Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

поднимает новые, совсем другие проблемы — не создание органических молекул, а их отсев. Добиологическая Земля создавала углеродсодержащие молекулы в ошеломляющем изобилии — сотни тысяч разных «малых» молекул: каждая — всего с несколькими атомами углерода, каждая — доступная в качестве потенциального биокирпичика. Жизнь же, несмотря на ее поразительное структурное разнообразие, использует химическую стратегию без излишеств. Бо́льшая часть клеток состоит всего из нескольких сотен отобранных молекул.

Для примера: из всего массива существующих аминокислот живые клетки для достижения большинства целей пользуются только двумя десятками. Более того, львиная доля этих 20 аминокислот встречается по крайней мере в двух зеркально симметричных версиях — в виде идентичных по своему составу левостороннего и правостороннего вариантов. Эксперименты в добиологической химии неизменно дают равное количество молекул-«левшей» и «правшей», но жизнь использует почти исключительно левосторонние аминокислоты. Тот же принцип бережливости относится к жизненно важным сахарам, практически все из которых — «правши», а также ко многим липидам и молекулярным компонентам ДНК и РНК. Следовательно, второй важный шаг на пути к происхождению жизни заключается в том, чтобы выбрать только нужное подмножество молекул и сконцентрировать их либо на поверхностях минералов, либо на прогреваемых солнцем окраинах высыхающих приливных бассейнов.

Поверхности — привлекательный вариант, которому мы с коллегами придавали особое значение. Бескрайние океаны древней Земли были слишком разбавленными для того, чтобы добиологическим молекулам удавалось регулярно встречаться и соединяться, но поверхности могли способствовать такому соединению. В некоторых случаях, как в классическом сценарии «нефть в воде», у молекул получалось концентрироваться на поверхности воды, таким образом формируя собственные отдельные слои и глобулы.

Хорошим примером являются мембраны, окружающие клетки. Они спонтанно собираются из множества длинных «тощих» липидных молекул с углеродным скелетом{161}. Один конец каждой молекулы сильно притягивается водой, другой конец вода отталкивает с той же силой. Если вы опустите много таких тонких молекул о двух концах в воду, силы притяжения и отталкивания быстро выстроят миллионы этих молекул в ряд, образующий гибкую двухслойную заполненную водой сферическую структуру. Водолюбивые концы выстроившихся молекул будут на внешних сторонах липидного бислоя, окружающего полую сферу, а концы-водоненавистники окажутся друг напротив друга глубоко внутри мембраны, как можно дальше от воды.

Эксперименты со смесями добиологических молекул подтверждали этот механизм образования мембран снова и снова. Липкие молекулярные смеси, оставшиеся на стенках аппарата Миллера — Юри, либо извлеченные из богатых углеродом метеоритов, либо полученные в ходе экспериментов по синтезу при высокой температуре, — все спонтанно образуют в воде крошечные подобные клеткам структуры. Эта часть загадки происхождения жизни — неизбежное возникновение самых примитивных клеточных мембран, — похоже, решена.

Но отбор и концентрация, стягивание в одном месте большинства молекул жизни — тех, которым свойственно растворяться в воде и которые не так легко самоорганизуются, — пока остаются под вопросом. Как древние аминокислоты нашли друг друга, чтобы создать первые белки? Как молекулярные кирпичики ДНК и РНК собрались в первые структуры, чтобы нести и копировать биологическую информацию? Чтобы решить эти загадки, многие из нас обратились к минеральному царству.

Минералы и происхождение жизни

Происхождение жизни зависело от стабильных поставок исходных материалов — химических кирпичиков и строительного раствора клеток. Для того чтобы появились клетки, нужные химические ингредиенты должны были просто встретиться и объединить силы, но эти шаги не могли произойти в слабом первичном бульоне без чьей-либо помощи.

К счастью, природа придумала несколько способов концентрации молекул жизни из разбавленного океана. Один очевидный механизм — когда океаническая вода расплескивается или поднимается в мелкий бассейн, где испаряется, таким образом концентрируя оставшиеся химические вещества в насыщенном органическом супе. Полтора столетия назад Чарльз Дарвин описал такой «теплый маленький пруд» в письме к своему другу, и уютная картинка благоприятного для зарождения жизни освещенного солнцем места закрепилась{162}.

Стэнли Миллер, возможно нечаянно, проверил новый вариант этой идеи, поместив контейнер органического раствора в морозильник и оставив там — наверное, ученый просто забыл о нем — на 30 лет. По мере того как вода замерзала, остававшиеся крошечные карманы жидкости становились все более и более концентрированным раствором, насыщенным углеродсодержащими молекулами, которые медленно вступали друг с другом в химические реакции, создавая новые органические молекулы. Циклы замерзания и таяния на древней Земле могли подобным образом способствовать расширению списка концентрированных биокирпичиков.

Несмотря на череду разумных идей, после десятилетий тщетных попыток получить из водных смесей главных для жизни молекул полезные биологические структуры многие исследователи происхождения жизни пришли к выводу, что основную роль играло твердое основание из горных пород и минералов. Похоже, что важные функции выполняли упорядоченные атомные решетки поверхностей минералов. Некоторые минералы катализируют синтез ключевых биомолекул — аминокислот, сахаров и органических оснований. Другие минералы отбирают и концентрируют эти небольшие молекулы, адсорбируя их своей поверхностью в строго определенном положении и ориентации, защищая тем самым от химических воздействий. Минералы также обладают способностью выстраивать и связывать молекулы в функциональные мембраны и полимеры.

Эти предположения твердо укоренились в посвященной происхождению жизни литературе — хотя бы по той простой причине, что мы не можем придумать жизнеспособные альтернативы. В отсутствие минералов молекулы редко сталкиваются друг с другом, тем более соединяются в нужной последовательности. В открытом океане, особенно рядом с горячими вулканическими источниками на его дне, эти слабые молекулы, скорее всего, распадутся. Минералы отбирают, концентрируют, защищают и связывают молекулярное сырье жизни. Но несмотря на эти правдоподобные доводы, мало кто из ученых пытался провести уточняющие эксперименты, необходимые для проверки в природных условиях роли минералов.

Экспериментальные исследования механизмов, посредством которых органические молекулы поглощаются минеральными поверхностями, находятся на стыке биологии и геологии. Они сложны, поскольку требуют знаний по крайней мере в трех областях, которые редко пересекаются. Во-первых, нужно быть специалистом по химии воды, потому что все эксперименты необходимо проводить в воде с точно контролируемыми условиями температуры, состава и кислотности. Во-вторых, понадобятся глубокие знания по органической химии — особенно по сложному поведению аминокислот и сахаров, способных менять свою форму и химические свойства при изменении водной среды. И в-третьих, хорошо бы быть знатоком минералогии, особенно в том, что касается нюансов замысловатых атомных структур кристаллических поверхностей.

Мало кто из ученых соответствует всем трем требованиям, но одна замечательная молодая исследовательница по имени Шарлин Эстрада оказалась более чем способной справиться с этой задачей{163}. С трехлетнего возраста, с тех пор как папа кружил ее в воздухе под музыкальную тему из «Звездного пути», она знала, что хочет исследовать Вселенную. Этот папа — профессор, занимающийся изучением американцев мексиканского происхождения,