2018-03-12 08:57

Тяжелый металл биогенеза

Михаил Федонкин,

академик РАН, директор Геологического института РАН

«Популярная механика» №3, 2011

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.

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.

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

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.

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.

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.

Источник: elementy.ru

Вернуться к списку новостей