История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Результатом большинства экспериментов по синтезу биомолекул (включая опыты Миллера – Юри и гидротермальные эксперименты) являются левосторонние молекулы, а в естественных условиях молекулы левосторонние и правосторонние производятся примерно в одинаковой пропорции. На самом деле неживая материя безразлична к разнице между левым и правым. Но живое вещество требует точной формы: левосторонние аминокислоты и правосторонние сахарозы имеют жизненно важное значение. Молекулы противоположной направленности просто не могут функционировать. И вот наша исследовательская группа задалась вопросом: как жизнь синтезирует преимущественно левосторонние аминокислоты и правосторонние сахарозы?

Наши последние эксперименты показали, что хиральные поверхности минералов сыграли ключевую роль в отборе молекул определенной ориентации и соответственно – в происхождении самой жизни. В 2000 г. мы с коллегами обнаружили то, что тогда казалось поразительным, а теперь воспринимается как нечто обыденное: хиральные поверхности минералов встречаются повсюду в природе. Обычные минералы в составе любой породы или почвы изобилуют поверхностями, где атомы преобразуются в молекулы с определенной направленностью – либо левой, либо правой. В природе такие поверхности встречаются в равной пропорции, т. е. Земля в глобальном масштабе не отдает предпочтение ни правой, ни левой стороне. Но каждая молекула тщательно выбирает способ закручивания. Наши эксперименты показали, что определенные левосторонние молекулы обычно собираются на одном и том же наборе поверхностей кристаллов, а их зеркальное отражение, правосторонние молекулы, так же устойчиво предпочитают формироваться на другом виде минералов. Каждая поверхность, на которой отбираются и накапливаются молекулы, становится экспериментальной мини-площадкой для молекулярного отбора и синтеза.

По отдельности каждый такой естественный эксперимент взаимодействия минералов с молекулами отнюдь не порождал жизнь. Но заметим, что бесчисленные триллионы триллионов триллионов минеральных поверхностей, омываемых насыщенным органическими молекулами «бульоном», повторяли свой маленький «эксперимент» снова и снова – и так сотни миллионов лет. Земля протестировала таким образом практически все возможные комбинации молекул в самых разных условиях. Небольшая часть таких комбинаций, проявившая способность к самосборке, или к более тесной связи с поверхностью минералов, или к большей устойчивости в условиях высоких температур и давлений, выживала и, возможно, разрасталась, может быть, продолжала эволюционировать.

У нас нет точных данных, какие именно из этих бесконечных комбинаций молекул и минералов привели к образованию чего-то похожего на жизнь, но принципы молекулярного отбора и регулирования становятся все более понятными. Биомолекулы синтезировались в огромном количестве, и некоторые из них продолжали разрастаться во все более и более крупные скопления. Наши эксперименты позволяют предположить, что большую роль играли электрические заряды. Некоторые молекулы обладали слабым положительным зарядом; другие имели слабый отрицательный заряд; третьи отличались полярностью (например, вода), т. е. одна и та же молекула обладала как положительным, так и отрицательным полюсом. У минералов также имелись либо положительные, либо отрицательные заряды. Соедините эти заряженные объекты, и они спонтанно упорядочатся: положительный заряд неуклонно притянется к отрицательному. Таким образом, всевозможные скопления молекул собирались практически во всех влажных минеральных средах нашей добиологической планеты.

Шаг 3. Воспроизведение

Скопления химических веществ, сколь бы сложными они ни были, не становятся живыми, если не могут воспроизводить себе подобных. Самый главный отличительный признак жизни заключается в воспроизводстве самой себя: некая общность молекул удваивается, затем из двух возникают четыре, и так далее в геометрической прогрессии. Величайшей загадкой в истории биогенеза остается момент, когда возникла первая система воспроизведения молекул. Искусные опыты способны более или менее достоверно воспроизвести часть репродуктивных циклов, но мы всего лишь имитируем этот неуловимый биохимический трюк в лабораторных условиях. Как бы то ни было, в определенный момент в каком-то месте упорядоченное скопление молекул начало воспроизводить свои копии за счет других молекул (служивших для них, так сказать, пищей).

Представим себе Землю в возрасте около 500 млн лет, т. е. около 4 млрд лет назад. Она располагала «бульоном» органических молекул, триллионами триллионов химически активных минеральных поверхностей – и сотнями миллионов лет на то, чтобы что-то с этим сделать. Большинство молекулярных кластеров не представляли интереса и ничем себя не проявили. Но небольшая часть органических молекул, скопившихся на поверхности кристаллов, образовала структуры, выработавшие особо сложные функции, – может быть, более тесное прикрепление к поверхности минерала, может, способность привлекать все новые молекулы в устойчивое скопление, может, способность вызывать разрушение молекул других видов, а может, даже способность создавать копии самих себя. Природа щедро вознаграждает такие новации, и единожды возникнув, жизнь быстро распространилась, проникнув в каждый пригодный для обитания уголок планеты.

Но давайте отступим на шаг. Почему некое скопление молекул вдруг начинает воспроизводить копии самих себя? Ответ можно найти в двух основах эволюции: вариативности и избирательности. Системы развиваются по двум причинам. Во-первых, они создают огромное количество всевозможных конфигураций – это вариативность. Во-вторых, некоторые из этих конфигураций более других способны к выживанию – это избирательность. Представим себе добиологическое скопление сотен тысяч различных молекул, состоящих из углерода, водорода, кислорода и азота, возможно, с небольшими долями фосфора и серы. Добиологический синтез (а ля Стэнли Миллер) и естественные образцы (например, метеориты Дэвида Димера) иллюстрируют вариативность. Но не все молекулы равны между собой. Некоторые из них отличались сравнительной неустойчивостью и рыхлостью – они не выдержали конкуренции. Другие склеились друг с другом, образовав бесполезную смолистую массу, и всплыли на поверхность или погрузились на дно океана, где уже не играли никакой роли. Но некоторые оказались особо устойчивыми, причем тем устойчивее, чем теснее они соединялись с другими молекулами или крепились к особо привлекательным неорганическим поверхностям. Такие молекулы выжили, когда их перестал поддерживать молекулярный бульон.

Эта добиологическая смесь совершенствовалась путем молекулярных взаимодействий. Часть таких молекулярных скоплений прочно прикреплялась к неорганическим поверхностям, что еще более усиливало их шансы на выживание. Другие молекулы, поменьше, играли роль катализаторов, укрепляя некоторые вещества за счет образования химических соединений или ускоряя разрушение других веществ за счет распада химических соединений. Молекулярный «бульон» стремительно рассеивался, но наилучшая надежность в такой среде достигалась не только за счет уничтожения конкурентов или прочности крепления на неорганической поверхности. Главным условием выживания стала способность определенных скоплений молекул воспроизводить себе подобных.

Существует три разные модели, описывающие первую самовоспроизводящуюся, квазиживую систему молекул. Простейшая модель (а потому для многих из нас наиболее привлекательная) обращается к хорошо известному циклу нескольких мелких молекул – циклу трикарбоновых кислот. Он начинается с уксусной кислоты, которая содержит всего два атома углерода. Уксусная кислота вступает в реакцию с углекислым газом (CO2), образуя пировиноградную кислоту (с тремя атомами углерода), которая, в свою очередь, тоже взаимодействует с CO2, образуя щавелево-уксусную кислоту с четырьмя атомами углерода. Последовательность других реакций приводит к образованию все более крупных молекул, вплоть до лимонной кислоты (уже с шестью атомами углерода). Цикл становится самовоспроизводящимся, когда лимонная кислота спонтанно распадается на две более мелкие молекулы, уксусную кислоту (два атома углерода) и щавелево-уксусную кислоту (четыре атома углерода), составляющие часть молекулярного витка. Один молекулярный цикл превращается в два, два превращаются в четыре, и т. д. Более того, многие из жизненно важных строительных блоков, включая аминокислоты и сахарозы, легко синтезируются через простейшие реакции с активными молекулами лимонно-уксусного цикла. Например, стоит добавить аммиак к пировиноградной кислоте, как мы получим незаменимую аминокислоту – аланин. Каждая живая клетка на Земле включает лимонно-уксусный цикл, так что его можно считать первичным свойством – своего рода атавизмом, сохранившимся от первоначальных форм жизни. Сам по себе этот цикл не является формой жизни, но он обладает способностью воспроизводить ближайший круг молекул за счет менее плодовитых химических веществ.