Два взаимосвязанных алюминиевых сосуда в лаборатории Майка Рассела (Mike Russell) можно назвать биологическим аналогом ускорителя частиц. Однако предназначен этот «ускоритель» не для имитации первых моментов существования Вселенной, а для создания условий, аналогичных существовавшим на Земле в самые ранние её эпохи, — чтобы подтвердить гипотезы Майка насчёт того, как геология «породила» биологию.

Один из сосудов содержит жидкость, имитирующую океаническую воду на ранней Земле: она обогащена диоксидом углерода и железом, поддерживается при комнатной температуре и имеет показатель кислотности pH 5. В другом сосуде вода обогащена водородом и сульфидами, имеет температуру 130 °C и имитирует горячую воду геотермальных источников, исторгаемую океаническим дном. Жидкости смешиваются в хромированном стальном сосуде, содержащем в качестве катализаторов железо и сульфид никеля.

На этом аппарате Майк Рассел (изображённый на «заглавной» картинке) пытается воспроизвести первые шаги жизни на Земле, проводя химическую реакцию углекислого газа из «океанической» воды с водородом из воды «геологической», в результате чего образуются простые органические молекулы, — например, метан или уксусная кислота. Согласно его гипотезе, жизнь шаг за шагом зародилась вокруг этих реакций, а потом, подобно каравеллам флота Генриха Мореплавателя, распространилась по всему миру в первых протоклетках.

Эта реакция, выбранная на роль первой «искры жизни», обладает нужными характеристиками: она протекает с выделением энергии и фиксирует углерод — то есть, позволяет накапливаться органике, — а это два наиболее общих признака жизни. Этот процесс задействует вещества, которые, согласно всем представлениям геологии о ранней Земле, присутствовали в избытке, и, кроме того, реакция до сих пор используется — хотя, конечно, в усложнённом виде — метаногенными и ацетогенными микроорганизмами, выделяющими метан и уксусную кислоту в качестве отходов.

Рассел вынашивает свои идеи уже около трёх десятилетий, и только сейчас, работая в Лаборатории реактивного движения (ЛРД) в Пасадене (Калифорния, США), он занимается активной экспериментальной проверкой этих гипотез. Рассел принадлежит к школе биологов, изучающих возникновение жизни, которые придерживаются концепции «сперва метаболизм» (в противовес более популярной «сперва репликаторы»). Последняя гипотеза подразумевает, что у истоков жизни лежали молекулы, способные к самостоятельному «размножению» (репликации), — скорее всего, это были РНК или более простые её аналоги. Однако Рассел считает, что ключевым моментом стало возникновение набора элементарных реакций органических веществ, положивших основу биохимии. Его мнение таково, что термодинамические и химические условия на ранней Земле неизбежно должны были привести к таким реакциям.

Несмотря на это противостояние, многие биологи признают вклад Рассела как «геологически реалистичный»: «что мне больше всего нравится в идеях Майка, это что они органичным образом учитывают геохимическую обстановку на ранней Земле, — говорит Роберт Хазен (Robert Hazen), геохимик и «исследователь истоков жизни» из Института Карнеги (Вашингтон, США). — Возникновение жизни на Земле — это история возникновения сложных систем, а возникновение сложных систем не может произойти без сложного окружения. Майк понимает это и учитывает в своих моделях, — вот его основной вклад».

Длинный путь от аспирина до вулканов

Изучение происхождения жизни на Земле — не самый удачный путь, чтобы начать научную карьеру, так что обычно исследователи попадают в эту область, уже заработав себе определённую репутацию в других, более «приземлённых» дисциплинах. [Исключение составляют, впрочем, академики РАЕН, астрологи, маги, экстрасенсы и другие лжеучёные, которым, как известно, любая проблема по плечу. — А. Ч.] Однако, даже по этим стандартам путь Рассела в ЛРД был весьма окольным и тернистым. После окончания школы в 1958-м он начал работать на фабрике по производству аспирина в небольшом городке Илфорде в пригороде Лондона, одновременно посещая вечерние занятия и колледж по предоставлявшимся ему выходным дням.

Через пять лет он защитил диплом по специальностям геология и химия, бросил работу на заводе и завербовался геологом в британскую миссию ООН на Соломоновы острова в Тихом океане. Уже в первую неделю пребывания начальство указало ему пальцем в окно на дымящийся конус вулкана на соседнем острове и сообщило, что тот, по всей видимости, должен вскоре взорваться. Рассел должен был принять решение об эвакуации 3000 обитателей острова, но отвлёкся на экспресс-курс вулканологии, провёл измерения температуры почвы в различных точках вокруг жерла вулкана и пришёл к решению — как [к счастью — А. Ч.] оказалось, правильному, — что тревога ложная.

Во время работы на Соломоновых островах Рассел сотрудничал с австралийским геологом Ричардом Стэнтоном (Richard Stanton) из Университета Новой Англии в Новом Южном Уэльсе, и по его совету специализировался по геологии рудных месторождений. Через какое-то время он отправился в Канаду на разработки минерального сырья, где находился до конца 1960-х, а затем перебрался в академическую науку. Стэнтон подбросил Расселу революционную тогда идею, что минеральные отложения — это наследие древнейших подводных гидротермальных источников, которые были «в реале» открыты только в 1977 году. Как оказалось, многие ценные минеральные отложения и в самом деле представляют собой остатки доисторических вулканических и гидротермальных жерл, наподобие существующих в наше время «чёрных курильщиков», которые изливают воду, нагретую до 400 °C, насыщенную солями цинка, меди, железа и других элементов.

...На тот момент Рассел работал в Университете Стратклайда (Шотландия) и был на полевых работах близ Ирландского городка Силвермайн. Он и его студенты нашли в рудных залежах камни, испещрённые маленькими трубочками сульфида железа, выглядевшими как миниатюрные версии гидротермальных «труб», образованных осаждающимися из охлаждённой воды минералами.

Открытие, сделанное ребёнком

Рассел начал думать, какие же условия могли привести к образованию подобных структур. Поначалу его предположение, что они — остатки «сопел» гидротермальных источников [7], было встречено с прохладцей, — главным образом потому, что каналы чёрных курильщиков имеют около 10 сантиметров в поперечнике, в то время как диаметр найденных им в Ирландии трубок не превышал миллиметров. Как это ни странно, решение проблемы пришло со стороны одиннадцатилетнего сына Рассела — Эндрю. Рассел дал ему поиграть с «химическим садом» — сосудом, в котором минеральные «деревья» образуются из перенасыщенного солевого раствора при добавлении кристалла-«семечка». Ребёнком овладела жажда познания: он заперся в ванной и стал препарировать хрупкие кристаллические деревца. «Смотри, пап, они пустые!» — услышал вдруг Рассел.

«Я сразу понял, что трубочки, найденные в Силвермайне — по сути, химические сады наподобие этого», — говорит он. Фактически это означало, что чёрные курильщики — не единственный возможный вариант «выпускных клапанов», —  их могло быть множество. Должны были существовать более холодные и тихие источники, формировавшие более тонко организованные структуры. Примерно в это же время пришла идея, что эти «клапаны» — идеальное место для «колыбели» жизни. Некоторые учёные уже высказывали предположения, что гидротермальные источники могли послужить источником энергии и химических веществ для зарождения жизни, но критика настаивала на том, что высочайшая температура чёрных курильщиков несовместима ни с какой сложной органикой. Однако те источники, о которых думал Рассел, не должны были быть сильно горячее 100 °C, что уже гораздо лучше подходит для органических реакций.

Окончательное подтверждение идея разнообразия гидротермальных источников получила во время визита в Югославию в середине 1980-х. В современных курильщиках вода обладает кислотной реакцией из-за растворённых в ней соединений серы, дающих серную кислоту. Во времена Гадея (> 4 млрд. лет назад) океан также, видимо, был кислым — из-за большого количества углекислого газа в тогдашней атмосфере, который растворялся в воде. Однако на Динарском нагорье Рассел нашёл отложения карбоната магния, которые в древние времена выстилали морское дно и могли образовывать щелочные источники [8]. Однако на тот момент никаких щелочных источников никто не наблюдал, — были известны только чёрные курильщики.

К середине 90-х Рассел и один из его коллег Алан Холл (Allan Hall) были увлечены идеей, что минеральная химия в какой-то степени повторяет биологические процессы (а точнее, наоборот). Таким образом, их теория возникновения жизни начинается внутри крошечных минеральных трубочек, в которых химические вещества могут концентрироваться, — а проблема нужной концентрации компонент является одной из ключевых в вопросе «бесклеточной» биохимии. По-видимому, когда эти источники функционировали, они представляли собой не твёрдые минералы, а гель, формирующий полупроницаемую мембрану, сравнимую с биологической. (Содержащиеся в этой мембране сульфиды железа и никеля выполняют также каталитическую роль.) И, самое интересное, такой гель удалось успешно воспроизвести в лаборатории [9].

На мембранах должны были образовываться градиенты концентраций веществ. В каналах источников вода была горячей, щелочной и богатой водородом — из-за реакций воды с минералами земной коры (серпентинизация); в окружающем океане — холодной и кислой. Большинство клеток современных организмов тратят основной объём биохимической энергии на поддержание подобных градиентов, однако в них для этого используется масса специализированных белковых молекул. Мнение Рассела таково, что белки являются уже вторичной адаптацией, и что жизнь начала использовать химические градиенты намного раньше, чем научилась сама их создавать и поддерживать. Говоря о протонном градиенте, ускорявшем, например, синтез метана из водорода и углекислого газа, Рассел проводит аналогию с конвекцией в геологии, ускоряющей вынос тепла из глубинных слоёв Земли к её поверхности: «Метаболизм в геохимии — это как конвекция в геофизике».

Сначала Рассел полагал, что ключевой реакцией в становлении жизни были окислительно-восстановительные процессы с участием железа и водорода (в которых железо восстанавливалось, а водород окислялся). Однако в 1998-м ему на глаза попалась статья по эндосимбиозу, в которой выдвигали предположение, что эукариоты возникли в результате поглощения нуждающимися в водороде древнейшими клетками бактерий, водород вырабатывающих [10].

Впечатлённый, Рассел поделился своими идеями с одним из авторов, — Вильямом Мартином (William Martin) из Университета им. Гейне в Дюссельдорфе (Германия). Мартин, в свою очередь, впечатлился. Однако он увидел в теории Рассела изъян — если бы жизнь начиналась с реакций железа, то именно они (а не углеродный метаболизм) должны были бы наблюдаться и в современных организмах, даже следов чего никто нигде не видел. «Разумно ли предположение, что присутствовавшее во всех первичных клетках потом разом пропало?» — удивился он.

Он порекомендовал Расселу переключиться с неведомой гипотетической реакции на так называемый путь Вуда-Льюнгдала (Wood-Ljunghahl pathway), известного также как восстановительный путь ацетил-коэнзима А (КоА), встречающийся в метаногенных и ацетогенных бактериях. Таким образом, первичная роль аминокислот и нуклеиновых кислот, возникших на ранней Земле, сводится, по Расселу и Мартину, к катализу реакций углекислого газа и водорода [11].

В мире типа «сперва метаболизм», прежде чем генетические молекулы стали определять направление эволюции, отбор должен был направлять движение не в сторону лучшего репликатора, а в сторону химических реакций, наиболее эффективно создающих энергетический обмен, не позволяя энергии рассеиваться в побочных направлениях и формируя так называемую химическую эволюцию.

Что теперь необходимо, чтобы сделать возможным выбор из множества гипотез, — это «создать и продемонстрировать работу самоподдерживающихся химических циклов наподобие упомянутых», — говорит Роберт Шапиро (Robert Shapiro), химик из Университета Нью-Йорка. И, благодаря астробиологический программе НАСА, финансирующей работы по изучению возникновения жизни в ЛРД, Рассел теперь пытается это сделать.

Исполинский химический сад

В 2000-м году был открыт новый тип гидротермальных источников, предсказанный Расселом — с щелочной реакцией и не слишком горячих (около 200 °C) [12]. Гидротермальные поля, получившие название «Затерянный Город», находятся в Атлантическом океане, в 15 километрах от серединного хребта. При выносе горячих минерализованных струй в холодные вóды океана, карбонат кальция выпадает в осадок подобно снегу, образуя 60-метровые башни, похожие колоссальный «химический сад». В прошлом году в этих источниках найдена органика абиотического происхождения, включая метан [13].

Рассел считает, что в его реакторе могут образовываться аминокислоты и пептиды, но сначала он поставил себе задачей выяснить, будут ли минеральные сульфиты, образующие океаническую кору, растворяться в щелочных гидротермальных потоках. Это стало бы отправной точкой к формированию железосульфидных трубок, являвшихся, по его мнению, прибежищем для первых метаболических систем.

Горячие источники у себя дома

Эрик Смит (Eric Smith), занимающийся теоретической физикой и вопросами происхождения жизни в Институте Санта-Фе (Нью-Мексико, США), считает, что концепция «сперва метаболизм» уверенно прокладывает себе дорогу — особенно в свете открытий, связанных с гидротермальными источниками. Он считает, что дело теперь стоит за экспериментом, и его коллеги работают над тем, чтобы воспроизвести в лабораторном подобии гидротермального источника реакции обратного цикла Кребса, являющегося источником углерода для многих бактерий.

Однако многие до сих пор не доверяют всей идеологии «сперва метаболизм». Стивен Бреннер (Steven Brenner) из Фонда молекулярной прикладной эволюции видит в этой идее принципиальные изъяны — в частности, в неконтролируемости многих органических реакций: «Органическая химия имеет неискоренимую особенность — превращать всё в комок смолы. Это высадит молекулу из любого цикла». Согласно его мнению, никакой набор реакций не способен эволюционировать в сторону усложнения организации в дарвиновском смысле; скорее всего это приведёт к рассеиванию химического потенциала. И, кроме того, — продолжает он свою аргументацию, — Ac-КоА не выдержит в течение длительного времени тех щелочности и температуры, которые предлагают Рассел и Мартин.

Бреннер относит себя к другой школе, основным постулатом которой является первичность молекул-репликаторов над биохимическими системами. Он провёл многие эксперименты по абиогенному синтезу РНК, хотя и осознаёт маловероятность самопроизвольной сборки молекулы РНК, достаточно большой, чтобы обладать генетическими и ферментативными функциями. Однако недавно лагерь «РНК-шников» отметил крупную победу: в Nature доложено о новых возможностях абиогенного синтеза РНК, уменьшающих скепсис по этому поводу [14]. [См. также: «Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК» [5] — А. Ч.]

Из всего этого следует, что на настоящий момент проблема происхождения жизни не решена. Мартин считает, что исследования в этой области являются источником нефальсифицируемых гипотез, и теоретический максимум того, что можно получить, — это только убедительные предположения. «Даже если вы построите в лаборатории реактор, с одного конца в который подаются водород, оксид углерода и азот, а с другого будут получаться готовые кишечные палочки E. coli, это ещё совершенно не будет доказательством, что жизнь произошла именно этим путём», — заявляет он.

Рассел считает, что, если в эго экспериментах появится хоть что-то в промежутке между «смолой» и бактерией E. coli, то их уже можно будет считать не напрасными. «В оправдание» он цитирует Томаса Эдисона, который говорил, что он не создавал 1000 прототипов неработающих электрических ламп, но он нашёл 1000 причин, почему эти лампы не работали. Так и Рассел надеется продвинуть всю область вперёд хотя бы ценой своих ошибок и заблуждений насчёт тех тёплых геотермальных источников, что существовали на Земле более четырёх миллиардов лет назад.

Литература

1. Смыслы «жизни»;
2. Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни. «Теория эволюции как она есть»;
3. Элементы: «Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов»;
4. Элементы: «Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера»;
5. Элементы: «Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК»;
6. John Whitfield. (2009). Origin of life: Nascence man. Nature. 459, 316-319;
7. R.C.L. Larter, A.J. Boyce, M.J. Russell. (1981). Hydrothermal pyrite chimneys from the Ballynoe baryte deposit, Silvermines, County Tipperary, Ireland. Mineral. Deposita. 16;
8. Anthony E. Fallick, Miloje Ilich, Michael J. Russell. (1991). A stable isotope study of the magnesite deposits associated with the alpine-type ultramafic rocks of Yugoslavia. Economic Geology. 86, 847-861;
9. Michael J. Russell, Allan J. Hall, Dugald Turner. (1989). In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova. 1, 238-241;
10. William Martin, Miklós Müller. (1998). The hydrogen hypothesis for the first eukaryote. Nature. 392, 37-41;
11. W. Martin, M. J Russell. (2007). On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 362, 1887-1926;
12. Deborah S. Kelley, the AT3-60 Shipboard Party, Jeffrey A. Karson, Donna K. Blackman, Gretchen L. Früh-Green, et. al.. (2001). An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30° N. Nature. 412, 145-149;
13. G. Proskurowski, M. D. Lilley, J. S. Seewald, G. L. Fru h-Green, E. J. Olson, et. al.. (2008). Abiogenic Hydrocarbon Production at Lost City Hydrothermal Field. Science. 319, 604-607;
14. Matthew W. Powner, Béatrice Gerland, John D. Sutherland. (2009). Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature. 459, 239-242;
15. William Martin, John Baross, Deborah Kelley, Michael J. Russell. (2008). Hydrothermal vents and the origin of life. Nat Rev Micro. 6, 805-814.