.