http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=2d088bee-926e-4767-b9cb-85978c8cc9a5&print=1© 2024 Российская академия наук
Несколько месяцев назад в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (Труды Национальной академии наук США) появилась публикация, вызвавшая шквал откликов по всему миру: в статье излагался принципиально новый сценарий возникновения первых клеточных организмов. Он предложен группой выпускников Московского университета, работающих в России, Германии и США. Ведущий автор работы, доктор биологических наук Армен Мулкиджанян (МГУ имени М. В. Ломоносова и Оснабрюкский университет) дал интервью нашей газете.
- Армен Яковлевич, ваша гипотеза идет вразрез с общепринятыми представлениями …
- Не совсем. Известно письмо Чарльза Дарвина, написанное в 1872 году, там есть несколько строк о том, что если представить маленький теплый пруд с разнообразными питательными веществами, освещаемый солнцем, то там могла бы зародиться жизнь. Так что, в принципе, все уже было сказано.
- Эту фразу вспоминают только сейчас, после вашей публикации, а происхождение жизни обычно принято связывать с океаном.
- Да, это широко распространенная точка зрения, хотя никакой глубокой научной подоплеки она не имеет. Скорее всего, дело в традиции, которая идет еще от Фалеса Милетского, первого философа, считавшего, что основа всего и вся - вода. Впоследствии формула трансформировалась в идею, что жизнь возникла в океане. Этого взгляда многие придерживаются и сегодня, несмотря на то, что ученые давно пришли к пониманию: в толщах воды первые молекулы жизни зародиться не могли.
- Но ведь там есть жизнь, например, вокруг «черных курильщиков»…
- Действительно, в 1977 году в океане были открыты удивительные сообщества живых организмов, населяющие гидротермальные зоны вдоль донных разломов земной коры. В этих местах раскаленная магма подходит близко к поверхности и нагревает морскую воду, буквально вдавливаемую в донные породы многокилометровой толщей океана. Разогретая вода становится легче и возвращается к поверхности, неся с собой большое количество сероводорода и неорганических ионов. Когда такой «рассол», не вскипающий из-за высокого давления, несмотря на температуру до 350° С, смешивается с холодной водой океана, происходит немедленное выпадение солей металлов, в первую очередь черного сульфида железа, из-за чего над этими жерлами в океане постоянно курится черный дым. В таких «горячих точках» своя фауна, свои микроорганизмы, то есть там, как выяснилось, существует особая «биосфера». Она живет за счет того, что горячая океанская вода несет с собой много сероводорода, он поддерживает жизнь бактерий, а они, в свою очередь, обеспечивают существование более сложных организмов… Когда появилась первая информация о биотопах вокруг «черных курильщиков», это была сенсация, так что сразу же возникли спекуляции на тему зарождения жизни именно в таких местах. Идея и сегодня горячо отстаивается некоторыми геологами, она широко пропагандируется в научно-популярной литературе.
- Биологи не согласны?
- Скорее, не согласны химики. Они видят проблему: на дне океана всегда много воды.
- И это препятствует жизни?
- Если она уже возникла, - нет. Но чтобы она зародилась, должна была существовать система, где самопроизвольно происходило бы образование более сложных молекул из более простых. Жизнь построена на том, что когда ее «кирпичики» (молекулы аминокислот, нуклеотидов или сахаров) складываются в нечто более сложное (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), при каждой реакции присоединения высвобождается молекула воды. Соответственно, в водной среде такие реакции самопроизвольно не идут, и идти не могут. Наоборот, биополимеры – какие-то медленнее, какие-то быстрее – распадаются в воде. Это элементарная химия. В живых организмах молекулы АТФ обеспечивают энергией катализируемые ферментами процессы синтеза и «починки» биополимеров. Но когда ничего подобного еще не было, полимеризация могла быть возможна только при условии удаления воды. Вода может помогать перемешиванию простейших молекул, но пока вы ее не уберете, на спонтанные процессы полимеризации рассчитывать не приходится. Выходит, совсем без воды, видимо, нельзя, но водная среда не способствует самопроизвольному синтезу биополимеров.
- Из этого исходит гипотеза возникновения жизни в океанских приливных зонах, но ваша идея никак не связана с океаном.
- Да, совершенно верно, зоны прилива, где чередуются периоды затопления и осушения, часто рассматривались как «колыбели жизни» теми учеными, кто решал проблему ее возникновения, идя «снизу вверх», то есть моделируя реакции синтеза биополимеров в предположительно первобытных условиях.
Мы же решили пойти «сверху вниз», а именно: провести эволюционную реконструкцию и воссоздать условия, в которых могли возникнуть самые первые клетки. Дело в том, что мы уже кое-что знаем про древние клеточные организмы, причем, в значительной степени благодаря работам зачинателей сравнительной геномики, выпускников Московского университета Евгения Кунина, Аркадия Мушегяна и Михаила Гальперина из Национального центра биотехнологической информации Национальных институтов здоровья США. Сопоставляя геномы разных организмов (а их уже расшифровано несколько тысяч), они заметили, что примерно 60 – 70 одних и тех же генов присутствуют в геномах всех клеточных организмов. Следовательно, у их общего предка наверняка были кодируемые этими же генами белки, отвечающие, что неудивительно, за наиболее древние и важные для клетки функции, химическая основа которых сохранилась неизменной до наших дней. Благодаря подобному геномному анализу можно много рассказать об этом общем предке, в частности об особенностях его метаболизма, несмотря на то, что он жил, по меньшей мере, 3,5 миллиарда лет назад. Но это – отдельная тема.
Нам же было интересно проследить, от каких неорганических соединений функционально зависят эти древние белки. Вместе с Куниным и Гальпериным мы задались этим вопросом, подключив к работе мою аспирантку, биоинформатика Дарью Диброву. Анализ показал: для функционирования многих таких древних белков крайне важны ионы калия, цинка и магния, а также фосфорные соединения, а вот в ионах натрия ни один из древних белков не нуждается… Любопытно, что схожее соотношение наблюдается и в современных клетках: калия в них в 10 раз больше, чем натрия! На это еще в 1926 году обратил внимание канадский биохимик Арчибальд Макаллум, предположивший, что мы, по-видимому, унаследовали эту особенность от первых клеток, живших там, где было больше калия, чем натрия. Теперь мы знаем, что внутриклеточная химия примерно одинакова у клеток всех организмов – животных, растений, бактерий и архей, что служит свидетельством правоты Макаллума.
По современным представлениям первые клетки не могли иметь непроницаемых для ионов мембран, а значит, внутреннее содержание этих клеток должно было отражать химический состав внешней среды. Мы стали искать потенциальную среду обитания с существенным преобладанием калия над натрием, где могли появиться первые клетки. Оказалось, что даже древние океаны не подходят! Анализ пузырьков океанской воды, сохранившейся «запечатанной» в геологических породах, показывает, что натрия в ней было почти в сорок раз больше, чем калия, уже 3,5 миллиарда лет назад. Выходит, первые клетки не могли образоваться в приливных зонах океана.
Тогда мы обратились за помощью к геохимику Андрею Бычкову из МГУ. Стали вместе ним просчитывать различные варианты, и оказалось, что искомые условия могли реализовываться на древних геотермальных полях. Континентальные геотермальные системы, подобные, например, камчатским, химически сложнее морских. Там, как и в случае с «черными курильщиками», грунтовые воды нагреваются магмой, становятся легче и поднимаются вверх, вымывая в больших количествах различные ионы из скальных пород. Но есть принципиальная разница: «рассол», поднимаясь, начинает кипеть и разделяется на две фазы - жидкую и газообразную. У них разный химический состав. Жидкость обогащается ионами натрия и хлора, в пар же уходят летучие вещества, а именно углекислота, аммиак и сероводород. Область, где пар вырывается на поверхность в виде газовых струй (фумарол) называется геотермальным полем. Анализ как собранных Андреем Бычковым на Камчатке образцов, так и имеющихся данных по другим геотермальным полям показал: геотермальный пар содержит больше калия, чем натрия, и это – в придачу к углекислоте, сероводороду, аммиаку, фосфорным соединениям и переходным металлам, то есть всем тем «кирпичикам», из которых сложена жизнь.
- Почему же эти геотермальные поля до сих пор не привлекали внимания?
- Потому, что там очень кислая среда, в которой даже современные организмы не выживают! Причина столь высокой кислотности тривиальна: идет выброс больших количеств сероводорода, он окисляется кислородом воздуха, и получается концентрированная серная кислота. Но дело в том, что кислород в земной атмосфере накопился примерно 2,5 миллиарда лет назад, после того, как цианобактерии научились использовать энергию солнечного света для разложения воды. А первые клетки возникли гораздо раньше, когда кислорода еще не было, примерно 4 миллиарда лет назад. Поскольку нечему было окислять сероводород, условия на бескислородных геотермальных полях должны были быть близки к нейтральным.
Тогда все складывается очень интересно, потому что пар выносит еще и много кремния, частички которого в кислых условиях слипаются, образуя аморфную массу, по-простому – «грязь», так что геотермальные поля покрыты булькающими грязевыми котлами. В нейтральной же среде кремниевые частицы несут отрицательный электрический заряд и слипаться не могут, а образуют пористые структуры, называемые глинами или цеолитами. Глина – замечательный минерал: будучи пористой, она предоставляет идеальную площадку для различных каталитических реакций. Кстати, эксперименты, в которых пытались без ферментов собирать цепочки РНК из нуклеотидов, оказывались сколько-нибудь успешными при использовании глин в качестве матриц.
А теперь представьте: из земных недр идет пар, несущий с собой все необходимое для синтеза молекул жизни, а именно: аммиак, углекислоту, сероводород, фосфорные соединения… Одновременно образуются пористые минералы, пригодные в качестве матриц для различного рода синтезов. Добавьте солнечные ультрафиолетовые лучи, которые тогда еще не отсекались озоновым слоем - ведь кислорода в земной атмосфере еще не было. Ультрафиолетовое излучение могло способствовать химическим реакциям, а также проводить селекцию: молекулы, не устойчивые к нему, распадались, а устойчивые, напротив, накапливались. Этот пункт очень важен, ибо азотистые основания, образующие нуклеотиды известных нам молекул РНК и ДНК, - это как раз наиболее устойчивые к ультрафиолету органические соединения.
Мы получаем систему, где, с одной стороны, богатый различными веществами пар постоянно конденсировался и высыхал на поверхностях минералов, способных катализировать синтетические реакции. С другой стороны, часть конденсата должна была стекаться в лужицы и прудики – нечто подобное тому, что происходит вокруг кипящего чайника, если его долго не убирать с огня. Температура этих водоемов должна была соответствовать температуре воздуха, и в них должно было смываться с минеральных поверхностей все, что образовывалось в ходе бесчисленных синтетических реакций. Эти лужицы очень интересны тем, что именно в них синтезированные на поверхности минералов полимерные молекулы могли объединяться в более сложные структуры, способные к самовоспроизведению, то есть могла возникнуть жизнь. Поскольку химический состав этих водоемов должен был быть похож на химию, характерную для всех современных клеток, разумно полагать, что первые клетки, возникнув именно в таких водоемах, поначалу в них и обитали.
- В том самом «маленьком теплом пруду»?
- Именно. Только надо учитывать, что это не обычный «прудик», который, если что, может высохнуть. Речь идет о геотермальных системах, которые, по сути, мало зависят от климата. Поскольку все время из земли поступает горячий пар, поддерживается, как в инкубаторе, постоянная среда, не зависящая, в частности, от смены времен года. Обитавшие в таких местах сообщества живых организмов полностью ни высохнуть, ни замерзнуть не могли. Геотермальные системы способны существовать многие миллионы лет, это время было нужно первым организмам, чтобы обзавестись сложными, непроницаемыми для ионов мембранами и суметь заселить океан.
- Земле 4,5 миллиарда лет, а что дает основание считать, что жизнь была уже 4 миллиарда лет назад, то есть через 500 миллионов лет после появления планеты?
- Существуют геохимические свидетельства существования фотосинтеза 3,8 миллиарда лет назад, это датируется по углероду. Наиболее древним «ископаемым» останкам береговых микробных сообществ, тоже, по-видимому, зависевших от фотосинтеза, 3,4 миллиарда лет. То есть в то время живые организмы, и довольно сложные, способные к фотосинтезу, уже существовали, но ведь им требовался какой-то срок на то, чтобы развиться…
- А если жизнь, как полагают некоторые ученые, была все-таки привнесена на Землю из космоса?
- Не так давно я был на международной конференции, где обсуждали, в частности, и такой вариант, так называемую гипотезу панспермии. Профессор Загорский из Польши представил очень интересные данные, аргументируя, что жизнь не могла прибыть на Землю на маленьком «камушке» или «пылинке», так как живые организмы были бы уничтожены космическим излучением во время «полета». Если же предположить, что живые организмы прибыли в недрах достаточно большого небесного тела, например, астероида, защищавшего их от излучения в открытом космосе, то они все равно погибли бы: при столкновении этого объекта с Землей разогрев должен был быть таким, что ничего живого бы не осталось. Нет уж, проще исходить из того, что все начиналось здесь…