Предложена новая гипотеза, обосновывающая важную роль металлов в процессе зарождения жизни

В августовском номере журнала Science Advances вышла статья большой группы авторов, предлагающая скорректированный в некоторых аспектах сценарий происхождения и ранней эволюции жизни. До сих пор среди ученых нет единого мнения, как мог выглядеть последний общий предок всех земных организмов LUCA. Одни из них предполагают, что он по метаболизму и сложности строения клетки уже был сравним с современными бактериями. Другие, среди которых и авторы вышедшей статьи, считают, что он был еще достаточно примитивным организмом, который жил непосредственно в геотермальном источнике, или в непосредственной близости от него, и был, по сути, к нему попросту привязан. Причина заключалась в том, что он еще не умел сам катализировать многие важные биохимические реакции, которые были необходимы для его метаболизма. Они проходили лишь благодаря высокой химической активности различных металлов, восстановленных до максимально возможной степени.

В последние 10–15 лет большинство гипотез возникновения жизни сосредоточилось на геотермальных источниках как наиболее перспективной среде для этого прорыва природы к дальнейшей самоорганизации. Они бывают подводными (черные и белые курильщики) и наземными (гейзеры, грязевые вулканы). В воде, выносимой из под земли геотермальными источниками, из‑за идущего на большой глубине процесса активной серпентинизации часто присутствуют водород и метан. Часть молекул водорода активно реагирует с металлами, в первую очередь, с никелем и железом, легко отдавая им свои электроны.

В основном, именно по этой причине в современных геотермальных водах много восстановленного до состояния Fe⁺² железа, в то время, как на поверхности Земли обычно практически все железо сейчас окислено до степени Fe⁺³. При этом, соответствующие расчеты показывают, что в первые несколько сотен миллионов лет после образования Земли в условиях гораздо более восстановительной, чем сегодня, атмосферы, а так же из‑за гораздо более близкого в этот период времени расположения магмы к поверхности Земли, металлы, растворенные в выносимой на поверхность геотермальными источниками воде, могли быть восстановлены полностью, то есть, до нулевой валентности.

В настоящее время среди ученых существует консенсус, что для автономного существования LUCA была необходима достаточно сложная метаболическая сеть состоящая, как минимум, из примерно 400 взаимозависимых биохимических реакций. Одновременное возникновение всех этих реакций на чисто биологической основе с точки зрения авторов статьи практически нереально, поэтому исследователи склоняются к предположению, что ощутимая их часть изначально катализировалась не ферментами, а небиологическими катализаторами, в качестве каковых выступали, в первую очередь, металлы. Это тем более вероятно, что проведенные уже достаточно давно опыты действительно демонстрируют, что многие металлы в высокой степени восстановления могут катализировать некоторые очень важные для основного метаболического цикла LUCA (ацетогенеза) химические реакции напрямую, даже без участия ферментов.

При этом, ощутимая часть химических реакций в клетках требуют использования дополнительного источника энергии. В качестве такового у них обычно используется фосфоангидридная связь между атомами фосфора и кислорода. Она обладает определенным запасом свободной энергии, которая в нужный момент может быть использована, что бы подтолкнуть реакцию в нужном клетке направлении. Таким образом, было бы очень заманчиво найти правдоподобный для условий ранней Земли способ решения этой энергетической проблемы.

До последнего времени особого прогресса в этом направлении не было, но авторам удалось показать, что при вполне умеренной температуре 50С фосфит (PO₃H), часто присутствующий в составе поднимающейся из глубины воды, при наличии в качестве катализатора полностью восстановленного палладия Pd⁰ легко фосфорилирует, например, аминокислоту серин и, главное, близкую родственницу основной использующейся живыми организмами в качестве источника энергии молекулы ATP — аденозинмонофосфат (AMP). Таким образом, проблема основного источника энергии для первых метаболических циклов, которые могли идти в районе геотермальных источников, по‑видимому, может быть, хотя бы частично, решена.

Авторы так же попытались восстановить возможный порядок появления в метаболических цепочках самых древних организмов таких важных для жизни классов биологических молекул, как аминокислоты, нуклеотиды и органические кофакторы. Идея при этом заключалась в том, что все необходимые компоненты для конкретной реакции, которые не могли появиться абиогенным путем, должны были быть доступны еще до появления самого продукта реакции, другими словами, Мюнхгаузену запретили вытаскивать самого себя из болота за волосы.

В этом случае, начав с простых молекул, которые могли присутствовать в геотермальном источнике — H₂, CO₂, NH₃, H₂S, а так же PO₄H, который при высоких температурах и давлениях, характерных для расположенного глубоко под землей источника, получается путем восстановления фосфата, можно рассчитать возможную цепочку соответствующих реакций, которые могут катализироваться восстановленными металлами (железо, никель, кобальт, палладий). Результаты этого численного эксперимента показывают, что вначале в цепочке появляются первые аминокислоты, потом простейший органический кофактор, катализирующий синтез многих аминокислот — PLP (он же витамин B₆), и, наконец, последними появляются нуклеотиды.

Еще один, возможно, самый спорный тезис авторов статьи, заключается в том, что свободноживущего LUCA, напоминающего по сложности своего строения бактериальную клетку, по‑видимому, никогда не существовало. Он был жестко привязан к своему геотермальному источнику (или системе геотермальных источников), и вне его выжить был не способен. Данный вывод сделан авторами, в частности, на основе обнаруженного ими факта, что существует как минимум пять фундаментально важных для клетки абсолютно идентичных метаболических реакций, которые у двух доменов наиболее просто устроенных безъядерных организмов (прокариот) — бактерий и архей катализируются не родственными друг другу протеиновыми комплексами, и, соответственно, имеют независимое происхождение. По их мнению настоящая клеточная жизнь появилась лишь после того, как из геотермальной «колыбели» было сделано две удачные попытки «побега», которые в итоге и привели к появлению двух доменов прокариот — архей и бактерий.

С другой стороны, известно, что у этих доменов существуют и явно гомологичные достаточно сложные комплексы, например, встроенные в мембрану АТФ‑синтазы, не говоря уже про рибосому, ферредоксины, и ряд других структур. Так же можно отметить, что палладий, используемый экспериментаторами как катализатор для образования содержащей свободную энергию фосфоангидридная связи, является очень редким элементом, например, на Солнце его почти в миллион раз меньше, чем железа, так что, вопрос, было ли достаточно его такой мизерной концентрации для долговременного поддержания катализа одной из самых важных для зарождения жизни реакций, остается открытым. В общем, думается, что ставить точку в решении этого одного из самых фундаментальных в естествознании вопросов, пока рано.