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

Совсем недавно Рассел попытался разобраться с этим затруднением. По-видимому, первые организмы не использовали именно АТФ, поскольку аденозин в его составе является слишком сложной структурой. Однако суть АТФ скорее в цепочке фосфатов, а подобные им “полифосфаты” могут с легкостью образоваться сами по себе. Действительно, как отметил в 1992 году Гарольд Моровиц, многие микроорганизмы создают полифосфаты и используют их для хранения химической энергии^[414]. И теперь Рассел предполагает, что первые живые клетки содержали в себе самые простые молекулы полифосфатов, а именно – пирофосфат, в котором фосфатов всего два.

Чтобы встроить пирофосфат в созданную им схему, Расселу пришлось отказаться от идеи пузырьков и сульфида железа. “Многим они нравились, потому что напоминают клетки”, – отмечает он. Сейчас же Рассел считает, что поры в образующих гидротермальные источники породах были покрыты множеством тонких слоев “зеленой ржавчины”^[415]. Вы, наверное, замечали ржавчину зеленого цвета на, скажем, долго пробывших в морской воде старых стальных кораблях. Подобная ржавчина, образованная железом, водородом, кислородом и рядом других компонентов, нередко возникала при проведении экспериментов, в которых имитировали условия гидротермальных источников. Рассел полагает, что такие слои зеленой ржавчины в порах камней могли стать первыми “клеточными мембранами”.

Это дополнительное пояснение может показаться странным. Разве есть сомнения в том, что поры и сами по себе могли стать подходящим контейнером для преджизни? Однако Рассел считает, что именно зеленая ржавчина сделала возможным использование жизнью протонных градиентов для получения пирофосфата – в отсутствие нужных ферментов. Он полагает, что формирующийся на мембране из зеленой ржавчины градиент втягивал фосфаты и протоны в маленькие зазоры между ее кристаллами. Здесь они могли соединяться, превращаясь в пирофосфат. А тот, в свою очередь, уже оказывался в полостях между отдельными слоями ржавчины, где участвовал в реакциях с образованием различных биологических молекул. Это гениальная идея, которую Рассел в настоящее время пытается проверить на деле. “Если за три года мы не сможем показать, как это работает, нас ждут большие сложности”, – говорит ученый.

Но Рассел столкнулся и с другой проблемой: в 2019 году он лишился должности в Лаборатории реактивного движения NASA, где проработал много лет. В итоге ему пришлось перебраться в Италию, и он пытается проводить нужные ему эксперименты в европейских университетах.

Тем временем одно очень весомое доказательство в пользу гипотезы щелочных гидротермальных источников нашли генетики. В 2016 году команда Мартина опубликовала подробную родословную последнего универсального общего предка (LUCA), от которого произошли все современные живые существа. Для этого исследователи изучили гены 1930 разных микробов, отыскивая таких, которые встречались бы у всех, – а значит, могли быть и у LUCA. Дело оказалось непростым, поскольку микроорганизмы способны иногда встраивать в себя гены из неродственных им микробов – это называется горизонтальный перенос генов. В результате тот или иной ген может показаться древним и общим для многих микроорганизмов, хотя в действительности он является недавним изобретением эволюции, распространившимся за счет горизонтального переноса. После тщательного отбора имевшихся данных ученые получили список из 355 генов, которые были уже у LUCA^[416]. Из списка следует, что он жил в горячем месте, – то есть теоретически это может означать и щелочной гидротермальный источник (хотя и не обязательно). А еще оказалось, что LUCA, как и предполагал Мартин, использовал для получения биологических молекул метаболический путь Вуда – Льюнгдаля. Более того: похоже, что LUCA имел машинерию для использования протонного градиента, но сам его генерировать не умел. Это подтверждает идею об использовании им имевшихся естественных протонных градиентов гидротермальных источников. Последнее известие особенно поразительно, но все же к нему следует относиться с известной долей скепсиса, помня о горизонтальном переносе генов.

Гипотеза щелочных гидротермальных источников изящна, подробна и хорошо вяжется с микробиологией. Однако все это еще не означает ее правильности. Множество красивых и казавшихся правдоподобными идей на поверку оказались ошибочными, и пока не до конца понятно, сможет ли данная гипотеза преодолеть множество встающих перед ней препятствий.

И все же некоторые ее аспекты выглядят настолько убедительно, что окончательно верная теория непременно должна или включить их в себя, или найти другие ответы на те же вопросы. Очевидно, что решающую роль играет источник химической энергии, но, по-видимому, не менее важна и способность использовать или даже создавать протонный градиент.

Подводя итог сказанному, нельзя не упомянуть одно удивительное свойство этой гипотезы: попытку одновременно объяснить появление сразу двух компонентов живого – и метаболических циклов, и компартментализации. Такой подход представляется куда более целостным, чем стремление собрать “все и сразу” на основе только РНК или только белков. Рассел рассматривает формирование чего-то, что гораздо больше напоминает полноценную клетку, и уже одно это делает его гипотезу лидером среди тех, что объясняют возникновение жизни на нашей планете. В XXI веке многие ученые, вдохновившись примером Рассела, отказываются от попыток добиться “всего и сразу” на основе молекул одного типа. Вместо этого они ищут способы получить все компоненты жизни одновременно. И даже если гипотеза Рассела окажется ошибочной, его работы, несомненно, уже легли в основу этого нового подхода.

Часть IV Воссоединение

Вот клетка. Как и все подобные ей, она возникла от уже имевшейся клетки. Обобщая, мы можем сказать, что все клетки берут свое начало от одной клетки: около 4 миллиардов лет назад она была одинокой, единственной на всей планете Земля, а то и во всей Вселенной.

“Аннигиляция”, сценарий Алекса Гарленда

по мотивам романа Джеффа Вандермеера

Глава 12 Зеркальные отражения

Как мы убедились, на заре эпохи открытий, показавшей нам подлинную сложность устройства живого, ученые создали ряд новых гипотез возникновения жизни. Каждая из них сосредоточила свое внимание на одной определенной функции или на каком-то конкретном компоненте живого, считая, что именно этот аспект жизни возник первым. Остальные части живой клетки должны были присоединиться к нему позже. А еще мы убедились, что на самом деле подобные идеи не работают. Будь то гипотеза “вначале был белок” Фокса или Мир РНК – все эти простые системы так и не смогли стать по-настоящему похожими на жизнь. Настало время для нового подхода – подхода, позволяющего собрать все компоненты воедино. Важным шагом в этом направлении стала гипотеза щелочных гидротермальных источников, не лишенная, впрочем, некоторых недостатков.

Первые намеки на появление этого нового подхода появились в последнее десятилетие XX века, когда биохимики наконец взялись за одну очень коварную химическую проблему, неразрывно связанную с вопросом зарождения жизни. Эта проблема стала известна еще в XIX веке, и о ней прекрасно знали такие экспериментаторы, как Стэнли Миллер и Лесли Орджел. Однако попыток разобраться в ней с помощью экспериментов почти не предпринималось до самых 1990-х годов. Оставалась она в тени и когда расцвела теория щелочных гидротермальных источников, и когда бесследно растворился первичный бульон Опарина – Холдейна.

Проблема эта состоит в следующем. Каждый из нуклеотидов и почти любая аминокислота могут существовать в двух формах. Такие разновидности выглядят как зеркальные отражения друг друга – примерно как левая и правая ладони человека. Если все эти соединения имеют возможность образоваться естественным образом, то в результате мы всегда получаем смесь обоих в равных количествах. Но процессы жизни оказались привередливы: они используют одну – и только одну – из таких форм. Казалось бы, перед нами неразрешимый парадокс. Однако же решение было найдено и в дальнейшем открыло перед исследователями зарождения жизни новые горизонты.

Первые намеки на решение проблемы зеркально отраженных молекул связаны с именем французского физика Жана-Батиста Био. Био стал известен в 1803 году, ещё в двадцатидвухлетнем возрасте, когда описал космическое происхождение упавших на один небольшой город во Франции камней. Это описание положило начало активному изучению метеоритов^[417]. Десять лет спустя Био уже вовсю занимался оптикой, то есть исследовал свет.

Его особенно заинтересовал поляризованный свет, отличающийся от обычного своими свойствами. Свет, исходящий из какого-то источника (скажем, лампы) и движущийся к вашим глазам, ведет себя как волна – наподобие той, которую можно пустить по натянутой веревке, подергав за ее конец. Как правило, свет колеблется сразу во всех направлениях: вверх-вниз, влево-вправо и т. д. Но в случае поляризованного света колебания волны происходят только в одной плоскости. Словно кто-то все их аккуратно повернул так, чтобы они приняли одно направление.