Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Полстолетия научных исследований, в которых участвовали сотни ученых по всему миру, привели нас к пониманию того, что двигателем органического синтеза была сама древняя Земля.

Главные углеродсодержащие молекулы жизни — аминокислоты, сахара, липиды и многие другие — в изобилии образовывались и на пронзаемой молниями поверхности, и в вулканических гидротермальных источниках в глубинах океанов, и в освещенных солнцем бухточках, и в теплых небольших водоемах. Биомолекулы падали дождем с небес как полезный груз богатых углеродом метеоритов и формировались высоко в атмосфере, когда интенсивное ультрафиолетовое солнечное излучение перерабатывало воздух.

За прошедшее десятилетие ученые Обсерватории глубинного углерода расширили этот и без того внушительный перечень, включив в него экспериментальные и теоретические данные, подчеркивающие огромный потенциал Земли и других планет в создании органических молекул в своих глубоких горячих недрах. Исследователи в десятках стран сейчас синтезируют основные био- и другие органические молекулы при столь экстремальных мантийных температурах и давлениях, которые большинство из нас до недавнего времени считали неподходящими для главных молекул жизни. Мораль проста. Было доказано, что в молодости наша планета, а также теплые и влажные планеты и спутники в космосе могли создавать молекулы жизни. Возможно, величайший вклад ушедших семи десятилетий исследований происхождения жизни и заключается в этом однозначном осознании того, что двигателем биомолекулярного синтеза является Вселенная.

Шаг 2. Отбор и концентрация

Второй шаг в происхождении жизни поднимает новые, совсем другие проблемы — не создание органических молекул, а их отсев. Добиологическая Земля создавала углеродсодержащие молекулы в ошеломляющем изобилии — сотни тысяч разных «малых» молекул: каждая — всего с несколькими атомами углерода, каждая — доступная в качестве потенциального биокирпичика. Жизнь же, несмотря на ее поразительное структурное разнообразие, использует химическую стратегию без излишеств. Бо́льшая часть клеток состоит всего из нескольких сотен отобранных молекул.

Для примера: из всего массива существующих аминокислот живые клетки для достижения большинства целей пользуются только двумя десятками. Более того, львиная доля этих 20 аминокислот встречается по крайней мере в двух зеркально симметричных версиях — в виде идентичных по своему составу левостороннего и правостороннего вариантов. Эксперименты в добиологической химии неизменно дают равное количество молекул-«левшей» и «правшей», но жизнь использует почти исключительно левосторонние аминокислоты. Тот же принцип бережливости относится к жизненно важным сахарам, практически все из которых — «правши», а также ко многим липидам и молекулярным компонентам ДНК и РНК. Следовательно, второй важный шаг на пути к происхождению жизни заключается в том, чтобы выбрать только нужное подмножество молекул и сконцентрировать их либо на поверхностях минералов, либо на прогреваемых солнцем окраинах высыхающих приливных бассейнов.

Поверхности — привлекательный вариант, которому мы с коллегами придавали особое значение. Бескрайние океаны древней Земли были слишком разбавленными для того, чтобы добиологическим молекулам удавалось регулярно встречаться и соединяться, но поверхности могли способствовать такому соединению. В некоторых случаях, как в классическом сценарии «нефть в воде», у молекул получалось концентрироваться на поверхности воды, таким образом формируя собственные отдельные слои и глобулы.

Хорошим примером являются мембраны, окружающие клетки. Они спонтанно собираются из множества длинных «тощих» липидных молекул с углеродным скелетом{161}. Один конец каждой молекулы сильно притягивается водой, другой конец вода отталкивает с той же силой. Если вы опустите много таких тонких молекул о двух концах в воду, силы притяжения и отталкивания быстро выстроят миллионы этих молекул в ряд, образующий гибкую двухслойную заполненную водой сферическую структуру. Водолюбивые концы выстроившихся молекул будут на внешних сторонах липидного бислоя, окружающего полую сферу, а концы-водоненавистники окажутся друг напротив друга глубоко внутри мембраны, как можно дальше от воды.

Эксперименты со смесями добиологических молекул подтверждали этот механизм образования мембран снова и снова. Липкие молекулярные смеси, оставшиеся на стенках аппарата Миллера — Юри, либо извлеченные из богатых углеродом метеоритов, либо полученные в ходе экспериментов по синтезу при высокой температуре, — все спонтанно образуют в воде крошечные подобные клеткам структуры. Эта часть загадки происхождения жизни — неизбежное возникновение самых примитивных клеточных мембран, — похоже, решена.

Но отбор и концентрация, стягивание в одном месте большинства молекул жизни — тех, которым свойственно растворяться в воде и которые не так легко самоорганизуются, — пока остаются под вопросом. Как древние аминокислоты нашли друг друга, чтобы создать первые белки? Как молекулярные кирпичики ДНК и РНК собрались в первые структуры, чтобы нести и копировать биологическую информацию? Чтобы решить эти загадки, многие из нас обратились к минеральному царству.

Минералы и происхождение жизни

Происхождение жизни зависело от стабильных поставок исходных материалов — химических кирпичиков и строительного раствора клеток. Для того чтобы появились клетки, нужные химические ингредиенты должны были просто встретиться и объединить силы, но эти шаги не могли произойти в слабом первичном бульоне без чьей-либо помощи.

К счастью, природа придумала несколько способов концентрации молекул жизни из разбавленного океана. Один очевидный механизм — когда океаническая вода расплескивается или поднимается в мелкий бассейн, где испаряется, таким образом концентрируя оставшиеся химические вещества в насыщенном органическом супе. Полтора столетия назад Чарльз Дарвин описал такой «теплый маленький пруд» в письме к своему другу, и уютная картинка благоприятного для зарождения жизни освещенного солнцем места закрепилась{162}.

Стэнли Миллер, возможно нечаянно, проверил новый вариант этой идеи, поместив контейнер органического раствора в морозильник и оставив там — наверное, ученый просто забыл о нем — на 30 лет. По мере того как вода замерзала, остававшиеся крошечные карманы жидкости становились все более и более концентрированным раствором, насыщенным углеродсодержащими молекулами, которые медленно вступали друг с другом в химические реакции, создавая новые органические молекулы. Циклы замерзания и таяния на древней Земле могли подобным образом способствовать расширению списка концентрированных биокирпичиков.

Несмотря на череду разумных идей, после десятилетий тщетных попыток получить из водных смесей главных для жизни молекул полезные биологические структуры многие исследователи происхождения жизни пришли к выводу, что основную роль играло твердое основание из горных пород и минералов. Похоже, что важные функции выполняли упорядоченные атомные решетки поверхностей минералов. Некоторые минералы катализируют синтез ключевых биомолекул — аминокислот, сахаров и органических оснований. Другие минералы отбирают и концентрируют эти небольшие молекулы, адсорбируя их своей поверхностью в строго определенном положении и ориентации, защищая тем самым от химических воздействий. Минералы также обладают способностью выстраивать и связывать молекулы в функциональные мембраны и полимеры.

Эти предположения твердо укоренились в посвященной происхождению жизни литературе — хотя бы по той простой причине, что мы не можем придумать жизнеспособные альтернативы. В отсутствие минералов молекулы редко сталкиваются друг с другом, тем более соединяются в нужной последовательности. В открытом океане, особенно рядом с горячими вулканическими источниками на его дне, эти слабые молекулы, скорее всего, распадутся. Минералы отбирают, концентрируют, защищают и связывают молекулярное сырье жизни. Но несмотря на эти правдоподобные доводы, мало кто из ученых пытался провести уточняющие эксперименты, необходимые для проверки в природных условиях роли минералов.

Экспериментальные исследования механизмов, посредством которых органические молекулы поглощаются минеральными поверхностями, находятся на стыке биологии и геологии. Они сложны, поскольку требуют знаний по крайней мере в трех областях, которые редко пересекаются. Во-первых, нужно быть специалистом по химии воды, потому что все эксперименты необходимо проводить в воде с точно контролируемыми условиями температуры, состава и кислотности. Во-вторых, понадобятся глубокие знания по органической химии — особенно по сложному поведению аминокислот и сахаров, способных менять свою форму и химические свойства при изменении водной среды. И в-третьих, хорошо бы быть знатоком минералогии, особенно в том, что касается нюансов замысловатых атомных структур кристаллических поверхностей.

Мало кто из ученых соответствует всем трем требованиям, но одна замечательная молодая исследовательница по имени Шарлин Эстрада оказалась более чем способной справиться с этой задачей{163}. С трехлетнего возраста, с тех пор как папа кружил ее в воздухе под музыкальную тему из «Звездного пути», она знала, что хочет исследовать Вселенную. Этот папа — профессор, занимающийся изучением американцев мексиканского происхождения, — был первым в семье, кто получил степень PhD, так что путь к научной карьере оказался проложен. «Я хотела стать астрономом, палеонтологом, археологом. Больше всего мне нравилось играть с магнитами, литым резиновым шаром в виде Юпитера, бинокулярами и (продезинфицированными) куриными костями. Мне ничего не казалось слишком странным или пугающим — главное, чтобы в первую очередь оно было интересным», — вспоминает исследовательница.

Стать минералогом Эстрада решила, когда ее семья переехала в Тусон (штат Аризона) — место ежегодного проведения знаменитого Шоу драгоценных камней и минералов, самого крупного в мире. Каждый год она копила карманные деньги только ради возможности пополнить свою коллекцию камней за эти несколько недель в январе-феврале, когда тысячи участников-дилеров со всего мира приезжают в Тусон, выставляя образцы в павильонах, выставочных залах и гостиничных номерах по всему городу. Будучи студенткой Аризонского университета, Эстрада все время проводила в минералогической лаборатории Боба Даунса, где стала его лучшей студенткой — подающим большие надежды экспертом в этой области.

Я познакомился с Шарлин летом 2008 г., когда она приступила к практическим работам в моей Геофизической лаборатории. Она трудилась над лабораторными исследованиями поверхностей минералов с Димитри Сверженски и со мной, «объединяя» свои профессиональные познания в области кристаллов с углубленным изучением химии воды. За десять коротких недель Шарлин завершила элегантное исследование адсорбции аминокислот на рутиле — минерале оксида титана, который в силу особой устойчивости в воде мог служить отправной точкой для всех наших исследований поверхностей минералов.

Летом у Эстрады было своего рода прослушивание: она подала документы в аспирантуру Университета Джонса Хопкинса, легко прошла этап отбора и вскоре уже работала со Сверженски, погрузившись в геохимию и науку о поверхностях. Она публиковала статью за статьей, поочередно исследуя разные сочетания минералов и молекул и проводя эксперименты, которые подкрепляли предположения, что минералы могли играть ключевую роль в происхождении жизни.

В ходе одного такого замечательного эксперимента Эстрада добавила в раствор с ионами кальция (типичным химическим ингредиентом морской воды) смесь пяти аминокислот в равных пропорциях и брусит — магниевый минерал, который обычно формируется, когда свежие вулканические породы взаимодействуют с водой и преобразуются на океаническом дне. Мы думали, что брусит адсорбирует все аминокислоты одинаково, но Эстрада обнаружила, что только одна из пяти молекул — аспарагиновой кислоты — легко прилипла к поверхности минерала{164}. Но самое неожиданное — исследовательница открыла, что при адсорбции молекул аспарагиновой кислоты бруситу протянули руку помощи ионы кальция. Теперь мы понимаем, что такое сотрудничество молекул и ионов — один из ключей к пониманию происхождения жизни.

Информация

Наука — это здание, которое строит себя само. Достижения Шарлин Эстрады стали всего одним рядом кирпичиков лишь в одном углу этой конструкции, но зато указали другим путь, чтобы продолжать строительство. Следующим ученым, который присоединился к нашей команде, была Тереза Форнаро{165}. Получив докторскую степень в знаменитой Высшей нормальной школе в Пизе (неподалеку от Пизанской башни) и пройдя интенсивную исследовательскую программу во флорентийской Обсерватории Арчетри, Форнаро олицетворяет собой новое поколение астробиологов, которое, вероятно, раскроет секрет происхождения жизни. Ее знания необычайно широки и глубоки по сравнению с теми, что имели большинство молодых исследователей предыдущих поколений. Тереза — профессионал в областях органической химии и минералогии, планетологии и истории Земли, она с одинаковой уверенностью управляется с привередливыми аналитическими приборами в лаборатории изучения поверхностей и выполняет витиеватые квантово-механические вычисления взаимодействий минералов и молекул.

Терезе Форнаро необязательно было входить в конкурентный мир научных исследований. Она вполне могла присоединиться к семейному бизнесу — одному из первых предприятий по производству пасты ручной работы в итальянском Неаполе, поставляющему десятки разновидностей макаронных изделий ресторанам, получившим звезды Мишлена, по всей Европе и за ее пределами. Но стремительно развивающаяся астробиология стала ее главной страстью. Форнаро энергично и жизнерадостно рассказывает о своих последних находках и быстро заряжает вас своей уверенностью и энтузиазмом.

Основываясь на исследованиях Эстрады, Форнаро взялась за одну из центральных загадок происхождения жизни — образование насыщенных информацией молекул ДНК и РНК. Многие эксперты в вопросах происхождения жизни фокусируются на РНК как универсальной молекуле, которая, наверное как ничто другое, способна отражать некоторые характеристики жизни. РНК может катализировать химические реакции, ускоряя важные биологические функции. Помимо этого, молекула умеет переносить информацию в своем четырехбуквенном алфавите: A, Ц, Г и У[44]. А еще у РНК есть потенциал (правда, пока не доказанный в лаборатории) делать точные копии себя, т.е. она несет основное свойство жизни — самовоспроизведение. Следовательно, гипотеза «мира РНК» не просто оригинальная идея. Для многих ученых это та самая гипотеза происхождения, которую надо доказать. Затруднение состоит в том, что никто пока не смог понять, как собрать стабильную молекулу РНК в правдоподобной добиологической среде. Более того, структурные элементы РНК химически нестойкие, они имеют тенденцию распадаться в воде.

Сосредоточив свое внимание на брусите, а косвенным образом и на глубинной океанической среде, которая производит впечатление неблагоприятной для образования и стабильности РНК, Форнаро изучала, как структурные элементы РНК взаимодействуют с поверхностями минералов{166}. Она сделала важное открытие: брусит выборочно адсорбирует кирпичики РНК, защищая их от распада в водной среде. Она также обнаружила, что поверхность минерала ориентирует молекулы таким образом, который может способствовать добиологической самоорганизации РНК.

Понятно, что любой эксперимент лишь малая частица общей картины происхождения жизни. Для понимания взаимодействий минералов и молекул нужны еще десятилетия исследований. Но все больше настойчивых ученых получают обнадеживающие результаты с каждым новым экспериментом.

Эти исследования открывают важную истину о добиологической химии. Простые эксперименты только с одним или двумя химическими ингредиентами, проводимые при комнатной температуре и давлении и использующие обычную воду из-под крана, относительно легко выполнить, но они столь же легко могут привести к ошибкам, когда речь идет о процессах, ведущих к происхождению жизни. Существенную роль в появлении жизни должны были сыграть результаты сотрудничества и конкуренции большого количества молекул. Мы приходим к выводу, что сложность жизни в значительной степени связана со сложностью природной геохимической среды. Похоже, отбор, концентрация и монтаж молекулярных строительных материалов жизни требуют мудреных трехмерных процессов на атомном уровне — процессов, которые начали раскрываться в экспериментах Шарлин Эстрады и Терезы Форнаро.

Хорошие новости заключаются в том, что сложные взаимодействия между многочисленными небольшими биомолекулами, химическими веществами в растворе и поверхностями минералов намекают на некую тропинку от геохимии к сложности биохимии. А вот и плохие новости — исследование даже крошечной доли потенциально возможных комбинаций молекул, растворов и минералов в перспективе выглядит пугающе. Головокружительное многообразие вероятных добиологических сред заставляет нас воображать буквально миллиарды сочетаний, каждое из которых потребует месяцев кропотливых экспериментов для детального изучения.

[44] Обозначение урацила. — Прим. ред.