18 июля при большом стечении народа (человек около ста) в конференц-зале DI Telegraph прошла презентация научно-популярной серии Primus, в которой будут выходить книги российских авторов, до того не публиковавшихся тиражом свыше 5 тыс. экземпляров. Это интеграционный проект «Книжных проектов Дмитрия Зимина», фонда «Эволюция» и нескольких маститых книжных издательств. Мы публикуем расшифровку небольшой, но духоподъемной лекции молодого биолога Михаила Никитина, научного сотрудника отдела эволюционной биохимии НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского, преподавателя МГУ и летних школ, автора цикла научно-популярных статей в журнале «Химия и жизнь», удостоенного премии им. Беляева. Лекция представляет собой пересказ фрагмента книги «Происхождение жизни: от туманности до клетки», вышедшей в издательстве «Альпина нон-фикшн».
Вопрос происхождения жизни долго не поддавался изучению научными методами. Наш великий генетик Тимофеев-Ресовский, когда его спрашивали о происхождении жизни, отговаривался так: «Я тогда был маленький, ничего не помню. Спросите лучше академика Опарина». Примерно до 1970-х годов подобраться научными методами к событию, которое произошло единократно и очень давно, явно больше 3 млрд лет назад, довольно сложно. Наука предпочитает работать с повторяющимися событиями. Нельзя построить график по одной точке. У нас есть единственный пример жизни, другой мы пока не нашли во Вселенной и не создали искусственно. Тем не менее отдельные этапы происхождения жизни можно изучать как повторяющиеся события. За последние 20–30 лет вопрос происхождения жизни из философского превратился в научный (в понимании Томаса Куна): есть разные концепции и есть язык, на котором исследователи могут общаться друг с другом.
В изучении происхождения жизни мы находимся в ситуации, которая в чем-то аналогична классическому детективу. По сохранившимся следам нам надо выяснить: кто, когда, где, зачем и чем. Правда, в детективах чаще всего речь идет об убийстве, а у нас ровно наоборот. Многие главы моей книги построены как детективные истории, где по следам в настоящем ищутся ответы на перечисленные мной вопросы. Сейчас я хочу пересказать короткую историю, занимающую примерно полглавы моей книги, отвечающую на вопрос «Где?».
Где конкретно на планете Земля скорее всего возникли первые живые организмы? Есть довольно хорошая идея, с какой стороны к этому вопросу подступиться. Начну по аналогии с событий, несколько более близких к нам по времени: не с происхождения жизни, а с происхождения животных; не 3 с лишним миллиарда лет назад, а 600 с лишним миллиона.
Как многие наверняка слышали, наша кровь по составу солей в ней похожа на морскую воду, хотя люди, как и многие другие млекопитающие, живут на суше. Это особенность большинства животных вне зависимости от среды их обитания. Живут ли они на суше, в пресной воде или в море, внутренние жидкости их тела — кровь, лимфа и прочие — по составу солей напоминают морскую воду. Физиолог Арчибальд Макаллум в 1920-е годы дал этому верное объяснение: первые животные возникли в море, и у них не было органов, чтобы регулировать состав солей внутри тела (у человека эту функцию выполняют почки). Внутри у первых животных была та же морская вода, что и у медуз.
Наша кровь в среднем раза в два более разбавлена, чем морская вода, но по соотношению различных минеральных компонентов они довольно похожи. Из этих минеральных компонентов на суше довольно сложно найти хлор, поэтому соленое — то есть всё, что содержит хлориды, — для нас вкусно. Мы настроены на поиск хлоридов во внешней среде, как и любые другие животные на суше.
Таблица 1. Содержание ионов в морской воде, плазме крови и цитоплазме (моль/л)
| Ионы | Морская вода | Плазма крови | Цитоплазма клеток |
| Na+ | 0,4 | 0,14 | 0,01 |
| K+ | 0,01 | 0,005 | 0,1 |
| Ca2+ | 0,01 | 0,002 | 0,001 |
| Mg2+ | 0,05 | 0,001 | 0,01 |
| Fe | 10–8 (Fe3+) | 10–5 | 10–3–10–4 (Fe2+) |
| Mn2+ | 10–8 | 10–8 | 10–6 |
| Zn2+ | 10–9 | 10–5 | 10–3–10–4 |
| Cu2+ | 10–9 | 10–5 | 10–5 |
| Cl– | 0,5 | 0,1 | 0,1 |
| PO43– | 10–6–10–9 | 10–5 | 10–2 |
Кровь — это среда внутри организма, но между отдельными клетками. Внутри клетки среда другая — цитоплазма. Она имеет совсем другой солевой состав. Усредненный состав солей внутри клеток более или менее справедлив и для человека, и для кишечной палочки, и для архебактерий, живущих в невероятно горячих кислых источниках. Есть несколько серьезных отличий от морской воды, которые однозначно говорят, что жизнь возникла не в море.
Как первые животные не имели почек и не могли регулировать солевой состав своей крови, так, скорее всего, первые живые организмы — протоклетки — не могли регулировать солевой состав своей внутренней среды. Нынешние клетки для управления солевым составом имеют довольно сложно устроенную клеточную мембрану: несколько десятков различных транспортных белков, которые одни вещества закачивают внутрь, а другие выкачивают наружу клетки. Сразу такая система возникнуть не могла. Можно попробовать поискать среду обитания, которая по этим хитростям солевого состава будет похожа на среду внутри клеток.
Итак, улика первая: среда внутри клеток очень сильно обогащена тяжелыми металлами — до миллиона раз больше морской воды. Таких металлов четыре: железо, цинк, медь, марганец. Все они имеют в клетках важные функции и входят в состав витаминно-минеральных комплексов под названием «микроэлементы». Какая среда обогащена этими четырьмя металлами? Первое, что приходит в голову, — определенный тип горячих источников: «черные курильщики». Они 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 как будто бы густой черный дым, на самом деле вода температурой выше 300 оС. Она выглядит черной, потому что несет с собой сульфид железа, который на полпути выпадает в осадок. Эти трубы состоят из сульфидов железа, меди, цинка и марганца. Сульфид железа черный, сульфид цинка — ярко-белый. Он выпадает в осадок чуть позже и поэтому покрывает белым ковром всё дно вокруг. «Черные курильщики» напоминают «место преступления». Но температура воды 300 оС и выше для живых клеток перебор. Будем искать другие улики…
Улика вторая. В морской воде натрия много, калия мало. В клетках — наоборот. Возможно, в современных морях состав солей отличается от того, каким он был 3 млрд лет назад? Однако геохимики уверены, что морская вода по составу всегда была такой же, как сейчас. В пресной воде не содержится хлоридов, однако есть и натрий, и калий. Их соотношение почти всегда такое же, как в море, и не такое, как в клетках. Таким образом, ни реки, ни озера, ни моря по этой улике для происхождения жизни не подходят. Где нам найти воду, обогащенную калием? Вода со странным минеральным составом бывает в подземных артезианских источниках и особенно в горячих источниках около вулканов на суше. Кто был на Камчатке, тот имел шанс попробовать эту воду на вкус.
Еще одно вероятное «место преступления» — фумаролы. Это дыры в земле около вулканов, из которых идут горячие газы и пар. Желтый налет вокруг фумарол — это сера, которая откладывается вокруг испарений. Температура испарений в фумаролах обычно достигает нескольких сотен градусов. В них в больших количествах содержится водяной пар.
Тип горячих источников зависит от климата. Гейзеры чередуют выбрасывание пара и горячей воды. В грязевых котлах вулканические газы пробулькиваются в лужицу, и в них откладываются летучие силикаты, которые превращают воду в жидкую серую грязь. Фумаролы, гейзеры и грязевые котлы связаны с кипением воды под землей. Когда вода кипит и превращается в пар, происходит разделение растворенных в ней веществ. На этом основана перегонка: например, перегоняя соленую воду, мы можем сделать ее пресной, хлорид натрия при перегонке в пар не перейдет.
Часть воды в геотермальных источниках выходит наверх в виде пара, а часть выходит в другую сторону в жидком виде — это так называемая термальная вода. Она соленая (обогащена хлоридом натрия) и железистая. А в пар как раз переходит калий, а также другие вещества: например, цинк, фосфор и марганец, что для нас менее важно. Биофизик Армен Мулкиджанян исследовал грязевые котлы на Камчатке и несколько лет назад пришел к выводу: они имеют как раз то соотношение калия и натрия, которое, по всей видимости, было в колыбели жизни.
Третья улика — фосфор. В состав живых клеток входит много фосфора, обойтись без него невозможно, это ключевой элемент ДНК и других важных молекул. В морской, речной и озерной воде фосфора несоизмеримо меньше. В колыбели жизни должно было быть много фосфора. Однако обычно он находится на Земле в виде химически нерастворимых и совершенно инертных минералов, таких как апатит. Без обработки серной кислотой его невозможно извлечь, а для клеток нам нужен фосфор в растворимой форме. Японские вулканологи измерили состав газов в японских вулканах и обнаружили, что именно в фумаролах вылетают оксиды фосфора, которые, попадая в воду, дают там растворимые полифосфаты, источник энергии для всех биохимических реакций. Стандартная энергетическая валюта в клетке — аденозинтрифосфат — такая же универсальная, как электричество у нас в промышленности. Она тоже имеет полифосфатную часть, и многие микробы умеют использовать внешние полифосфаты как источник энергии. При обычной температуре апатит нерастворим и химически инертен, но если он попадает в вулканическую лаву при температуре 1500 оС , он разлагается, и большая часть фосфора вылетает в виде газов. Чтобы для первых живых клеток иметь источник растворимого фосфора, нам нужен активный вулкан, который будет хорошенько прокаливать апатиты и переводить их в летучую форму.
Фумарола, грязевой котел — если судить по всем вышеперечисленным уликам, клетки возникли именно там. Тем более что есть и другие преимущества. Геотермальный котел — это среда обитания со встроенным подогревом, который не зависит от капризов погоды. Там температура гораздо более постоянная, чем обычно на суше. Лужи из вулканических газов то наполняются водой, то пересыхают. Благодаря пересыханию они могут накапливать разные растворенные вещества в большом количестве. Разные способы получения органики из неорганических веществ, начиная с опыта Миллера — Юри (1953), обычно дают довольно разбавленные растворы аминокислот, сахаров и других веществ. Чтобы повысить вероятность появления белков и ДНК, нужно как-то концентрировать эти вещества. Пересыхающие лужи, которых всегда много вблизи геотермальных источников, дают очевидное место для накопления этих веществ. Много разных минералов, которые откладываются вблизи грязевых котлов и гейзеров, тоже повышают разнообразие химических реакций.
Итак, наземное геотермальное поле с его грязевыми котлами и лужами кажется на сегодняшний день самым реальным кандидатом на роль колыбели жизни на нашей планете.
Вопросы из зала:
— Какие кандидаты на колыбель жизни еще рассматривали ученые?
— Пересыхающие лужи в морской приливно-отливной полосе по части концентрирования нужных нам веществ не хуже геотермального поля. Более экзотический вариант — жизнь возникла в толще земной коры, в полной темноте, без связи с морем и поверхностью Земли. Однако по полному набору признаков грязевой котел подходит больше.
— Каков вклад природного электричества и радиации в происхождение жизни?
— Всё зависит от того, что мы сейчас считаем радиацией. Мы ничего не можем определенно сказать о радиации в результате ядерных процессов. А вот вклад ультрафиолетового излучения Солнца, которое 3 млрд лет назад доходило до Земли прекрасно, потому что тогда не было озонового слоя, очень велик. Все четыре основания ДНК — аденин, тимин, гуанин, цитозин — отличаются от других похожих молекул феноменальной устойчивостью к ультрафиолету, в тысячи и десятки тысяч раз выше. Видимо, они прошли отбор на эту устойчивость. Когда они образуют комплементарные пары или объединяются в длинную цепочку, их устойчивость к ультрафиолету возрастает. Что касается электричества — если Вы имеете в виду молнии, то вклад был, но на этапе появления ДНК и белков, а на этапе появления более простых молекул. Простые промежуточные продукты, из которых хорошо строятся азотистые основания ДНК, например синильная кислота, могут образовываться именно в грозовых разрядах в атмосфере, где нет кислорода, зато есть азот, метан или углекислый газ. Но солнечный свет сыграл, видимо, более значительную роль, чем электричество, потому что солнце светит каждый день, а грозы бывают, когда повезет.
— В какой среде возникла жизнь — щелочной, кислой или нейтральной?
— Современные грязевые котлы очень кислые, потому что серистые испарения реагируют с кислородной атмосферой, и образуется серная кислота. Среда настолько кислая, что там могут жить только немногие, самые выносливые микробы. Но когда кислорода в атмосфере не было, среда была близка к нейтральной. И среда внутри клеток тоже почти нейтральная. У любых микробов, живущих и в сильно кислой, и в сильно щелочной среде, много энергии уходит на то, чтобы поддерживать хотя бы внутри клетки нейтральную среду. Уйти от этого невозможно, потому что образование комплементарных пар между звеньями ДНК возможно только в нейтральной среде.
Записал Алексей Огнёв
Книгу можно купить в интернет-магазине «Троицкого варианта» (http://trv-science.ru/product/proishozhdenie-zhizni/)
Очень рад, что просветительская деятельность Михаила доросла до очень значительной книжки по очень непростой научной теме. Книгу купил, но не успел прочесть. Основой стала серия статей в журнале «Химия и жизнь». Изложение Михаила собрало все, что известно на сегоднешний день о происхождении жизни. До него была прекрасная серия лекций Роберта Хэйзена на TTC, но Михаил на порядок превзошел его, хотя по харизматичности устных лекций ещё отстаёт. Спасибо.
Замечательно!
Спасибо, интересно! А есть ли какие-то указания, что жизнь возникла именно на Земле, а не на Марсе, а потом была перенесена метеоритами сюда? На Марсе вроде было много свободного кислорода аж 4 млрд. лет назад http://phys.org/news/2013-06-mars-oxygen-rich-atmosphere-million-years.html — заметно раньше, чем на Земле. Можно ли как-то проверить хотя-бы, что сине-зеленые водоросли появились именно на Земле, а не на Марсе?
Ну, это проясниться скорее только при доставке марсианского вещества
если он попадает в вулканическую лаву при температуре 1500 оС — это где же такая лава бывает?
Несколько досужих замечаний.
Во-первых, если жизнь возникла в анаэробной среде, то некорректно приводить для сравнения концентрацию ионов в нынешней морской воде. Железа, например, в воде мало, но не потому, что его мало в окружающей среде. Вообще железа много, песок желтый и глина коричневая из-за примеси железа. Просто железо в нейтральной среде в присутствии кислорода находится в форме практически нерастворимого Fe(OH)3 или силикатов на его основе. При недостатке кислорода железа в виде Fe2+ в морской воде было бы не меньше, чем кальция. Примерно то же относится к марганцу, который обычно сопутствует железу.
Во-вторых, ионы переходных металлов в биохимии играют каталитическую роль за счет их способности обратимо окисляться-восстанавливаться и комплексоваться с белками, и для такой функции их вообще-то нужно очень мало. Достаточно, чтобы в одном месте «завелась» такая реакция, а «остальные подтянутся». Конечно, высокая концентрация ионов металлов повышает вероятность возникновения каталитических процессов, но и при концентраци 10-8 это вполне возможно. Асцидии, например, содержат в составе переносящего кислород белка довольно редкий ванадий. Значит ли это, что первые асцидии появились там, где было много ванадия? Может быть, да, а может, и нет.
Ионы калия в цитоплазме служит для поддержания разности потенциалов между цитоплазмой и внешней средой, это связано с обменом веществ, и такой механизм мог сформироваться при первичной эволюции клеточных образований. Вовсе не обязательно, что избыток калия присутствовал в исходной среде.
Если представить биогенез в виде бочки Либиха, то лимитирующим фактором должен быть фосфор, поскольку в присутствии Ca и Mg (точнее даже в присутствии любых металлов, кроме щелочных, и не обязательно в растворе, но в виде твердых карбонатов, гидроксидов) фосфат-ион может переходить в раствор только в очень кислой среде, в которой белки и нуклеин. кислоты разрушаются. При том, что эфиры фосфорных кислот в избытке воды гидролизуются практически необратимо, для ненулевой вероятности образования чего-то подобного АТФ, требуется высокая концентрация фосфат-иона. Я хуже всего могу себе это представить.