Важкий метал біогенезу

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 62

Дарвін чесно зізнавався: він не може дати відповідь на питання, чому в викопному літописі старше приблизно півмільярда років не виявлено ніяких слідів живих істот. Потім наука відшукала свідчення життя на 3 млрд років старше. Однак живе відокремилося від неживого раніше, і відчутних слідів цієї події, схоже, не існує.

Саме тому таїнство виникнення життя, яке не може бути вивчене на викопних матеріалах, є предметом теоретичних та експериментальних вишукувань і проблемою не стільки біологічною, скільки геологічною. Можна сміливо сказати: витоки життя знаходяться на іншій планеті. І справа зовсім не в тому, що перші біологічні істоти були принесені до нас з космосу (хоча подібні гіпотези і обговорюються). Просто та, рання Земля була дуже мало схожа на нинішню.

Чудова метафора для розуміння сутності життя належить знаменитому французькому природознавцю Жоржу Кювьє, який уподібнив живий організм смерчу. І справді, торнадо має безліч ознак, що ріднять його з живим організмом. Він підтримує певну форму, рухається, росте, щось вбирає в себе, щось викидає — і це нагадує обмін речовин. Смерч може роздвоюватися, тобто як би розмножуватися, і нарешті, він перетворює середовище. Але живе він лише до тих пір, поки дме вітер. Вичерпається потік енергії — і смерч втратить і форму, і рух. Тому ключовим питанням дослідження біогенезу є пошук того потоку енергії, який зумів «завести» процес біологічного життя і забезпечив першим метаболічним системам динамічну стабільність, подібно до того, як вітер підтримує існування торнадо.

Тваринники — курці

Одна з груп існуючих нині гіпотез розглядає як колиску життя гарячі джерела на дні океанів, температура води в яких може перевищувати сотню градусів. Подібні джерела існують і донині в районі рифтових зон океанічного дна і називаються «чорними курцями». Перегріта вище точки кипіння вода виносить з надр розчинені до іонної форми мінерали, які часто тут же осідають у вигляді руди. На перший погляд це середовище здається смертельним для будь-якого життя, але вже там, де вода охолоджується до 120 градусів, живуть бактерії — так звані гіпертермофіли.

Пористі преципіт   Пористі

преципітати сульфідів заліза поблизу лужних сипів (донних геотермальних джерел) у стародавньому океані могли стати колискою живої клітини. Fe-Ni сульфіди каталізували синтез простих органічних молекул, які формували більш складні. Короткі фрагменти РНК, що виникали на мінеральній підкладці піриту, працювали як матриця для синтезу пептидів. Зображення: «Популярна механіка»

Виносимі на поверхню сульфіди заліза і нікелю утворюють на дні преципітат пириту і греїгіту — осад у вигляді пористої шлакоподібної породи. Деякі сучасні вчені, наприклад Майкл Рассел, висунули гіпотезу про те, що саме ці насичені мікропорами (бульбашками) породи стали колискою життя. У мікроскопічних бульбашках могли формуватися і рибонуклеїнові кислоти, і пептиди. Бульбашки, таким чином, ставали первинними катаклавами, в яких ранні метаболічні ланцюжки відокремилися і перетворилися на клітку.

Гіпотеза про походження життя в гарячих джерелах цікава не тільки версією походження клітини, її фізичного відокремлення, але і можливістю намацати енергетичне першооснову життя, направити дослідження в область процесів, які описуються не стільки мовою хімії, скільки термінами фізики.

Пептидні цепіПептидні

ланцюги, які вирозали таким чином, вивільнялися завдяки припливу більш кислої води океану. Пептиди покривали стінки пор, і це був перший крок до автономії клітини. Згодом клітина, оточена оболонкою, вивільнялася. Зображення: «Популярна механіка»

Оскільки океанічна вода більш кисла, а в гідротермальних водах і в поровому просторі осідання — більш лужна, виникали різниці потенціалів, що надзвичайно важливо для життя. Адже всі наші реакції в клітинах за своєю природою електрохімічні. Вони пов’язані з перенесенням електронів і з іонними (протонними) градієнтами, які викликають перенесення енергії. Напівпроникні стінки бульбашок відігравали роль мембрани, що підтримує цей електрохімічний градієнт.

Коштовність у білковому футлярі

Різниця середовищ — нижче дна (де надгорячою водою розчиняються породи) і вище дна, де вода остигає, — також створює різність потенціалів, результатом якої є активне переміщення іонів і електронів. Таке явище навіть отримало назву геохімічної батареї.

Життя — це енергія

Найчастіше вчені, які займаються проблемами біогенезу, ставлять на перше місце походження «живих цеглинок», «будівельних блоків», тобто тих органічних речовин, з яких складається жива клітина.

Мінеральні матриці

Це ДНК, РНК, білки, жири, вуглеводи. Наприклад, активно розробляються теорії мінерального походження життя. І дійсно, на кристалічній решітці мінералу як на матриці можуть синтезуватися різні речовини: амінокислоти, цукру, білки. Особливий інтерес становлять глинисті мінерали. Завдяки своїй шаровистій структурі вони можуть концентрувати між шарами органічні молекули і перетворювати їх на складні.

Що вдихнуло життя?

Але якщо взяти ці складні молекули і викласти в якусь посудину, з них нічого само собою не збереться. Це не пазл. Будь-який організм — динамічна система, що знаходиться в стані постійного обміну з середовищем. Навіть якщо взяти сучасний живий організм і розтерти його до молекул, то нікому не під силу повторно зібрати з цих молекул живу істоту. Однак сучасні моделі походження життя в основному орієнтуються на процеси абіогенного синтезу макромолекул — попередників біоорганічних сполук, не пропонуючи механізмів генерування енергії, яка ініціювала і підтримувала процеси обміну речовин.

Крім відповідного середовища для утворення органічних молекул і наявності енергетичного потоку, є ще один фактор, що дозволяє вважати океанські гідротерми найбільш вірогідним місцем зародження життя. Це метали.

Гарячі джерела знаходяться, як вже говорилося, в рифтових зонах, де дно розсувається і близько підступає гаряча лава. Всередину тріщин проникає морська вода, яка потім виходить назад у вигляді розпеченого пара. При величезному тиску і високих температурах базальти розчиняються, як цукровий пісок, виносячи назовні величезну кількість заліза, нікелю, вольфраму, марганцю, цинку, міді. Всі ці метали (і деякі інші) відіграють колосальну роль в живих організмах, оскільки мають високі каталітичні властивості.

Нестерпна атмосфера: Формування нашої планети можна уподібнити виплавці чавуну в мартенівській печі

Мартенівська планета

У печі кокс, руда, флюси — все це плавиться, і зрештою важкий рідкий метал стікає вниз, а нагорі залишається затверділа піна шлаку. Крім того, виділяються гази, включаючи пари води. Так само утворилося металеве ядро Землі, «скло» до центру планети. В результаті цієї «плавки» почався процес, відомий як дегазація мантії. Землю 4 млрд. років тому, коли, як вважають, зародилося життя, відрізняв активний вулканізм, який не йде ні в яке порівняння з нинішнім.

Під тьмяним сонцем

Потік радіації і, відповідно, радіогенного тепла з надр був раз на 10 потужнішим, ніж у наш час. В результаті тектонічних процесів та інтенсивного метеоритного бомбардування тонка земна кора постійно перероблялася. Свій внесок, очевидно, робила і перебуває на значно ближчій орбіті Місяць, яка своїм гравітаційним полем масувала і розігрівала нашу планету. Найдивовижніше, що інтенсивність світіння Сонця в ті далекі часи була нижче приблизно на 30%. Якби Сонце в нашу епоху стало світити хоча б на 5% слабше, Земля моментально покрилася б льодом. Але тоді у нашої планети було набагато більше власного тепла, і нічого навіть близько льодовики на її поверхні не зустрічалося. Зате існувала щільна атмосфера, яка добре утримувала тепло. За своїм складом вона мала відновлювальний характер, тобто в ній практично був відсутній незв’язаний кисень, зате вона включала в себе значну кількість водню, а також парникові гази — водяний пар, метан і вуглекислий газ.

Вода з комет

Таким чином, перше життя на Землі з’явилося в умовах, в яких з живих нині організмів могли б існувати лише примітивні анаеробні бактерії. Перші сліди води, в якій, як вважається, зародилося життя, геологи знаходять у відкладеннях віком 3,5 млрд років, хоча, судячи з усього, в рідкому вигляді вона з’явилася на Землі дещо раніше. Вода утворювалася з водяної пари, яка насичувала атмосферу, коли Земля стала поступово остигати. Крім того, воду до нас приносили малі комети, які інтенсивно бомбардували земну поверхню.

Реакції в наших живих клітинах керуються ферментами. Це досить великі білкові молекули, які збільшують швидкість реакції порівняно з подібними реакціями поза клітиною іноді на кілька порядків. І що цікаво, у складі молекули ферменту на тисячі і тисячі атомів вуглецю, водню, азоту і сірки часом припадає всього 1-2 атома металу. Але якщо цю пару атомів витягнути, білок перестає бути каталізатором. Тобто в парі «білок-метал» саме останній виявляється ведучим. Навіщо ж потрібна тоді велика молекула білка? З одного боку, вона маніпулює атомом металу, «приганяючи» його до місця реакції. А з іншого боку, вона його береже, захищає від з’єднань з іншими елементами. І в цьому є глибокий сенс. Справа в тому, що багато з тих металів, що були в достатку на ранній Землі, коли кисню не було, і зараз доступні — там, де кисню немає. Наприклад, у вулканічних джерелах багато вольфраму. Але як тільки цей метал виходить на поверхню, де зустрічається з киснем, то тут же окисляється і осідає. Те саме відбувається з залізом та іншими металами. Таким чином, завдання великої білкової молекули — зберегти метал активним. Все це наводить на думку, що саме метали первинні в історії життя. Виникнення білків було фактором збереження первинного середовища, в якому метали або їх прості сполуки зберігали свої каталітичні властивості, і забезпечило можливість їх ефективного використання в біокаталізі.

Водень як валюта

До найдавнішого типу ферментів належать гідрогенази, які каталізують найпростішу з хімічних реакцій — зворотне відновлення водню з протонів і електронів. А активаторами цієї реакції є залізо і нікель, які в достатку були присутні на ранній Землі. Чимало було і водню — він виділявся при дегазації мантії. Саме водень, схоже, був головним джерелом енергії для найбільш ранніх метаболічних систем. Адже і в нашу епоху переважна більшість реакцій, здійснюваних бактеріями, включають в себе дії з воднем. Як первинне джерело електронів і протонів водень становить основу енергетики мікробів, будучи для них чимось на зразок енергетичної валюти.

Ніхто нікого не їв

Перші клітини, що з’явилися в надрах океанів на сильно розігрітій Землі, були, звичайно, прокаріотними, тобто дуже примітивними по будові і не володіють оформленим клітинним ядром. Однак часи змінювалися, і вже приблизно 2,7 млрд років тому в результаті життєдіяльності фотосинтезуючих організмів в атмосфері Землі з’явився кисень. Він тут же почав окисляти метали, перетворюючи їх на руду. Кількість вільного заліза пішла на спад. І тоді життя стало відмовлятися (де можна) від заліза і заміщати його іншими металами. Надзвичайно важливим завданням для живих організмів став захист свого «внутрішнього світу» від згубного окислення. Як захиститися? Є можливість оточити себе напівпроникним слизом або залишатися в тих середовищах, які нагадують ранню Землю. Але був ще один спосіб — «сховатися» в інший організм, більш стійкий до зміненого середовища. Так сталася складна еукаріотна клітина — стародавня екосистема, що згорнулася воєдино. Багато органелів, які живуть всередині клітини, колись були вільними бактеріями. Більш ранні теорії походження еукаріотних клітин передбачали, наприклад, заковтування одного прокаріотного організму іншим, однак тепер стало зрозуміло: ніхто нікого не їв. Еукаріотна клітина стала результатом оптимізації відносин первинних прокаріотних спільнот у відповідь на незворотні зміни параметрів середовища.

Життя зароджувалося в безкислородному середовищі. Перехід до дихання киснем вимагав радикальних перетворень метаболічних систем клітини, щоб мінімізувати активність цього агресивного окислювача. Адаптація до кисню виникала насамперед під час еволюції фотосинтезу. До цього ж основою енергетики живого був водень і його прості сполуки — сірководень, метан, аміак. Але це, ймовірно, не єдина хімічна відмінність сучасного життя від раннього.

Запасні уранофіли

Можливо, найбільш раннє життя не мало того складу, який має нинішнє, де в якості базових елементів переважають вуглець, водень, азот, кисень, фосфор, сірка. Справа в тому, що життя воліє більш легкі елементи, з якими простіше «грати». Але ці легкі елементи мають маленький іонний радіус і створюють занадто міцні з’єднання. А життя цього-то і не треба. Їй треба вміти ці з’єднання легко розщеплювати. Зараз у нас для цього є безліч ферментів, але на зорі життя їх ще не існувало. Кілька років тому ми висловили припущення, що у деяких з цих шести основних елементів живого (макроелементи C, H, N, O, P, S) були більш важкі, але і більш «зручні» попередники. Замість сірки в якості одного з макроелементів, швидше за все, працював селен, який легко з’єднується і легко дисоцірує. Місце фосфору з тієї ж причини, можливо, займав миш’як. Недавнє відкриття бактерій, які використовують миш’як замість фосфору в своїх ДНК і РНК, посилює наші позиції. Причому все це справедливо не тільки для неметалів, але і для металів. Разом із залізом і нікелем у процесі становлення життя значну роль відігравав вольфрам. Коріння життя, таким чином, треба, ймовірно, відводити в низ таблиці Менделєєва.

Для підтвердження або спростування гіпотез про початковий склад біологічних молекул нам варто звернути пильну увагу на бактерій, що живуть у незвичайних середовищах, які можливо віддалено нагадують Землю в стародавні часи. Наприклад, нещодавно японські вчені досліджували один з видів бактерій, що мешкають у гарячих джерелах, і виявили в їхніх слизових оболонках уранові мінерали. Для чого бактерії їх накопичують? Можливо, уран має для них якусь метаболічну цінність? Наприклад, використовується іонізуючий ефект радіації. Є інший відомий приклад — магнітобактерії, які існують в аеробних умовах, у відносно холодній воді, і накопичують залізо у вигляді кристаликів магнетиту, обернутих у білкову мембрану. Коли заліза в навколишньому середовищі багато — вони формують цей ланцюжок, коли заліза немає — вони його витрачають і «сумочки» стають порожніми. Це дуже схоже на те, як у хребетних накопичується жир як енергетичний запас.

На глибині 2-3 км, в щільних опадах, виявляється, теж живуть бактерії і цілком обходяться без кисню і сонячного світла. Такі організми виявлені, наприклад, в уранових шахтах Південної Африки. Харчуються вони воднем, і тут його достатньо, тому що рівень радіації настільки високий, що вода дисоцірується на кисень і водень. Генетичних аналогів на поверхні Землі у цих організмів не виявлено. Де ж ці бактерії сформувалися? Де їхні предки? Пошук відповідей на ці запитання стає для нас справжньою подорожжю в часі — до витоків живого на Землі.