Некоторые мысли о зарождении жизни. Часть первая - в какой среде проходили первые этапы эволюции?

Учёные часто начинают научные статьи констатацией факта, что несмотря на определённый прогресс в изучении проблемы, которой посвящена статья, она по-прежнему остаётся весьма актуальной. Данное утверждение в полной мере относится к проблеме происхождения жизни. И один из основных вопросов, который, на взгляд автора, часто остаётся в тени, это базовый химический состав среды, в которой она зарождалась. С одной стороны, большинство исследователей традиционно сходятся во мнении, что первые метаболические циклы зарождались в водной среде. Во многих случаях это считается настолько очевидным, что иные варианты попросту не принимаются во внимание. Например, в популярной книге Э.М.Галимова "Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции." на стр. 88 читаем: "Пептидная связь образуется между азотом аминогруппы одной аминокислоты и углеродом карбоксильной группы другой аминокислоты. Самопроизвольный синтез такой связи невозможен". В принципе, утверждение правильное, но с одной существенной поправкой - невозможен самопроизвольный синтез такой связи в водной среде. Однако, если молекулы воды связаны, например, с помощью растворённой в воде поваренной соли (NaCl) или реакция проходит вообще не в водной среде, то образование указанной связи во многих случаях идёт без проблем. Дело в том, что в воде при нейтральной кислотности аминокислоты находятся в ионизированном состоянии - протон их карбоксильной группы ощутимо смещён по направлению к аминогруппе (хотя суммарный заряд молекулы при этом равен нулю). В итоге, несмотря на то, что образование аминной связи энергетически выгодно, затраты энергии необходимые для деионизации аминокислоты, перевешивают, так что итоговый баланс энергии оказывается положительным. За деталями отсылаем читателей, например, к этой работе. Кроме того, прямая реакция образования пептидной связи идёт с выделением H₂O, так что, в соответствии с принципом Ле-Шателье она в водной среде затруднена. Итак, самопроизвольный синтез достаточно длинных пептидных цепочек из отдельных аминокислот в безводных средах вполне возможен! Примерно аналогичная картина наблюдается и с прямым синтезом РНК из отдельных нуклеотидов, который тоже сопровождается выделением воды. Например, известно, что запекание их сухой смеси при температуре в 120C приводит к образованию цепочек РНК длиной до десяти нуклеотидных остатков. Итак, обе критически важные для всех живых систем полимерные молекулы - белки и РНК могут самопроизвольно собираться в цепочки из отдельных звеньев, но лишь в том случае, если в окружающей их среде практически отсутствует несвязанная вода. На первый взгляд, это выглядит очень странным, ведь мы привыкли, что вода и жизнь это почти неразрывно связанные понятия. Тем не менее, факт остаётся фактом - на начальных этапах эволюции самопроизвольная сборка основополагающих сейчас для жизни полимеров была возможна лишь в безводной среде. А на заре жизни не было иного пути сборки органических полимерных молекул, кроме использования самых простых и естественных процессов, происходящих и в неживой природе.

Я понимаю, что вывод не только о возможности, но, даже, необходимости зарождении жизни в среде, в которой отсутствует такой естественный сейчас для нас растворитель, как вода, может многим показаться абсурдным. Что же, для независимой проверки данной гипотезы попробуем зайти с другой стороны. Ещё одну подсказку в нашем "расследовании" может дать учёт веществ, которые наиболее часто используются как исходное сырьё и отходы в древнейших метаболических циклах. Действительно, логично предположить, что пока средства манипулирования энергией и органическими молекулами у живой природы были ещё не отлажены в результате миллионов лет эволюции, метаболические циклы должны были работать на том, что, есть под рукой и не требует дополнительных усилий для отбора веществ на входе и беспроблемного выделения отходов производства во внешнюю среду на выходе (см., опять же, принцип Ле-Шателье). Как уже отмечалось выше, в самом начале живая природа могла лишь "присосаться" к идущим по естественным термодинамическим причинам процессам, используя часть расходующейся при этом свободной энергии для своих собственных "нужд". Так вот, анализ метаболических циклов показывает, что у считающихся наиболее древними анаэробных организмов в процессе запасания свободной энергии потребляются углекислый газ и водород, а в качестве "отходов производства" во внешнюю среду выделяется вода. В частности, в, судя по всему, наиболее архаичных циклах - метаногенезе и ацетогенезе (путь Вуда—Льюнгдаля) из внешней среды поглощаются, соответственно, одна или две молекулы углекислого газа и четыре молекулы водорода, а выделяются две молекулы воды (у метаногенов, как ясно из названия, выделяется ещё и метан, а у ацетогенов - ацетат, то есть, уксусная кислота). Архаичные метаболические циклы усвоения углерода тоже идут с выделением воды. Например, так называемый обратный цикл трикарбоновых кислот, который так же претендует на звание одного из древнейших, в итоговом балансе поглощает четыре молекулы CO₂ и выделяет во внешнюю среду две молекулы H₂O. А вот современные метаболические циклы гораздо более гибкие и разнообразные. Возьмём, например, возникший явно не на начальных этапах эволюции кислородный фотосинтез. В нём вода на его входе активно поглощается. Для сборки одной молекулы глюкозы здесь расходуется шесть молекул воды и шесть молекул углекислого газа, а на выходе выделяется молекулярный кислород.

Таким образом, в большинстве современных теорий происхождения жизни имеется достаточно серьёзное противоречие - в водной среде базовые химические реакции, необходимые для синтеза органики и запасания живыми системами свободной энергии серьёзно затруднены. Иногда указанную трудность (назовём её условно "водным парадоксом") пытаются обходить предполагая, что водоём, в которой "в младенчестве" копошилась жизнь, был подвержен периодическим высыханиям. Действительно, такой вариант в какой-то мере позволяет частично решить проблему полимеризации органических молекул (см., например, про опыты о синтезе небольших РНК из сухой смести нуклеотидов выше), но более-менее эффективный метаболизм в отсутствии растворителя вряд ли возможен. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового излучения без защитного слоя воды будет происходить активное разрушение уже синтезированной органической материи. Хотя входящие в состав РНК нуклеотиды, как известно, обладают повышенной устойчивостью к ультрафиолету, каталитические возможности рибозимов весьма ограничены, и без помощи других органических молекул они вряд ли способны к поддержанию даже базовых функций, например саморепликации. Более радикальной идеей представляется замена воды другим растворителем. На эту роль предлагается, например, формамид (HCONH₂). Не отвергая, в принципе, такую возможность, попробуем всё же поискать заменитель попроще, который распространён во Вселенной не меньше, чем вода. На взгляд автора, на роль такого растворителя неплохо подходит углекислый газ, находящийся в сверхкритическом состоянии. Для перехода в указанное агрегатное состояние вовсе не нужны какие-то запредельные значения давления и температуры. Если говорить более конкретно, то температура  должна превышать 31 градус по Цельсию, а давление - 74 атмосферы (на современной Земле оно достигается на глубинах  океана свыше 1500 метров). С учётом того, что как температура поверхности Земли, так и её атмосферное давление во времена катоархея ощутимо превышали их современные значения, озёра жидкого углекислого газа, и сегодня образующиеся на дне мирового океана в районах некоторых гидротермальных полей, могли быть в это время достаточно широко распространены. А если расширить возможную зону зарождения жизни на всю нашу галактику, то на каменистых планетах размером с Землю и более, в принципе, возможно существование и целых океанов углекислого газа, находящегося в сверхкритическом состоянии. Впрочем, к другим звёздам лететь даже не обязательно. Соседка Земли - Венера как раз и является типичным примером подобной планеты. Как известно, её атмосфера более, чем на 96% состоит из углекислого газа, который на высотах вплоть до примерно 3 километров находится именно в сверхкритическом состоянии. Другими словами, это и есть тот самый океан сверхкритического CO₂. На Венере температуры на дне указанного океана слишком высоки для существования биологических организмов, но на других планетах на определённых этапах их геологической истории они могут находиться как раз в комфортной для этого зоне.

Углекислый газ как среда для зарождения жизни хорош ещё и тем, что он, как правило, содержит в виде примеси так же ощутимое количество угарного газа CO. Например, в атмосферах Венеры и Марса, львиную долю которых составляет CO₂, он входит в пятёрку остальных наиболее распространённых веществ. Достаточно велика его концентрация (более 1% от доли CO₂) и в земных термальных источниках с умеренной (ниже 100С) температурой. В сравнимом количестве в них присутствует так же сероводород (см. здесь, стр. 202, Табл. 48). С учётом того, что сверхкритический углекислый газ во многих случаях растворяет вещества не хуже воды (в частности, незаменимый во многих базовых биологических реакциях водород в нём растворяется очень хорошо), а опытов по синтезу органических соединений в соответствующей среде, насколько известно автору, пока никто не проводил, придётся ограничиться рассмотрением результатов опытов по синтезу органики из CO и H₂S в водном растворе. Подобный опыт был впервые осуществлён Гюнтером Вэхтерсхойзером и Клавдией Губер в 1997 году. Он показал, что при температурах в районе 100С  в присутствии в качестве катализаторов сульфидов железа и никеля из угарного газа и сероводорода в ощутимых количествах синтезируются ацетат (CH₃-CO₂) и метантиол (CH₃-SH). С учётом того, что в реакции между метантиолом и угарным газом, в свою очередь, получается активированный тиоэфир уксусной кислоты CH₃-CO-SCH₃, обладающий запасом свободной энергии, которую в дальнейшем можно использовать для синтеза более сложной органики, вполне логично заключить, что цепь проходящих химических реакций весьма напоминает ту, что реализуется на последних этапах уже упомянутого выше древнейшего биологического цикла - ацетогенеза. Действительно, у ацетогенов вначале на атоме никеля из метильной группы и угарного газа собирается ацетильная группа CO-CH₃, которая затем передаётся на атом серы, находящийся на конце кофермента A. Впоследствии эта ацетильная группа может быть либо гидролизована до уксусной кислоты (с запасанием энергии в виде АТФ), либо использована для последующих реакций синтеза более сложных молекул, необходимых клетке. Таким образом, метантиол можно рассматривать как простейший прекурсор кофермента А.

Последующие эксперименты на эту же тему позволили сделать вывод, что ключевым катализатором, позволяющим создавать химические связи между атомами углерода, является именно никель. В них даже в отсутствии сульфида железа, при добавлении в водный раствор угарного газа и сероводорода лишь сульфида никеля и "варки" полученной смеси в автоклаве при температуре 90C через несколько дней в полученном "бульоне" были обнаружены сразу несколько органических кислот, включая уксусную (ацетат), муравьиную и простейшего представителя семейства липидов (жирных кислот) - пропионовую. Дополнительные исследования механизмов катализа позволили установить, что синтез активированного ацетила и более сложных органических молекул в общих чертах соответствует популярному для биологических метаболических циклов принципу их итерационной сборки из составных частей на "конвейере", состоящем из атомов серы с присоединёнными к ним отдельными блоками собираемой молекулы. В частности, как выяснилось, собранная на атоме никеля из метильной группы метантиола и угарного газа ацетильная группа может не только передаваться на атом серы, но и восстанавливаться до ацетальдегида (CH₃-CHO). Последний, в свою очередь, реагируя с двумя молекулами сероводорода гидролизуется до этантиола (CH₃-CH₂-SH), при этом выделяется вода и свободная сера. Далее углеводородная цепочка CH₃-CH₂ этантиола может быть передана обратно на атом никеля, где к ней может быть снова "пришита" очередная молекула угарного газа по той же схеме, что и при синтезе ацетильной группы из метильной. Теоретически данный процесс может итерационно повторяться множество раз постепенно наращивая длину углеводородного "хвоста", но на практике экспериментаторы не обнаружили в полученной смеси жирных кислот сложнее пропионовой кислоты. Причины этого, на взгляд автора, довольно очевидны - когда система может "выбирать", какую-то одну из двух возможных реакций, при прочих равных вероятность выбора зависит от концентрации в среде нужных для этого реагентов. В данном случае, если, например,  система "выбирает" между гидролизом тиоэфира уксусной кислоты до ацетата и её восстановлением до этантиола, то преимущественное направление реакций будет существенным образом зависеть от концентрации во внешней среде молекул воды и сероводорода, так как реакция гидролиза идёт с поглощением воды, а реакция синтеза этантиола с поглощением сероводорода. Таким образом, в водном растворе, с которым работали авторы обсуждаемой работы, синтез жирных кислот ощутимой длины (как и многих других органических молекул, см. выше) затруднён, но если заменить воду на CO₂, то ситуация становится обратной - синтез длинных углеводородных цепочек может итерационно продолжаться достаточно долго, и, как следствие, в полученной смеси может обнаружиться ощутимая доля липидов с относительно длинными "хвостами". Кроме того, при абиогенной полимеризации аминокислот и нуклеотидов выделяется вода. Молекулы воды, как известно, полярны, и в этом смысле являются антагонистами по отношению к жирным кислотам. Данное обстоятельство может способствовать самосборке в жидкой углекислоте структур, напоминающих мицеллы - крохотные капельки воды, окружённые слоем жирных кислот с полярными головками, обращёнными внутрь, по направлению к воде. При продолжении в углекислой среде активного синтеза органической материи и зарождении первых метаболических циклов, воды в ней будет постепенно становиться всё больше и больше. В конце концов, это может привести к ситуации, когда для того, что бы, как того требуют законы термодинамики, максимально "отгородиться" от воды, жирным кислотам, окружающим капельки воды, придётся выстраивать и вторую "линию обороны" - дополнительный липидный  слой, обращённый полярными карбоксильными группами уже не внутрь, а наружу. Получившиеся структуры в нулевом приближении уже вполне можно рассматривать как прототип простейшей клетки с двухслойной липидной мембраной!

Таким образом, с учётом того, что наиболее архаичные метаболические циклы используют углекислоту и водород, который отлично растворяется в сверхкритическом CO₂, идея о замене воды, как среды первых предбиологических реакций, на сверхкритический углекислый газ, на взгляд автора может оказаться весьма перспективной. Для её экспериментальной проверки не потребуется существенных финансовых затрат, так как сверхкритический углекислый газ уже достаточно давно активно используется как в промышленности, так и в научных лабораториях. Будем надеяться, что соответствующие опыты рано или поздно будут проведены.