Инкубаторы жизни на Земле — геотермальные поля четыре миллиарда лет назад

Как реконструировать условия на древней Земле, исходя из химии современной живой клетки? Почему жизнь не могла зародиться возле геотермальных источников на морском дне? Что за связь между цинком в наших ферментах и Луной? Рассказывает Армен Мулкиджанян.

Мы говорим о статье работающих в России, Германии и США выпускников МГУ им. М.В. Ломоносова «Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields» — «Происхождение первых клеток на континентальных бескислородных геотермальных полях». Эта публикация в журнале PNAS в 2012 году существенно повлияла на представления о том, как появилась жизнь на нашей планете. До нее всерьез обсуждалось происхождение живых организмов в океанах, в частности, у глубоководных «черных курильщиков», однако авторы публикации показали, что этого не могло быть. И предложили более убедительный вариант: зоны выброса геотермального пара — геотермальные поля. Главную тайну жизни и главный вопрос биологии обсуждаем с Арменом Мулкиджаняном, сотрудником Оснабрюкского университета (ФРГ), профессором факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ, сотрудником НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ.

Жизнь до кислорода

Армен Яковлевич, мы сейчас будем говорить о биогенезе и ранних этапах эволюции. Но вы ведь в основном занимаетесь ферментами преобразования энергии, их механизмами. Откуда вдруг работы по ранней жизни?

Я ведь биофак МГУ окончил, нас там многому хорошо учили, в том числе и теории эволюции. Дело вот в чем: если вы изучаете какой-то конкретный фермент, вы, конечно, можете найти ответ на вопрос «как он работает», не задумываясь о его происхождении. Так и делают обычно исследователи, которые по исходному образованию физики или химики — я с такими коллегами, как биофизик, много сотрудничаю. Вот они изучают объект, и им совершенно не важно, откуда он взялся. Но этот фермент выполняет какую-то функцию, например, катализирует химическую реакцию, и, наверное, эту реакцию можно катализировать многими разными способами. И поэтому вопрос: а почему, собственно, именно этот вариант был выбран эволюцией, а не какой-то другой? И чтобы ответить на этот вопрос, надо проводить эволюционную реконструкцию — она же ресуррекция — и пытаться понять, откуда этот фермент взялся. Может, он образовался из каких-то других ферментов? Например, энергопреобразующие комплексы, которыми мы занимаемся, собраны из нескольких белков, вместе делающих что-то полезное. А для этих отдельных белков часто удается найти какие-то родственные ферменты-гомологи со своей, видимо, эволюционно более древней функцией и так далее… Так что такой эволюционный подход для меня, как биолога, естественен.

Первый текст про эволюцию мы напечатали в 1997 году. Тогда меня заинтересовал вопрос: как могли возникнуть фотосинтетические реакционные центры — встроенные в мембраны фотосинтезирующих организмов большие белковые комплексы, которыe ловят кванты света и запасают их энергию в виде разделенных электрических зарядов, как в батарейке или конденсаторе. На основе сравнения аминокислотных последовательностей мы выдвинули гипотезу, что эти сложные белковые комплексы «собрались» из более простых белков, уже содержавших хлорофиллоподобные пигменты. По нашей гипотезе, эти белки служили для защиты клеток от ультрафиолетового света (УФ). Тут надо сказать, что кислород в атмосфере Земли появился через два миллиарда лет после ее образования, только два с половиной миллиарда лет назад, когда микробная биосфера уже вполне процветала. Об этом мы знаем, так как именно тогда, судя по геологической летописи, началось окисление земных минералов кислородом, видимо, вскоре после того, как предки фотосинтезирующих цианобактерий научились использовать солнечный свет для разложения воды с образованием кислорода. Весь кислород в атмосфере имеет биогенное происхождение.

А раз не было кислорода, то не было и защищающего нас от УФ озонового слоя. То есть почти половина биологической эволюции прошла под сильным УФ-излучением и без кислорода в атмосфере. Так что первым живым сообществам, похожим, видимо, на современные микробные колонии-строматолиты, надо было защищаться от УФ-света, например, с помощью светопоглощающих пигментов, навешанных на специальные белки. Не все знают, что молекулы хлорофилла, замечательно поглощающие видимый свет, УФ-кванты ловят еще лучше, обезвреживая их за 10‑15 секунды до безвредных квантов красного света, пригодных для фотосинтеза.

Эту гипотезу мы и напечатали, и на нее ссылаются до сих пор, потому что другую никто пока не придумал.

 Бухта Хамелин-Пул, крупнейшее в мире местонахождение строматолитов (Западная Австралия) | Wikipedia.org

Но это еще не про происхождение жизни и не про первые клетки. Что было потом?

А потом была очень странная история. Меня в 2002 году пригласили на конференцию в английской академии наук, Royal Society, и там была представлена гипотеза автотрофного происхождения жизни вокруг океанских глубоководных гидротермальных систем, о которой до сих пор много пишут в научно-популярных журналах. Но на дне древнего океана никакая жизнь зародиться, естественно, не могла.

Почему? Хемосинтез, известная гипотеза. Геотермальные источники выделяют серу, металлы, соединения углерода. Микроорганизмы это утилизируют…

Понимаете, сейчас там, конечно, есть жизнь. Когда люди добрались до этой глубоководной жизни — экспедиция Джека Корлисса (Corliss) в 1977 году — они описали и сфотографировали вертикально стоящих, «колосящихся» метровых червей, что было замечательным открытием. А в 1981-м Корлисс, руководитель экспедиции, напечатал маленький текст, что жизнь там и могла зародиться, раз она и сейчас там есть. А потом эту идею подхватили биолог Билл Мартин с соратниками, которые и представили свою версию в Лондоне.

Так чем плоха гипотеза?

Дело в том, что вся эта живность существует за счет кислородного дыхания, потому что океан насыщен кислородом до самого дна. Сейчас там совершенно замечательно: гидротермальные источники выбрасывают сероводород, хемосинтезирующие бактерии, глубоко (в буквальном смысле слова) дыша, окисляют сероводород кислородом и плодятся в кишечнике червей, а черви за счет этих бактерий процветают. Огромное количество доступной энергии, немереное. А если кислорода не было, то не было и источника энергии, дышать было нечем. Весь океан был насыщен сероводородом, как сейчас Черное море глубже 200 метров, где, кстати, жизни и нет, понимаете? В верхних слоях древнего океана могли идти хоть какие-то фотохимические реакции, но солнечный свет до дна океана не достает, там темно. А кислорода четыре миллиарда лет назад или еще раньше, когда, видимо, и зародилась жизнь, в атмосфере не было.

Да, понятно.

Даже по сравнению с предложенными сто лет назад классическими сценариями происхождения жизни Опарина и Холдейна гипотеза Мартина и его соратников была настолько безграмотна, что я вернулся из Лондона и подумал, что надо как-то заняться этой темой.

Как поймать свет

И что же вы придумали в ответ?

С одной стороны, мне, как биоэнергетику, было понятно, что источником энергии для первой жизни мог быть свет. С другой стороны, сейчас очень многое свидетельствует в пользу концепции РНК-мира, предполагающей, что жизнь началась с РНК-подобных полимеров, научившихся реплицироваться. Эта концепция, кстати, была впервые высказана в 1957 году Андреем Николаевичем Белозерским, основателем Института физико-химической биологии МГУ, в котором я работаю. Мы стали думать с Дмитрием Черепановым и Михаилом Гальпериным, тоже выпускниками МГУ, каким образом свет мог способствовать появлению образующих двойные спирали РНК-подобных полимеров. Наше моделирование показало, что первые РНК-полимеры могли быть отобраны эволюцией благодаря исключительной устойчивости именно природных нуклеотидов к УФ-свету. То есть они ловят ультрафиолетовый квант и за 10‑13 секунды переводят его в тепло, сами при этом не ломаются и даже защищают от УФ-повреждения те структуры, с которыми связаны. Причем сворачивание молекул РНК в двойные спирали увеличивает УФ-устойчивость в сто раз, что показали 40 лет назад будущий академик российской и американской академий наук, а тогда аспирант МГУ Евгений Кунин и будущий замдиректора по науке отдела вакцин FDA Константин Чумаков, которого теперь, в эпоху COVID-19, все знают из телевизора. Надо сказать, что преимущественное накопление — благодаря фотоселекции — сложных, содержащих нуклеотиды структур тождественно возникновению этой сложности за счет энергии света.

И вот с тех пор я к проблеме возникновения жизни время от времени обращаюсь.

Цинк, калий и натрий

Давайте к статье 2012 года. Что на тот момент было известно?

Достаточно много. Евгений Кунин с Аркадием Мушегяном, тоже выпускником МГУ, провели сравнение двух первых бактериальных геномов в 1996 году. В 1999 году уже были геномы еще нескольких бактерий и архей, и тот же самый Кунин в 2000 году напечатал статью, где впервые определил белки, которые есть у всех свободноживущих организмов и которые должны были быть у их общего предка...

Это еще не LUCA?

Почти LUCA. С расшифровкой дальнейших геномов список сократился до 60–70 всеобщих белок- и РНК-кодирующих генов, но с тех пор особых изменений не претерпел. LUCA, скорее всего, имел больше генов, часть из которых могла потеряться в отдельных линиях организмов, но эти 60–70 генов у него были точно и позволяют судить о его природе.

Оказалось, что две трети самых древних генов кодируют белки и молекулы РНК, обеспечивающие синтез белков. Стало понятно, что основой LUCA было умение синтезировать белки на рибосомах. Ни одного гена, связанного с автотрофией, в этом наборе нет. Поэтому мало что было понятно про биоэнергетику LUCA; ее эволюционной реконструкцией мы с Евгением Куниным и Михаилом Гальпериным и занялись  примерно  с 2005 года (есть обзор на русском языке).

По ходу этих реконструкций мы сформулировали рабочий принцип «химического консерватизма». Действительно, у примитивных организмов вряд ли были ну уж совсем непроницаемые мембраны. И, скорее всего, концентрации ионов и малых молекул внутри первых клеток мало отличались от внешней среды в то время, когда возникали первые клеточные системы. И так эти системы и закрепились в эволюции. Среда потом многократно менялась, а вот клеточные системы подстроиться уже не могли. Поэтому химия внутри клеток консервативна; за счет изрядных затрат энергии на работу встроенных в клеточную мембрану ионных насосов она поддерживается похожей на среду, где образовывались первые организмы.

А это значит, что в среде обитания первых организмов ионов калия, например, было примерно в десять раз больше, чем натрия, — как внутри всех активных клеток. Позже, правда, выяснилось, что первым про возникновение первых клеток в богатой калием среде понял великий канадский физиолог и биохимик Арчибальд Макаллум, сразу после того, как он открыл, причем сто лет назад, что в клетках калия больше, чем натрия. Эта давняя работа нашлась вовремя, мы успели на нее сослаться как раз в этой статье в PNAS, о которой сейчас говорим.

Еще одна тема — идея цинкового мира. Мы обнаружили, что очень многие из древних белков используют цинк как кофактор или как структурный элемент, что совершенно загадочно, потому что цинка  в природе мало. Но оказалось, что его достаточно много внутри наших клеток. Сейчас накопление ионов цинка обеспечивают сложные ионные насосы в клеточной мембране, но закрепиться в древних ферментах цинк мог, только если его в среде обитания первых примитивных клеток было очень много.

В отсутствие кислорода цинк в природе должен был быть в виде сульфида цинка, ZnS. А ZnS — это самый мощный (фото)катализатор, известный в химии. В придачу он может запасать свет и хранить его часами. Светящиеся в темноте, фосфоресцирующие стрелки часов и детские игрушки — это ZnS и есть, а никакой не «фосфор». Запасенный свет может использоваться для разделения зарядов, как в фотосинтезе, с помощью высвобожденных при этом электронов углекислота может восстанавливаться до простейшей органики с к.п.д. до 80%, могут катализироваться органические синтезы, и так далее. И я весьма нагло предположил, что жизнь могла зародиться в необычных условиях, когда было много цинка — в «цинковом мире». Другое дело, что убедительной истории, откуда могло взяться много цинка там, где жили первые клетки, у меня тогда не было. Теперь история появилась, так что я намереваюсь и дальше про это писать.

Не только цинка, но и фосфата, железа, меди, марганца внутри наших клеток гораздо больше, чем в морской или пресной воде. Но здесь вам могут всегда сказать, что, например, первые организмы жили в высыхающих лужах или лагунах: у вас там обычная морская вода, а потом она начинает испаряться, концентрация всех ионов увеличивается — и пожалуйста, имеете сколько хотите ионов фосфата или переходных металлов! Тут разумнее отслеживать не концентрацию того или иного иона, а соотношение между ними. В морской лагуне, например, соотношение калий:натрий — 1:40, и испарение существенно на это соотношение повлиять не может.

На это можно возразить, что калий преобладает в клетке, поскольку нужен ферментам, которые появились позже, а в самых первых клетках этих ферментов еще не было, и натрия было больше, чем калия — как в морской воде. И вот здесь потребовался биоинформатический анализ, проведенный совместно с группой Кунина для обсуждаемой статьи. Мы взяли набор самых древних белков, и оказалось, что многие из них нуждаются в ионах калия, причем нет сведений, что хотя бы один из них нуждался в ионах натрия. Преобладание ионов калия важно для системы синтеза белка рибосомами. Им, как было показано академиком Спириным, для нормальной работы нужно в десять раз больше калия, чем натрия, а калия нужно не меньше 0,1 моля. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, рибосома не синтезирует белки. Собственно, это и определяет соотношение ионов калия и натрия в активных клетках.

И вы стали искать, где такое соотношение может быть? Потому что сейчас как раз все наоборот: в морской воде натрия полно, а калия мало.

Да. Мы стали искать условия, при которых оно наблюдается в неживой природе. На этой стадии исследования мне посчастливилось познакомиться с Андреем Бычковым, ныне профессором геологического факультета МГУ, ведущим специалистом по геохимии вулканических систем.

На тот момент еще было непонятно, каким был состав первичных океанов, где, как предполагалось, зародилась жизнь? Могло ведь быть так, что просто тогда в океанах было много калия, нет?

Сто лет назад Макаллум так и думал, но это вряд ли. С тех пор нашлись пробы океанской воды возрастом более трех миллиардов лет, которые как пузырьки сохранились в каких-то породах. И там просто нормальная морская вода, более соленая, чем сейчас, где-то 0,8 молей натрия. В общем, океаны были как океаны. Насколько я понял из бесед с Андреем Бычковым, в случае достаточно большого водоема ионы натрия начинают достаточно быстро — на геохимической шкале времени — преобладать, поскольку ионы калия связываются с анионами и оседают быстрее. И в итоге, какая бы ни была у вас исходно вода в природном водоеме, в ней в конце концов оказывается растворено больше ионов натрия, чем калия, причем разница тем больше, чем больше водоем.

Вулканы жизни

И мы с Андреем Бычковым стали искать, есть ли какие-то современные места, где ионы калия в воде преобладают над ионами натрия. В итоге оказалось, что в геотермальном паре, геохимию которого Бычков и изучает, больше калия, чем натрия. Что есть геотермальный пар? Магматическая камера, обычно относящаяся к вулканической системе, нагревает грунтовые воды до порядка 400 °С, они становятся легче и поднимаются вверх, оставаясь жидкими из-за большого давления. Этот «рассол» температурой в 300–400 °С по дороге вымывает из породы всё, что может вымыть. По мере приближения к поверхности давление падает, и рассол начинает кипеть. И тогда может происходить фазовое разделение, сепарация — пар всегда идет вверх, а жидкая фаза ведет себя по-разному в зависимости от структуры пласта. Поэтому пар обычно выходит прямо над магматической камерой, образуя геотермальное поле, покрытое выбрасывающими пар фумаролами, а жидкость гейзерами может бить и в другом месте.

 Геотермальная система в разрезе (по Mulkidjanian et al, PNAS USA, 2012, 109: E821-30, с изменениями). Объяснения см. в тексте

Химия этих пара и жидкости — разная, что впервые было показано в 1961 году выпускником МГУ Валерием Аверьевым, который, к сожалению, погиб в авиакатастрофе по пути на Камчатку семь лет спустя, не дожив до 40 лет. При разделении жидкой и паровой фаз экстрагированные из породы химические компоненты «выбирают», где им лучше быть — в жидкой фазе или в газообразной. В газообразную охотно и естественно уходят вещества, способные существовать как газы: сульфид превращается в сероводород, углекислота — в углекислый газ, а ионы аммония — в аммиак… Ионы калия, как показывают данные Андрея Бычкова, тоже явно предпочитают паровую фазу. А вот ионы натрия и хлора предпочитают водную фазу. Причем преобладание ионов калия тем больше, чем больше площадь геотермального поля. На самом большом таком поле в Калифорнии калия в паровом конденсате некоторых фумарол в 70 раз больше, чем натрия.

Дальше. При выборе между водой и газовой фазой играет роль полярность. Полярные соединения любят быть в воде, им в воде выгоднее. А неполярные — например, органика, которая может образовываться в горячей породе — идут с паром. И конденсат геотермального пара из-за органики бывает коричневого цвета. Это всё очень интересно, потому что сульфид, аммиак, углекислота, органика — то, из чего можно уже собирать живое. Но про происхождение жизни мы в статье 2012 года подробно не писали, мы напирали больше на то, что на геотермальных полях появились первые клеточные организмы.

 Возможная эволюция протоклеток на бескислородном геотермальном поле (PNAS USA, 2012, 109: E821-30, с изменениями). Слева — сконденсированный пар стекает по склону конуса термального источника; при нейтральном рН сульфиды меди, свинца и железа быстро выпадают в осадок (серые круги), тогда как ионы магния и цинка остаются в жидкой фазе. В понижениях рельефа образуются водоемы, обогащенные цинком и магнием, их дно покрывается слоями ZnS-содержащих силикатных минералов. Справа — протоклетки в водоеме. Они питаются органикой, приносимой паровым конденсатом, и продуктами абиотического фотосинтеза, при этом сами обитают в более глубоких, защищенных от УФ-излучения придонных слоях

Вы отмечали, что на ранней Земле была совсем другая атмосфера — углекислый газ, сероводород, отсутствие кислорода. Получается, что этот пар, который выходил, конденсировался в совсем других условиях. Соответственно и состав конденсата должен был отличаться от того, что есть сейчас, да?

Действительно, сероводород, выбрасываемый фумаролами, сейчас быстро окисляется кислородом воздуха. И поэтому конденсат богатого сероводородом пара сейчас — это концентрированная серная кислота. Только некоторые экстремофильные микроорганизмы могут жить на геотермальных полях, а для человека эти места весьма недружественные — в Йеллоустоунском национальном парке, например, прудики из кислого конденсата порой называют в память о людях, которые в них провалились. Потому что выбраться оттуда им уже не удалось. Но мы реконструируем события, которые были четыре миллиарда лет назад или раньше, когда кислорода в атмосфере не было. Сероводород нечему было окислять, и условия на таких полях должны были быть достаточно нейтральные, вполне способствующие появлению первых клеток, например, в мелких прудах и лужах конденсата, что мы и предположили в нашей статье.

 Фумарола, гора Калдаклофсфьоль (Исландия) |  Wikipedia.org

То есть вы определили в той статье, что первые клетки были с полупроницаемыми мембранами, которые удерживали внутри белки и нуклеиновые кислоты, но допускали свободный обмен малыми молекулами и ионами с окружающей средой, где было много калия, переходных металлов, фосфатов, но мало натрия?

Совершенно верно, мы утверждали, что первые клетки должны были обитать в такой своеобразной среде, и это полностью исключало морскую воду как среду возникновения первых клеток. То есть полученный нами результат «подрубает» не только чрезвычайно сомнительные идеи о происхождении первых клеток в океанских глубинах, но и вполне разумные, традиционные сценарии их возникновения как раз в тех освещенных солнцем морских лагунах, которые упоминались выше. Получается, что первые клетки могли появиться только в континентальных системах, причем, как мы думаем, это были именно континентальные геотермальные поля.

Тут уместно упомянуть пионерские работы по происхождению жизни профессора МГУ Веры Флоровской, человека удивительной судьбы. Еще во время войны она искала новые источники нефти очень прогрессивным для того времени люминесцентным анализом геологических проб. Органика люминесцирует, поэтому Флоровская знала, насколько много ее идет со всеми этими геотермальными выбросами. И она в 1961 году в «Вестнике МГУ» выпустила самую первую статью про то, что континентальные геотермальные системы могли быть местом возникновения жизни. Она напечатала про это несколько статей по-русски, а одну даже по-английски — никто этого не заметил. И я об этом ничего не знал, и только недавно наткнулся в книжной лавке МГУ на книгу о происхождении жизни, которую Флоровская с двумя своими бывшими сотрудниками опубликовала в 2013 году, к своему собственному столетию. Два года спустя вышла еще одна ее книжка. Вера Николаевна скончалась в 2018 году в возрасте 105 лет.

Нам повезло больше, чем Флоровской; на нашу статью обратили внимание, и начался постепенный пересмотр традиционных представлений о возникновении первых клеток в морской воде. Главное, что геологи стали искать следы бескислородных геотермальных полей, и Мартин ван Кранендонк с коллегами нашли недавно их в австралийской Пилбаре, там же, где найдены древнейшие на Земле окаменелости живых организмов возрастом около 3,5 миллиарда лет.

Исследование наше немного необычное. Оно на стыке биоинформатики и геохимии. Обычно биоинформатику используют, чтобы восстановить эволюционную историю организмов, а мы с ее помощью реконструировали не сами древние организмы, а окружающую их среду, проверив, от каких неорганических ионов зависят имеющиеся у всех организмов древние ферменты и клеточные системы, чего до нас никто толком не делал.

 Фумарола, вулкан Маунт-Редубт (Аляска) | Wikipedia.org


Холодное солнце и горячая земля

Как выглядела жизнь этих первых клеток на геотермальных полях? И как вообще выглядела Земля в то время?

Судя по давней модели выпускников МГУ Льва Мухина и Василия Мороза — а этой модели я больше всего склонен доверять — на древней Земле, скорее всего, было весьма холодно, средние температуры были ниже нуля. Солнце светило на четверть слабее и более синим светом, а теплых инфракрасных лучей было меньше. Это так называемый парадокс тусклого молодого солнца, один из многих парадоксов, связанных с ранней жизнью. Поэтому геотермальные поля особо интересны, так как им было совершенно все равно, какова была температура воздуха, они постоянно подогревались снизу и могли работать как инкубаторы, которые не зависят от внешней температуры. Причем они обеспечивали широкий разброс температур — ближе к фумаролам было теплее, подальше от них — холоднее.

Сейчас эти поля разбросаны по Земле, и их не очень много. Но Земля сразу после своего образования была достаточно горячей. И более того, дополнительно подверглась разогреву во время образования Луны: 4,45 миллиарда лет назад с Землей столкнулась малая планета, да так, что обломки земных коры и мантии были выброшены на орбиту, где и собрались со временем в прото-Луну. Все это сопровождалось выделением гигантского количества энергии, в результате Земля была покрыта расплавленным океаном магмы, на котором постепенно образовывалась корочка. После образования этой первичной коры охлаждение Земли могло идти через бесчисленные вулканические системы. Соответственно, геотермальные поля покрывали всю Землю. Снизу было горячо, а снаружи — холодно. Под холодным небом расстилались геотермальные поля. На них, как мы полагаем, начало произрастать что-то живое — на то они и поля.

Я правильно понимаю, что жизнь появилась где-то в одном месте и потом пошла в океаны? То есть, может быть, она и в других местах зарождалось, но какая-то одна система в конце концов выиграла у всех остальных?

Вполне может быть. Тут надо отметить, что Земля после импакта должна была быть сухой. Водоемы заполнялись постепенно, по мере конденсации пара, выбрасываемого вулканами и фумаролами. До появления океанов могли пройти десятки, если не сотни миллионов лет.

А до того, как врезалось это небесное тело в Землю, могла ли жизнь образоваться или нет? Могла ли она пережить этот импакт, если образовалась?

Нет, это событие жизнь пережить не могла, она могла до этого, возможно, и возникнуть, а вот пережить — никак. Огромная энергия. Расчеты дают температуры более 2000 градусов на многие века после столкновения. Так что современная жизнь появилась на Земле после образования Луны. Кстати, благодаря этому событию цинка могло быть много, когда зарождалась первая жизнь.

Луна обеднена по цинку относительно Земли в сто раз; скорее всего, почти весь цинк, находившийся в протолунном диске, выпал тонким слоем на Землю в самом конце процесса остывания Земли после импакта, когда температура упала где-то до 300–400 °С, и уже была первичная твердая кора. Так что цинка на поверхности древней Земли было, видимо, предостаточно — пока не началась тектоника плит и богатую цинком первичную кору не затянуло внутрь мантии.

В начале было сообщество

Вы можете описать этот мир, в котором жили эти клетки? В грязи, ультрафиолет...

Да нет, в грязи они не жили, в том-то и дело, что все эти фотографии с грязевыми котлами на геотермальных полях, которые часто в прессе сопровождали сообщения о нашей работе, немного обманчивые. Грязевые котлы, как меня учил Андрей Бычков, образованы диоксидом кремния, который тоже выносится с паром. Структура его отложений зависит от кислотности. Когда кисло, как сейчас на геотермальных полях из-за кислорода, частички диоксида кремния связывают протоны, становятся электрически нейтральными и слипаются друг с другом. Получается кислая грязь. Если условия нейтральные, частички диоксида кремния отрицательно заряжены и при участии катионов металлов — калия, магния, а в древние времена, может, и цинка — образуют слоистые глины. Поскольку отрицательно заряженные частички отталкивают друг друга, между слоями остается свободное пространство, в которое могут даже помещаться РНК-подобные молекулы. Но это все интересно для доклеточного этапа, первых полимеров и мира РНК. А мы тут говорим о статье 2012 года, где рассматриваются уже первые клетки.

Первым клеткам, даже маленьким, между слоями диоксида кремния было не поместиться, поэтому существовали они, скорее всего, в виде сообществ — микробных матов или строматолитов. И сейчас на берегу более-менее живых водоемов можно увидеть разноцветные микробные маты у берега: в верхнем слое живут фотосинтезирующие организмы, которые своими пигментами ловят солнечный свет и синтезируют с его помощью органику, она попадает в нижележащие слои, а уже их обитатели эту органику потребляют и производят что-то полезное взамен.

Мы же говорим про более ранний этап, когда еще не было таких матов, нет?

А вот я думаю, что протоклетки сразу и возникли в виде таких колоний. До возникновения фотосинтеза они могли, например, существовать среди отложений каких-то минералов, защищающих от того же ультрафиолета. А если эти минералы содержали кристаллы ZnS или MnS, они могли и съедобную органику «фотосинтезировать». Одинокая примитивная клетка выжить, наверное, не могла. И Кунин так же считает, он даже в последнее время говорил не о LUCA, а о LUCAS — Last Universal Cellular Ancestral State, то есть не предок, а предковое состояние.

Сообщество то есть.

Совершенно верно, сообщества, участники которых, скорее всего, интенсивно обменивались продуктами своей жизнедеятельности. То есть была клетка, которая умела синтезировать какие-то белки и метаболиты, но генов у нее было меньше, чем сейчас, и все, что ей для жизни нужно, она сама синтезировать не могла. Поэтому она часть синтезированных белков и метаболитов выбрасывала наружу, а взамен брала нужные чужие. И, кстати, до сих пор так, в этом смысле мало что не изменилось. Сколько видов микроорганизмов удалось вырастить в чистой культуре? Ну, 0,01% от всего многообразия. Почему? А потому, что для роста в чистой культуре микроорганизм должен получать все, что ему необходимо. И вот ему дают богатую среду, витамины, подливают мясной бульон, лишь бы рос. А он не растет, и это означает, что он в своем сообществе получал что-то такое, чего даже во вкусном мясном бульоне нет.

Но чем вообще питались первые клетки? Они ведь были гетеротрофы, питались органикой. Абиотический синтез органики? И что было до этих первых клеток? РНК-мир? Как появилось наследование, первые гены?

Да, конечно, гетеротрофы. Хемосинтез у первых организмов — это несерьезно. Ферменты хемосинтеза — одни из самых сложных, составных ферментов, их не могло быть в самом начале. Видимо, шел абиотический синтез органических соединений – и в горячих породах, и на поверхности под действием ультрафиолетового света, и в атмосфере. Органические молекулы первые организмы могли всячески использовать и преобразовывать, это как раз весьма нехитрая химия; а вот производить органику заново из углекислоты, в чем и заключается хемосинтез и вообще автотрофия, гораздо труднее; думаю, первым организмам это было не под силу.

А мы можем восстановить жизнь до первых клеток?

Можем, наверное. Например, разбирая рибосому на составные части…



Мы, конечно, поговорили еще немного. А потом еще немного. И про пребиотический синтез органики, и про «формамидный» мир, и про РНК-мир. А еще про загадочное отсутствие ферментов синтеза ДНК в наборе древних белков, про водный парадокс ранней жизни и возможные его решения… А также про то, как растить конкретную бактерию, если она в чистой культуре расти не хочет, и про то какое это имеет отношение к поиску новых антибиотиков…Но это совсем другие истории. Кстати, некоторые из них можно найти в виде лекций Армена Мулкиджаняна в интернете.


«Первое глобальное потепление и происхождение жизни»

Лекция на XIV Фестивале науки в Москве NAUKA 0+

Добавить в избранное

Вам будет интересно