Согласно одной из гипотез, примитивная доклеточная жизнь возникла более четырех миллиардов лет назад на суше среди вулканов и фумарол, которые обеспечивали всю необходимую химию для ее сохранения и питания. Это могло произойти как на Земле, так и на Марсе.
Живая клетка представляет собой очень сложный организм, объединяющий множество элементов, механизмов и процессов. Как она образовалась, неизвестно. Одни ученые пытаются синтезировать клетку целиком, другие идут от простого к сложному, выясняя, как сформировались ее составные части по отдельности и затем в течение миллиардов лет эволюционировали.
Долгое время считалось, что жизнь зародилась в океанах, но в последнее время эта точка зрения критикуется. Хотя вода входит в состав клетки, для самопроизвольного синтеза биомолекул она вредна. Кроме того, нет никаких доказательств, что на поверхности планеты более четырех миллиардов лет назад, когда, предположительно, стартовал процесс зарождения жизни, существовали моря и океаны.
Химия РНК-мира
На роль протожизни претендуют молекулы рибонуклеиновой кислоты, РНК. Они способны хранить информацию, воспроизводиться, синтезировать белки и выполнять самостоятельно множество различных функций, которые в современной клетке переняли ДНК, ферменты и другие биологические молекулы.
Молекулы РНК состоят из чередующихся нуклеотидов, связанных кислородными мостиками. Ученые давно пытались воссоздать звенья полимерной цепи этой сложной молекулы, но прорыв произошел только в 2009 году, когда британские исследователи Мэтью Поунер (Matthew Powner) и Джон Сазерленд (John Sutherland) обнародовали результаты экспериментов по синтезу двух РНК-нуклеотидов — цитозина и урацила. Их удалось получить в лабораторных условиях из простой органики и фосфата после облучения ультрафиолетом.
"Они синтезировали два природных нуклеотида целиком. Это был грандиозный прорыв", — рассказывает РИА Новости Армен Мулкиджанян, доктор биологических наук, сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ имени М. В. Ломоносова, сотрудник физического факультета Оснабрюкского университета (Германия).
Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (рибозы) и фосфатных групп, при присоединении которых запасается энергия. Как получить смеси сложных сахаров из органики, показал Александр Бутлеров аж в 1859 году. Спустя полтора века американский химик Стивен Беннер (Steven Benner) выяснил: для того чтобы в этой реакции избирательно образовывалась именно рибоза, в качестве катализатора нужен оксид молибдена. Кроме того, для стабилизации образующихся сахаров необходимо много боратов — солей борной кислоты. Беннер предположил, что такие химические условия могли существовать где-то в пустынях, например, на сухих возвышенностях Марса, сложенных базальтами.
"Действительно ранние Марс и Земля были очень похожи. Марс, возможно, располагал даже более окисленной атмосферой, чем древняя Земля, там нашли отложения боратов, что свидетельствует о давней геотермальной активности. Половина территории Марса сложена породами старше четырех миллиардов лет, так что искать там следы жизни имеет смысл. На Земле из-за тектоники плит горные породы такого возраста не сохранились", — объясняет Мулкиджанян.
Вулкан Сольфатара, Флегрейские поля, Италия
Без света нет жизни
Специалист по энергетике клетки Армен Мулкиджанян давно занимается проблемой происхождения жизни, у которой в советской и российской науке почтенные традиции. Достаточно сказать, что академик Александр Опарин во всем мире считается отцом-основателем этого научного направления.
Мулкиджанян с коллегами предположили, что ультрафиолетовый свет мог стать ключевым фактором отбора первых биомолекул. Древняя атмосфера не содержала ни кислорода, ни озона. В ней сохранялись те биомолекулы, которые могли на первых порах просто нагреваться солнечными лучами, не распадаясь. Об этом свидетельствует то, что все природные азотистые основания РНК обладают данным свойством. А вот жесткое космическое излучение живые протоорганизмы вряд ли выдержали бы, полагает биолог. Значит, об их доставке метеоритами с Марса на Землю не может быть и речи.
Для зарождения жизни подходят геотермальные поля, образующиеся вокруг вулканов. Вместо воды, как в гейзерах, тут из горячих источников вырывается пар, насыщенный всеми необходимыми компонентами. В нем есть углекислый газ, водород, аммиак, сульфиды, фосфаты, молибден, бораты, калий — причем его больше, чем натрия. Калий преобладает и в клетках всех организмов, потому что иначе невозможен биосинтез белка. Как показал Мулкиджанян с коллегами, калий необходим для функционирования самых древних белков. Их удалось вычислить в 2000-м биоинформатику Евгению Кунину при реконструкции общего предка всех клеточных организмов — LUCA (Last Universal Cellular Ancestor).
Белки, которые кодируют гены LUCA, также используют ионы цинка в качестве катализаторов или структурных элементов.
"Сульфиды цинка умеют образовывать все бактерии. Интересно, что кристаллы сульфида цинка и похожего на него сульфида кадмия способны под ультрафиолетом восстанавливать углекислоту до органических, потенциально "съедобных" молекул. Поэтому первые живые организмы могли покрывать себя кристаллами этих минералов, чтобы защищаться от ультрафиолета и получать пищу", — поясняет ученый.
Цинк летучий, медленно кристаллизуется и осаждается, в отличие от железа и меди, на периферии геотермальных полей, где не жарко.
"На прохладной периферии таких полей могли образовываться "кольца жизни" вокруг горячих термальных источников", — заключает исследователь.
Геотермальные поля существуют на Земле до сих пор — в отличие от Марса, недра которого остыли. Армен Мулкиджанян вместе с геохимиком Андреем Бычковым из МГУ имени Ломоносова изучили химические условия фумарол у Мутновского вулкана на Камчатке. Сходные условия наблюдаются в Йеллоустонском национальном парке в США, на геотермальных полях Лардарелло в Италии и Матсукава в Японии.
Недавно следы геотермального поля возрастом 3,5 миллиарда лет обнаружили в районе Пилбара в Австралии — там же, где найдены древнейшие на Земле следы живых сообществ.
