Тяжелый металл биогенеза

Дарвин честно признавался: он не может дать ответ на вопрос, почему в ископаемой летописи старше примерно полумиллиарда лет не обнаружено никаких следов живых существ. Потом наука отыскала свидетельства жизни на 3 млрд лет старше. Однако живое отделилось от неживого раньше, и осязаемых следов этого события, похоже, не существует.

Именно поэтому таинство возникновения жизни, которое не может быть изучено на ископаемых материалах, является предметом теоретических и экспериментальных изысканий и проблемой не столько биологической, сколько геологической. Можно смело сказать: истоки жизни находятся на другой планете. И дело вовсе не в том, что первые биологические существа были принесены к нам из космоса (хотя подобные гипотезы и обсуждаются). Просто та, ранняя Земля была очень мало похожа на нынешнюю.

Великолепная метафора для понимания сущности жизни принадлежит знаменитому французскому естествоиспытателю Жоржу Кювье, который уподобил живой организм смерчу. И в самом деле, торнадо имеет множество признаков, роднящих его с живым организмом. Он поддерживает определенную форму, движется, растет, что-то вбирает в себя, что-то выбрасывает — и это напоминает обмен веществ. Смерч может раздваиваться, то есть как бы размножаться, и наконец, он преобразует среду. Но живет он лишь до тех пор, пока дует ветер. Иссякнет поток энергии — и смерч утратит и форму, и движение. Поэтому ключевым вопросом исследования биогенеза является поиск того потока энергии, который сумел «завести» процесс биологической жизни и обеспечил первым метаболическим системам динамическую стабильность, подобно тому, как ветер поддерживает существование торнадо.

Животворящие «курильщики»

Одна из групп существующих ныне гипотез рассматривает в качестве колыбели жизни горячие источники на дне океанов, температура воды в которых может превышать сотню градусов. Подобные источники существуют и по сей день в районе рифтовых зон океанического дна и называются «черными курильщиками». Перегретая выше точки кипения вода выносит из недр растворенные до ионной формы минералы, которые часто тут же оседают в виде руды. На первый взгляд эта среда кажется смертельной для любой жизни, но уже там, где вода охлаждается до 120 градусов, живут бактерии — так называемые гипертермофилы.

 


Пористые преципитаты

Пористые преципитаты сульфидов железа близ щелочных сипов (донных геотермальных источников) в древнем океане могли стать колыбелью живой клетки. Fe-Ni сульфиды катализировали синтез простых органических молекул, которые формировали более сложные. Короткие фрагменты РНК, возникавшие на минеральной подложке пирита, работали как матрица для синтеза пептидов. Изображение: «Популярная механика».


 

Выносимые на поверхность сульфиды железа и никеля образуют на дне преципитат пирита и греигита – осадок в виде пористой шлакообразной породы. Некоторые современные ученые, например Майкл Рассел, выдвинули гипотезу о том, что именно эти насыщенные микропорами (пузырьками) породы стали колыбелью жизни. В микроскопических пузырьках могли формироваться и рибонуклеиновые кислоты, и пептиды. Пузырьки, таким образом, становились первичными катаклавами, в которых ранние метаболические цепочки обособились и превратились в клетку.

Гипотеза о происхождении жизни в горячих источниках интересна не только версией происхождения клетки, ее физического обособления, но и возможностью нащупать энергетическую первооснову жизни, направить исследования в область процессов, которые описываются не столько языком химии, сколько терминами физики.

 


Пептидные цепи

Пептидные цепи, выраставшие таким образом, высвобождались благодаря притоку более кислой воды океана. Пептиды покрывали стенки пор, и это был первый шаг к автономии клетки. Впоследствии клетка, окруженная оболочкой, высвобождалась. Изображение: «Популярная механика»
.


 

Поскольку океаническая вода более кислая, а в гидротермальных водах и в поровом пространстве осадка – более щелочная, возникали разности потенциалов, что чрезвычайно важно для жизни. Ведь все наши реакции в клетках по своей природе электрохимические. Они связаны с переносом электронов и с ионными (протонными) градиентами, которые вызывают перенос энергии. Полупроницаемые стенки пузырьков играли роль мембраны, поддерживающей этот электрохимический градиент.

Драгоценность в белковом футляре

Разница сред — ниже дна (где сверхгорячей водой растворяются породы) и выше дна, где вода остывает, — также создает разность потенциалов, результатом которой является активное перемещение ионов и электронов. Такое явление даже получило название геохимической батареи.

 


Жизнь — это энергия

Чаще всего ученые, занимающиеся проблемами биогенеза, ставят на первое место происхождение «живых кирпичиков», «строительных блоков», то есть тех органических веществ, из которых состоит живая клетка.

Минеральные матрицы

Это ДНК, РНК, белки, жиры, углеводы. Например, активно разрабатываются теории минерального происхождения жизни. И действительно, на кристаллической решетке минерала как на матрице могут синтезироваться разные вещества: аминокислоты, сахара, белки. Особый интерес представляют глинистые минералы. Благодаря своей слоистой структуре они могут концентрировать между слоями органические молекулы и превращать их в сложные.

Что вдохнуло жизнь?

Но если взять эти сложные молекулы и выложить в некий сосуд, из них ничего само собой не соберется. Это не пазл. Любой организм — динамическая система, находящаяся в состоянии постоянного обмена со средой. Даже если взять современный живой организм и растереть его до молекул, то никому не под силу повторно собрать из этих молекул живое существо. Однако современные модели происхождения жизни в основном ориентируются на процессы абиогенного синтеза макромолекул — предшественников биоорганических соединений, не предлагая механизмов генерирования энергии, которая инициировала и поддерживала процессы обмена веществ.


 

Кроме подходящей среды для образования органических молекул и наличия энергетического потока, есть еще один фактор, позволяющий считать океанские гидротермы наиболее вероятным местом зарождения жизни. Это металлы.

Горячие источники находятся, как уже говорилось, в рифтовых зонах, где дно раздвигается и близко подступает горячая лава. Внутрь трещин проникает морская вода, которая затем выходит обратно в виде раскаленного пара. При огромном давлении и высоких температурах базальты растворяются, как сахарный песок, вынося наружу огромное количество железа, никеля, вольфрама, марганца, цинка, меди. Все эти металлы (и некоторые другие) играют колоссальную роль в живых организмах, поскольку имеют высокие каталитические свойства.

 


Невыносимая атмосфера: Формирование нашей планеты можно уподобить выплавке чугуна в мартеновской печи

Мартеновская планета

В печи кокс, руда, флюсы — все это плавится, и в конце концов тяжелый жидкий металл стекает вниз, а наверху остается затвердевшая пена шлака. Кроме того, выделяются газы, включая пары воды. Точно так же образовалось металлическое ядро Земли, «стекшее» к центру планеты. В результате этой «плавки» начался процесс, известный как дегазация мантии. Землю 4 млрд. лет назад, когда, как считают, зародилась жизнь, отличал активный вулканизм, не идущий ни в какое сравнение с нынешним.

Под тусклым солнцем

Поток радиации и, соответственно, радиогенного тепла из недр был раз в 10 мощнее, чем в наше время. В результате тектонических процессов и интенсивной метеоритной бомбардировки тонкая земная кора постоянно перерабатывалась. Свой вклад, очевидно, вносила и находившаяся на значительно более близкой орбите Луна, которая своим гравитационным полем массировала и разогревала нашу планету. Самое удивительное, что интенсивность свечения Солнца в те далекие времена была ниже примерно на 30%. Если бы Солнце в нашу эпоху стало светить хотя бы на 5% слабее, Земля моментально покрылась бы льдом. Но тогда у нашей планеты было намного больше собственного тепла, и ничего даже близко напоминавшего ледники на ее поверхности не встречалось. Зато существовала плотная атмосфера, хорошо удерживавшая тепло. По своему составу она имела восстановительный характер, то есть в ней практически отсутствовал несвязанный кислород, зато она включала в себя значительное количество водорода, а также парниковые газы — водяной пар, метан и углекислый газ.

Вода из комет

Таким образом, первая жизнь на Земле появилась в условиях, в которых из живущих ныне организмов могли бы существовать лишь примитивные анаэробные бактерии. Первые следы воды, в которой, как считается, зародилась жизнь, геологи находят в отложениях возрастом 3,5 млрд лет, хотя, судя по всему, в жидком виде она появилась на Земле несколько раньше. Вода образовывалась из насыщавшего атмосферу водяного пара, когда Земля стала постепенно остывать. Кроме того, воду к нам приносили малые кометы, интенсивно бомбардировавшие земную поверхность.


 

Реакции в наших живых клетках управляются ферментами. Это довольно большие белковые молекулы, которые увеличивают скорость реакции по сравнению с подобными реакциями вне клетки иногда на несколько порядков. И что интересно, в составе молекулы фермента на тысячи и тысячи атомов углерода, водорода, азота и серы подчас приходится всего 1–2 атома металла. Но если эту пару атомов вытащить, белок перестает быть катализатором. То есть в паре «белок–металл» именно последний оказывается ведущим. Зачем же нужна тогда большая молекула белка? С одной стороны, она манипулирует атомом металла, «прислоняя» его к месту реакции. А с другой стороны, она его бережет, защищает от соединений с другими элементами. И в этом есть глубокий смысл. Дело в том, что многие из тех металлов, что были в изобилии на ранней Земле, когда кислорода не было, и сейчас доступны — там, где кислорода нет. Например, в вулканических источниках много вольфрама. Но как только этот металл выходит на поверхность, где встречается с кислородом, то тут же окисляется и оседает. То же происходит с железом и  другими металлами. Таким образом, задача большой белковой молекулы — сохранить металл активным. Все это наводит на мысль, что именно металлы первичны в истории жизни. Возникновение белков было фактором сохранения первичной среды, в которой металлы или их простые соединения сохраняли свои каталитические свойства, и обеспечило возможность их эффективного использования в биокатализе.

Водород как валюта

К древнейшему типу ферментов относятся гидрогеназы, которые катализируют простейшую из химических реакций — обратимое восстановление водорода из протонов и электронов. А активаторами этой реакции являются железо и никель, которые в изобилии присутствовали на ранней Земле. Немало было и водорода — он выделялся при дегазации мантии. Именно водород, похоже, был главным источником энергии для самых ранних метаболических систем. Ведь и в нашу эпоху подавляющее большинство реакций, осуществляемых бактериями, включают в себя действия с водородом. Как первичный источник электронов и протонов водород составляет основу энергетики микробов, являясь для них чем-то вроде энергетической валюты.

 


Никто никого не ел

Первые клетки, появившиеся в недрах океанов на сильно разогретой Земле, были, конечно, прокариотными, то есть очень примитивными по строению и не обладающими оформленным клеточным ядром. Однако времена менялись, и уже примерно 2,7 млрд лет назад в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов в атмосфере Земли появился кислород. Он тут же принялся окислять металлы, превращая их в руду. Количество свободного железа пошло на убыль. И тогда жизнь стала отказываться (где можно) от железа и замещать его другими металлами. Чрезвычайно важной задачей для живых организмов стала защита своего «внутреннего мира» от губительного окисления. Как защититься? Есть возможность окружить себя полупроницаемой слизью или оставаться в тех средах, которые напоминают раннюю Землю. Но был еще один способ — «спрятаться» в другой организм, более устойчивый к изменившейся среде. Так произошла сложная эукариотная клетка — древняя экосистема, свернувшаяся воедино. Многие органеллы, которые живут внутри клетки, некогда были свободноживущими бактериями. Более ранние теории происхождения эукариотных клеток предполагали, например, заглатывание одного прокариотного организма другим, однако теперь стало понятно: никто никого не ел. Эукариотная клетка стала результатом оптимизации отношений первичных прокариотных сообществ в ответ на необратимые изменения параметров среды.


 

Жизнь зарождалась в бескислородной среде. Переход к дыханию кислородом требовал радикальных преобразований метаболических систем клетки, чтобы минимизировать активность этого агрессивного окислителя. Адаптация к кислороду возникала прежде всего в ходе эволюции фотосинтеза. До этого же основой энергетики живого был водород и его простые соединения — сероводород, метан, аммиак. Но это, вероятно, не единственное химическое отличие современной жизни от ранней.

Запасливые уранофилы

Возможно, самая ранняя жизнь не имела того состава, который имеет нынешняя, где в качестве базовых элементов преобладают углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Дело в том, что жизнь предпочитает более легкие элементы, с которыми проще «играть». Но эти легкие элементы имеют маленький ионный радиус и создают слишком прочные соединения. А жизни этого-то и не надо. Ей надо уметь эти соединения легко расщеплять. Сейчас у нас для этого есть множество ферментов, но на заре жизни их еще не существовало. Несколько лет назад мы высказали предположение, что у некоторых из этих шести основных элементов живого (макроэлементы C, H, N, O, P, S) были более тяжелые, но и более «удобные» предшественники. Вместо серы в качестве одного из макроэлементов, скорее всего, работал селен, который легко соединяется и легко диссоциирует. Место фосфора по той же причине, возможно, занимал мышьяк. Недавнее открытие бактерий, которые используют мышьяк вместо фосфора в своих ДНК и РНК, усиливает наши позиции. Причем все это справедливо не только для неметаллов, но и для металлов. Вместе с железом и никелем в процессе становления жизни значительную роль играл вольфрам. Корни жизни, таким образом, надо, вероятно, уводить в низ таблицы Менделеева.

Для подтверждения или опровержения гипотез об изначальном составе биологических молекул нам стоит обратить пристальное внимание на бактерий, живущих в необычных средах, возможно отдаленно напоминающих Землю в древние времена. Например, недавно японские ученые исследовали один из видов бактерий, обитающих в горячих источниках, и обнаружили в их слизистых оболочках урановые минералы. Для чего бактерии их накапливают? Возможно, уран имеет для них какую-то метаболическую ценность? Например, используется ионизирующий эффект радиации. Есть другой известный пример — магнитобактерии, которые существуют в аэробных условиях, в относительно холодной воде, и накапливают железо в виде кристалликов магнетита, обернутых в белковую мембрану. Когда железа в окружающей среде много — они формируют эту цепочку, когда железа нет — они его тратят и «сумочки» становятся пустыми. Это очень похоже на то, как у позвоночных накапливается жир в качестве энергетического запаса.

На глубине 2–3 км, в плотных осадках, оказывается, тоже живут бактерии и вполне обходятся без кислорода и солнечного света. Такие организмы обнаружены, например, в урановых шахтах Южной Африки. Питаются они водородом, и здесь его достаточно, потому что уровень радиации настолько высок, что вода диссоциируется на кислород и водород. Генетических аналогов на поверхности Земли у этих организмов не обнаружено. Где же эти бактерии сформировались? Где их предки? Поиск ответов на эти вопросы становится для нас настоящим путешествием во времени — к истокам живого на Земле.

Автор: Михаил Федонкин, академик РАН, директор Геологического института РАН
Источник: Элементы
Оригинал: "Популярная Механика", №3 2011 г.

  • avatar
  • .
  • +30

10 комментариев

avatar
– Как это ни парадоксально на первый взгляд, но при таких условиях (300 градусов и 250 атмосфер – А.Н.) клетки хемосинтезирующих бактерий могут размножаться в 30 раз быстрее, чем при атмосферном давлении и комнатной температуре. Митохондрии таких клеток могут размножаться еще быстрее, а снятие информационных копий с ДНК осуществляется на несколько порядков быстрее, чем при нормальных условиях. А главное, самоё начало химической эволюции – подбор материала для строительства РНК, ДНК и белков – становится принципиально возможным, т.к. комплементарная пара только в таких условиях может дождаться своей половины. При н.у. это просто нереально. Здесь имеет смысл обратить внимание на химический состав горячего «супа». В него в больших количествах входят кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор и в малых количествах все остальные элементы таблицы Менделеева.
Самое интересное, что из недр Земли, кроме атомов и простых молекул, «выплывают» готовые блоки ДНК и РНК – азотистые основания и фосфолипиды, которые, взаимодействуя между собой, время от времени образуют нуклеотиды, т.е. комплементарные пары ДНК и реже – РНК. Комплементарные пары (половинки одной ступени ДНК) находят друг друга при температуре 250–300 градусов в десятки тысяч раз быстрее, чем при комнатной. Удачная стыковка сопровождается синхронным соединением перил (фосфатных групп) между собой. Образуется поперечная диэфирная связь – ключ, помогающий разгадать многие повадки живых молекул. Как только образовалась поперечная диэфирная связь, возникает особая, «живая» молекула. Ее особенность заключается в способности восстанавливать свою структуру при случайном разрушении водородных связей между половинками ступени ДНК. Дело в том, что разрыв водородных связей не разрывает, а всего лишь раздвигает или, как принято говорить, расплавляет ступень ДНК, половинки которой остаются связанными через фосфатные группы. Кстати, случайно раздвинуть ступень ДНК не так просто, т.к. половинки ступени достаточно массивны и раздвигаются только в одном направлении, поворачиваясь вокруг центра атома кислорода, заключенного между двумя атомами фосфора.
Что же происходит дальше? Раздвинутая ступень ДНК ловит своими половинками комплементарные пары, выходящие из недр Земли или образующиеся в «топке» «черного курильщика». Захватив себе пару, ступень превращается в две одинаковые ступени, т.е. удваивается. Дальше эволюция может пойти по двум различным путям. Либо две ступени, связанные по фосфатным группам, разойдутся в стороны (размножение), либо образуется вторая, теперь уже продольная диэфирная связь (первой продольной связью становится в этом случае материнская поперечная связь, с которой все началось). В этом случае мы наблюдаем рост молекулы ДНК. Оба эти процесса полезны, однако, в начале эволюции, живые системы больше размножаются, чем растут. Достигая некоторого уровня развития (в данном случае концентрации одноступенчатых ДНК), молекулы начинают больше расти, чем размножаться.
Если температура в недрах «черного курильщика» понижается, то доля размножающихся молекул падает, в то время как доля растущих возрастает. Растущие молекулы начинают различаться по своему составу, образуя первые виды одномолекулярных живых организмов. Прародителем таких организмов можно считать аденозинмонофосфат, который в современных организмах выполняет энергетическую и информационную функции одновременно.
Число видов быстро возрастает, однако выясняется, что некоторые одномолекулярные оказываются способными ускорять образование нуклеотидов из азотистых оснований и фосфолипидов, а другие – пожирать менее приспособленных одномолекулярных. В дальнейшем аналогичное различие функций ярко проявится у растений и животных.
Хитрость механизма одномолекулярных заключается в том, что одноцепочечная спираль ДНК, состоящая из нуклеотидов, может образовывать комплементарные пары внутри себя (вспомните внутренние связи т-РНК). Если эти комплементарные пары сшивают одноцепочечную ДНК, образуя механизм нападения, то новоявленный хищник начинает охотиться на других одномолекулярных, подрастая и размножаясь за их счет, т.е. используя готовые блоки, на которые он разобрал своих конкурентов. Господствующий вид одномолекулярных начинает и «внутривидовую» борьбу, в которой выживает наиболее приспособленный, который сохраняет свою структуру в виде последовательности нуклеотидов, передавая ее по наследству. Многие виды не выдерживают конкуренции и надолго (если не навсегда) исчезают с лица «черного курильщика». Удачные виды начинают лакомиться не только выходящими из жерла «черного курильщика» нуклеотидами, но и отдельными азотистыми основаниями, самостоятельно доделывая их до нуклеотидов. Для этого к захваченному азотистому основанию нужно приделать фосфолипид с нужной стороны, а если он слишком длинный, то обрезать ему лишнюю часть «хвоста». С этого момента рост и размножение «полиглота» резко усиливается. Дело в том, что вероятность найти фосфолипид произвольной длины гораздо выше, а точное место присоединения к азотистому основанию отсекает неподходящие изомеры нуклеотидов.
Через некоторое время появляются «суперполиглоты», которые способны синтезировать фосфолипиды из произвольных углеродных цепочек и фосфорной кислоты. Дальнейшая «всеядность» требует изготовления самих азотистых оснований, которые в современных клетках синтезируются из углекислого газа, соединений азота и других простых молекул.
Каждое такое усовершенствование вызывает своеобразный демографический взрыв в недрах «черного курильщика». Но нет предела совершенству. Став всеядными одномолекулярными организмами, они начинают образовывать новые и новые виды, одни из которых могут быть полезны другим. Появляются катализаторы эволюции или одномолекулярные симбионты. Одни из них способны строить жилища, защищающие их самих и их друзей от невзгод и назойливых собратьев. Жилища, похожие на коммунальные квартиры, способствуют подбору уживчивых жильцов, способных разделить между собой обязанности. Появляются молекулы-профессионалы. Профессионализм в создании всевозможных белковых механизмов характеризует сложную молекулу рибосомальной РНК, которая впоследствии войдет в состав митохондрии под именем рибосомы.
Отличительной чертой митохондрии является способность совмещать в себе коллектив молекул-профессионалов, которому для жизни требуются лишь простые молекулы в качестве сырья и электронный градиент, преобразуемый ею в универсальный энергоноситель аденозинтрифосфат (АТФ), используемый всеми земными организмами. Эволюция митохондрии в десятки раз быстрее протекает в утробе черного курильщика, чем на поверхности океана, однако митохондрии уже способны путешествовать из тела одного «курильщика» в тело другого. Внутри общих предков современных клеток и митохондрии эволюция продолжает набирать темп. Совершенствование рибосом и других органелл древней клетки приводит к появлению нового уровня организации: «клетка в клетке», где более крупная и совершенная клетка содержит в себе микроклетки-митохондрии. Новые рибосомы в макроклетке уже не просто присоединяют одну аминокислоту к другой, как в митохондриях, а ориентируют их, согласно третьей букве генетического кода. Это делает клетку более жизнеспособной за счет ускорения процесса образования вторичной структуры белка, который теперь при нормальной температуре идет почти также быстро, как самосборка при высокой температуре.
Следующий серьезный шаг, позволяющий покинуть родину, это освоение порфиринового кольца, в частности магнийсодержащего, с помощью которого появилась возможность использовать в качестве источника энергии солнечный свет.
Возвращаясь к скорости размножения ДНК, отметим, что изменение давления или температуры может приводить к задвиганию и раздвиганию комплементарных пар ступени ДНК.
Образование сложных клеточных структур, подобных аппарату Гольджи, клеточному ядру и пр., мы рассматривать не будем ввиду их чрезвычайной сложности. А эволюция «от амебы до гориллы» хорошо изложена в популярной книге с одноименным названием, а также во всех учебниках биологии.
avatar
А.Никонов «Апгрейд обезьяны или большая история маленькой сингулярности.
avatar
avatar
Благодарю за ссылку. Мне самому далеко не все нравится у Никонова, но в вышеописанном фрагменте я не нашел ни одного расхождения с общепринятой моделью (био)химических реакций.
avatar
Появление жизни как таковой еще можно объяснить. Но как объяснить появление самого первого атома во вселенной, или електрона этого атома? Или теорию большого взрыва- якобы была точка непонятно из чего состоящая, потом произошел почему то взрыв и так далее?
avatar
«Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности» @ MagSpace

Почитай, коли действительно интересно. Куча вопросов отпадёт сразу. Книга написана очень хорошо и особых знаний не требует.
avatar
Меня смущает предложение «Дарвин честно признавался: он не может дать ответ на вопрос, почему в ископаемой летописи старше примерно полумиллиарда лет?» если это Чарльз Дарвин, то в те временя не умели датировать артефакты.
avatar
Почему же? Вроде датирование проводилось по гм, «глубине залегания», если говорить грубо. Чем глубже, тем древнее. Хотя, я конечно могу ошибаться, +-30-40 лет…
avatar
Это же сколько надо копать, чтоб полмиллиада лет насчитать?
avatar
Зависит от места. Слои двигались, что-то обрушалось.
Если ты не в курсе, то некторые слои кеибрийского и юрского ппериодов можно встретить прямо на поверхности.
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.