Журнал Вокруг Света № 3 за 2005 год (№ 2774) - Вокруг Света

Нет никакой надежды, что однажды клетка получилась сама собой из атомов химических элементов. Это невероятный вариант. Простая клетка бактерии содержит сотни генов, тысячи белков и разных молекул. Фред Хойл шутил, что синтез клетки так же невероятен, как сборка «Боинга» ураганом, пронесшимся над свалкой запчастей. И все же «Боинг» существует, значит, он был каким-то образом «собран», точнее «самособран». По нынешним представлениям, «самосборка» «Боинга» началась 4,5 миллиарда лет назад, процесс шел постепенно и был растянут во времени на миллиард лет. По крайней мере 3,5 миллиарда лет назад живая клетка уже существовала на Земле. Для синтеза живого из неживого на начальном этапе в атмосфере и водоемах планеты должны присутствовать простые органические и неорганические соединения: C, C2, C3, CH, CN, CO, CS, HCN, CH3CH, NH, O, OH, H2O, S. Стэнли Миллер в своих знаменитых опытах по абиогенному синтезу смешал водород, метан, аммиак и водяные пары, потом пропускал нагретую смесь через электрические разряды и охлаждал. Через неделю в колбе образовалась коричневая жидкость, содержащая семь аминокислот, и в том числе глицин, аланин и аспарагиновую кислоту, входящие в состав клеточных белков. Эксперимент Миллера показал, как могла образоваться предбиологическая органика – вещества, которые участвуют в синтезе более сложных компонентов клетки. С тех пор биологи считают этот вопрос решенным, несмотря на серьезную проблему. Дело в том, что абиогенный синтез аминокислот идет только в восстановительных условиях, вот почему Опарин полагал атмосферу ранней Земли метаново-аммиачной. Но геологи не согласны с таким выводом.

Проблема ранней атмосферы

Метану и аммиаку неоткуда взяться в большом количестве на Земле, считают специалисты. К тому же эти соединения очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света, метаново-аммиачная атмосфера не могла бы существовать, даже если бы эти газы выделялись из недр планеты. По данным геологов, в атмосфере Земли 4,5 миллиарда лет назад преобладали углекислый газ и азот, что в химическом отношении создает нейтральную среду. Об этом свидетельствует состав древнейших горных пород, которые в тот период были выплавлены из мантии. Самые древние породы на планете возрастом 3,9 миллиарда лет обнаружили в Гренландии. Это так называемые серые гнейсы – сильно измененные магматические породы среднего состава. Изменение этих горных пород шло миллионы лет под влиянием углекислых флюидов мантии, которые одновременно насыщали и атмосферу. В таких условиях абиогенный синтез невозможен. Проблему ранней атмосферы Земли пытается решить академик Э.М. Галимов, директор Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Он рассчитал, что земная кора возникла очень рано, в первые 50—100 миллионов лет после образования планеты, и была по преимуществу металлической. В таком случае мантия действительно должна была выделять метан и аммиак в достаточном количестве для создания восстановительных условий. Американские ученые К. Саган и К. Чайба предложили механизм самозащиты метановой атмосферы от разрушения. По их схеме разложение метана под действием ультрафиолета могло привести к созданию в верхних слоях атмосферы аэрозоля из частиц органики. Эти частицы поглощали солнечную радиацию и защищали восстановительную среду планеты. Правда, этот механизм разработали для Марса, но он применим и к ранней Земле. Подходящие условия для образования предбиологической органики не сохранялись на Земле долго. В течение следующих 200—300 миллионов лет мантия начала окисляться, что привело к выделению из нее углекислого газа и смене состава атмосферы. Но к тому времени среда для зарождения жизни уже была подготовлена.

На дне морском

Первожизнь могла зародиться вокруг вулканов. Представьте себе на еще хрупком дне океанов многочисленные разломы и трещины, сочащиеся магмой и бурлящие газами. В таких зонах, насыщенных парами сероводорода, образуются месторождения сульфидов металлов: железа, цинка, меди. Что если синтез первичной органики шел прямо на поверхности железо-серных минералов с помощью реакции углекислоты и водорода? Благо вокруг много и того и другого: диоксид и оксид углерода выделяются из магмы, а водород – из воды при ее химическом взаимодействии с горячей магмой. Есть и необходимый для синтеза приток энергии. Эта гипотеза не противоречит геологическим данным и основана на предположении, что ранние организмы жили в экстремальных условиях, как современные хемосинтетические бактерии. В 60-х годах XX века исследователи открыли на дне Тихого океана подводные вулканы – черные курильщики. Там в клубах ядовитых газов, без доступа солнечного света и кислорода, при температуре +120° существуют колонии микроорганизмов. Подобные черным курильщикам условия были на Земле уже 2,5 миллиарда лет назад, как о том свидетельствуют пласты строматолитов – следов жизнедеятельности синезеленых водорослей. Формы, похожие на этих микробов, есть и среди остатков древнейших организмов возрастом 3,5 миллиарда лет. Для подтверждения вулканической гипотезы нужен эксперимент, который показал бы, что абиогенный синтез в данных условиях возможен. Работы в этом направлении ведут группы биохимиков из США, Германии, Англии и России, но пока безуспешно. Обнадеживающие результаты получил в 2003 году молодой исследователь Михаил Владимиров из лаборатории эволюционной биохимии Института биохимии им. А.Н. Баха РАН. Он создал в лаборатории искусственный черный курильщик: в автоклав, наполненный солевым раствором, был помещен диск из пирита (FeS2), служивший катодом; через систему проходили углекислый газ и электрический ток. Через сутки в автоклаве появилась муравьиная кислота – простейшая органика, которая участвует в метаболизме живых клеток и служит материалом для абиогенного синтеза более сложных биологических веществ.

Источник органики

Если на Земле не было условий для синтеза предбиологической органики, то они могли быть в космосе. Еще в 1961 году американский биохимик Джон Оро опубликовал статью о кометном происхождении органических молекул. Молодая Земля, не защищенная плотной атмосферой, подвергалась массированным бомбардировкам кометами, которые состоят в основном изо льда, но также содержат аммиак, формальдегид, цианид водорода, цианоацетилен, аденин и другие соединения, необходимые для абиогенного синтеза аминокислот, нуклеиновых и жирных кислот – основных компонентов клетки. По подсчетам астрономов, на поверхность Земли выпало 1 021 кг кометного вещества. Вода комет образовала океаны, где через сотни миллионов лет расцвела жизнь.

Наблюдения подтверждают, что в космических телах и межзвездных пылевых облаках есть простая органика и даже аминокислоты. Спектральный анализ показал наличие аденина и пурина в хвосте кометы Хейли-Боппа, а в метеорите Мерчисон нашли пиримидин. Образование этих соединений в условиях космоса не противоречит законам физики и химии.

Кометная гипотеза популярна среди космологов еще и тем, что она объясняет появление жизни на Земле после образования Луны. Как принято считать, примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля столкнулась с огромным космическим телом. Ее поверхность расплавилась, часть вещества выплеснулась на орбиту, где из него образовался небольшой спутник – Луна. После такой катастрофы на планете не должно было остаться никакой органики и воды. Откуда же они появились? Их снова принесли кометы.

Проблема полимеров

Клеточные белки, ДНК, РНК – все это полимеры, очень длинные молекулы, наподобие нитей. Строение полимеров довольно простое, они состоят из частей, повторяющихся в определенном порядке. К примеру, целлюлоза – самая распространенная молекула в мире, которая входит в состав растений. Одна молекула целлюлозы состоит из десятков тысяч атомов углерода, водорода и кислорода, но вместе с тем это не что иное, как многократное повторение более коротких молекул глюкозы, сцепленных между собой, как в ожерелье. Белки – это цепь аминокислот. ДНК и РНК – последовательность нуклеотидов. Причем суммарно это очень длинные последовательности. Так, расшифрованный геном человека состоит из 3 миллиардов пар нуклеотидов.

В клетке полимеры производятся постоянно с помощью сложных матричных химических реакций. Чтобы получить белок, у одной аминокислоты нужно отсоединить гидроксильную группу OH с одного конца и атом водорода с другого, и только после этого «приклеить» следующую аминокислоту. Нетрудно видеть, что в этом процессе образуется вода, причем снова и снова. Освобождение от воды, дегидратация, – очень древний процесс, ключевой для зарождения жизни. Как он происходил, когда еще не было клетки с ее фабрикой по производству белков? Возникает проблема и с теплым мелким прудом – колыбелью живых систем. Ведь при полимеризации вода должна удаляться, но это невозможно, если ее полно вокруг.