Текст книги "Происхождение жизни. От туманности до клетки"

Почти вся современная жизнь прямо или косвенно зависит от энергии солнечного света, которая в ходе фотосинтеза используется для построения сахаров и других клеточных веществ. Даже глубоководные сообщества, обитающие в полной темноте, зависят от кислорода, вырабатываемого водорослями в верхних слоях океана. Как известно, в стратосфере существует озоновый слой, который поглощает 99 % ультрафиолетового излучения Солнца. Озон (О₃) образуется из кислорода под действием того же ультрафиолета. В древние геологические эпохи, когда кислорода в атмосфере еще не было, озонового слоя тоже не могло быть. Более того, молодое Солнце излучало больше ультрафиолета, чем сейчас, когда оно, разменяв пятый миллиард лет, стало спокойной звездой среднего возраста. Поэтому во времена появления жизни на Земле ее поверхность подвергалась мощному ультрафиолетовому излучению, и смертельная для многих современных организмов доза излучения набиралась за несколько минут. В связи с этим многие ученые склонялись к тому, чтобы спрятать первые живые организмы поглубже под воду для защиты от губительных лучей.

Однако ультрафиолетовое излучение вызывает самые разнообразные химические реакции, в том числе ведущие к синтезу аминокислот и нуклеотидов из простых молекул. Так что для каких-то этапов происхождения жизни оно, наоборот, могло быть полезно. Как же разобраться, какие из первых шагов жизни происходили на свету, а какие – в темноте?

Ответ на этот вопрос пришел с неожиданной стороны. В последние годы бурно развивается синтетическая биология, целью которой является создание организмов с принципиально новыми свойствами. Например, коллектив под руководством Стивена Беннера достиг больших успехов в создании альтернативных нуклеотидов. Эти искусственные звенья хорошо встраиваются в ДНК и РНК обычными природными ферментами, образуют комплементарные пары друг с другом, но не со стандартными нуклеотидами А, Г, Т и Ц, и расширяют нуклеотидный алфавит до шестибуквенного (рис. 6.1) (Malyshev et al., 2014; Yang et al., 2011 (русский краткий анонс: http://www.chemport.ru/datenews.php?news=2557)).

Получается, что с задачей хранения генетической информации в принципе могут справиться самые разные варианты нуклеиновых оснований, и А, Г, Т, Ц, возможно, были отобраны природой совсем по другим признакам. Как считает известный биофизик Армен Мулкиджанян, таким признаком была устойчивость к ультрафиолетовому излучению (Mulkidjanian, A. Y., Galperin, M. Y., 2007).

Здесь надо пояснить, как устроены молекулы и как происходит их взаимодействие со светом. Каждая химическая связь, изображаемая в структурных формулах линией между атомами, обычно состоит из двух электронов, которые вместе движутся между двумя связанными атомами. У каждого электрона есть собственное магнитное поле, направление которого называется «спин». Два электрона, образующие химическую связь, имеют противоположные спины, так что их магнитные поля взаимно компенсируются. Такие электроны называются «спаренными». Если молекулу разорвать на две части, то электроны из разорванной связи имеют два варианта дальнейшей судьбы. Они могут разойтись по одному в каждый фрагмент молекулы или оба вместе в один из фрагментов. В первом случае эти электроны остаются без пары и готовы к образованию новой связи с любой подходящей молекулой. Фрагменты молекул, имеющие неспаренный электрон, очень химически активны и называются «радикалы». Во втором случае, когда одному фрагменту достаются два электрона, а другому – ни одного, эти фрагменты имеют электрический заряд и называются «ионами». Неспаренных электронов в них нет, и они более стабильны, чем радикалы.

Когда в молекулу попадает фотон с подходящей энергией, он поглощается парой электронов, образующей химическую связь, и молекула переходит в возбужденное состояние с избыточной энергией. Возбужденных состояний как минимум два. Сначала молекула оказывается в неустойчивом и короткоживущем состоянии (так называемом синглетном состоянии). В нем спины электронов возбужденной пары еще антипараллельны, как и в спокойном состоянии молекулы. В синглетном состоянии молекула может сбросить возбуждение и вернуться в исходное состояние путем флюоресценции (излучения светового кванта с энергией чуть меньше исходной) или рассеяния энергии в тепло либо перейти в следующее – триплетное – состояние, в котором спины электронов становятся параллельными и химическая связь между атомами фактически разрывается. Если в молекуле была возбуждена одинарная связь, то молекула разрушается в этом месте. Если же была возбуждена двойная связь (точнее, так называемая пи-электронная система, образующая «вторые палочки» двойных связей), то молекула в триплетном состоянии сохраняет целостность, но становится бирадикалом – иными словами, у нее теперь имеются два неспаренных электрона, которые могут образовать две новые химические связи. Поэтому молекула в триплетном состоянии химически активна и вступает в разнообразные реакции. Например, молекулы этилена (С₂H₄), имеющие двойную связь между атомами углерода, при УФ-облучении частично объединяются попарно в циклобутан (С₄H₈), у которого вместо одной двойной связи образуются две одинарные связи между двумя дополнительными атомами углерода (рис. 6.2). Молекула может также вернуться из триплетного состояния в основное, невозбужденное путем излучения кванта света – фосфоресценции. В отличие от флюоресценции фосфоресценция может происходить спустя минуты и часы после облучения вещества, а разница в энергии поглощенного и излученного кванта света больше.

Так вот, у природных азотистых оснований синглетное состояние крайне короткоживущее. Оно легко рассеивает энергию возбуждения в тепло через колебания и вращение молекулы, обмен атомами водорода и другие механизмы и возвращается обратно в невозбужденное состояние. Синглетное состояние пуриновых оснований, аденина и гуанина, живет около 10–12 секунды – примерно в 10 000 раз меньше, чем синглетные состояния большинства молекул сравнимого размера и сложности, например аминокислоты триптофана. Благодаря быстрому рассеиванию энергии они из синглетного состояния практически всегда переходят в невозбужденное, а не в химически активное триплетное. А раз азотистые основания практически не попадают в триплетное состояние, то и разрушение их под действием ультрафиолета происходит очень редко.

Пиримидиновые основания, цитозин и тимин, рассеивают энергию несколько хуже, чем пурины, и, соответственно, менее устойчивы. Однако образование комплементарных пар улучшает рассеивание энергии еще примерно в 50 раз благодаря обмену протонами в водородных связях пары. Поэтому устойчивость комплементарной пары нуклеотидов к ультрафиолету выше, чем каждого из них по отдельности. Кроме того, в нуклеиновых кислотах плоские молекулы азотистых оснований лежат стопкой, поэтому их пи-электронные системы взаимодействуют между собой (так называемое стэкинг-взаимодействие) и могут передавать друг другу энергию возбуждения, еще усиливая рассеивание и дополнительно увеличивая устойчивость к ультрафиолету – до 20 раз по сравнению с одной комплементарной парой нуклеотидов (Mulkidjanian et al., 2003).

Азотистые основания не только сами устойчивы к ультрафиолету, они защищают соседние молекулы. Например, они предохраняют от УФ-расщепления фосфоэфирную связь (О-Р). При облучении УФ глицеролфосфата отщепление фосфорной кислоты происходит в 300 раз быстрее, чем при облучении аденозинмонофосфата, а образование комплементарных пар и стэкинг-взаимодействие в цепочке ДНК или РНК еще увеличивают степень защиты.

Таким образом, солнечный ультрафиолет, который в принципе разрушительно воздействует на нуклеотидную цепочку, как и на любые органические молекулы, может служить фактором отбора по следующим направлениям:

• отбор самых УФ-стойких азотистых оснований;

• отбор азотистых оснований, склонных образовывать комплементарные пары;

• отбор нуклеотидов одной хиральности из смеси правых и левых нуклеотидов (так называемой рацемической смеси), потому что смесь правых и левых нуклеотидов в цепочке нарушает стэкинг-взаимодействие;

• отбор длинных молекул РНК по сравнению с более короткими, потому что в длинных цепочках стэкинг-взаимодействие увеличивает устойчивость к ультрафиолету;

• отбор молекул РНК, содержащих двуспиральные участки (шпильки), среди молекул со случайными последовательностями, потому что в них больше нуклеотидов входят в состав комплементарных пар.

Важную информацию об условиях обитания древнейших форм жизни мы можем получить из состава солей в современных клетках. Как это возможно?

Еще в 1920-х годах физиолог Арчибальд Макалум обратил внимание на то, что относительный состав солей в крови человека и других позвоночных очень похож на относительный состав солей в морской воде. Он так объяснил это наблюдение: первые животные возникли в море и поначалу не имели почек или других систем регуляции состава солей в межклеточных жидкостях своего тела. А к тому времени, когда у животных появились эффективные почки, многие процессы в разных органах уже были завязаны на «морской» состав солей в крови. Поэтому млекопитающие, предки которых вышли на сушу более 300 млн лет назад, до сих пор носят в крови соли в том же соотношении, что и их далекие предки, хотя на суше необходимые соли (прежде всего хлориды) в дефиците. Поэтому соленая пища, содержащая хлорид натрия, для нас более вкусна, чем пресная.

История минерального (солевого) состава клеток в чем-то аналогична. Так как первые клетки вряд ли были способны контролировать содержание неорганических солей (для этого требуются сложные липидные мембраны и энергозатратные системы активного транспорта), то солевой состав тех клеток должен был быть таким же, как в их окружающей среде. К этому солевому составу изначально приспосабливались первые РНК и белки, и затем менять его было бы уже слишком сложно.

Если сравнить содержание различных ионов в цитоплазме клеток и морской воде (табл. 6.1), бросается в глаза высокое содержание в клетках калия и низкое – натрия. Геологи уверены, что морская вода во все эпохи, как и сейчас, содержала мало калия и много натрия. В континентальных озерах, как пресных, так и соленых, «клеточные» пропорции ионов тоже не встречаются. Ближе всего к клеткам по соотношению калия и натрия оказываются воды некоторых геотермальных источников.

Другой особенностью ионного состава клеток оказывается высокая концентрация ионов переходных металлов, прежде всего железа и цинка, а также марганца и меди. Если железо широко распространено и в неживой природе, то медь, марганец и особенно цинк содержатся в клетках в очень большом количестве по сравнению с внешней средой. Концентрация цинка в клетках в миллион раз выше, чем в морской воде! Обогащение этими переходными металлами характерно для одной разновидности геотермальных источников – «черных курильщиков».

«Черные курильщики» были открыты в 1977 году при погружениях батискафа «Алвин» к срединно-океаническому хребту в Атлантике. Исследователям открылась поражающая воображение картина – торчащие из морского дна трубы, из которых валит густой черный дым (рис. 6.3). Это, конечно, не дым, а перегретая глубинная (так называемая геотермальная, ее источником являются химические процессы в нижних слоях земной коры и мантии) вода с температурой до 400 °C, которая не закипает из-за большого давления. Ее мутность и черный цвет обусловлены взвесью сульфидов металлов. При контакте геотермальной воды с океанской первая охлаждается, и из нее сначала выпадают сульфиды железа, меди и никеля, имеющие черный цвет. Из этих сульфидных осадков складываются трубы «черных курильщиков». При дальнейшем охлаждении, в диапазоне температур 200–300 °C, из воды выпадают сульфиды цинка и марганца, покрывающие белым ковром дно вокруг «черных курильщиков». Если геотермальная вода поднимается вверх относительно медленно, она успевает остыть до 300 °C еще до выхода в океан, и в этом случае образуются небольшие «белые курильщики», трубы которых сложены из сульфидов цинка и марганца. Кроме сульфидов переходных металлов геотермальная вода обогащена также сероводородом, калием и магнием и имеет щелочную реакцию.

«Черные курильщики» обладают и другими свойствами, полезными для зарождения жизни. Во-первых, минеральные осадки в них образуются из частиц микронного (0,001 мм) размера и пронизаны громадным количеством пор. Эти поры по размеру соответствуют бактериальным клеткам и образуют сложный лабиринт, в котором могут в относительной изоляции размножаться разные доклеточные формы жизни. Во-вторых, сульфидные минералы, которые откладываются вокруг «черного курильщика», являются отличными катализаторами разных химических реакций, в том числе ведущих к синтезу аминокислот и других клеточных веществ. Более того, в состав многих современных клеточных ферментов входят неорганические кластеры – наночастицы некоторых минералов. И это именно те минералы, которые образуются в «черных курильщиках»: пирит FeS₂, макинавит (Fe, Ni) S, грейгит Fe₅NiS₈, виоларит FeNi₂S₄ (Russell et al., 2014, таблица на с. 14). В-третьих, в «черных курильщиках» и других геотермальных источниках существуют устойчивые мощные градиенты температуры и химического состава, т. е. неравновесные условия, которые, как мы помним из прошлой главы, совершенно необходимы для жизни. Хотя современные организмы используют химические градиенты, для первых живых организмов мог быть полезен и устойчивый перепад температур. В условиях перепада температур растворенные крупные молекулы, такие как РНК и белки, могут двигаться от тепла к холоду. Это явление называется «термофорез». Оно объясняется большей энергией частиц в нагретых зонах и, соответственно, их большими импульсами, направляющими частицы из нагретых зон в холодные. Это явление используется для концентрирования РНК и других молекул.

Как показали эксперименты, в длинных заполненных водой порах в условиях перепада температур может происходить очень сильное концентрирование нуклеотидов, РНК и других растворенных веществ – в миллионы и миллиарды раз! Например, в стеклянном капилляре, нагреваемом с боковой стороны и выходящем верхним концом в холодную колбу (Baaske et al., 2007), нуклеотиды подсасываются из холодного раствора и концентрируются в нижней, горячей части. Их концентрация там возрастает в 6–10 раз на каждый миллиметр длины трубки, т. е. 10-сантиметровый капилляр может повысить их концентрацию в миллиард раз. Молекулы РНК, состоящие из 5–10 нуклеотидов, концентрируются легче при увеличении толщины трубки. Кроме простого концентрирования в таких капиллярах идут более сложные процессы, связанные с колебаниями температур и концентраций, помогающие образованию длинных молекул РНК, которые мы подробнее рассмотрим в главе 9.

Все это делает «черные курильщики» подходящим местом для появления жизни, и происходящие в них процессы привлекли пристальное внимание ученых. Сейчас существует две хорошо разработанные теории происхождения жизни в связи с геотермальными источниками: «железосерного мира» и «цинкового мира». Обе они предлагают решение сразу многих проблем на пути появления жизни, включая восстановление углекислого газа и образование биополимеров. Рассмотрим их подробнее.

Теория «железосерного мира» принадлежит немецкому биофизику Гюнтеру Вахтерхойзеру (Wächtershäuser, 2006. Пересказ одной из предыдущих его статей на русском языке: http://elementy.ru/news/430373).

Вахтерхойзер и его последователи обосновали теоретически и проверили экспериментально многие химические реакции, происходящие в условиях окрестностей «черных курильщиков» – при температурах 50–150 °С и высоком давлении. Основным источником водорода для восстановления СО₂ является происходящая при температурах выше 100 °C реакция взаимодействия сероводорода с сульфидом железа:

H₂S + FeS → FeS₂ + 2 [H],

в которой сульфид железа превращается в пирит, а атомы водорода остаются адсорбированы на его поверхности. С помощью этих атомов водорода на поверхности сульфида железа может происходить, например, восстановление СО₂ до метилмеркаптана:

CO₂ + 4 H₂S + 3 FeS → CH₃SH + 3 FeS₂ + 2 H₂O,

а также фиксация азота:

N₂ + 3 H₂S + 3 FeS → 2 NH₃ + 3 FeS₂,

и дальше превращение альфа-кетокислот в аминокислоты:

R-CO-COOH + NH₃ + FeS + H₂S → R-CHNH₂-COOH + FeS₂ + H₂O.

В присутствии сульфида никеля, тоже характерного для «черных курильщиков», разнообразие химических реакций сильно возрастает. СО₂ и присутствующий в вулканических газах угарный газ (СО) превращаются в уксусную, пировиноградную и другие органические кислоты, а также тиометилацетат (CH₃CO-S-CH₃). Важным промежуточным продуктом в этой химической системе является карбонилсульфид (COS). С его помощью, например, происходит «сшивание» аминокислот в пептиды даже в воде: на первом шаге реакции уходящей группой становится не вода, а H₂S, и CO₂ – на втором (рис. 6.4, Leman et al., 2004). В присутствии фосфатов COS может фосфорилировать аминокислоты и «сшивать» фосфат в пирофосфат (Leman et al., 2006).

Отрицательно заряженные органические кислоты адсорбируются (прилипают) на поверхности сульфидных минералов и могут накапливаться в больших концентрациях. В целом в условиях «черного курильщика» возможен синтез большого разнообразия органики, едва ли не больше, чем в опытах Миллера.

Аргументом в пользу такого сценария являются содержащиеся в ферментах современных клеток железосерные кластеры – фактически, наночастицы пирита (рис. 6.5). Они переносят электроны и участвуют в разнообразных окислительно-восстановительных реакциях.

Другой сценарий абиогенного синтеза органики на геотермальных источниках – теория «цинкового мира» – предложен Арменом Мулкиджаняном (Mulkidjanian, 2009; Mulkidjanian, Galperin, 2009). Он основан на способности сульфидов цинка и марганца к фотохимическому восстановлению разных веществ. Кристаллы ZnS и MnS поглощают ближний ультрафиолет (так называемый «черный свет», т. е. волны с диапазоном 400–315 нм). Их возбужденное состояние устойчиво, благодаря чему сульфид цинка, например, может часами фосфоресцировать в темноте. В этом состоянии возбужденный электрон обычно находится в «потенциальной яме» на поверхности кристалла и может участвовать в химических реакциях, восстанавливая разные вещества. В водной среде эти кристаллы восстанавливают CO₂ до муравьиной кислоты (НСООН), уксусной кислоты и других органических кислот, сульфид цинка оказывается самым эффективным восстановителем с квантовым выходом до 80 % (80 % поглощенных фотонов вызывают химическую реакцию). При этом на кристалле накапливается положительный электрический заряд. Если нет подходящих восстановителей, то происходит фотокоррозия сульфида цинка с выходом ионов цинка в раствор и образованием молекулярной серы:

Аналогично сульфидам железа в «черных курильщиках» сульфид цинка на свету может восстанавливать азот до аммиака:

Образование аминокислот из кетокислот тоже эффективно происходит на кристаллах сульфида цинка при освещении.

Если в воду с освещенными кристаллами сульфида цинка поступает сероводород, то вышедшие в раствор ионы цинка вновь осаждаются в виде кристаллов. Иначе говоря, в этом случае сульфид цинка не расходуется, а выступает катализатором для восстановления CO₂ сероводородом:

CO₂ + H₂S → HCOOH + S.

Муравьиная кислота и аммиак, образующиеся на сульфиде цинка, при подсыхании воды выпадают в осадок в виде формиата аммония HCOONH₄. Эта соль при прогревании в сухом виде теряет воду и превращается в формамид CHONH₂. Формамид может служить сырьем для синтеза азотистых оснований РНК (подробнее – в следующей главе). Кроме того, благодаря высокой температуре кипения (218 °C при обычном давлении) он эффективно накапливается в пересыхающих лужах, и в среде формамида, в отличие от водной среды, нуклеотиды легко соединяются в РНК и не распадаются.

Сульфид цинка хорошо удерживает на своей поверхности ДНК и РНК. Кроме того, сульфид цинка способен принимать световое возбуждение с нуклеотидов, РНК и других молекул. Это защищает РНК от УФ-расщепления, и в то же время накопление РНК на поверхности минерала позволяет собирать больше света и ускоряет фотосинтез в этом месте.

Нет ли здесь противоречия? С одной стороны, абиогенный фотосинтез на ZnS требует света, и нуклеотиды несут следы отбора на устойчивость к ультрафиолету. С другой стороны, в наше время отложения сульфида цинка образуются только в темных морских глубинах вокруг «черных курильщиков». Чтобы вода могла выносить из недр Земли и накапливать на поверхности ZnS и MnS, требуется ее температура 200–250 °C, а для выноса FeS – 300–350 °C. Чтобы вода при таких температурах не закипала, необходимо высокое давление, которое сейчас бывает только в глубинах океана. Но, как мы помним, после гигантского столкновения и появления Луны Земля еще 50–100 млн. лет имела сверхплотную атмосферу углекислого газа, подобно современной Венере. Давление этой атмосферы в 50–200 раз превышало современное, и в ту эпоху геотермальные источники с отложениями ZnS и MnS (аналоги «белых курильщиков») могли существовать на поверхности Земли, под лучами Солнца.

Именно сульфид цинка позволяет снять противоречие между необходимостью ультрафиолета для появления нуклеотидов и РНК и его опасностью для сколько-нибудь сложных форм жизни. Всего один миллиметр осадка ZnS защищает от ультрафиолета так же эффективно, как 40-метровый слой воды. Поэтому первые организмы могли укрываться от света в толще минерального осадка, но при этом иметь доступ к продуктам фотохимических реакций в верхнем слое. Более того, видимый свет хорошо проходит через осадок сульфида цинка, и населяющие этот осадок организмы имели возможность вести свой собственный фотосинтез, используя видимый свет.