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

Сейчас многие исследователи убеждены, что именно метаболизм в той или иной форме должен был возникнуть первым, раньше остальных компонентов живого. Аргумент в пользу этого очень прост: жизнь без возможности использовать энергию из какого-то источника (жизнь без метаболизма) просто не в состоянии себя поддерживать. Конечно, иметь копирующие себя РНК – это замечательно, но что в них толку, если они сразу разрушатся?
Говоря об энергии в живых организмах, мы не имеем в виду удары молнии, которые пронизывают клетки. Речь о присутствующей в любой живой клетке молекуле аденозинтрифосфата (АТФ), которая и хранит в себе энергию[347]. АТФ используют все организмы, от самой простой бактерии до человека – это своего рода универсальная энергетическая “валюта”. Когда вы напрягаете свои мышцы, или нервная клетка мозга генерирует импульс, или бактерия делится надвое – это всегда происходит за счет энергии АТФ.
Принцип работы АТФ несколько напоминает аккумулятор. Сперва организм получает энергию из какого-то источника. Далее он использует ее для того, чтобы присоединять фосфаты к молекуле аденозина до тех пор, пока не получится цепочка из трех молекул – это и есть АТФ. В ней энергия надежно хранится в виде химических связей, образованных фосфатами. А когда организму требуется энергия, он, отрывая фосфаты от АТФ, высвобождает ее.
Процесс постоянного образования и разрушения АТФ является основой жизни на Земле. Он так же универсален, как белки или нуклеиновые кислоты. Ваши клетки прямо сейчас заняты этим, как и всякая бактерия на поверхности вашей кожи.
Получается, что представления начала всего живого с некоего способа получать и использовать энергию имеют под собой достаточные основания. У этой идеи богатая история. В 1963 году (спустя десятилетие после эксперимента Миллера) биохимик Роберт Икин предположил существование какого-то подобия АТФ и у первых живых существ[348].
Однако появление убедительной гипотезы о первичном метаболизме потребовало немало времени. Троланд говорил о единственном ферменте, что совершенно нереалистично. В современных организмах (даже самых простых бактериях) метаболизм представляет собой целую последовательность химических реакций. Нередко они образуют циклы: исходное соединение превращается в какое-то другое, то в свою очередь дает начало третьему, и так далее до тех пор, пока исходное вещество не окажется воссозданным. Изображающие такие циклы диаграммы несколько напоминают карту Лондонского метрополитена, только нарисованные Джексоном Поллоком, причем под амфетамином. Подобные химические превращения “по кругу” могут казаться бессмысленными, но на самом деле их промежуточные этапы производят кое-что полезное.
Примером служит, скажем, процесс, происходящий в некоторых бактериях и называемый обратным циклом лимонной кислоты[349], [350]. Он начинается с молекулы лимонной кислоты – вещества, придающего лимонам их кислый вкус. Лимонная кислота проходит через восемь последовательных химических превращений, последнее из которых воссоздает ее заново. В ходе работы этого цикла углекислота и вода соединяются и образуют простые органические вещества вроде ацетата или оксалоацетата, которые могут быть использованы для синтеза аминокислот и чего-то в этом роде.
Видимо, первой форме жизни был необходим как раз простой метаболический цикл. Гарольд Моровиц[351] пишет об этом в своей книге 1966 года “Поток энергии в биологии” (Energy Flow in Biology)[352]. Его вычисления показали, что поток энергии через смесь химических веществ с неизбежностью запускает какой-то цикл реакций[353]. Другими словами, метаболические циклы могли возникнуть даже безо всяких живых существ, если располагали источником необходимой им энергии. Ученый пишет: “Молекулярную организацию и циклы вещества не следует рассматривать как уникальное свойство живого – скорее это общее свойство всех систем с потоком энергии”.
Его высказывание может показаться чересчур смелым. Почему, собственно, протекание энергии через смесь химических веществ должно непременно запускать именно цикл реакций? Однако аналогичные процессы происходят постоянно. Примером является круговорот воды на Земле, источником энергии для которого служит исключительно Солнце. Вода испаряется с поверхности морей и других водоемов, превращаясь в поднимающийся вверх водяной пар. Далее он охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, образуя при этом облака. В конечном счете вода проливается обратно на поверхность Земли, попадает в реки и с их потоком течет обратно в моря, где она начинала свой путь. Эта система в целом одновременно и динамична, и неизменна. Триллионы молекул воды находятся в непрерывном движении, но моря в целом сохраняют свой размер – всегда где-то идут дожди, и всегда текут реки. Без энергии Солнца весь этот цикл замер бы, но поток энергии неиссякаем и круговорот воды продолжается.
 
И тем не менее картина выглядела довольно абстрактно. Моровиц не описал этот простой метаболический цикл в деталях. Потому неудивительно, что самая первая гипотеза первичного бульона наряду с подтверждающими ее опытами Миллера, а позднее также и Мир РНК сохраняли господствующее положение вплоть до конца 1980-х годов. Все это время концепция о начале живого с метаболического цикла (то есть системы для получения и использования энергии) не двигалась с места. Но в конце концов она обрела новое дыхание – и благодарить за это надо не какого-нибудь признанного ученого-биохимика, а юриста, специализировавшегося на патентах.
Гюнтер Вэхтерсхойзер родился в маленьком немецком городке Гессен незадолго до Второй мировой войны, в 1938 году. Шесть лет спустя большая часть его родного города была уничтожена бомбардировками союзников. Однако Вэхтерсхойзер, к счастью, выжил и, решив заняться химией, поступил в Марбургский университет. После получения ученой степени он занял должность патентного юриста, специалиста по изобретениям в области химии. Вэхтерсхойзер – человек вежливый, хотя и достаточно импульсивный и не приемлющий никакой интеллектуальной небрежности.
Одним из его наставников был физический химик Ганс Кун, изложивший свои представления о возникновении жизни в 1970-е годы[354]. Прочитав книгу Куна, Вэхтерсхойзер, прежде совсем не знакомый с этой областью знаний, пришел в восторг[355]. Подобно многим своим коллегам, Кун считал, что жизнь началась с РНК. Но отличало его работы предположение, что нуклеотиды могли проникать в пористые горные породы и надолго там оставаться, соединяясь в цепочки РНК. Поскольку такие поры в камнях могли стать безопасным убежищем для РНК, ученый полагал их очень схожими с клетками[356]. Судя по всему, Кун считал проблему зарождения жизни решенной, и Вэхтерсхойзер, думавший тогда, будто гипотеза первичного бульона в целом верна, не стал больше этим заниматься. Однако зерно было уже посеяно.
Спустя десять лет Вэхтерсхойзер встретился с двумя исследователями, изменившими всю его жизнь. Первым из них был Карл Вёзе, работы которого о родственных связях микробов мы обсуждали в главе 6. Двоих ученых познакомил в 1982 году Джордж Фокс, который сотрудничал с Вёзе. (Овдовевшая мать Фокса вышла за отца Вэхтерсхойзера, тоже вдовствовашего, – вот почему мужчины были знакомы.) Вёзе рассказал Вэхтерсхойзеру о трудностях с теорией первичного бульона. “Это меня здорово озадачило”, – говорит Вэхтерсхойзер.
В том же году Вэхтерсхойзер познакомился и даже подружился с Карлом Поппером, философом науки, которым давно уже восхищался. Поппера называют своим любимым философом многие ученые – ведь он, в частности, обсуждал условия, при которых следует верить научным утверждениям. Поппер заявлял, что идея является научной лишь в том случае, если ее можно опровергнуть. Скажем, чье-либо утверждение о том, что все диваны имеют лиловый цвет, мы вправе считать научным, поскольку его можно опровергнуть, отыскав розовый диван[357]. Поппер рассматривал историю человеческого знания как череду сменяющихся идей, каждую из которых рано или поздно записывали в ошибочные, что вынуждало ученых выдвигать идеи получше. Это напоминает историю эволюции, тоже, по сути, являющую собой историю поиска жизнью все новых и более удачных решений тех задач, что сама же она и поставила. “Если углубиться в прошлое, то в конечном итоге мы придем к истокам жизни и к истокам всех проблем”, – считает Вэхтерсхойзер.