Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Однако нельзя сказать, что Рассел не ошибся вообще ни в чем. Ученый представлял себе пузырьки и шпили из сульфида железа, однако башни Затерянного города имеют другой состав. Они по большей части образованы минералами-карбонатами, похожими на тот известняк, из которого сложены, например, Белые скалы Дувра, – это объясняет их светлую окраску. Впрочем, это не слишком меняет суть дела. Минералы подводных башен пористы: в них полно дырок, как у губки. Легко вообразить, как эти крошечные, наполненные водой полости в камне становятся приютом для первой жизни. Иными словами – становятся первыми небиологическими клетками. Эксперименты показали, что любые образовавшиеся здесь биологические молекулы собирались бы в концентрированные сгустки из-за постоянного потока жидкости^[404].

Примерно в то же время, когда был открыт Затерянный город, Рассел нашел себе нового коллегу. Им стал задиристый и крайне талантливый микробиолог Билл Мартин. Родом из Мэриленда, он какое-то время работал там столяром, а затем перебрался в Германию и в 28 лет обзавелся дипломом о высшем образовании. За свою карьеру Мартин сгенерировал целую череду парадоксальных идей, касающихся ранней эволюции жизни, причем многие из них оказались на удивление удачными. Но его сотрудничество с Расселом продолжалось всего десять лет и закончилось потому, что оба ученых, будучи очень яркими личностями, разошлись во мнениях о химии. Рассел сравнивал себя и своего коллегу с Джоном Ленноном и Полом Маккартни, которые тоже в какой-то момент не смогли больше работать вместе. Но Рассел, тем не менее, ценил Мартина очень высоко. “Без него я не смог бы этого добиться”, – говорит он. Мартин оказался идеальным партнером благодаря своим знаниям в области микробиологии, в которой геолог Рассел разбирался не слишком хорошо.

По-видимому, самым значительным вкладом Мартина стало предположение о том, что метаболизм первых живых существ был основан на так называемом пути Вуда – Льюнгдаля^[405]. Его используют многие современные бактерии и археи. Следуя по этому пути, углекислота и водород соединяются с более крупной молекулой – коферментом А. В результате образуется ацетилкофермент А и вода. Ацетилкофермент А то и дело мелькает в учебниках биохимии, поэтому его синтез открывает огромные возможности. Мартин считал, что именно этот метаболический путь (а не предложенный Вэхтерсхойзером обратный цикл лимонной кислоты) имеет большие шансы оказаться первичным. Ведь в нем нет ничего слишком сложного, такого, как циклы, да к тому же он может функционировать в нескольких разных режимах.

Гипотеза щелочных гидротермальных источников стала одним из самых активно цитируемых и авторитетных предположений о возникновении жизни. Именно ее биохимик и научный писатель Ник Лейн активно продвигает в своей книге “Жизненный вопрос” (The Vital Question)^[406]. Ему даже удалось рассказать о ней в прайм-тайм на телевидении – в эфире программы Брайана Кокса “Силы природы”. Мартин, в свою очередь, любит хвалиться частым упоминанием их гипотезы в учебниках биохимии и клеточной биологии – поскольку она связана с метаболизмом бактерий и архей.

Проницательный читатель может ощутить приближение некоего “но”. Действительно, “но” тут уместно, причем довольно весомое. Пробегитесь глазами по тексту этой главы и посчитайте, сколько раз в ней встречается слово “эксперимент”. Вам хватит пальцев одной руки. После ранних экспериментов с мембранами и сульфидом железа работа Рассела носила, можно сказать, теоретический характер, да и позднее, сотрудничая с Мартином, он в основном проводил анализ уже имеющихся данных биохимии. Так что вся эта сложная конструкция держится на весьма скромной экспериментальной опоре.

Среди оставшихся без ответа вопросов первым значится тот, что касается возможности образования органических соединений в щелочных гидротермальных источниках и, далее, их возможности сохраняться там. Группа Ника Лейна попыталась решить эту проблему с помощью созданного ими “реактора зарождения жизни”, который воспроизводил в себе среду щелочных источников^[407]. Он представляет собой стеклянный цилиндр диаметром десять сантиметров и десятисантиметровой же высоты, в который вставлены трубки для введения внутрь жидкостей. Наполнив этот реактор имитирующим первозданный океан кислым раствором и затем добавляя в него щелочную “гидротермальную воду”, ученые сумели получить полые трубки и сферы. В такой “настольной” версии гидротермального источника удалось преобразовать диоксид углерода в формальдегид. Формальдегид, в свою очередь, может быть использован для синтеза сахаров, в том числе рибозы и дезоксирибозы из РНК и ДНК соответственно. Впрочем, по правде говоря, последний этап стал возможен только после добавления в реакционную смесь концентрированного формальдегида. Небольшого количества этого соединения, образующегося в ходе самой реакции, было явно недостаточно. Этот старый трюк пребиотического химика делает условия опыта не слишком убедительными.

Стоит отметить, что группа Лейна избегала громких заявлений, называя свои исследования “предварительной проверкой гипотезы”, и после первой публикации с описанием реактора в 2014 году они больше не публиковали ничего нового по этой тематике. К тому же Вэхтерсхойзер заявил, что полученное в опыте количество формальдегида настолько мизерно, что может оказаться просто загрязнением (это предположение ранее уже выдвигалось, но команда не уделила ему тогда достаточного внимания^[408]).

Проведенные другими учеными эксперименты привели к таким же обескураживающим результатам. Так, Лори Барж из NASA проводила эксперименты в имитирующей щелочной источник смеси и смогла получить одну из аминокислот, исходя из пирувата^[409]. Это, безусловно, неплохо, однако десятилетия спустя после опытов Миллера получение горстки биологических молекул уже не впечатляет. Особенное разочарование связано с тем, что щелочные гидротермальные источники активны всего около ста лет, чего может быть недостаточно для полного цикла формирования клетки^[410].

Специализирующиеся на возникновении жизни химики не скрывают своего пренебрежительного отношения к этой гипотезе. Джон Сазерленд (встреча с которым предстоит нам в главе 14) написал как-то, что “ей, подобно самим глубоководным источникам, следует оставаться погребенной на дне океана”^[411]. Критики дружно упрекали Рассела и его сотоварищей в том, что ни у кого из них нет химического образования. Вновь и вновь скептики подчеркивали, что РНК и другие биологические молекулы нестабильные в растворе, поскольку вода вызывает их разрушение. Однако сторонники Рассела утверждали: необычные условия в гидротермальных источниках в сочетании с постоянным поступлением новых соединений через морское дно способны решить эту проблему. Необходимо заметить, что данное предположение не получило экспериментальных подтверждений. Но не было оно и опровергнуто: экспериментов проведено слишком мало.

И все же самая значительная трудность, касающаяся гипотезы щелочных гидротермальных источников, связана с тем, что как раз и делает ее уникальной и (на первый взгляд) убедительной. Речь идет о возможности начала метаболизма на основе естественного протонного градиента. Эта интуитивная догадка, приведшая к гениальному прорыву, не получила подтверждения в эксперименте. Да, все живое действительно использует протонные градиенты^[412], но все живое также имеет рибосомы, однако ведь никто не предполагает, что они имелись уже у первых организмов.

У этой проблемы есть два аспекта. Во-первых, нам не известно, формируется ли резкий градиент протонов в щелочных источниках вроде Затерянного города^[413]. Может быть, вместо этого щелочи медленно смешиваются с кислотой по всей длине трубки – в этом случае образуется слишком плавный протонный градиент, недостаточный для получения полезной энергии. Во-вторых, используемые жизнью ферменты, в том числе синтезирующие АТФ, это крупные и сложно устроенные молекулы. Пока не удалось отыскать их более простые версии, которые бы легко образовывались и при этом могли выполнять свои функции. Эта острая проблема вполне сравнима с проблемой Мира РНК, касающейся отсутствия самокопирующихся РНК.