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

Стоит отметить, что группа Лейна избегала громких заявлений, называя свои исследования “предварительной проверкой гипотезы”, и после первой публикации с описанием реактора в 2014 году они больше не публиковали ничего нового по этой тематике. К тому же Вэхтерсхойзер заявил, что полученное в опыте количество формальдегида настолько мизерно, что может оказаться просто загрязнением (это предположение ранее уже выдвигалось, но команда не уделила ему тогда достаточного внимания[408]).
Проведенные другими учеными эксперименты привели к таким же обескураживающим результатам. Так, Лори Барж из NASA проводила эксперименты в имитирующей щелочной источник смеси и смогла получить одну из аминокислот, исходя из пирувата[409]. Это, безусловно, неплохо, однако десятилетия спустя после опытов Миллера получение горстки биологических молекул уже не впечатляет. Особенное разочарование связано с тем, что щелочные гидротермальные источники активны всего около ста лет, чего может быть недостаточно для полного цикла формирования клетки[410].
Специализирующиеся на возникновении жизни химики не скрывают своего пренебрежительного отношения к этой гипотезе. Джон Сазерленд (встреча с которым предстоит нам в главе 14) написал как-то, что “ей, подобно самим глубоководным источникам, следует оставаться погребенной на дне океана”[411]. Критики дружно упрекали Рассела и его сотоварищей в том, что ни у кого из них нет химического образования. Вновь и вновь скептики подчеркивали, что РНК и другие биологические молекулы нестабильные в растворе, поскольку вода вызывает их разрушение. Однако сторонники Рассела утверждали: необычные условия в гидротермальных источниках в сочетании с постоянным поступлением новых соединений через морское дно способны решить эту проблему. Необходимо заметить, что данное предположение не получило экспериментальных подтверждений. Но не было оно и опровергнуто: экспериментов проведено слишком мало.
И все же самая значительная трудность, касающаяся гипотезы щелочных гидротермальных источников, связана с тем, что как раз и делает ее уникальной и (на первый взгляд) убедительной. Речь идет о возможности начала метаболизма на основе естественного протонного градиента. Эта интуитивная догадка, приведшая к гениальному прорыву, не получила подтверждения в эксперименте. Да, все живое действительно использует протонные градиенты[412], но все живое также имеет рибосомы, однако ведь никто не предполагает, что они имелись уже у первых организмов.
У этой проблемы есть два аспекта. Во-первых, нам не известно, формируется ли резкий градиент протонов в щелочных источниках вроде Затерянного города[413]. Может быть, вместо этого щелочи медленно смешиваются с кислотой по всей длине трубки – в этом случае образуется слишком плавный протонный градиент, недостаточный для получения полезной энергии. Во-вторых, используемые жизнью ферменты, в том числе синтезирующие АТФ, это крупные и сложно устроенные молекулы. Пока не удалось отыскать их более простые версии, которые бы легко образовывались и при этом могли выполнять свои функции. Эта острая проблема вполне сравнима с проблемой Мира РНК, касающейся отсутствия самокопирующихся РНК.
Совсем недавно Рассел попытался разобраться с этим затруднением. По-видимому, первые организмы не использовали именно АТФ, поскольку аденозин в его составе является слишком сложной структурой. Однако суть АТФ скорее в цепочке фосфатов, а подобные им “полифосфаты” могут с легкостью образоваться сами по себе. Действительно, как отметил в 1992 году Гарольд Моровиц, многие микроорганизмы создают полифосфаты и используют их для хранения химической энергии[414]. И теперь Рассел предполагает, что первые живые клетки содержали в себе самые простые молекулы полифосфатов, а именно – пирофосфат, в котором фосфатов всего два.
Чтобы встроить пирофосфат в созданную им схему, Расселу пришлось отказаться от идеи пузырьков и сульфида железа. “Многим они нравились, потому что напоминают клетки”, – отмечает он. Сейчас же Рассел считает, что поры в образующих гидротермальные источники породах были покрыты множеством тонких слоев “зеленой ржавчины”[415]. Вы, наверное, замечали ржавчину зеленого цвета на, скажем, долго пробывших в морской воде старых стальных кораблях. Подобная ржавчина, образованная железом, водородом, кислородом и рядом других компонентов, нередко возникала при проведении экспериментов, в которых имитировали условия гидротермальных источников. Рассел полагает, что такие слои зеленой ржавчины в порах камней могли стать первыми “клеточными мембранами”.
 
Это дополнительное пояснение может показаться странным. Разве есть сомнения в том, что поры и сами по себе могли стать подходящим контейнером для преджизни? Однако Рассел считает, что именно зеленая ржавчина сделала возможным использование жизнью протонных градиентов для получения пирофосфата – в отсутствие нужных ферментов. Он полагает, что формирующийся на мембране из зеленой ржавчины градиент втягивал фосфаты и протоны в маленькие зазоры между ее кристаллами. Здесь они могли соединяться, превращаясь в пирофосфат. А тот, в свою очередь, уже оказывался в полостях между отдельными слоями ржавчины, где участвовал в реакциях с образованием различных биологических молекул. Это гениальная идея, которую Рассел в настоящее время пытается проверить на деле. “Если за три года мы не сможем показать, как это работает, нас ждут большие сложности”, – говорит ученый.
Но Рассел столкнулся и с другой проблемой: в 2019 году он лишился должности в Лаборатории реактивного движения NASA, где проработал много лет. В итоге ему пришлось перебраться в Италию, и он пытается проводить нужные ему эксперименты в европейских университетах.
Тем временем одно очень весомое доказательство в пользу гипотезы щелочных гидротермальных источников нашли генетики. В 2016 году команда Мартина опубликовала подробную родословную последнего универсального общего предка (LUCA), от которого произошли все современные живые существа. Для этого исследователи изучили гены 1930 разных микробов, отыскивая таких, которые встречались бы у всех, – а значит, могли быть и у LUCA. Дело оказалось непростым, поскольку микроорганизмы способны иногда встраивать в себя гены из неродственных им микробов – это называется горизонтальный перенос генов. В результате тот или иной ген может показаться древним и общим для многих микроорганизмов, хотя в действительности он является недавним изобретением эволюции, распространившимся за счет горизонтального переноса. После тщательного отбора имевшихся данных ученые получили список из 355 генов, которые были уже у LUCA[416]. Из списка следует, что он жил в горячем месте, – то есть теоретически это может означать и щелочной гидротермальный источник (хотя и не обязательно). А еще оказалось, что LUCA, как и предполагал Мартин, использовал для получения биологических молекул метаболический путь Вуда – Льюнгдаля. Более того: похоже, что LUCA имел машинерию для использования протонного градиента, но сам его генерировать не умел. Это подтверждает идею об использовании им имевшихся естественных протонных градиентов гидротермальных источников. Последнее известие особенно поразительно, но все же к нему следует относиться с известной долей скепсиса, помня о горизонтальном переносе генов.
Гипотеза щелочных гидротермальных источников изящна, подробна и хорошо вяжется с микробиологией. Однако все это еще не означает ее правильности. Множество красивых и казавшихся правдоподобными идей на поверку оказались ошибочными, и пока не до конца понятно, сможет ли данная гипотеза преодолеть множество встающих перед ней препятствий.
И все же некоторые ее аспекты выглядят настолько убедительно, что окончательно верная теория непременно должна или включить их в себя, или найти другие ответы на те же вопросы. Очевидно, что решающую роль играет источник химической энергии, но, по-видимому, не менее важна и способность использовать или даже создавать протонный градиент.