Это четвёртый пост серии, и его вполне себе можно читать в отрыве от первых трёх, но ссылки на всякий случай оставлю - 1, 2 и 3.
Часть 1. Введение
В чём сложность изучения происхождения жизни?
Во-первых, её уникальность. Всё указывает на то, что наблюдаемая нами жизнь зародилось всего один раз, ведь генетический код у абсолютно всех живых организмов одинаков. Однако учёные чаще всего изучают и определяют именно закономерности, графики, выводят статистику, а тут приходится изучать всего одно событие. Понятное дело, график по одной точке не строится (и это одна из причин, по которой поиск инопланетной жизни в любом виде очень важен - ведь он поможет разобраться с жизнью земной).
Во-вторых, безжалостное время. Первые следы жизни найдены около 3-4 млрд лет назад, причём это не отпечатки (явные отпечатки цианобактерий датированы 2,15 млрд лет), а минеральные отложения, так называемые биомаркеры, оставляемые клеточными формами жизни в результате жизнедеятельности. Мы можем узнать их, потому что метаболизм у типичных бактерий с тех пор не претерпел изменений, он как и раньше основан на простейших реакциях. Однако вся органика с тех суровых метеоритно-вулканических времён не сохранилась, поэтому без машины времени мы никогда не сможем узнать точную химическую формулу молекулы, с которой всё началось.
(картинка взята из интернета, но художник не учёл что атмосфера тогда не была прозрачной, а бескислородные небо - голубым)
По указанным причинам происхождение жизни в 20м веке изучалось в основном концептуально. Конечно, были опыты вроде эксперимента Миллера-Юри, где предположительный состав древней атмосферы в растворе (так называемый "первичный бульон") подвергали воздействию тепла и электрического тока и получали органику, только вот состав был предположительный и позже выяснилось, что он соответствует газовым гигантам, но никак не каменным планетам типа Земли и Марса.
Самый крутой прорыв в части фундаментальных обоснований происхождения жизни сделал биофизик Илья Пригожин, получивший в 1977 году Нобелевскую премию за создание модели неравновесной термодинамики, где с математической точки зрения обосновано самопроизвольное появление "порядка" из "хаоса" (так называемое снижение энтропии) при условии подвода энергии извне - а для этого у нас имеется огромное раскалённое солнце и периодически рвущиеся наружу недра планеты.
В любом случае, по-настоящему, то есть с суровой конкретикой и воспроизводимыми опытами, учёные изучают происхождение Земли лишь последние 10-20 лет. Для этого пришлось придумать множество самых точных приборов, создать огромную базу геномов живых организмов (в том числе вирусов), и в итоге сделать то, чем обычно занимается наука - количественно накопить знания для качественного прорыва.
Часть 2. Детективная история
Жизнь не сохранилась в первоначальном виде, но всё живое, что нас окружает - всё уходит корнями именно в неё. Поэтому почему бы нам не попытаться определить нечто общее, то есть те свойства, которые присущи всем живым организмам на самом базовом уровне, и попытаться по этим "уликам" что-нибудь узнать о "первожизни"?
Например, ещё в 1920 году учёные обратили внимание, что относительный состав солей в крови человека, да и всех позвоночных, подозрительно совпадает с составом солей в морской воде. А всё потому, что первые животные возникли в море и поначалу не имели почек или других систем регуляции состава солей в межклеточных жидкостях своего тела. А к тому времени, когда у животных появились эффективные почки, многие процессы в разных органах уже были завязаны на "морской" состав солей в крови.
Поэтому млекопитающие, предки которых вышли на сушу более 300 млн лет назад, до сих пор носят в крови соли в том же соотношении, что и их далекие предки, хотя на суше необходимые соли (прежде всего хлориды) в дефиците. Поэтому соленая пища, содержащая хлорид натрия, для нас более вкусна, чем пресная.
Теперь рассмотрим более базовую вещь, чем состав крови - это солевой состав внутриклеточной цитоплазмы. Дело в том, что современные клетки имеют сложные регулирующие системы и наружные мембраны, отвечающие за поддержание внутреннего состава. Доклеточная "первожизнь" не имела собственных мембран, поэтому приспосабливалась и использовала ресурсы окружающей среды, состав которой отпечатался в цитоплазме.
Здесь мы видим много калия и мало натрия (красный в таблице) - соотношение, принципиально отличающееся как от "современной" морской воды, так и от "древней" морской воды (инфа от геологов).
Ещё одна улика - высокая концентрация ионов переходных металлов, прежде всего железа и цинка, а также марганца и меди (синий квадрат).
Если железо широко распространено и в неживой природе, то медь, марганец и особенно цинк содержатся в клетках в очень большом количестве по сравнению с внешней средой. Концентрация цинка в клетках в миллион раз выше, чем в морской воде(!). Получается, искомая среда, та самая колыбель жизни, обладает вполне определённым химическим составом, кардинально отличающиеся от морской воды и пресноводных источников.
Часть 3. Геотермальные источники
На фото один из видов геотермальных источников - «черные курильщики» - открытый в 1977 году на срединно-океаническом хребте в Атлантике.
На фото мы видим, как при контакте геотермальной воды с океанской первая охлаждается, и из нее сначала выпадают сульфиды железа, меди и никеля, имеющие черный цвет. При дальнейшем охлаждении, в диапазоне температур 200–300 °C, из воды выпадают сульфиды цинка и марганца, покрывающие белым ковром дно вокруг «черных курильщиков».
И да, это тот самый состав, который соответствует набору химических элементов цитоплазмы, общему для всех живых организмов.
Вообще, «черные курильщики» обладают и другими свойствами, полезными для зарождения жизни:
1) Минеральные осадки пронизаны громадным количеством пор, соответствующим по размеру бактериальным клеткам. Они образуют сложный лабиринт, в котором могут в относительной изоляции размножаться разные доклеточные формы жизни.
2) Сульфидные минералы, которые откладываются вокруг «черного курильщика», являются отличными катализаторами разных химических реакций. Более того, в состав многих современных клеточных ферментов входят неорганические кластеры – наночастицы некоторых минералов. И это именно те минералы, которые образуются в «черных курильщиках».
3) В «черных курильщиках» и других геотермальных источниках существуют устойчивые мощные градиенты температуры и химического состава, совершенно необходимые для жизни. В условиях перепада температур растворенные крупные молекулы, такие как РНК (те самые предшественники ДНК из прошлого поста) и белки, могут двигаться от тепла к холоду, повышая концентрацию молекул.
Все это делает «черные курильщики» подходящим местом для появления жизни, и происходящие в них процессы привлекли пристальное внимание ученых. Сейчас существует две хорошо разработанные теории происхождения жизни в связи с геотермальными источниками: «железосерного мира» и «цинкового мира». Обе они предлагают решение сразу многих проблем на пути появления жизни, включая получение углерода для синтеза органики и образование биополимеров.
Часть 4. Железо или цинк?
В результате всех изысканий, учёные наметили два возможных пути (то есть конкретные химические реакции), по которым мог осуществляться синтез органики. Первый предполагает наличие превалирование железа над цинком, второй наоборот, цинка над железом.
Для примера посмотрим "железносерный" вариант (для общего понимания дальнейшего текста разбираться в нём не обязательно):
H2S + FeS → FeS2 + 2 [H],
CO2 + 4 H2S + 3 FeS → CH3SH + 3 FeS2 + 2 H2O,
N2 + 3 H2S + 3 FeS → 2 NH3 + 3 FeS2,
R-CO-COOH + NH3 + FeS + H2S → R-CHNH2-COOH + FeS2 + H2O.
В целом в условиях «черного курильщика» возможен синтез большого разнообразия органики, едва ли не больше, чем в опытах Миллера.
Итак, по первой теории жизнь зарождалась в среде, где было очень много растворенного цинка. Он мог включаться в структуры РНК и первых белков и сохраниться там до наших дней. Если же жизнь вышла из «черных курильщиков», то скорее можно ожидать, что в РНК и древних белках будет содержаться железо. Собственно, вот так выглядит анализ всех известных РНК (ещё раз напоминаю, что молекулы РНК обоснованно претендуют на звание предшественника ДНК, поэтому к ним столько внимания):
Как мы видели в таблице из части 2 (синий квадрат), цинк по общему содержанию в клетках сравним с железом и превосходит все прочие переходные металлы. А в РНК железо отсутствует, цинк при этом встречается чаще других металлов.
Цинком также обогащены самые древние белки и ферменты с древними функциями. Из 49 универсальных белков (таких, которые присутствовали во всех прочитанных на 2008 год геномах - то есть они с большой долей вероятности имелись у "первожизни") 37 содержат цинк, 19 – марганец и только 3 – железо. Таким образом, можно сказать, что содержание металлов в клетках подтверждает теорию «цинкового мира», а не «железосерного».
Однако я сознательно умолчал об одном из основных условий существования цинкового мира, и это условие (вкупе с другими свидетельствами) кардинально меняет наше представление о месте появления жизни. Существование этого условия переносит возникновение жизни со дна океана совсем в другие места, во многом схожие с чёрными курильщиками, но вместе с тем имеющие принципиальные различия.
продолжение следует...
Бонус
Материал из поста в виде лекции: https://www.youtube.com/watch?v=vRWVFlqW9Sk&t=34s
PS Напоминаю, что все посты серии основаны на прекрасной книге М. Никитина "Происхождение жизни. От туманности до клетки".
