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".

Если кого-то пугает цифра три в названии, не надо пугаться, посты (предыдущие 1 и 2) написаны так, что можно их читать с любого места. В лучших традициях американских сериалов представляю очень краткое содержание предыдущего поста:

Известный всем по школьной программе эксперимент Миллера-Юри, направленный на поиски возможных путей происхождения жизни был проведён в относительно недалёком 1953 году. Пропуская ток через смесь, состоящую из метана, аммиака, водорода и оксида углерода, которые по логике должны были содержаться в атмосфере древней Земли (правда потом оказалось что её состав совсем другой, но про это в другом посте), учёные надеялись обнаружить нечто органическое.

И это им удалось. После несколько дней работы установки Стэнли Миллер (на фото) и Гарольд Юри получили набор самой настоящей органики, включая аминокислоты - те самые кирпичики из синтеза белка. И это был реальный прорыв.

Но вот незадача - чем больше открывали, тем больше обнаруживалось принципиальных проблем, таких как:

-неупрощаемая сложность клеток,

- хиральность,

- открытие состава древней Земли, отличного от того что был в эксперименте Миллера-Юри (при пропускании тока получалась не органика, а копоть),

- вода мешает образованию длинных органических молекул;

- на планете отсутствует свободный фосфор, без которого невозможно получить ДНК.

А сейчас я предлагаю пройти весь путь, который преодолели учёные, решая эти проблемы. Возможно местами будет сложно, но по другому не получится.

Часть 1. ДНК, дискета и 3D-принтер

Главная молекула жизни это, как известно, ДНК. Она единолично хранит генетическую информацию вида, передавая её из поколения в поколение, временами с небольшими изменениями.

Но у неё есть младшие сёстры - молекулы РНК. Структурно это "лайт-версии" ДНК, отличающиеся лишь присутствием гидроксильной группы в химической формуле, из-за чего РНК не могут сплетаться в классическую двойную спираль.

До 1970 года РНК считалась лишь скромным посредником между ДНК и белками - ведь обычно в клетке генетическая информация копируется с ДНК на РНК, и потом по «оттиску» РНК (так называемая матричная РНК или мРНК, см. на картинке) синтезируются белки (если кому интересно, 1 и 2 посты об этом процессе).

Так что же изменилось в 1970 году? Тогда были открыты РНК, обладающие каталитической активностью, или рибозимы. К тому моменту уже были известны вирусы, хранящие генетическую информацию на молекулах РНК, и часть из них способна даже переписывать генетическую информацию с РНК на ДНК. Но только с открытием рибозимов стало понятно, что РНК может заменять белки в качестве катализаторов химических реакций.

Тут надо заметить, что молекула ДНК хоть и является основой жизни, но, вообще говоря, сама по себе вообще ничего не может. Как дискета, она способна лишь хранить информацию, для считывания которой нужен дисковод. В живой клетке роль дисковода выполняет целый обслуживающий комплекс из белковых молекул со страшными названиями типа ДНК полимераза III (см. картинку).

Так вот, чертежи белков записаны в ДНК, но чтобы эти чертежи считать и построить молекулы, нужны белки. Образно говоря, чтобы сделать 3D принтер, нужен другой 3D принтер.

Очень продолжительное время это и было главной загадкой жизни, пока не обнаружились неожиданные свойства рибозимов, которые могут хранить генетическую информацию и одновременно проявлять химическую активность. В результате появилась теория «мира РНК», согласно которой самокопирующиеся рибозимы стали первыми, очень простыми живыми системами. Судя по всему, они начали дарвиновскую эволюцию задолго до появления клеток и со временем, по мере усложнения, передали каталитические функции белкам, а длительное хранение наследственной информации – ДНК.

Выяснилось, что рибозимом является и ключевой каталитический центр рибосомы, организующий синтез белка - а это важнейшая молекула, обеспечивающая считывание генетического кода (вообще рибосоме и изучению её эволюции будет посвящён отдельный пост). На картинке так называемая большая субъединица рибосомы:

Наличие рибозима в самой сердцевине этой гигантской белковой молекулы говорит о её древнейшем происхождении. Также в клетках учёные обнаружили отдельные рибозимы, выполняющие те или иные каталитические функции наравне с белками, что явно неспроста.

За окном шёл 1970 год. РНК - первично - сказали биохимики. А вы поясните за термодинамику - ответили биофизики.

Часть 2. Энтропия и химические реакции

Термодинамика это наука о взаимных превращениях работы и энергии, и как раз её присутствия учёные-биофизики в теории "мира РНК" как раз и не заметили. Мало было заявить - вот он, предшественник ДНК. А вы обоснуйте, как этот предшественник получал энергию для существования, хотя бы в теории, ведь жизнь без источника энергии появиться и размножаться никак не сможет. Поэтому тем как перейти непосредственно к поиску колыбели жизни, мы рассмотрим энергетическую основу.

В термодинамике есть ключевое понятие под названием энтропия, попытка объяснить которое займёт целый пост. Чтобы не мучаться самому и не мучать вас, предлагаю желающим прочитать очень подробную статью на гиктаймс.

В общем случае, энтропия - это то, как много информации вам неизвестно о системе, поэтому её ещё называют мерой хаоса. И, согласно второму закону термодинамики, энтропия замкнутой системы не убывает. Иначе говоря, в замкнутой системе "порядок" не должен возникать сам по себе.

Это, казалось бы, налагает запрет на возникновение более организованных структур из менее организованных, то есть на прогрессивную эволюцию (ведь бывает эволюция, связанная с упрощением, в основном у паразитов). Собственно, из-за этого "казалось бы" все посты про эволюцию и происхождение жизни напоминают симпозиум диванных специалистов по термодинамике:

Однако сторонники божественного вмешательства по незнанию или специально игнорируют тот факт, что в законе упоминается только замкнутая система. Однако любой живой организм нуждается во внешних источниках энергии. Растения получают ее в виде солнечного света, а животные – в виде пищи, энергия которой в ходе цепочки превращений также получена благодаря солнцу. Поэтому система под названием "живой организм" является открытой - она получает энергию от окружающей среды.

Если же рассмотреть систему "Земля - Солнце", то её энтропия по определённым причинам (так называемое "обесценивание" энергии) со временем растет, несмотря на возникновение и эволюцию земной жизни.

Очень важную роль в развитии теории абиогенеза сыграл советский учёный Илья Пригожин, получивший в 1977 году Нобелевскую премию за создание модели новой, неравновесной термодинамики.

Он установил, что в открытых системах (системы, которые могут обмениваться веществом, энергией, информацией) могут спонтанно возникать самоорганизующиеся структуры, переходящие от беспорядка ко вполне упорядоченным состояниям с понижением энтропии. А всё благодаря существованию флуктуаций - случайных отклонений некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения.

Примером такой структуры является реакция Белоусова -Жаботинского (по совместительству являющаяся одним из главных химических открытий 20 века), а именно окисление лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора:

На первый взгляд кажется, что здесь ничего особенного не происходит. Однако в основе этой картины лежит автоколебательная химическая реакция (а до её открытия считалось что автоколебательные реакции невозможны) с образованием более 30 промежуточных продуктов.

Примеров таких структур много - ими, к примеру, являются циклоны, по сути самоорганизующиеся структуры в атмосфере Земли.

Самое главное, Пригожин в своей модели неравновесной термодинамики доказал, что в открытых системах чисто статистически возможно появление порядка из хаоса, а значит с точки зрения термодинамики возникновение жизни есть лишь один из частных случаев самоорганизации.

3. Вместо итога

С точки зрения термодинамики жизнь имеет конкретные общие черты с неживыми самоорганизованными структурами, однако при всё при этом живые организмы обладают важным отличием от циклонов и реакции Белоусова -Жаботинского. Самоорганизованные неживые структуры непостоянны: они возникают всякий раз, когда есть условия для их появления, и исчезают вместе с ними.

А любой современный живой организм, в отличие от них, обладает эволюционной историей, уходящей на четыре миллиарда лет в прошлое. Такая историческая память обеспечивается молекулами ДНК, и в следующих постах мы попытаемся разобраться, как из химических самоорганизованных структур возникла жизнь, основанная на наследственной информации.

И да, дальше будет больше конкретики - мы рассмотрим конкретные химические вещества и источники энергии, которые могли стать основой жизни на древней Земле, то есть попробуем найти для жизни настоящую колыбель.

...

P.S .Все посты основаны на прекрасной книге М. Никитина "Происхождение жизни. От туманности до клетки".