До и после динозавров - Андрей Журавлёв

Соединения серы поныне служат важным источником энергии в клетках. Может, это дань далекому прошлому, когда «семена» жизни вызревали вблизи горячих серных источников?

Обратный отсчет

Серный колчедан, конечно, не единственный и далеко не самый рядовой минерал на Земле. А могла ли жизнь «выкристаллизоваться» в более обычных условиях? Палеонтолог Сергей Николаевич Голубев считает, что вполне могла. Уж больно своеобычные закономерности наблюдаются в развитии минерального скелета и в считывании генетического кода. Код этот, определяющий последовательность сборки белков, одинаков для всех обитателей Земли, от бактерий до человека. И в том, и в другом случае органические элементы располагаются по законам кристаллической решетки, как в кристаллах карбонатов и фосфатов кальция или кварца. Может быть, организмы на самом деле «унаследовали» особенности развития от минеральных кристаллов? При минерализации скелета органический шаблон задает форму каждого кристалла и направление его роста.

С. Н. Голубев догадался, что верно должно быть и обратное: кристаллическая решетка может служить затравкой для сборки сложных органических соединений в строго определенной последовательности. (Ведь если этому процессу не задать направленность, получится нечто вроде свитера, связанного в сумасшедшем доме.) Действительно, на поверхности фосфатного минерала белки могут строиться даже при комнатной температуре и без участия сложных органических добавок. Запустив процесс минерализации скелета в обратном направлении, получаем модель сборки важнейших органических молекул на минеральной поверхности. И если «кристаллизация» жизни происходила на подобных минералах, становится понятным, почему многие реакции в клетках и тканях, включая мышечные сокращения, не обходятся без соединений фосфора.

Самую первую и вместе с тем, пожалуй, простейшую модель «минеральных проорганизмов» предложил американский минеаролог Грэм Кэрнс-Смит. Он исходил из предпосылки, что суть жизни заключается в передаче информации. Для этого существуют гены, несущие информацию о признаках и свойствах организма. Поэтому первым организмом должно было быть нечто, напоминающее гены, и притом достаточно обычное. А гены существуют для того, чтобы воспроизводить самих себя, сохраняя накопленную информацию. Конечно, в процессе воспроизводства они могут чуть-чуть ошибаться. (Именно ошибки порождают разнообразие.)

Когда-то в истории жизни подменить гены могли слоистые глинистые минералы, широко распространенные на Земле. Слойки этих минералов представляют собой мозаику из небольших участков. Каждый из них несет упорядоченную (по-своему) систему атомов. Поскольку реальные кристаллы всегда имеют дефекты, новообразующийся при росте кристалла слоек «считывает» эту дефектную ведомость и передает ее дальше. Не удивительно, что на этом же незатейливом способе передачи информации зиждется весь успех современной матричной компьютерной техники.

Вместо очередного глинистого слойка на минерале вполне можно собрать органическую молекулу. Важно то, что и органические молекулы влияют на форму и размеры кристаллов, препятствуя заложению определенных граней. В свою очередь, слоистое строение глинистых минералов с чередованием различных по форме и составу участков способствует образованию органических молекул с закономерно повторяющимися участками. Со временем выстраиваются все более сложные соединения. Причем соединения эти окажутся хирально чисты, поскольку являются отражениями одной и той же минеральной подложки. (Вот и решение неразрешимой проблемы хиральности.) Получается, предшествующий живому организму — организм неживой. Обретя способность к самовоспроизведению и росту, «минеральные проорганизмы» могли выживать и распространяться. Вполне возможно, что некоторые из них стали своеобразными фотосинтетиками. (Мы уже привыкли к чудесам фотографии, а ведь процесс проявления фотобумаги сродни фотосинтезу.) Использование дармовой энергии света ускорило возникновение систем, обладавших как неорганическими, так и органическими генами. (Ген — это всего-навсего участок органической молекулы.) Затем управление сборкой органических соединений полностью перешло к генам. Они до сих пор и начинают процесс образования белков.

Любое из вышеназванных событий, если оно действительно было, случилось очень давно. Но на Земле до сих пор встречаются организмы, сам облик которых напоминает о тех удивительных временах. Не видя, мы ощущаем их каждый день. Именно они «выращивают» камни в почках и зубные камни. Выглядят они настолько непривычно, что многие до сих пор сомневаются: а правда ли они существуют? Эти странные существа являются самыми маленькими на планете. Поэтому они удостоились приставки «нанно» (грен. «карлик»), означающей, что их размеры меньше тех, кто измеряется «санти», «милли» и даже «микро» величинами. Они даже мельче вирусов. Средний размер наннобактерий не превышает 0,0002 мм, а мельчайшие из них не дорастают и до 0,00005 мм. Они очень устойчивы к нагреву и радиоактивному излучению. У наннобактерий число белков, необходимых для жизни, сокращено до предела. Весь обмен веществ у них упрощен настолько, что наннобактерии напоминают те самые «минеральные проорганизмы». В своей клеточной стенке наннобактерии содержат фосфатные минералы, нужные любому живому организму.

Не следует забывать и про заурядные пузыри. Дутый мыльный пузырь, радужно переливающийся на свету, является сложной системой. Внутри него есть своя газовая смесь, отделенная исчезающе тонкой пленкой от наружной атмосферы. Пленка пропускает одни газы только внутрь, а другие — наружу. Волнующаяся поверхность океана — это не только мечта серфингиста. Это прежде всего раздел двух сред, где энергия волн создает пузыри, через пленку которых происходит обмен веществ между этими средами. Если же атмосфера насыщена газами вроде метана и аммиака, пробивается электрическими разрядами молний и ультрафиолетовыми лучами, а снизу поступают тепло и минеральные растворы гидротерм, то из морской пены выйдет не только жизнь, но и богиня Афродита во всем своем великолепии.

Что было, когда еще ничего не было

От событий прискойской эры не осталось ничего вещественного. Однако не так трудно вообразить, что происходило на Земле в то время. Все исходные для жизни элементы (углерод, азот, кислород, фосфор и сера) возникли на Солнце при термоядерном синтезе и были вынесены солнечным ветром в пространство. Вместе с частицами межзвездной пыли, на которых уже образовались некоторые органические соединения, эти элементы накапливались на Земле и других планетах. 4,2–3,8 млрд лет назад Земля подобно всем соседним планетам подверглась тяжелой метеоритной бомбардировке. Метеориты не только изрядно поколотили поверхность нашей планеты, но и оторвали от нее Луну.

Но главное — гости из космоса могли ежегодно доставлять на Землю 400 т, а вместе с оседавшей пылью — более миллиона тонн органических веществ. Метеориты (углистые хондриты), скорее всего, и нанесли достаточное количество углерода, одного из самых обычных теперь на земле элементов. В самой планете его не было. Содержится углерод только в карбонатах, угле, нефти и атмосферных газах, куда попал в результате жизнедеятельности организмов.

В жидкой среде, плещущейся не менее 4,4 млрд лет, происходило развитие все более сложных органических веществ — аминокислот, жиров и так далее, вплоть до простейших клеточных органелл. Одним из последствий массированного метеоритного удара (особенно если некоторые небесные камушки имели свыше 500 м в поперечнике) могло быть выпаривание всего первичного океана. На несколько тысяч лет густая, влажная, наполненная органикой атмосфера окутала Землю. В ней, заряжаясь энергией гроз, жесткого излучения и метеоритных взрывов, ускоренными темпами вызревала жизнь.

В пробирке легче всего получить четыре основные аминокислоты и другие органические молекулы, на основе которых построены все более сложные органические соединения. Достаточно только найти способ их накопления. Таких природных накопителей было множество: серно-железные пузырьки, грани фосфатных и глинистых минералов, поверхность водной толщи, подсыхающая кромка морей и соленые заводи.

Все, необходимое для сборки простейшего организма, уже получено в лабораториях. Искусственно выращиваются рибосомы, способные связывать нуклеотиды в подложку, на которой возможна сборка основы всей земной жизни — молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК). Создаются практически любые молекулы-предшественницы. Осталось лишь соединить два конца одного процесса цепочкой РНК. Биохимия движется вперед настолько стремительно, что, пока я допишу эти страницы и они через редакторские правки дойдут до читателя, искусственная РНК или ДНК уже будет извиваться в пробирке. Нужны только руки, деньги и время. Деньги и время в данном случае понятия взаимозаменяемые. Чем меньше дается одного, тем больше требуется другого.