Текст книги "Происхождение жизни. От туманности до клетки"

По первой теории жизнь зарождалась в среде, где было очень много растворенного цинка. Он мог включаться в структуры РНК и первых белков и сохраниться там до наших дней. Если же жизнь вышла из «черных курильщиков», то скорее можно ожидать, что в РНК и древних белках будет содержаться железо.

Как мы видели выше (табл. 6.1), цинк по общему содержанию в клетках сравним с железом и превосходит все прочие переходные металлы. В известных структурах РНК железо совершенно отсутствует, а цинк встречается чаще других переходных металлов (табл. 6.2). На втором месте – марганец, ведущий себя подобно цинку. Многие рибозимы требуют присутствия ионов металлов для проявления каталитической активности. Среди таких металлов самые распространенные – магний, цинк и марганец, а железо никогда не встречается.

Цинком также обогащены самые древние белки и ферменты с древними функциями. Из 49 универсальных белков (таких, которые присутствовали во всех прочитанных на 2008 год геномах) 37 содержат цинк, 19 – марганец и только 3 – железо. Причем цинк не обязательно нужен для каталитической активности, часто он просто стабилизирует трехмерную структуру. Один из таких древних белковых фолдов (укладок) – ДНК-РНК-связывающий домен, называемый «цинковый палец», где атом цинка связан между двумя остатками цистеина и двумя – гистидина, очень широко распространен, например, среди ДНК-связывающих белков.

Таким образом, можно сказать, что содержание металлов в клетках подтверждает теорию «цинкового мира», а не «железосерного».

В пользу «цинковой» теории говорит еще то обстоятельство, что ионы железа легко расщепляют РНК, связываясь с 2' и 3' гидроксильными группами рибозы. Поэтому клетки хранят избыток железа в связанном виде, вместе с белком ферритином. Вахтерхойзер, чтобы обойти эту сложность, предполагает, что первые нуклеиновые кислоты содержали вместо рибозы четырехуглеродные сахара, такие как эритроза. Подобные ксенонуклеиновые кислоты были получены искусственно, они устойчивы к ионам железа, щелочам и высокой температуре, могут комплементарно соединяться с классическими РНК, но в таком случае непонятно, почему они сменились более уязвимыми нуклеиновыми кислотами с рибозой (подробнее об этом будет рассказано в главе 12).

В целом теория «цинкового мира» находит больше подтверждений, но полностью отвергать роль химических реакций на поверхности пирита нельзя. В конце концов, зоны сульфидов железа и сульфидов цинка соседствуют в одних и тех же геотермальных источниках. Вещества, синтезируемые на сульфиде железа, постепенно смываются и переносятся с током воды и пара в зону сульфида цинка, где могут включаться в происходящие там под действием света процессы. Именно железосерный «нижний этаж» геотермальных источников мог поставлять наверх серосодержащие вещества: карбонилсульфид, меркаптаны, тиоацетат и тиометилацетат. Последний особо важен для биохимии, так как является простейшим аналогом ацетилкофермента А, способного легко присоединять ацетильную группу (CO-CH₃) к другим органическим молекулам (подробнее об ацетилкоферменте А будет рассказано в главе 11).

Живые клетки содержат большое количество фосфора. Он входит в состав ДНК, РНК, энергетической «валюты» – АТФ и многих других жизненно важных молекул. Сахара присутствуют в клетках в основном в фосфорилированной форме. Однако в неживой природе фосфор существует практически только в виде фосфатных минералов, таких как апатит Ca₅(PO₄)₃OH, которые нерастворимы в воде и химически инертны. Более того, высокая концентрация растворенного фосфата несовместима с клеточными концентрациями магния и кальция – их фосфаты плохо растворимы и должны выпадать в осадок. В клетке этого не происходит, потому что почти весь внутриклеточный фосфор находится в составе различных фосфорилированных органических молекул, соли которых с магнием и кальцием растворимы.

Как же собрать в колыбели жизни достаточно фосфора, причем в форме, пригодной для получения сахарофосфатов и нуклеотидов? В принципе, возможно несколько решений (рис. 6.6). Например, пирофосфат (P₂O₇⁴⁻) растворим в воде в присутствии кальция и магния и, более того, способен служить источником энергии для биохимических реакций, подобно АТФ. Некоторые микроорганизмы и сейчас используют пирофосфат для тех реакций, которые у других организмов требуют затрат АТФ. Другая растворимая и химически активная форма фосфора – фосфит (HPO₃²⁻). Это соединение может окисляться до фосфата с выделением большого количества энергии и давно используется химиками для синтеза искусственной ДНК (Lestinger et al., 1975). Кроме того, многие бактерии обладают ферментами для окисления фосфита и могут использовать его как единственный источник фосфора. Некоторые бактерии даже способны получать энергию из процесса окисления фосфита.

Где и как могли накопиться пирофосфаты или фосфиты в высоких концентрациях? Хорошим источником могут быть метеориты. В двух типах метеоритов (состоящие из железа и силикатов энстатитовые хондриты и железные метеориты) содержится до 0,1–0,5 % минерала шрайберзита (фосфид железа Fe₃P). При попадании в воду шрайберзит постепенно разлагается, выделяя фосфиты, фосфаты, пирофосфаты, оксид железа и водород. До 50 % фосфора из шрайберзита переходит в фосфиты и до 5 % – в пирофосфаты. Фосфит устойчив к ультрафиолетовому излучению, не окисляется в отсутствии катализаторов и может сохраняться в морской воде сотни миллионов лет (Pasek et al., 2008).

Другой источник фосфитов и пирофосфатов – вулканы и связанные с ними наземные геотермальные источники. Измерения японских геохимиков на вулкане Усу (остров Хоккайдо) показали, что в выходящих из фумарол вулканических газах с температурой 540–700 °C содержится заметное количество летучих оксидов фосфора: P₄O₁₀, PO₂ и P₄O₆. При лабораторном моделировании поведения жидкой лавы при температуре 1300 °C оказалось, что до 40 % фосфора из нее улетучивается в виде оксидов (Yamagata et al., 1991). Последующее растворение этих оксидов в воде дает фосфиты и пирофосфаты.

Вода многих наземных геотермальных источников обогащена соединениями фосфора: например, в грязевых котлах Мутновской сопки на Камчатке его концентрация достигает 0,01 % (Bortnikova et al., 2009). В большинстве геохимических анализов геотермальной воды измерялся общий уровень фосфора во всех формах, не различая фосфат, пирофосфат и фосфит, но для горячих источников Мамонтовых озер в Калифорнии показано, что до половины фосфора в их воде содержится в виде фосфита (Pech et al., 2009). В древних вулканических газах и геотермальных водах, скорее всего, содержание всех форм фосфора было еще в несколько раз выше, потому что древнейшие материки, как мы помним из главы 4, были сложены богатыми фосфором KREEP-базальтами.

Еще один механизм накопления фосфора связан с уже упомянутыми кристаллами сульфида цинка. Как мы помним, на свету эти кристаллы постепенно разрушаются. В качестве подходящего восстановителя для предохранения ZnS от фотокоррозии, как оказалось, идеально подходят восстановленные формы фосфора – фосфиты и гипофосфиты (H₂PO₂⁻). В присутствии фосфитов ZnS проводит восстановление CO₂, сопряженное с окислением фосфита до фосфата. Более того, значительная часть этого фосфата соединяется с прилипшими к кристаллу органическими молекулами, образуя фосфорилированные сахара и кислоты, как в клетках. Это один из возможных путей накопления фосфорилированной органики в местах зарождения жизни.

Поиск местообитаний, богатых переходными металлами и фосфором, ведет нас к горячим источникам вблизи вулканов. Как мы помним, еще одна особенность минерального состава клеток – это высокая концентрация калия и малая – натрия. В морской воде соотношение этих металлов обратное. Если фосфор и соли переходных металлов в принципе могут накапливаться в высыхающих водоемах любого типа, то соотношение калий-натрий не меняется при высыхании и поэтому является самым надежным признаком возможной колыбели жизни.

Геотермальные воды горячих источников разных типов сильно отличаются друг от друга по соотношению калия и натрия, среди них есть похожие в этом отношении как на морскую воду, так и на клетки. Горячие источники обычно питаются водой с поверхности – дождевой, снеговой или речной, так называемыми метеорными водами. Метеорные воды стекают по трещинам и сквозь поры вглубь земной коры, ближе к магматическому очагу, там нагреваются и частично растворяют горные породы. Поднимаясь снова к поверхности, горячая вода закипает по мере снижения давления. Чаще всего пар выходит из земли по трещинам прямо над магматическим очагом, и такие выходы называются фумаролами. Жидкая вода, которая не успела выкипеть, тоже поднимается по трещинам и выходит на поверхность горячими источниками. Типичное геотермальное поле, например, Лардерелло в Италии, состоит из множества фумарол в середине и горячих источников по краям.

В холодном и влажном климате (Камчатка, Исландия, Йеллоустоун, Новая Зеландия) встречается еще два типа горячих источников – гейзеры и грязевые котлы. Гейзер периодически выбрасывает струю горячей воды под давлением, а в остальное время из него идет пар. Если пар охлаждается не текущей сверху холодной водой, а холодным воздухом на поверхности, то он конденсируется, и получаются грязевые котлы. Их грязь состоит из мельчайших частиц глины, которые образуются из поднимающихся с паром летучих силикатов.

В совместной работе Армен Мулкиджанян и вулканолог Андрей Бычков (2012) показали, что из всех типов водоемов и горячих источников именно грязевые котлы лучше всего подходят на роль колыбели жизни. Как известно геологам, при кипении горячей минеральной воды, особенно при температурах выше 100 °C (под давлением), происходит разделение растворенных веществ. Одна их часть остается в жидкости и выходит в горячих источниках, а другая испаряется вместе с водой и выходит через фумаролы и грязевые котлы. Понятно, что с паром вырываются прежде всего вулканические газы, которые были растворены в воде (H₂S, CO₂, NH₃, HCN), но также в пар переходят оксиды фосфора, силикаты и соли некоторых металлов, прежде всего калия, цинка и марганца (рис. 6.7)! За счет разделения ионов металлов при кипении пар, поднимающийся от магматического очага, содержит много калия и мало натрия, как цитоплазма клеток. Такой же минеральный состав имеет и жидкость грязевых котлов, образуемая при охлаждении и конденсации этого пара. Иными словами, жидкость грязевых котлов – это наиболее похожая на цитоплазму клеток природная среда. Вода геотермальных источников, которая не выкипела под землей, а поднималась на поверхность в жидком виде, наоборот, обогащена нелетучими солями – хлоридами натрия и железа.

Грязевые котлы обогащены именно теми элементами, которые накапливают клетки: калием, фосфором, азотом (в виде аммиака) и микроэлементами: цинком, марганцем, молибденом и бором (в следующей главе мы увидим, что молибден и бор очень важны для появления РНК). Натрия в них немного, и соотношение калий/натрий получается близким к внутриклеточной среде. Правда, современные грязевые котлы содержат много серной кислоты, которая получается при реакции сероводорода с кислородом воздуха, и практически необитаемы. Но в древние эпохи, когда кислорода в атмосфере еще не было, грязевые котлы должны были иметь нейтральную среду и быть пригодными для жизни. В нейтральной среде силикаты должны были осаждаться не в виде жидкой глины, а в виде цеолитов и других твердых пористых силикатных минералов с огромной поверхностью. Ионы цинка и марганца в сероводородной воде должны были осаждаться в виде сульфидов, причем для такого способа накопления ZnS и MnS даже не требуется повышенное атмосферное давление.

Получается, что наземное геотермальное поле предоставляет почти все необходимое для зарождения жизни:

• среду, обогащенную калием, фосфором и необходимыми микроэлементами;

• местообитание со встроенным источником тепла, с практически постоянными условиями независимо от капризов погоды;

• пористые минеральные осадки, работающие в качестве катализаторов и предоставляющие огромное количество раздельных микроотсеков для обитания доклеточных форм жизни;

• испаряющиеся лужи, в которых могут накапливаться органические вещества и благодаря высокой концентрации солей и формамида может идти образование цепочек РНК и белков;

• несколько разных механизмов получения органических веществ из атмосферного CO₂ и азота;

• освещаемую солнцем поверхность, на которой идут фотохимические реакции, и совсем рядом с ней – защищенные от ультрафиолета поры в осадках;

• подогреваемые с одной стороны поры и трещины, в которых происходит накопление нуклеотидов и РНК до высоких концентраций.

Никакие другие местообитания не обладают сразу всеми этими достоинствами. Например, в «черных курильщиках» нет обогащения калием и фосфором, нет ультрафиолета и нет накопления веществ в испаряющихся лужах. Так что грязевые котлы наземных геотермальных полей на сегодня представляются самым вероятным местом появления жизни.

Глава 7
Получение нуклеотидов из продуктов атмосферной фотохимии

Вспомним, как устроены нуклеиновые кислоты: РНК и ДНК. Их длинные молекулы состоят из повторяющихся единиц – нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех основных деталей: азотистого основания, сахара (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК) и фосфата. Остов молекулы составляют соединенные в цепочку сахара и фосфаты, а азотистые основания прикреплены к сахарам сбоку (рис. 7.1). В двухцепочечной форме две цепи РНК или ДНК лежат рядом и образуют двойную спираль. Их азотистые основания контактируют между собой, образуя комплементарные пары А-Т и Г-Ц, а сахарофосфатные остовы удалены друг от друга, располагаясь кнаружи от пар азотистых оснований.

Когда в клетке строятся новые молекулы ДНК или РНК, сначала рибоза соединяется с одним из четырех азотистых оснований. Такая молекула называется нуклеозид. Дальше к ней присоединяются фосфатные группы общим числом до трех. Нуклеозид с фосфатными группами составляет нуклеотид. Далее из нуклеотидов строится цепочка РНК или ДНК. Новые нуклеотиды присоединяются к цепочке по одному, и каждый раз две фосфатные группы отделяются, а третья входит в состав цепочки. На построение фосфатного хвоста нуклеотидов затрачивается энергия, а при его распаде эту энергию можно использовать разными способами. Нуклеотид-трифосфаты и другие формы нуклеотидов, которые можно соединить в цепочку РНК без дополнительных затрат энергии, называют еще «активированными нуклеотидами». Один из активированных нуклеотидов, АТФ (аденозинтрифосфат), играет в клетках роль универсальной энергетической «валюты», подобно электрической энергии в человеческой цивилизации (рис. 7.2). АТФ может с равным успехом обеспечивать энергией сборку РНК, ДНК и белков, сокращение мышц, прохождение нервного импульса, фильтрацию и концентрирование солей в почках, а также множество других процессов.

Соответственно, чтобы получить РНК, не имея клеток и ферментов, надо как-то создать азотистые основания и рибозу из тех веществ, которые были доступны на древней Земле. Потом необходимо соединить их друг с другом и с фосфатом в нуклеотиды, а затем соединить нуклеотиды в цепочки.

Как мы помним, атмосфера древней Земли могла состоять в основном из углекислого газа и азота, и органические вещества в такой среде не образуются. Во время проведения опытов Миллера по получению аминокислот и другой органики в электрических разрядах ученые использовали смесь водорода, метана и аммиака, которая в условиях Земли быстро будет разрушена солнечным ультрафиолетом. В прошлой главе мы определили, что первые шаги земная жизнь делала в геотермальных водоемах, где есть несколько источников органических веществ. Это фотосинтез на кристаллах сульфида цинка, поставляющий муравьиную, уксусную и другие органические кислоты, и реакции на горячем сульфиде железа, в которых образуется карбонилсульфид (COS), меркаптаны, тиоуксусная кислота (CH₃COSH) и ее эфиры. Для синтеза азотистых оснований это не очень подходящее сырье, потому что там нет необходимого азота, зато есть ненужная для РНК сера. Однако если на планете действует постоянный источник метана, то солнечный ультрафиолет может производить из него и атмосферного азота хорошее сырье для азотистых оснований и сахаров.

В 2000 году на дне Атлантического океана были обнаружены белые колонны неправильной формы и высотой до 50 м. Из колонн сочилась горячая вода. Это гидротермальное поле, получившее название Lost City («затерянный город»), отличается от «черных курильщиков», о которых мы говорили ранее. Температура воды в Lost City около 80 °С, и несет она не сульфиды металлов, а гидроксид магния, который выпадает в осадок и слагает белые колонны. В отличие от «черных курильщиков», Lost City находится примерно в 50 км от рифтовой долины, и его вода подогревается не горячей магмой, а химическими реакциями в толще твердых донных пород. Эти реакции в геологии называются «серпентинизация»: в них изверженные в рифтовой долине базальты превращаются в минералы зрелого океанского дна – серпентиниты. Серпентинизация происходит, когда базальт остывает до 200–300 °С, трескается и в трещины входит морская вода. Она реагирует с силикатами железа, окисляя железо до магнетита, при этом выделяется водород:

3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2H₂.

Если в воде был растворен углекислый газ, то он в этих условиях восстанавливается до метана (CH₄) и муравьиной кислоты (HCOOH). В горячей воде Lost City растворено до 30 мг/л метана и водорода, до 7 мг/л муравьиной и до 1 мг/л уксусной кислоты; изотопный состав углерода в них точно такой же, как в углекислом газе, т. е. метан и кислоты образуются абиогенно, без участия микробов (Lang et al., 2010).

Горячие источники, подобные Lost City, с тех пор были найдены во многих районах океанского дна. Их населяют богатые микробные сообщества, питающиеся метаном, муравьиной кислотой и водородом. На древней Земле геологические процессы были гораздо активнее, содержание углекислоты в океанской воде – выше, и серпентинизация производила большое количество водорода и метана. Выходящий в атмосферу метан вступал в химические реакции под действием солнечных лучей. Подобные процессы мы сейчас можем наблюдать в атмосфере Титана – крупнейшего спутника Сатурна, обладающего атмосферой из азота и 1–2 % метана. Как показали наблюдения зонда «Кассини» и его спускаемого аппарата «Гюйгенс», в атмосфере Титана метан превращается в ацетилен (C₂H₂) и более сложные углеводороды (Raulin, Owen, 2002). Кроме того, под действием ультрафиолета метан реагирует и с прочными молекулами азота, при этом образуются цианид (HCN) и его производные – цианамид (NH₂ CN) и цианоацетилен (HC₃N). Эти вещества создают желтую дымку в атмосфере Титана, скрывающую его поверхность.

Земля отличается от Титана в нескольких отношениях. Во-первых, она в 10 раз ближе к Солнцу и получает в 100 раз больше ультрафиолетовых лучей на каждый квадратный метр атмосферы. Во-вторых, она гораздо теплее, чем промерзший до –170 °С Титан, и в ее атмосфере есть еще водяной пар и углекислый газ. Поэтому на древней Земле метан в атмосфере реагировал не только с азотом, но и с углекислым газом и водой, образуя формальдегид (CH₂O). В-третьих, на Земле идут (и почти всегда шли) дожди из жидкой воды, поэтому продукты фотолиза метана не накапливаются в виде дымки, а растворяются в каплях воды и выпадают с дождем. И синильная кислота, и формальдегид хорошо растворимы в воде и быстро вымываются дождями из атмосферы (рис. 7.3). Поэтому на поверхность древней Земли регулярно поступали те органические вещества, из которых в принципе можно построить аминокислоты, сахара и нуклеотиды: формальдегид, цианид, цианамид и цианоацетилен. Хотя мы привыкли считать цианид сильнейшим ядом, на самом деле он блокирует только кислородное дыхание. Анаэробные (живущие без кислорода) бактерии могут им питаться, и, как мы вскоре увидим, цианид является отличным сырьем для производства азотистых оснований и РНК на заре жизни.

Кроме фотохимических реакций метана есть и другие источники цианида и формальдегида. Цианид обнаруживается в газах и испарениях геотермальных полей, например на склонах Мутновской сопки на Камчатке. Формальдегид образуется из углекислого газа и паров воды при разрядах молний и при контакте атмосферы с горячим металлическим железом (обломки упавших метеоритов и включения железа в вулканических лавах) (Cleaves, 2008).

Цианид постепенно реагирует с водой и превращается в формамид (NH₂CHO). Как мы увидим, формамид тоже может быть хорошим предшественником нуклеотидов, кроме того, он отличается высокой температурой кипения (218 °C) и поэтому может накапливаться в высыхающих лужах после дождя.