Метаболизм бытия: как на самом деле зародилась жизнь на Земле

История жизни на Земле простирается далеко в прошлое, насколько мы можем проследить, от современных растений, животных и грибов до простых одноклеточных организмов и до общего предка, сохранившегося в ископаемых останках, возраст которых составляет не менее 3,8 миллиарда лет.

Несмотря на обширные знания о том, как жизнь развивалась и процветала, мы до сих пор не знаем, как она зародилась, и развивалась ли она по одному пути повсюду.

К числу основных сценариев происхождения жизни относятся либо клеточный путь, либо путь, основанный на генетическом коде, но возможно, все происходило не совсем так. Скорее, ответ на вопрос о том, как жизнь зародилась на Земле, дает сценарий, основанный на метаболизме.

Наша планета переполнена жизнью. Озера, реки, моря и океаны изобилуют ею от поверхности до самого дна, часто на глубинах в несколько километров. Суша, как над, так и под землей, полна живых организмов различного размера, массы и сложности, включая растения, животных и грибы. Даже в атмосфере обитает множество форм жизни, от птиц и насекомых до микробов, встречающихся далеко за высочайшими горными вершинами. В общей сложности на Земле представлено более 8 миллионов видов организмов, общая биомасса которых составляет более полутриллиона тонн углерода.

Мы можем проследить нашу эволюционную историю во времени, включая такие важные этапы, как:

• развитие млекопитающих и растений,
• появление полового размножения и многоклеточности,
• биологическое создание кислорода в атмосфере и начало фотосинтеза.

У нас есть ископаемые свидетельства существования жизни 3,8 миллиарда лет назад, но начало всего этого — происхождение самой жизни на Земле — остается неразгаданной загадкой. Хотя существует множество теорий и сценариев, один из наименее обсуждаемых, возможно, является наиболее вероятным: согласно этой версии, метаболизм был первым этапом зарождения жизни.

Вот почему недавние исследования, проведенные всего несколько лет назад, могут произвести революцию в истории возникновения жизни на планете.

На Земле сегодня обитают более 8 миллиардов видов организмов, обладающих огромным разнообразием свойств. Некоторые крупные, некоторые мелкие; одни сложные, другие простые; некоторые живут только в определенных, экстремальных условиях, в то время как другие процветают в самых разных наземных средах. Некоторые завершают свой жизненный цикл всего за несколько часов, в то время как другие выживают десятилетиями, столетиями или даже тысячелетиями. По-видимому, не существует универсального набора условий — по крайней мере, среди этих и многих других распространенных показателей — которые можно было бы применить к жизни.

И все же, существует как минимум пять свойств, универсальных для всех современных форм жизни:

• Все формы жизни получают ресурсы того или иного типа из окружающей среды.
• Все обладают метаболизмом, при котором энергия извлекается из внешнего источника для достижения метаболических целей организма.
• Все обладают способностью к размножению, производя потомство, частично или даже полностью идентичное родительскому организму.
• Все они имеют отдельные «внутреннюю» и «внешнюю» части, разграниченные наличием клеточной стенки или клеточной мембраны, создающей границу между организмом и внешней средой.
• И все содержат внутри генетический код, позволяющий синтезировать белки и осуществлять другие жизненные процессы.

Крайне маловероятно, что все пять свойств появились одновременно и в полностью готовом виде. Одно из них, должно быть, появилось первым.

Многие обращаются к химическим компонентам, лежащим в основе современного понимания жизни, и отстаивают их важнейшую роль, и даже первенство, в происхождении жизни. В конце концов, эти компоненты, включая все нуклеобазы, используемые в земной жизни, встречаются и вне Земли: в астероидах, кометах и других первородных телах, оставшихся после формирования Солнечной системы. Хотя вероятность случайного образования цепочки нуклеобаз в логичном порядке, создающей успешный белок, астрономически мала, ученые все же утверждают, что для возникновения жизни достаточно лишь одного такого случая, независимо от того, насколько мала эта вероятность.

Другие же указывают на необходимость различия между внутренним и внешним миром. Они утверждают, что первым формам жизни был необходим защитный слой, чтобы противостоять суровым условиям ранней Земли:

• солнечному излучению,
• грозам,
• интенсивной бомбардировке объектами из космоса,
• обильной вулканической активности,

чтобы избежать денатурации белков и распада их чувствительных внутренних компонентов.

Те ученые, кто считает, что в первую очередь формировалась клеточная структура, часто подкрепляют свой аргумент наличием липидов в водной среде. Однако вопрос о том, как информация, необходимая для создания такой структуры, может возникать одновременно со всеми другими необходимыми функциями, которые должны выполнять живые организмы, остается открытым; сценарий «сначала возникает барьер» не обязательно приведет к осуществлению жизненных процессов.

Итак, как же зародилась жизнь? В 2010 году попытки ответить на этот вопрос сделали огромный шаг вперед, когда в знаковой работе были объединены данные по истории жизни на планете с современной филогенетикой и строгой теорией вероятностей. Ранее неоспоримые предположения, такие как представление о том, что сходство генетических последовательностей обязательно подразумевает генетическое родство, или что универсальное общее происхождение является обязательным условием, были отброшены в пользу нейтральных с точки зрения предположений тестов. Рассматривался горизонтальный перенос генов между малородственными видами, включая виды из разных царств или типов, наряду с событиями слияния. Другими словами, ученые заглянули под каждый камень, тщательно прочесали все.

Результаты проведения формального тестирования были следующими:

1. В подавляющем большинстве случаев предпочтение отдается идее о том, что вся существующая жизнь имеет общего универсального предка, и все альтернативные гипотезы отвергаются.
2. Горизонтальный перенос генов, безусловно, происходит, но он крайне маловероятен между организмами, произошедшими от разных процессов клеточного образования, поскольку их гены были бы преобразованы в некодирующие сегменты.
3. Тот факт, что те же 22 аминокислоты (из более чем 80 известных в природе) присутствуют в биологически синтезированных белковых молекулах, является дополнительным убедительным химическим доказательством в пользу общего происхождения.

Но даже обладая этими знаниями о развитии и истории жизни на Земле, мы все еще не могли сделать окончательных выводов о ее происхождении.

Поэтому новейший подход заключается не в выборе предположения о том, что было первым, а в том, чтобы начать с условий, которые должны были существовать на первобытной Земле, и двигаться в обратном направлении: какие реакции были бы вероятны или даже неизбежны?

Вначале то, что впоследствии стало нашей Солнечной системой, представляло собой не более чем обогащенное облако первобытного газа. Его состав примерно на 70% состоял из водорода, на 28% из гелия и около 1% из кислорода, а также меньших количеств других элементов, включая углерод, неон, азот, железо, кремний, серу, кальций, фосфор, калий, натрий, магний и многие другие. Некоторые из этих атомов были связаны в молекулы, включая сахара, аминокислоты, нуклеооснования, ароматические молекулы и так далее. Большая часть массы притягивается к центру, где в конечном итоге образуется наше Солнце, но значительная часть коллапсирует во вращающийся диск, окружающий центральную протозвезду: протопланетный диск.

В то время как самые легкие элементы во внутренней части диска — водород и гелий, а также легкие виды льда, такие как азот, метан и углекислый газ — испаряются и/или сублимируются, более тяжелые элементы объединяются, образуя более длинные цепочки и более сложные молекулы. За миллионы лет в этом протопланетном диске возникают дефекты, приводящие сначала к образованию протопланет, а затем, по мере созревания Солнечной системы, к появлению полноценных планет.

Ранняя история Земли была полна бурных событий. Самым известным, вероятно, является столкновение с протопланетой Теей около 4,5 миллиардов лет назад, которое привело к образованию Луны, а затем последовал период интенсивной бомбардировки, который, вероятно, продолжался сотни миллионов лет. Сочетание вулканической активности и столкновений с кометами и астероидами привело к образованию океанов и атмосферы, а осадки на ранней, крайне неровной поверхности планеты способствовали формированию запасов пресной воды, включая реки, озера и ледники.

В разговорной речи мы используем выражение «кипятить океан», чтобы описать чрезмерно амбициозный, но практически невыполнимый подход к решению проблем. Однако в этом выражении заложена важная идея. Поскольку океаны состоят в основном из воды, но со множеством растворенных или взвешенных частиц и ионов, «кипячение» удаляет воду, оставляя при этом остальное содержимое. Если взять даже большой черпак океанской воды и начать ее кипятить, вы уменьшите долю воды, шаг за шагом, оставляя при этом все растворенные и нерастворенные вещества.

Теперь рассмотрим различные водные среды, которыми обладала наша планета на ранних этапах развития, и вы поймете, почему запасы пресной воды, образовавшиеся над вулканически активными районами, известными как гидротермальные поля, являются местом наибольшей концентрации первобытных компонентов Земли. По мере испарения воды плотность органических веществ в них — сахаров, аминокислот, нуклеооснований, ионов и многого другого — увеличивалась.

Как мы можем быть уверены в том, какие именно исходные компоненты присутствовали в прошлом? Лучшим индикатором этого является состав астероидов, комет и метеоритов. Заглянув внутрь этих примитивных объектов, многие из которых датируются примерно 4,56 миллиардами лет назад, мы обнаруживаем, что:

• они содержат более 80 уникальных аминокислот,
• многие аминокислоты бывают как левосторонними, так и правосторонними, хотя все аминокислоты, участвующие в жизненных процессах на Земле, являются исключительно левосторонними,
• также присутствуют органические молекулы на основе углерода, от простых (например, сахара) до промежуточных (например, гексаметилентетрамин) и сложных (например, полициклические ароматические углеводороды),
• и, что весьма важно, все пять нуклеобаз, кодирующих генетическую информацию на Земле, присутствуют и в метеоритах.

Если создать в лаборатории богатую питательными веществами и органическими соединениями среду, можно, например, получить аналог ранней Земли. Можно приложить к нему энергию, вызвать фазовые переходы и обеспечить долговременный химический синтез. Легко образуются крупные, сложные молекулы, включая полноценные нуклеотиды, сложные белки и ферменты. Можно синтезировать не только сахара, но и полисахариды и даже крахмалы, а также молекулы, имеющие много общего с современными холестеринами, спиртами и липидами.

В такой среде образуется множество сложных, длинных молекул. Аминокислоты будут собираться, соединяться и образовывать белки. Большинство этих белков будут полностью неактивны и не будут выполнять никаких биологически полезных функций. Однако, если заменить нейтральный атом на конце одного из таких белков ионом — особенно ионом тяжелого элемента, например, магния, — то белок превратится в фермент. Внезапно ваш ранее бесполезный белок обретает способность делать такие вещи, как:

• расщеплять молекулы на две части,
• катализировать химические реакции с выделением энергии,
• и превращать ранее «бесполезные» молекулы в источник пищи и/или питательных веществ.

Это не научно обоснованный сценарий, описывающий зарождение жизни на Земле, а скорее правдоподобная версия того, как до появления чего-либо еще (клеточной мембраны, цепочки нуклеиновых кислот, кодирующих информацию, или даже способности к размножению) могли существовать молекулы, осуществляющие метаболическую активность.

Как было впервые показано в новаторской работе 2013 года, эту идею о развитии жизни с помощью метаболизма следует рассматривать, если не как основную версию развития биологических процессов жизни на Земле, то, по крайней мере, как основной компонент этой истории.

Превращение бесполезного белка в полезный фермент может происходить не только в гидротермальных условиях, но и в приливных лужах, вокруг гидротермальных источников на дне океана, на границе раздела моря и воздуха или в других местах, где сохраняются неравновесные условия. Аминокислоты взаимодействуют и сталкиваются друг с другом, спонтанно образуя и разрывая связи. Ионы присоединяются к этим примитивным пептидам, создавая ферменты. Хотя эти молекулы хрупки и легко разрушаются или денатурируются, они очень многочисленны и были обнаружены в высоких концентрациях в этих средах, создавая множество возможностей, обусловленных настолько масштабной, что ее едва можно постичь, математикой комбинаторики. Это действительно поражает воображение.

Некоторые из образовавшихся белков, вероятно, приобрели способность выполнять определенные функции совершенно случайно. К таким функциям могли относиться, например, следующие:

• накапливать ресурсы, включая специфические пептиды, которые могут служить пищей,
• расщеплять/рекомбинировать другие молекулы таким образом, чтобы высвобождать при этом полезную энергию,
• расщеплять другие полезные молекулы, высвобождая энергию, оставаясь при этом целыми.

Как бы то ни было, в статье 2013 года было показано, что спонтанное образование метаболических пептидов практически неизбежно. Затем, менее 10 лет назад, был сделан еще один невероятный биологический прорыв в исследованиях происхождения жизни: открытие коэволюции РНК и пептидов.

В водной среде нуклеобазы — генетические «буквы» таких структур, как РНК, ДНК или даже ПНК (пептидные нуклеиновые кислоты) — могут выстраиваться вдоль различных аминокислот в пептидной цепи. Если каждая аминокислота может соединиться с тремя нуклеобазами, и затем может «отделиться» и притянуть дополнительные аминокислоты к генетической нити, они могут эффективно воспроизвести исходную пептидную цепь с высокой степенью точности.

Сценарий совместной эволюции РНК и пептидов быстро завоевал популярность и является одной из ведущих теорий происхождения жизни не только на Земле, но, возможно, и везде, где существуют условия для ее возникновения. Граница между химическими и биологическими процессами размыта, но идея примитивной молекулы, способной метаболизировать питательные вещества, повсеместно встречающиеся в окружающей среде, весьма убедительна. Если же имеется большое количество нуклеиновых кислот, которые могут спонтанно выстраиваться вместе с аминокислотными последовательностями, кодируемых ДНК, РНК или даже ПНК, то появляется механизм для еще одного ключевого компонента жизни: репликации.

Если у вас есть способный к метаболизму репликатор, который может успешно размножаться до того, как в окружающей среде закончатся ресурсы, молекула денатурируется или иным образом исчезнет, то логично развиваются другие закономерности, и прежде всего это касается развития клеточных стенок или мембран, которые отделяют внутреннюю часть организма от внешней.

Впереди долгая работа, чтобы определить, является ли жизнь распространенным, редким, уникальным или даже исключительным явлением во Вселенной. Жизнь здесь, на Земле, остается единственным известным нам примером. Однако ключи к происхождению жизни заложены не только в истории Земли, но и в законах и условиях, существующих во всей Вселенной. Если жизнь зародилась здесь, она может зародиться и в других местах. Возможно, первое обнаружение жизни в других мирах произойдет в самом ближайшем будущем. Не исключено, что это открытие, в сочетании с некоторыми ключевыми выводами о том, как жизнь впервые возникла на Земле, позволит наконец понять, является ли метаболизм, а не клеточная структура или генетический код, ключом к возникновению жизни в целом.

Сообщение Метаболизм бытия: как на самом деле зародилась жизнь на Земле появились сначала на Идеономика – Умные о главном.