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

У таких источников есть несколько важных преимуществ. В них вновь и вновь повторяются циклы увлажнения и высыхания, имевшие большое значение в экспериментах Димера. Они освещены солнечными лучами, а значит, и ультрафиолетом, который способствует возникновению биологических молекул. Именно его использовал Сазерленд для своего синтеза нуклеотидов. Идея заключается в том, что в воздухе из цианида образуются его производные, которые там же вступают в различные реакции. В результате получаются аминокислоты, нуклеотиды и подобные им вещества. Далее они попадают в водоемы, где могут соединяться в длинные молекулы вроде РНК и белков. В таких водоемах находились и минералы (может, в том числе и монтмориллонит), которые стимулировали химические процессы.
В подобных источниках не раз проводил свои эксперименты Димер. Во время экспедиции на Камчатку он вылил в геотермальный источник смесь простых биологических молекул, включая аминокислоты и основания нуклеиновых кислот[569]. К сожалению, цепочек длинных молекул вроде РНК не получилось – вероятно, дело в кислой реакции среды. В одной из последних своих статей Роберт Шапиро отметил, что проделанный опыт “напоминает нам, что лабораторные эксперименты не всегда можно перенести на происходящее в природе”[570].
Однако геотермальные источники сработали лучше при попытке Димера получить в них протоклетки. В частности, его команда добавляла липиды к образцам воды из Йеллоустоунского национального парка[571]. Те очень быстро собрались в везикулы. А вот в морской воде этого не происходило – что стало ударом по гипотезе образования протоклеток в море. Позднее ученые под руководством Димера также получили похожие на РНК молекулы-цепочки внутри[572].
Следующий аргумент в пользу геотермальных источников (и против моря) представил в 2012 году Армен Мулкиджанян – биофизик армянского происхождения, занимающийся возникновением жизни с 1990-х годов. Эта проблема заинтересовала его после одной конференции, на которой ученый услышал о гипотезе щелочных гидротермальных источников. “Мне не верилось, что кто-то может в такое верить”, – говорит Мулкиджанян. Сам он склоняется к “мягкой” версии Мира РНК, а именно – к идее о том, что некая реплицирующаяся РНК стала основой для первой жизни – наряду с другими компонентами вроде липидных мембран.
Мулкиджанян и его сотрудники задались вопросом, который на первый взгляд кажется простым[573]. Какие металлы содержатся в клетке, и как этот состав соотносится с тем, что было доступно в древних водоемах? Смысл здесь в том, что химический состав клеток должен соответствовать составу той среды, в которой они образовались. Действительно: не могли же первые клетки с самого начала иметь насосы, позволяющие контролировать поток входящих в них и выходящих из них веществ. Поэтому, находясь в воде с определенными растворенными металлами, клетки скорее всего вбирали бы любые металлы.
Ученые отметили, что калия внутри клетки намного больше, чем натрия. Это очень любопытно, поскольку некоторые древние белки для своей работы нуждаются в калии, но не в натрии[574]. Это предпочтение калия натрию – еще один чувствительный удар по гипотезе зарождения жизни в море: ведь в морской воде содержится много натрия (в форме хлорида натрия, то есть поваренной соли). Такой результат, похоже, указывает на какую-то локацию, где калия было больше, чем натрия, а также хватало цинка, магния и фосфора. Подобный состав могут иметь только геотермальные источники – вроде тех, что сейчас существуют на Камчатке.
Сазерленд предложил альтернативный вариант: потоки воды, текущие по склонам кратера на месте падения метеорита и образующие на его дне водоем[575]. На эту мысль ученого натолкнул многолетний опыт изучения соединений-производных цианида, которые с успехом используются для получения нуклеотидов и других биологических молекул. В метеоритном кратере содержались все необходимые соединения. Само падение небесного тела могло вызвать образование циановодорода и, как следствие, цианамида – основы всех этих синтезов. Сам метеорит привнес металлы вроде железа и никеля, необходимые для ускорения различных химических реакций, а также очень важный фосфат. И все это купалось в ультрафиолетовых лучах, а также могло периодически намокать и высыхать.
 
Приводящие к получению белков, нуклеиновых кислот и липидов реакции отличаются друг от друга и не могли происходить в одном и том же водоеме. Чтобы обойти это препятствие, Сазерленд предположил существование на склонах своего кратера нескольких потоков дождевой воды[576]. Данная гипотеза выглядит очень сомнительно, что подтвердит любой, кому довелось гулять по холмам. “По-видимому, тут необходимы четыре потока воды, которые затем сливаются”, – полагает Сазерленд. На своем пути каждый из потоков встречает различные камни и химические вещества, бывает и на солнце, и в тени, – и все это заставляет исходно одинаковые реакции происходить по-разному. “Получаются не то чтобы различные мелодии, а скорее вариации на одну и ту же тему”, – считает Сазерленд. Когда же все строительные блоки встречались в озере на дне кратера, они могли образовать что-то наподобие протоклеток Шостака, положив тем самым начало жизни.
Пока сложно решить, которое из двух описанных мест действия предпочтительнее. Но этого и не требуется. Сейчас мы, вне всякого сомнения, располагаем обширными экспериментальными доказательствами того, что биологические молекулы сформировались в подобных ландшафтах на Земле. Также существуют подтверждения возможности их самопроизвольного объединения. Как показали десятилетия экспериментов, использование производных цианида позволяет получить строительные блоки жизни. Кроме того, Шостак продемонстрировал, что эти блоки могут собираться в протоклетки, очень похожие на настоящие. С морскими местообитаниями (вроде глубоководных источников) дело, однако, не пошло. Гипотеза геотермальных источников требует наличия некоего механизма для превращения в эти самые строительные блоки углекислоты – а она неохотно вступает в реакции. Растения, правда, умеют превращать углекислоту в сахара с помощью энергии солнечного света, но это отнюдь не просто. К тому же последний универсальный общий предок LUCA этого, видимо, не умел[577]. Плохо и то, что имитирующие условия щелочных источников эксперименты не принесли особых результатов.
Так что в итоге самой перспективной оказалась гипотеза о зарождении жизни в теплом водоеме на суше из строительных блоков, образовавшихся при участии цианида. Лучшим доказательством стало бы создание на ее основе новой жизни с нуля: нечто вроде имитирующего условия на древней Земле эксперимента Миллера, который бы привел к получению беспорной жизни. Пытаться угадать, когда такой эксперимент станет возможен, – неблагодарная задача. Но он кажется вполне вероятным – и есть все шансы, что имитируемой средой станет водоем на суше, а не море.
Но даже такой впечатляющий результат не сможет положить конец дискуссии о зарождении жизни. Что, если эксперименты укажут на возможность многократного зарождения жизни? В этом случае будет особенно трудно определить, который из сценариев произошел в действительности, либо даже исключить возможность того, что несколько различных форм жизни сформировались в разных местах, а затем или слились воедино, или существовали одновременно и конкурировали. Лучшее, на что мы можем надеяться в ближайшем будущем, – это отыскать такие пути зарождения жизни, один или более.
Если окажется, что жизнь и в самом деле может возникнуть в геотермальном источнике или водоеме на дне метеоритного кратера, то мы убедимся, что история науки умеет быть ироничной. Ибо выяснится, что Чарльз Дарвин был абсолютно прав, когда писал одно свое небрежное и короткое письмо. Теперь это его послание из 1871 года выглядит поистине пророческим. Дарвин мысленно представил себе жизнь возникшей в “теплом маленьком водоеме” (!), содержащем “фосфорные соли” (устаревшее название фосфатов) и наполненном “светом, теплом и электричеством”. До сих пор было принято считать, будто предположение Дарвина о том, что первым шагом на пути к живому стало “образование белков”, является упрощением. Однако именно в год написания этого письма Дарвином мир впервые узнал, что нуклеиновые кислоты в принципе существуют. Огромное значение этих соединений выяснилось позже – тогда же внутреннее устройство клеток было загадкой. Если учесть относительно небольшой объем доступной ему информации, то станет понятно: Дарвин оказался первоклассным пророком.