Новая история происхождения жизни на Земле

Наросты минералов, содержащих железо, серу и никель, омываемые горячими потоками вулканического происхождения, образовывали небольшие области, которые улавливали из раствора углеродсодержащие молекулы и химически высвобождали свободные атомы углерода, которые потом объединялись. Когда с атомами железа из различных минералов вступал в реакцию газ сероводород, образовывался минерал серный колчедан («золото дураков»), В результате этой реакции возникали молекулы, содержащие энергию, но очень незначительную. Вехтерсхойзер сообразил, что необходим еще один газ — угарный, который бы служил топливом. Это горючее было чрезвычайно важным элементом того, что происходило потом: медленное накопление и сцепление молекул в частицы, которые в своей итоговой форме станут чем-то принципиально новым и отличным от простой суммы сложенных вместе химических веществ.

Мысль, что минеральные поверхности могут стать исходным материалом для формирования жизни, не нова. Поверхность глины или кристаллы кремниевых минералов, колчедана могли быть теми микроскопическими областями, где накапливались первичные органические молекулы. Эта модель предполагает следующую последовательность: от отдельных кристаллов глины к большим образованиям, а затем — «органическое завоевание»: полностью неорганические молекулы замещаются молекулами на основе углерода, что приводит к формированию органических макромолекул, а потом — к образованию ДНК и клеток. Как полагал Р. Кернс, первичная жизнь, вероятно, имела несколько характеристик: могла эволюционировать, была примитивной, с малым количеством генов (участки ДНК, отвечающие за производство определенных белков) и имела малую биологическую специализацию, была сформирована из геохимических веществ, появляющихся в результате реакции конденсации на твердых поверхностях колчедана (сульфида железа).

Угарный газ и сероводород известны как убийцы живого, на их счету много человеческих жертв, причем смерти были вызваны как умышленными преступлениями, так и непреднамеренно. И тем не менее, если мысль Вехтерсхойзера верна, то получается, что путь жизни проложили два ядовитых газа и «золото дураков». Эту идею сам Вехтерсхойзер выразил так: «Самым первым предком всего живого была не отдельная живая клетка, а лабиринт минеральных ячеек, объединенных с катализирующими реакцию железом, серой и никелем и заряженных энергией протонного градиента. Эта первая жизнь, таким образом, была пористой горной породой, которая производила молекулы и энергию — вплоть до создания белков и самой ДНК» [70].

Несколько иной вариант теории Вехтерсхойзера опубликовали в 2003 году Уильям Мартин и Майкл Рассел [71]. Они развили идею зарождения жизни в геотермальных впадинах, утверждая, что такая природная среда могла произвести не только все необходимые минеральные вещества и запас энергии, но и ключевой аспект жизни — клетку. Их идея заключается в том, что жизнь появилась на основе чрезвычайно высокоструктурированного вещества — сернистого железа (сульфид железа). Место, где предположительно сформировалась жизнь, находилось где-то между адом (очень горячо) и глубоким синим морем (очень холодно), иначе говоря, где-то географически между богатым сульфидами (и очень горячим!) гидротермальным потоком, порожденным вулканами, и морской водой, насыщенной железом. И это не просто теоретическое предположение. Вокруг разломов и подземных источников действительно есть трехмерные решетчатые образования — их можно принять за первичные стенки клеток. Процессы, непосредственно предшествующие синтезу органических молекул, происходили внутри микроскопических ячеек, формируемых возле впадин и источников. Химические события, благодаря которым возник «мир РНК», происходили в стен(к)ах этих минеральных ячеек.

К началу нашего нового века было рассмотрено множество вариантов и догадок относительно места возникновения первой жизни. Древнейшие формы жизни, безусловно, любили горячую среду — такую, которую до сих пор можно найти в геотермальных разломах. Там можно обнаружить все необходимые элементы процесса: химические вещества и достаточную энергию. И наконец, разломы предоставляли своего рода убежище от жестокостей внешнего мира на поверхности Земли, особенно они были хороши как бомбоубежище в течение первого земного миллиарда лет. Но существует и одно серьезное возражение против этой теории. РНК и, в меньшей степени, ДНК очень нестабильны при высоких температурах, которые присутствуют в геотермальных источниках. После формирования РНК скачок от нее к ДНК был бы непосредственным, РНК служит моделью-основой для ДНК. Но переход от простых химических соединений к весьма усложненным молекулам все еще остается загадкой.

Биолог Карл Вёзе предлагал еще один возможный путь возникновения жизни [72] — жизнь могла появиться и до окончания полного формирования планеты и разделения земных слоев на ядро, мантию и кору. Так, в те времена на поверхности будущей Земли было много крупных образований самородного железа, которое вступало в реакции с паром и некоторым количеством жидкой воды, при этом атмосфера была насыщена водородом и углекислым газом. Водород-то как раз и интересен, поскольку он является сильным стимулятором химических реакций, но из-за своего незначительного веса быстро улетучивается в космос с планет вроде маленькой Земли, Марса или Венеры (газовые гиганты настолько массивны, что могут удерживать водород). В тот период Земля подвергалась частым столкновениям с космическим мусором, большими и малыми телами, и это приводило к тому, что планета постоянно пребывала в клубах пыли и водяных паров. Образовывались высокие облака водяного пара, и их маленькие капельки могли служить как протоклетки — крошечные объекты со стенками. Солнечный свет мог быть источником энергии, а пыль, поднимавшаяся высоко над поверхностью, несла в себе, помимо прочих элементов, и органические молекулы — было много материала для формирования жизни. С учетом насыщенности атмосферы водородом первые живые организмы могли начать развитие, выделяя метан и используя углекислый газ как источник углерода. Микроорганизмы, которые сегодня ведут сходную жизнедеятельность, называются «метанопродуценты». Земля охлаждалась, сформировались океаны, а жизнь пролилась дождем с небес и заселила эти океаны.

Метеоритные кратеры в пустынях

Одну из новейших гипотез о местах возникновения жизни предложили Стив Беннер из Университета Флориды [73] и соавтор этой книги Джо Киршвинк. Как уже упоминалось выше, самым сложным этапом является переход к РНК, поскольку РНК — очень нестабильна, она большая и сложная и с легкостью распадается. Вода воздействует на нуклеиновые кислоты (цепочки меньших молекул), из которых слагается РНК, и разрушает их. В действительности оказывается, что для создания РНК необходимо соблюдение очень многих условий, различных химических условий. Биохимик Антонио Ласкано следующим образом описывает эту проблему: «Чтобы создать РНК, вещества должны были преодолеть несколько серьезных препятствий, включая отсутствие простого, но при этом правдоподобного неорганического механизма формирования и накопления рибозы» [74]. Возможное решение этой проблемы содержит гипотеза создания рибозы в условиях нынешних температур на основе минералов, обычных для пустыни.

Беннер пришел к выводу, что некоторые условия ранних этапов истории Земли могли создавать защитный щит для формирования нуклеиновых кислот, оберегая их от высоких температур и других разрушительных свойств природной среды. Беннер обнаружил, что при наличии боратов (это минералы, которые могут сформироваться только в сухих и жарких условиях, их используют для производства мыла) более простые органические молекулы, распространенные не только на Земле, но и в космосе, объединяются в сложные сахара, в том числе и рибозу!