Теорию «первичного бульона» выдвинул в первой трети прошлого века советский биохимик Александр Иванович Опарин, и она надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Работа Опарина «Происхождение жизни» вышла в 1924 г. и была переведена на английский язык в 1938 г. Но еще раньше идеи Опарина нашли горячую поддержку у британского биолога Джона Холдейна, и он опубликовал ряд работ в том же направлении.
Согласно теории Опарина — Холдейна древнейшая атмосфера Земли была полностью лишена кислорода и состояла из метана, аммиака и водорода. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии — грозы и извержения вулканов, — в океане начали формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.
Эксперимент Миллера
В 1954 г. Стэнли Миллер провел следующий эксперимент. Он создал аппарат из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб Миллер поместил устройство, имитирующее грозовые эффекты, — два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тыс. вольт; в другой колбе постоянно кипела вода. Затем он заполнил аппарат газовым составом, который, как он полагал, соответстветствовал атмосфере древней Земли: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В получившемся вязком месиве было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты — глицин и аланин. Позднее в разных условиях были получены также сахара и нуклеотиды.
Результат был очень вдохновляющим, но прошло несколько десятилетий —и восторги несколько поутихли. Во-первых, предположение, что древнейшая атмосфера Земли состояла из метана, аммиака и водорода не подтвердилось. Для атмосфер каменистых планет характерен углекислый газ. Во-вторых, в 1960-х гг. случился прорыв в области изучения внутреннего устройства клетки. Тут то и выяснилось, что даже самая простая клетка устроена невероятно сложно. В клетке налажен изумительный механизм сложнейших молекул, и чтобы научиться такому слаженному взаимодействию, они должны были собраться в одном месте и остаться в близком соседстве надолго. Это очень трудно представить себе на морских просторах, где любая тесная компания в любой момент может быть разбавлена. Молекулы современной клетки удерживает от разброда и шатания сложно устроенная оболочка, но ведь когда-то ее не было! Скорее всего, дружное сообщество молекул возникло в каком-то ограниченном пространстве, вероятно, очень небольшом. Вдумчивый анализ химического состава нашего организма поможет понять, где и как это произошло.
Все знают, что наша кровь соленая на вкус. По своему химическому составу плазма крови близка к морской воде. Как и в море, там очень много хлористого натрия. Это — свидетельство того, что многоклеточные организмы формировались в морской воде, и кровь имитирует среду, в которой обитали исходные одноклеточные. У примитивных морских животных концентрация хлористого натрия практически совпадает с окружающей средой. На этом этапе, они еще просто не умеют регулировать соляной состав своего тела, у них нет таких органов, как почки.
При выходе на сушу животные попытались от избытка соли избавиться, но это им не вполне удалось. Концентрация NaCl в плазме наземного млекопитающего в несколько раз меньше чем в океанической воде, но все равно очень высокая. К тому времени как наши предки решились покинуть моря, слишком много тонких механизмов было настроено на определенный химический состав, например передача сигнала нейронами. Что-либо менять радикально было уже поздно. И вот по суше расползлись ходячие аквариумы с соленой водой. Когда они отползли далеко от берега, то стали страдать от недостатка соли и искать ее повсюду. Вот почему олени бегают на солонцы, а люди добавляют соль во все блюда. Вкус соли для нас приятен, потому что нам ее не хватает.
Пока все ложится на концепцию моря как колыбели жизни. Но плазма крови — не единственный вид жидкости в нашем теле, у цитоплазмы (внутриклеточной жидкости) состав совершенно другой. Натрия там совсем мало, даже меньше, чем в озерной воде, которую мы привыкли считать пресной. Зато там много калия, которого в морской воде и плазме крови совсем чуть-чуть. Очень многие внутриклеточные механизмы завязаны на него. Кроме того, в цитоплазме повышена концентрация четырех тяжелых металлов: железа, цинка, меди, марганца. Наконец, в клетке полно фосфора. Его там в тысячи раз больше, чем обычно бывает в морской воде. Чтобы поддерживать у себя внутри всю эту экзотику, плавающему в толще морской воды одноклеточному нужна плотная мембрана и сложная система транспортных белков, которые, как насосы, закачивают внутрь железо, медь, цинк, марганец, калий и фосфор и выводят наружу натрий. И как же такое могло получиться?
Напрашивается вывод, что собиралось все это в совершенно другой среде, близкой по химическому составу к цитоплазме. Именно там возникли первые одноклеточные. Потом их смыло в море, отчего они в большинстве своем, конечно же, погибли, но самые упрямые и удачливые обзавелись плотной мембраной и системой транспортных белков. Их потомки заселили океан, и спустя сотни миллионов лет из них получились многоклеточные животные. Таким образом, наша кровь хранит память о море, а цитоплазма — о еще более древней прародине.
Тайна "черных курильщиков"
Но где она была, эта загадочная прародина? Где в природе можно найти столь необычный химический коктейль? Мысли ученых обратились было к «черным курильщикам». Эти геологические образования время от времени находят глубоко на дне океанов, в рифтовых долинах на стыке литосферных плит. В некоторых местах магма там подходит к поверхности особенно близко, а в базальтах есть трещины. По этим трещинам просачивается морская вода.
Поскольку дело происходит на глубине в несколько километров, давление там огромное и вода при ста градусах и не думает закипать и испаряться. Она может разогреться до 300–400 ºC и остаться в жидком состоянии. Такой сверхкрутой кипяток отлично растворяет соединения серы и тяжелых металлов из окружающих пород. Потом этот чудовищно перегретый раствор рвется вверх и фонтанами бьет из дна, но очень быстро смешивается с ледяной водой окружающего океана. Раствор стремительно остывает, и некоторые растворенные в нем вещества начинают выпадать обратно. Из растворенных сульфатов получаются мелкие кристаллики сульфидов, нерастворимых и черных. Струя, бьющая из трещины, выглядит как густой черный дым, очень похожий на дым от горящих покрышек. Сульфидный порошок оседает вниз, и из дна подобно сталактитам вырастают черные башни, иногда покрытые белым налетом.
Химия в окрестностях «курильщиков» и впрямь богатая, но все-таки подходит не совсем. С четырьмя тяжелыми металлами все в порядке. Черный «дым» и белый налет на башнях «курильщиков» как раз и составляют частички сульфида железа, меди, цинка и марганца. Но натрия там многовато, плюс температуру 300 градусов Цельсия никакие термофилы не выдержат. При таком жаре белковые молекулы разрушаются. И, в довершение всего, мало фосфора, а, как мы помним, живой клетке его нужно очень много.
Есть и еще один аргумент не в пользу глубоководных гидротермальных полей. Живая клетка собирается из азотистых оснований, которые лучше других аналогичных молекул способны противостоять разрушительному действию ультрафиолетового излучения. Следовательно, она возникла там, где такого излучения много, а не на глубинах, куда не проникает ни единый солнечный луч. Между тем только на таких глубинах возможен сверхперегретый раствор, обеспечивающий богатый химический состав.
Вопрос о происхождении фосфора в живой клетке особенно сильно занимает ученых. Дефицит этого элемента в пригодных для усваивания живыми организмами состояниях вообще является одним из важнейших лимитирующих факторов развития земной биосферы. Обычно элемент P встречается в связанном виде в составе горных пород апатитов, которые растворяются очень плохо. Чтобы превратить апатиты в фосфорные удобрения их обрабатывают концентрированной кислотой. Современные дикорастущие растения и животные обычно берут фосфор из других организмов. А вот откуда его брали самые первые живые клетки?
Бессточные содовые озера
В январе 2020 г. по этой теме вышла интересная научная работа. Американские ученые Джонатан Тонер (Jonathan Toner) и Дэвид Кэтлинг (David Catling) из Вашингтонского университета в Сиэтле, рассматривают в качестве потенциальной «колыбели жизни» бессточные содовые озера. В жарком климате высокая скорость испарения приводит к тому, что воды этих озер становятся сильнощелочными. Авторы изучили богатые карбонатами озера: Моно и Серлс в Калифорнии, Лонар в Индии, Магади в Кении и одноименное озеро в Танзании. Оказалось, что в этих водоемах уровень фосфора в 50 000 раз выше, чем в реках, морской воде, а также в озерах других типов. Лабораторные тесты показали, что кальций в содовых озерах связывается с карбонат-ионом раньше, чем с фосфат-ионом, оставляя фосфат в свободном доступе в воде. Обычно же фосфор осаждается в виде нерастворимых фосфатов кальция еще до осаждения карбоната кальция. При этом чем выше содержание в водах растворенного неорганического углерода, тем больше в них остается свободного фосфора. Натрий в такой ситуации связывается и осаждается раньше фосфора, хотя его там все равно многовато.
Авторы считают, что 4 млрд лет назад на Земле были все условия для формирования таких озер и зарождения в них жизни. Свежие вулканические породы при контакте с насыщенной углекислым газом атмосферой подвергались интенсивному кислотному выветриванию и высвобождающийся при этом из пород фосфор вместе с кальцием попадал в водоемы, где фосфор в результате пребиотических реакций включался в состав строительных блоков для создания РНК, белков и жиров.
Поскольку кушать фосфор тогда было еще особо некому, он должен был накапливаться в еще более высоких концентрациях, чем в современных озерах. И для этого не требовалась такая высокощелочная среда, как сейчас. Из-за повышенного содержания СО2 в атмосфере насыщенные фосфатом рассолы на ранней Земле могли быть нейтральными или даже слабокислыми.
Ранее эти же авторы показали, что условия содовых озер позволяют формирование высоких концентраций цианидов — солей синильной кислоты, участвующих в синтезе аминокислот, нуклеотидов и предшественников липидов.
Вулканические грязевы котлы
Однако на роль колыбели жизни претендует еще один кандидат. Это грязевые вулканические котлы. Такую научную гипотезу активно продвигают известный российский биофизик Армен Яковлевич Мулкиджанян и геолог Андрей Юрьевич Бычков.
Грязевые котлы возникают, когда геотермальное поле расположено на суше, но в местности со сравнительно холодным и влажным климатом. Тогда случается, что дождевая вода, заливая огнедышащие трещины, частично испаряется, а частично просто нагревается, а потом постепенно остывает в каком-нибудь озерце или ручье. Получается своего рода перегонный куб, где происходит разделение веществ. Хлорид натрия остается в воде, а вот соли калия, цинка и марганца и соединения фосфора летят с паром. Притом этот пар вполне может где-нибудь конденсироваться. Кроме того, с паром еще летят силикаты, которые затем образуют зернистую грязь. Так возникает грязевой котел.
Что особенно приятно, там присутствует оксид фосфора в виде газа. Он очень хорошо реагирует с водой, и получаются полифосфаты — фосфорные цепочки. А ведь это важнейший элемент живой клетки! В биохимических процессах источником энергии является расщепление полифосфатной цепочки.
С медью и железом в грязевых котлах, правда, несколько хуже, но они и не столь критичны. Медь так вообще нужна только при кислородном метаболизме, а его на ранних этапах существования жизни быть не могло.
Правда, наряду с нужными веществами, на геотермальных полях обильно образуется серная кислота. Вероятно, именно это обстоятельство долго мешала ученым обратить внимание на грязевые котлы как место возникновения жизни. Какая уж там жизнь в такой агрессивной среде! Но дело в том, что кислота образуется от взаимодействия с атмосферным кислородом. Между тем свободный кислород в современной земной атмосфере является биогенным. Он — продукт фотосинтеза зеленых растений и цианобактерий. Естественно, что на момент возникновения первых живых организмов и еще довольно долго после их возникновения кислорода в атмосфере не было. Следовательно, не было и процесса образования серной кислоты в геотермальных источниках.
Есть и другие аргументы в пользу грязевых вулканов — наличие каолинитов, той самой зернистой грязи. Одной из замечательных особенностей этих минералов является их высокая пористость. Представьте себе пористый материал, пропитанный жидкостью, которая конденсировалась из пара в грязевом котле. Там полным-полно калия, совсем мало натрия, имеется цинк и марганец, в изобилии полифосфаты. Все это собрано в мелкие капельки, ограниченные минеральными стенками. Ничего не напоминает?
Добавьте к этому довольно стабильную температуру (зимой вода не замерзает) и некоторую склонность к пересыханию. Последнее приводит к тому, что время от времени концентрация растворов может резко возрастать, и все реакции ускоряются. В общем, очень похоже на то, что в таких вот пористых глинах все необходимые живой клетке комплексы молекул впервые и собрались. Но в грязевых ли котлах или в содовых озерах, всее ведет к тому, что жизнь зародилась на суше, хоть и в водной среде. Потом особо настырные ее представители освоили море, где за миллиарды лет эволюционировали в животных и отправились на повторное завоевание континентов.
По аналогии с первичным бульоном, теорию возникновения жизни в тонком слое воды на минеральной подложке называют «теорией первичной пиццы».
Статья была опубликована в журнале "Наука и техника"
