Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

После знакомства с Вёзе Вэхтерсхойзер всерьез задумался о зарождении жизни, руководствуясь при этом концепциями своего наставника Поппера. Первым делом Вэхтерсхойзер отказался от всего, что имелось в этой области до него: от первичного бульона, Мира РНК и даже привычных нам молекул вроде аминокислот. Его целью стал поиск чего-то, “разительно отличающегося от всего ранее известного”.

В результате Вэхтерсхойзер создал гипотезу Железо-серного Мира (Мира сульфидов железа)[358], впервые изложенную им в 1988 году[359]. Выдвигая свою гипотезу, Вэхтерсхойзер прежде всего учел, что первые организмы нуждались в источнике энергии, и предложил конкретную химическую реакцию, которая, по его мнению, могла выполнять эту роль: образование пирита. Этот минерал широко известен под названием “золото дураков”, поскольку его цвет может навести неопытного человека на мысль, что перед ним золото (пирит его не содержит). Он представляет собой кристалл дисульфида железа, в котором на два атома серы приходится один атом железа. Пирит образуется при взаимодействии железа с сероводородом, а в качестве побочного продукта при этом выделяется водород. Но самым главным в данной реакции является выделение электронов, которые могут быть использованы при реакции углекислоты с водородом, приводящей к образованию воды и формальдегида. Это простая органическая молекула, могущая служить основой для синтеза множества других молекул, в том числе аминокислот.

Согласно сценарию Вэхтерсхойзера, после образования на Земле воды в жидком виде часть ее оказалась насыщена железом и сероводородом, попавшими в нее через горные породы из недр. “Самые ранние организмы могли возникнуть именно в этой среде и получать необходимую им энергию за счет постоянного образования и разложения пирита”, – пишет Вэхтерсхойзер.

Что могли представлять собой подобные первичные организмы? Ответ Вэхтерсхойзера несколько напоминает головоломку. “Такие организмы являются неклеточными и неспособны к делению, однако они могут расти. У них не было ни ферментов, ни аппарата трансляции (синтеза белков на основе содержащихся в генах инструкций), однако присутствовал автокаталический метаболизм. Отсутствовали и нуклеиновые кислоты или какие-либо другие молекулы-матрицы; в то же время для таких организмов были характерны наследственность и естественный отбор. И хотя их едва ли можно назвать по-настоящему живыми, возможность эволюционировать они имели”.

Эти первые живые существа являли собой скопления химических соединений, прикрепленные к поверхности находящегося под водой минерала (речь опять-таки, вероятно, идет о пирите). Те соединения, которые отсоединялись от поверхности, уносились водой и утрачивались навсегда, поэтому эволюция (условно назовем это так) должна была способствовать сохранению тех скоплений, которые были прочнее прикреплены к пириту. Вэхтерсхойзер считал, что в результате сохранялись преимущественно крупные частицы, и предполагал, что это стимулировало возникновение связанных с фосфатами сахаров, а заодно и коротких цепочек аминокислот. Этот слой взаимодействующих веществ был толщиной всего в одну молекулу и потому представлял собой, можно сказать, полученную с помощью набора юного химика версию “Флатландии”[360].

Такие молекулы позднее могли вступать друг с другом в химические реакции, образуя простой метаболический цикл, существующий за счет энергии образования пирита на поверхности (опять-таки!) пирита.

Предположение о зарождении подобной системы на поверхности пирита может показаться странным. Нельзя сказать, что Вэхтерсхойзер так уж упорно настаивал на этом конкретном минерале; суть здесь скорее в том, что железо – превосходный катализатор. Его часто используют ферменты: активный центр многих белков-катализаторов содержит отдельные атомы железа или похожих металлов. Без них фермент попросту не работает. Поэтому приличный кусок пирита или чего-то в этом роде представляет собой целый каталитический “ковер” для взаимодействия молекул.

За счет захвата все новых молекул углекислоты и преобразования их во все новые органические вещества такие молекулы могли распространяться по поверхности минерала. По мере возникновения все новых типов молекул возникали и новые циклы реакций. Если новый цикл окажется лучше прежнего, он его заменяет. В итоге такая химическая эволюция могла создать молекулы, необходимые для образования внешних оболочек клетки, ДНК и т. д. И в итоге возникали первые простые клетки, которые покинули минерал.

Для любого, чьи познания органического мира ограничены тривиальными организмами вроде голубя или дерева, такие “предшественники живого” Вэхтерсхойзера покажутся дикостью. Скопление химических веществ, застрявшее на поверхности кристалла и существующее за счет химических реакций между железом и сероводородом? Кажется, эта конструкция не имеет с живым ничего общего. Но если узнать поподробнее детали жизнедеятельности одноклеточных организмов, то эти “существа” Вэхтерсхойзера уже не будут казаться такими странными.

Пятью годами ранее был впервые описан микроорганизм, получающий энергию за счет реакции между серой и водородом[361]. Это был Pyrodictium – архебактерия, обитающая в обжигающе горячих источниках на морском дне мелководья Сицилии, а конкретнее – возле острова Вулькано. Когда друг Вэхтерсхойзера Карл Штеттер и его коллеги выращивали Pyrodictium в своей лаборатории, они получали пирит. Поэтому Вэхтерсхойзер предположил, что некоторые микроорганизмы (в том числе Pyrodictium) сохранили “способность расти за счет энергии, выделяющейся при образовании пирита”. Другими словами, его идея все же соответствует образу жизни некоторых современных организмов.

На самом деле Вэхтерсхойзера особенно интересовал вопрос о том, почему жизнь предпочла именно определенные химические соединения. “Я не интересуюсь проблемой возникновения жизни, – несколько неожиданно поясняет он. – Возникновение жизни – это своего рода мистический отвлекающий маневр”.

Есть и вторая причина полагать, что идеи Вэхтерсхойзера радикальны. Он не только “вырвался за пределы” первичного бульона, опрокидывая на ходу всех встречных – от Опарина до Орджела, – но еще и высказывал спорные утверждения о первом метаболизме.

Хотя живые организмы могут иметь ошеломляющее количество разных путей получения энергии, все их можно свести к двум основным вариантам. Первый предполагает получение богатых энергией молекул и их разрушение для извлечения энергии. Именно этим мы заняты во время еды – это так называемая гетеротрофность. Второй вариант заключается в самостоятельном синтезе богатых энергией молекул, как это делают зеленые растения, которые синтезируют сахара при помощи солнечных лучей. Это уже автотрофность.

Почти все исследователи зарождения жизни считали, что первый организм был гетеротрофом, при этом полагая, что источником энергии ему служил первичный бульон. На самом деле все проще: автотрофам необходимо хитроумное оборудование, а с гетеротрофами такой проблемы не возникает. К примеру, зеленые растения обладают особыми структурами (хлоропластами), нужными для использования энергии солнечных лучей, животные же клетки их лишены.

Почти не нашлось ученых, считавших первую жизнь автотрофной. Среди немногочисленных сторонников этих взглядов был Генри Фэрфилд Осборн, палеонтолог, знаменитый благодаря тому, что дал название тираннозавру рекс. (А еще он был ярым расистом, выделявшимся даже на фоне Америки начала XX века[362].) В 1916 году на страницах своей книги “Возникновение и эволюция жизни” (The Origin and Evolution of Life) Осборн предполагает, что первые живые существа использовали “тепловую энергию, полученную от земных недр, Солнца, а может, и от обоих сразу”[363]. Речь здесь действительно идет об автотрофном происхождении жизни, но подобная гипотеза сбивает с толку: существует множество вещей, которые можно нагревать без их превращения в первобытную жизнь.