Происхождение жизни #5. Скрытая роль солнца⁠⁠

Часть 1. Улики

Вообще изучение путей происхождения жизни чем-то напоминает детективную работу, ведь все следы древних молекул полностью уничтожены за миллиарды прошедших лет, а значит объект изучения отсутствует. И, по сути, у современных учёных на руках лишь "улики", из которых я условно выделю три.

Первая "улика" это молодые планетарные системы, состоящие из космической пыли, которая осталась после смерти звёзд. Благодаря огромным телескопам, мы можем определить их количественный и качественный состав за счёт спектрального анализа - и провести параллели с нашей планетарной системой, какой она была 4 миллиарда лет назад.

Таким методом мы узнали, что космическая пыль состоит в основном из 4-х химических элементов, являющихся основой жизни - это водород, углерод, кислород и азот. Причём на самой планете основные элементы это железо, кремний и кислород - такая вот интересная (не)состыковочка.

Вторая "улика" это геологические данные. Они позволили выяснить состав и условия окружающей среды древней Земли: примерную температуру, состав океанов и атмосферы. Благодаря анализу древних пород, мы узнали, что наша планета когда-то была богата фосфором, без которого невозможно образование ДНК и РНК.

На данный момент весь фосфор Земли находится в связанном состоянии в составе минералов, поэтому если жизнь вдруг "попробует" зародиться, это окажется большой проблемой. Однако раньше фосфора было много, и за это надо сказать спасибо кометным дождям, которые нынче (и к большому счастью для нас) не идут.

Ну а третья улика это сама жизнь. Пусть она и прошла чудовищно длинный путь от первых самокопирующихся молкул, некоторые её элементы несут отпечаток той самой протожизни. Это не только генетический код, но и химический состав древнейших белков и РНК.

Собственно, этот самый химический состав и подарил учёным важнейшие данные для анализа - все базовые соединения оказались богаты определённым металлом, а именно цинком :

А на Земле, даже на современной, есть место, где цинк играет определяющую роль в химический реакциях - это подводные термальные источники под названием "белые курильщики".

Минералы, слагающие эти "деревья", пронизаны сетью пор и каналов, и идеально соотвествуют условиям, в которых первым молекулам было бы комфортно взаимодействовать в мельчайших порах, которые выполняли бы роль пробирок.

Однако со временем стало понятно, что водная среда ставит серьёзные ограничения на ход химических реакций, не давая образовываться сложным химическим соединениям. Такой вот парадокс - без воды жизнь не могла появиться, но когда её слишком много, тоже плохо. Получается, надо было искать какие-то особые условия, и учёные без устали ставили и ставили эксперименты, пытаясь найти заветный химический путь.

И данная проблема была актуальна вплоть до последнего десятилетия, пока учёные не достали из закромов ультрафиолетовую лампу.

2. Нуклеотиды и солнце

Напомню, нуклеотиды это не самые молекулы, которые отвечают за хранение информации в ДНК:

Их всего 4 - Цитозин, Гуанин, Аденин, Тимин (в РНК вместо тимина урацил, но не суть важно), и они связываются парами, образуя ту самую спираль ДНК. Так вот, в 2011 году учёные смогли создать ДНК на основе 6-ти нуклеотидов - они просто синтезировали ещё два (естественно стыкующихся друг с другом) нуклеотида и включили их в существующую цепь. В результате испытаний выяснилось, что эти искусственные звенья хорошо встраиваются в ДНК и РНК обычными природными ферментами, и вообще прекрасно себя чувствуют (видимо потому что мясо не едят).

Какой из этого следует вывод? Видимо такой, что в качестве нуклеотидов могут быть любые схожие соединения, умеющие образовывать пары - значит наши 4 нуклеотида были отобраны природой по неким ранее неизвестным признакам. Ииииии после множества тестов этот признак отбора был определён: им оказалась устойчивость к ультрафиолету. Природные нуклеотиды, используемые в ДНК и РНК, намного успешнее своих аналогов противостояли жёсткой солнечной радиации. Они настолько круты, что даже защищали саму цепочку ДНК от разрушения.

Тут вывод настолько очевиден, что чуть ли не банален - это означает, что отбор нуклеотидов производился на солнечном свету, то есть на поверхности планеты. Теперь у нас три основных критерия для колыбели жизни:

- наличие определённых металлов в концентрациях, превышающих фоновые (цинк, кобальт, марганец),

- наличие фосфора, без которого цепочки ДНК и РНК не возникли бы

- солнечный ультрафиолет,

- наличие воды, но в меру.

Такому набору условий чётко отвечает только горячие источники вблизи вулканов, а именно так называемые грязевые котлы, или фесселиты.

Они обогащены именно теми элементами, которые накапливают все современные клетки (это общее, а следовательно древнее свойство): калием, фосфором, азотом и микроэлементами: цинком, марганцем, молибденом и бором (в следующих постах мы увидим, что молибден и бор очень важны для появления РНК).

Натрия в них немного, и соотношение калий/натрий получается близким к внутриклеточной среде (об этом рассказывалось в предыдущих постах). Правда, современные грязевые котлы содержат много серной кислоты, которая получается при реакции сероводорода с кислородом воздуха, и практически необитаемы. Но в древние эпохи, когда кислорода в атмосфере еще не было, грязевые котлы должны были иметь нейтральную среду и быть пригодными для жизни.

А при ближайшем рассмотрении этих котлов оказалось, что они предоставляют почти всё необходимое для зарождения жизни:

• среду, обогащенную калием, фосфором и необходимыми микроэлементами;

• местообитание со встроенным источником тепла, с практически постоянными условиями независимо от капризов погоды;

• пористые минеральные осадки, работающие в качестве катализаторов и предоставляющие огромное количество раздельных микроотсеков для обитания доклеточных форм жизни;

• испаряющиеся лужи, в которых могут накапливаться органические вещества и благодаря высокой концентрации солей и формамида может идти образование цепочек РНК и белков,

Никакие другие местообитания не обладают сразу всеми этими достоинствами. Например, в «курильщиках» нет обогащения калием и фосфором, нет ультрафиолета и нет накопления веществ в испаряющихся лужах. Так что грязевые котлы наземных геотермальных полей на сегодня представляются самым вероятным местом появления жизни.

продолжение следует...

...

PS Напоминаю, что все посты серии основаны на прекрасной книге М. Никитина Происхождение жизни. От туманности до клетки". (да, я пишу это в каждом посте и буду писать дальше, ибо книга огонь)

Ещё учтите, что в посте исходные главы книги сокращены процентов на 80, а также не включены всякие сложные схемы и уравнения химических реакций, типа таких:

Я это к тому, что в первоисточнике аргументация намного шире и подробнее, чем в моём поверхностном конспекте. В общем, советую всем читать книгу, а не ждать моих попыток переложить её на доступный язык с сопутствующей потерей многих нюансов. Книга конечно получилась очень и очень хардкорная, но общие концепции, написанные в ней, может понять любой человек, помнящий школьный курс химии и биологии (и немного физики с астрономией).

Ну и ссылка на предыдущие посты для заинтересовавшихся: 1, 2, 3, 4. И заранее извиняюсь за повторения, хочется чтобы каждый пост был цельным по повествованию, а не выглядел оторванным и незавершённым куском.