Тайна жизни: Как зарождается интеллект и синтетическая эволюция

АБИОГЕНЕЗ
КАК НАЧАЛАСЬ ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ?

В XIX веке этот вопрос казался неразрешимым. Исследователи, пытавшиеся зафиксировать «самопроизвольное зарождение» жизни, не добились успеха, как только научились обеззараживать свои образцы.
Как сказал Уильям Томсон (1824–1907), будущий лорд Кельвин, в своем выступлении в 1871 году перед Британской ассоциацией по продвижению науки: «Мертвая материя не может стать живой, не подвергаясь воздействию материи, которая ранее была живой. Мне это кажется столь же верным научным утверждением, как закон гравитации».1
Значит ли это, что жизнь всегда существовала? Прибыла ли она на Землю из космоса, принесенная астероидом? Томсон так считал, и некоторые до сих пор так считают. Но эта гипотеза «панспермии» никуда нас не приводит. Откуда взялся астероид и как на нем зародилась жизнь?
Несмотря на свое четкое формулирование принципа эволюции, Чарльз Дарвин (1809–1882) тоже не имел ни малейшего представления. Поэтому в 1863 году он написал своему близкому другу Джозефу Далтону Гукеру, что «в настоящее время размышлять о происхождении жизни — это чистый вздор; с таким же успехом можно размышлять о происхождении материи».²
Сегодня мы имеем больше представления об этом, хотя детали, возможно, навсегда утрачены в глубине времени.
Биологи и химики, работающие в области абиогенеза — изучения момента, когда миллиарды лет назад химия превратилась в жизнь, — разработали несколько правдоподобных версий происхождения жизни. В одной из них протоорганизмы в древнем «мире РНК» были организованы вокруг молекул РНК, которые могли как реплицироваться, так и сворачиваться в трехмерные структуры, которые могли действовать как примитивные ферменты.3 В альтернативной версии «сначала метаболизм»4 жизнь началась без генов, вероятно, в скальных трубах «черных курильщиков» на дне океана; РНК и ДНК появились позже. В конечном итоге, возможно, удастся исключить одну из этих теорий… а может и нет.
Мы вернемся к РНК и репликации, но сначала давайте подробнее рассмотрим версию «метаболизм прежде всего», поскольку она проливает свет на проблему, которая сбивала с толку Дарвина и его последователей: как эволюция может начаться без генетической наследственности. Как мы увидим, абиогенез становится менее загадочным, когда мы развиваем более общее понимание эволюции — такое, которое может простираться до времени до появления жизни.

Лавовое озеро, Килауэа, Гавайи

Вернёмся мыслями к истокам нашей планеты. Гадеанский эон начался 4,6 миллиарда лет назад, когда Земля впервые сконденсировалась из аккреционного диска из каменного материала, вращавшегося вокруг нашей новорожденной звезды, Солнца. Мантия нашей планеты, более жидкая, чем сегодня, и насыщенная горячими, короткоживущими радиоактивными элементами, бурлила, выделяя углекислый газ и водяной пар. Поверхность была вулканическим адом, светящимся озерами перегретой лавы и испещренным серными жерлами, извергающими дым.
Потребовались сотни миллионов лет, чтобы условия на поверхности стабилизировались. Согласно Международному астрономическому союзу, объект, вращающийся вокруг звезды, может считаться планетой только в том случае, если он имеет достаточную массу, чтобы либо поглотить, либо, пролетая мимо, вытолкнуть других обитателей с их орбиты. Но в хаосе ранней Солнечной системы это заняло много времени. Пока Земля очищала свою орбиту от обломков, она постоянно подвергалась бомбардировке кометами и астероидами, в том числе гигантскими ударами диаметром более шестидесяти миль. Один такой удар мог бы нагреть и без того душную атмосферу до тысячи градусов по Фаренгейту.

Электронная микрофотография обратного рассеяния 4,4-миллиардных цирконов из метаосадочных пород Хадеана в Джек-Хиллс, гнейсовый террен Нарриер, Западная Австралия

Одно из этих столкновений, по-видимому, произошло с другой недавно образовавшейся планетой, что едва не привело к полному уничтожению Земли. Согласно этой теории, в орбиту попало достаточное количество разбитых, расплавленных и испаренных пород, чтобы сформировать Луну.
Неудивительно, что от хадейского периода сохранилось очень мало геологического материала — в основном кристаллы циркона, вкрапленные в метаморфический песчаник в Джек-Хиллз в Западной Австралии.
Трудно представить себе, что в таких суровых условиях могла сформироваться или выжить жизнь. Возможно, каким-то образом это произошло. Мы точно знаем, что к концу хадея или началу архея — не позднее 3,6 миллиарда лет назад — поверхность остыла настолько, что жидкий океан застыл, и начался химический процесс, приведший к зарождению жизни.

Сегодня эти ранние условия наиболее точно воспроизводятся черными курильщиками. Они образуются вокруг гидротермальных источников на срединных океанических хребтах, где тектонические плиты раздвигаются и формируется новая кора. В таких местах морская вода, просачивающаяся вглубь скал, вступает в контакт с горячей магмой. Перегретая вода затем вскипает, унося с собой водород, углекислый газ и соединения серы, которые выпадают в осадок, образуя дымящиеся подводные трубы. Зонды, отправленные на глубину в тысячи футов для исследования этих неземных сред, обнаруживают, что они кишат всевозможными странными формами жизни, привлекаемыми теплом, питательными веществами и друг другом. Некоторые из обитателей могут иметь очень давнюю историю.

Черный дымящийся гидротермальный источник «Канделябр» в гидротермальном поле Логачева на Срединно-Атлантическом хребте, на глубине 10 800 футов
Как и лавовая порода, трубы пористые, а поры являются идеальными маленькими камерами для проведения химических реакций, которые потенциально могут питаться удобным источником энергии, поскольку водородный газ создает протонные градиенты через тонкие стенки между порами, заставляя их действовать как батареи.5 При наличии энергии, минералов сульфида железа в породе, действующих как катализаторы, и углекислого газа, проходящего через них, самоподдерживающиеся циклы химических реакций могут запуститься, как двигатель.
Возможно, это был первоначальный двигатель жизни: примитивный, но квазистабильный метаболизм, пока еще без генов, ферментов и даже четко очерченной границы между внутренней и внешней средой. Однако вскоре могли последовать такие усовершенствования, поскольку этот двигатель химического синтеза очень похож на «обратный цикл Кребса», который, как сейчас широко считается, питал самые ранние клетки.
Обычный или «прямой» цикл Кребса был открыт в 1937 году новаторским биохимиком Гансом Кребсом (1900–1981). Цикл Кребса, больше похожий на газовый генератор, чем на двигатель, лежит в основе того, как все аэробные организмы на Земле «сжигают» органическое топливо для выделения энергии, процесс, известный как «дыхание». 6 Входными данными для этого цикла химических реакций являются сложные органические молекулы (которые мы едим) и кислород (который мы вдыхаем); «выхлопные газы» содержат углекислый газ и воду (которые мы выдыхаем). Производимая энергия поддерживает градиент протонов через сложенные мембраны внутри наших митохондрий, и поток этих протонов продолжает питать все другие клеточные функции.

Цикл Кребса / Обратный цикл Кребса

Идея «обратного цикла Кребса» была впервые предложена тремя исследователями из Калифорнийского университета в Беркли в 1966 году.7 На протяжении десятилетий она оставалась спорной, но теперь известно, что она обеспечивает фиксацию углерода в древних анаэробных серных бактериях, некоторые из которых до сих пор обитают в глубоководных гидротермальных источниках.8 Как следует из названия, обратный цикл Кребса состоит из примерно тех же химических реакций, что и прямой цикл, но протекает в обратном направлении. Начиная с воды и углекислого газа, протонные градиенты стимулируют синтез всех основных строительных блоков, необходимых для клеточной структуры и функционирования, включая сахара, аминокислоты для белков, жирные кислоты и изопрены для клеточных мембран, а также нуклеотиды для построения РНК и ДНК.

Рентгеновский снимок русских матрешек

Вся жизнь произошла из моря, и внутреннее пространство каждой клетки каждого живого организма воспроизводит эту соленую, водную среду — крошечный «океан внутри». Это общеизвестный факт. Но наши митохондрии, «энергетические станции» внутри наших клеток, где происходит дыхание, на самом деле могут воспроизводить гораздо более специфическую глубоководную химию черного дыма. В почти буквальном смысле наши тела похожи на русские матрешки, мембраны внутри мембран, и каждая вложенная среда воссоздает более раннюю стадию эволюции жизни на Земле.
Чем глубже мы заглядываем в себя, тем дальше мы можем увидеть в прошлое. Прекрасная, волнующая мысль.