Дмитрий Марфунин
"О происхождении жизни"
10 января 2012
Хочу сразу предупредить: если думаешь найти здесь ответ на этот вопрос, то должен тебя разочаровать – я его не знаю. И вряд ли кто-то когда-нибудь точно сможет ответить, как это произошло. Но в последнее время стали известны определенные факты, позволяющие сделать некоторые предположения.
Вопрос не простой, прежде всего, в силу того, что понятие жизни считается слишком неопределенным и общим. Жизнь – не научное понятие. И вообще, общепринятого определения жизни нет, любые определения субъективны и произвольны. Одни ученые считают, что жизнь – скорее процесс, чем структура, а другие – что понятие «жизнь» неотделимо от понятия «структура». Как это покажется ни странным, а правы, видимо, обе стороны, и мы будем придерживаться понятия «организм».
Далее, надо определиться, возникла ли жизнь вообще когда-нибудь. Существовало же мнение, и, думаю, существует и сейчас, что жизнь, как и Вселенная, вечна. Но учитывая, что на сегодняшний день общепринятой является теория «большого взрыва», то есть у Вселенной все же было начало, тогда, соответственно, надо признать, что и у жизни был момент происхождения.
Далее, так как, кроме Земли, ее присутствие пока нигде не обнаружено, возникает вопрос, земного она происхождения или нет. Предполагается, что она в виде неких спор или каких-то еще элементов рассеяна по Вселенной и была занесена на Землю. Помимо того, что довольно трудно представить механизм этого заноса, сразу возникает вопрос: это сколько же было сформировано таких спор и рассеяно по Вселенной, чтобы, в конце концов, совершенно случайно попасть на Землю? И потом, если допускается, что жизнь возникла где-то во Вселенной, почему не допустить, что она могла зародиться на Земле, тем более что на Земле были все необходимые условия, а главное – была вода.
Итак, остановимся на том, что она все-таки могла зародиться на Земле. Возникает резонный вопрос – где? На сегодняшний день практически все согласны с тем, что это произошло в воде. Но далее идут разногласия. Существует мнение, что в первичном океане каким-то абиогенным путем (назывались молнии и ультрафиолет) накопилось большое количество органических молекул (теория «первичного супа»), а затем каким-то образом эти молекулы начали концентрироваться в коацерватные капли или еще в какие-нибудь структуры и затем в клетки.
Во-первых, опять возникает вопрос о количестве: сколько же нужно было сформироваться органики, чтобы она начала формировать какие-либо структуры?
Во-вторых, вода из-за своих гидролитических свойств скорее растворяет, чем концентрирует.
И, наконец, в-третьих, физики нам доказывают, что этого быть не может: равновесные структуры, второй закон термодинамики, энтропия и все такое. Короче, из хаоса ничего само собой образоваться не может. Хотя потом выяснилось, что существует и неравновесная термодинамика, все равно необходим был какой-то внешний источник энергии. Что характерно, не биолог, а физик Шредингер определил жизнь как систему, которая понижает собственную энтропию за счет повышения энтропии окружающей среды.
В качестве внешнего источника энергии предполагаются все те же ультрафиолет и молнии. Ну, об ультрафиолете уже было как-то сказано, что он разрушает столько же, сколько создает. А о молнии тут и говорить нечего. Маловероятно, что если молния будет бить в одно место, там может что-то возникнуть живое.
Если внимательно наблюдать за любым живым организмом, как говорится, от амебы до человека, то можно заметить, что все они только тем и заняты, что защищаются. От высокой температуры или от низкой температуры, от недостатка воды или же ее избытка, от нехватки кислорода или его избытка (особенно его активных форм), от солнечной радиации, просто от радиации и много еще от чего.
Из всего этого выходит, что жизнь, если она возникла на Земле, должна была зародиться в следующих условиях: в воде, в бескислородной среде, в полной темноте (отсутствие электромагнитного излучения), при постоянной умеренной температуре, а также при наличии постоянного внешнего источника энергии. Удивительно, но такие условия существуют на Земле и сегодня – речь идет о «курильщиках».
«Курильщики» - это такие гидротермальные структуры в виде конусов, труб, «дымоходов», располагаются на дне океана, и объединены тем, что, как следует из названия, продуцируют горячую воду. Как оказалось, существует несколько видов «курильщиков». «Черные курильщики» - располагаются в океанических рифтах вдоль срединных хребтов, тепловой поток связан с неглубокими магматическими очагами. Характеризуются черным «дымом» (взвесь соединений серы), высокой температурой воды (до 350 С), низким рН (кислые). Существуют «белые курильщики», которые, как оказалось, являются разновидностями «черных» и отличаются лишь более низкой температурой и разным характером разгрузки гидротермального раствора, что зависит от скорости спрединга. И, соответственно, белым «дымом».
Но существуют еще одни «курильщики» - не белые и не черные. «Дыма» как такового над ними вообще нет и горячую воду можно заметить лишь по мерцающим струям, поднимающимся над ними. Эти гидротермальные системы назвали по первой открытой их области, области Потерянного Города ( Lost City ).
Гидротермальная область Lost City состоит из карбонатных пород, которые не являются вулканическими, а имеют в своем составе минерал оливин, составляющий значительную часть океанической коры. Этот минерал реагирует с морской водой и превращается в серпентин. В результате реакции серпентинизации производится жидкость с рН 9-11, температурой 40-90С, обогащенная Н2. Эта жидкость также богата кальцием. Образующиеся конусы очень рыхлые, пронизаны тонкими порами микроновых размеров, с арагонитовыми стенками, покрытыми бруситом. То есть формируется природный среднетемпературный тонкоканальный реактор непрерывного потока с высоким давлением. А так как в то время концентрация СО2 в океане была в 1000 раз выше, чем сегодня, а свободный кислород практически отсутствовал, то в этом реакторе могла происходить главная реакция, определяющая появление жизни – реакция СО с Н2, то есть восстановительная фиксация углерода. Катализаторами могли служить ионы железа или никеля. В результате могли формироваться метан или ацетат. А также могло происходить восстановление азота до аммиака, а ионов бикарбоната до муравьиной кислоты (формата).
Такое абиогенное производство углеводородов было обнаружено в Lost City – жидкости были явно обогащены органическими соединениями с преимуществом алифатических углеводородов (С9 – С14), ароматических соединений (С6 – С16) и карбоксильных кислот (С8 – С18). Нашли чрезвычайное накопление молекул в широком разнообразии закупоренных пор. Термодинамические вычисления показали, что условия Lost City являются самыми благоприятными для синтеза биомассы.
Известно, что некоторые из низкомолекулярных биоорганических соединений, бифункциональные мономеры, способны к поликонденсации до высокомолекулярных полимеров, таких как белки или нуклеиновые кислоты.
Таким образом, в условиях Lost City могло формироваться большое разнообразие биоорганических молекул. Но, как уже было сказано, это был реактор непрерывного потока, то есть вся эта биомасса по этим тонким порам выносилась наружу. А так как температура гидротермальной жидкости была выше, чем окружающий океан, то вступала в действие сила конвекции: потоки воды захватывали эту биомассу и растворяли в океане. Ни о какой концентрации, а тем более формировании первичного организма, не могло быть речи.
Так могло бы продолжаться до тех пор, пока не стали бы синтезироваться молекулы, которые бы не растворялись в воде, то есть, обладали бы гидрофобными свойствами. Такие свойства могли иметь первичные липиды.
Известно, что при высоких температурах липидные соединения могут быть произведены водным синтезом Фишера-Тропша типа. Тиоэфирная простая конденсация при гидротермальных условиях могла быть первым синтезом липидов: длинноцепочечных жирных и изопреновых кислот, а также моноглицеридов. Эти липиды, выходя с гидротермальной жидкостью на поверхность, прикреплялись бы к неорганическому основанию. Такая прогрессирующая липофилизация имела бы эффект снижения активности Н2О и Н3О+ около поверхности, что препятствовало бы гидролитическим реакциям, но способствовало бы всем реакциям конденсации, что привело бы к формированию более длинных молекул примитивных липидов и еще более обширному накоплению липидов. А появление длинных амфифильных липидов (то есть липидов с одним гидрофильным концом, а другим гидрофобным) способствовало бы формированию упорядоченной структуры, похожей на однослойную мембрану, которая, при определенной концентрации, могла бы самоорганизоваться в двухслойную мембрану.
Такие мембраны могли бы формировать липидные пузырьки, но тогда конвекция уносила бы их в океан. Очевидно, что для дальнейшей эволюции эти структуры должны были быть прикрепленными к неорганическому основанию, формируя органическую суперструктуру. Липидные мембраны обладают избирательной проницаемостью, поэтому между мембраной и неорганическим основанием могли бы накапливаться биоорганические молекулы. На поверхности неорганического основания центры железа, кобальта, никеля и других переходных металлов способствовали бы синтезу разнообразных органических молекул. Так, например, поверхности пирита могут нести Fe - S -кластеры, подобные Fe - S -энзимам.
При этой ситуации создаются соответствующие условия (более низкая температура) для синтеза других органических соединений, в том числе рибонуклеиновых кислот (РНК). РНК состоит их фосфорной кислоты, азотистого основания и сахара рибозы. Считается, что современные гидротермальные системы бедны фосфором, поэтому в них не могли бы формироваться нуклеиновые кислоты. Но предполагаемые процессы происходили (или могли бы происходить) миллиарды лет тому назад, когда в этих системах, вероятно, мог присутствовать фосфор. Так или иначе, первыми в этих системах могли появиться РНК. Известно, что среди РНК присутствуют рибозимы – молекулы РНК с каталитическими свойствами, выполняющими активную работу, то есть то, что должны делать белки. Таким образом, РНК могут выполнять обе главные жизненные задачи – хранения информации и активную работу. Поэтому описываемые структуры могли бы поначалу обходится без белков и ДНК, то есть сформировалась бы ситуация, описанная концепцией РНК-мира.
Известно, что среди рибозимов были найдены и катализаторы репликации молекул РНК – своих собственных и чужих. Ключевые энергетические молекулы – АТФ, НАД, НАДФ – также являются нуклеотидами. Кофермент А также является рибонуклеотидом. РНК также участвует во всех ключевых событиях клеточного метаболизма. Концепцию РНК-мира может поддерживать недавно обнаруженный феномен редактирования РНК – посттрансляционного изменения в первичной последовательности РНК, в результате которого синтезируется белок, отличающийся от геномного кода, чем нарушается принцип коллинеарности.
Потоки конвекции и тепловая диффузия имеют тенденцию концентрировать нуклеотиды в более прохладных областях гидротермальной щелочной системы, где РНК фосфорилирование, репликация и полимеризация более вероятны.
Известно, что рибосомные РНК могут синтезировать белок и без помощников. Известно также, что комплексы из молекул РНК и ионов кальция способны прикрепляться и к мембране и к поверхности минералов. Предположено, что сцепленные с поверхностью две расположенные рядом РНК могли способствовать более эффективному синтезу дипептидов и позже олигопептидов, то есть иметь анхимерный эффект – эффект содействия или ускорения реакции соседними функциональными группами.
Известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров, и эта хиральная чистота считается одной из фундаментальных характеристик живого. Можно думать о том, что эти вышеописанные примитивные рибосомы из пары РНК могли бы способствовать синтезу пептидов только из левовращающих аминокислот просто в силу своей пространственной конфигурации или конформации.
Как уже говорилось, концентрации углекислого газа в океанах ранней Земли были 1000-кратно выше современных. Растворяясь в воде, углекислый газ давал угольную кислоту, что имело последствие: кислый океан. Щелочные гидротермальные системы были хемоосмотическими, что делало естественным протонный градиент, у которого была полярность, идентичная в клетках сегодня.
Короче говоря, так или иначе, но можно думать о том, что в условиях гидротермальных систем миллиарды лет назад вполне могли начать формироваться первичные организмы (а то, что их могло формироваться не один, а множество, по-моему, понятно), и складывается впечатление, что жизнь все-таки могла зародиться на нашей Земле.
Литература:
Wachtershauser G. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2006 October 29; 361(1474): 1787–1808.
Еськов КЮ. Происхождение жизни
Tessera M. Int J Mol Sci 2011; 12(6): 3445-3458
Kawamura K. Analytical Sciences 2011 July, Vol 27 675-683
Марков А . Происхождение жизни
Lane N, Allen JF, Martin W, BioEssays 2010 Apr, Vol 32, Issue 4, 271-280
Baaske P, Weinert FM, Duhr S, Lemke KH, Russell MJ, Braun D. Proc Natl Acad Sci USA 2007 May 29; 104(22): 9346-9351
Russell MJ, Hall AJ. The Geochemical News 2002 v 113, 6-12
Russell MJ. Acta Biotheoretica 2007 v 55, n 2 133-79
Дейчман АМ, Цой ВЧ, Барышников АЮ. Редактирование РНК М 2005
