Ник Лейн - Лестница жизни

• Название: Лестница жизни
• Автор: Ник Лейн
• Издательство: Act, corpus
• Жанр: Биология
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-17-079731-8

Как возникла жизнь? Откуда взялась ДНК? Почему мы умираем? В последние десятилетия ученые смогли пролить свет на эти и другие вопросы происхождения и организации жизни. Известный английский биохимик реконструирует историю всего живого, описывая лучшие изобретения эволюции, и рассказывает, как каждое из них, начиная с самой жизни и генов и заканчивая сознанием и смертью, преображало природу нашей планеты и даже саму планету.

---

Именно этим и плоха идея первичного бульона: она неглубока в термодинамическом плане. Все ингредиенты первичного бульона не испытывают особой потребности реагировать друг с другом, по крайней мере такой, какая свойственна водороду и кислороду. В нем нет неуравновешенности, нет движущей силы, которая толкала бы жизнь вверх и вверх по крутому энергетическому склону, приводя к образованию по-настоящему сложных полимеров, таких как белки, жиры, полисахариды, а также — и особенно! — РНК и ДНК. Идея, что репликаторы вроде РНК и были первыми формами жизни, возникшими прежде какой-либо термодинамической движущей силы, похожа, по словам Майка Рассела, на предположение, что «из автомобиля можно вынуть двигатель и ожидать, что он поедет за счет GPS-навигатора». Но если жизнь получила свой двигатель не из первичного бульона, то откуда?

Первый ключ к разгадке этой тайны был обнаружен в начале 70-х годов XX века, когда неподалеку от Галапагосских островов нашли восходящие потоки нагретой воды, отмечавшие собой линию Галапагосского рифта. В свое время Дарвин, размышляя о богатстве природы этих островов, пришел к своей идее происхождения видов. Теперь же Галапагосы давали людям ключ к пониманию происхождения самой жизни.

Какое-то время не происходило ничего особенного. Затем, в 1977 году, спустя восемь лет после того, как Нил Армстронг ступил на поверхность Луны, глубоководный пилотируемый аппарат «Алвин», принадлежащий ВМФ США, погрузился в Галапагосский рифт в поисках подводных гидротермальных источников, от которых предположительно поднимались теплые потоки, и обнаружил их. Но если само существование этих источников мало кого удивило, то необычайное богатство жизни, существующей в кромешной тьме глубин Галапагосского рифта, вызвало у исследователей настоящий шок. Гигантские черви рифтии, достигающие почти двух с половиной метров в длину, жили там в компании двустворчатых моллюсков размером с тарелку. Хотя в самом существовании глубоководных гигантов не было ничего удивительного (вспомним хотя бы гигантских кальмаров), само их обилие уже поражало воображение. Плотность населения обитателей полей глубоководных гидротермальных источников оказалась сравнимой с плотностью населения влажных тропических лесов и коралловых рифов, несмотря на то, что солнечные лучи таких глубин не достигают и вся энергия, за счет которой живут связанные с подобными источниками организмы, поступает из самих источников.

Но едва ли не более сильное впечатление произвели сами источники, которые вскоре получили название «черные курильщики». Причем, как выяснилось, гидротермальные источники Галапагосского рифта были еще цветочками по сравнению с некоторыми другими из двух сотен открытых с тех пор полей глубоководных источников, разбросанных по океаническим хребтам Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Угрожающе нависшие над морским дном черные трубы, иные высотой с небоскреб, испускают бурлящие клубы черного дыма, изливающегося в толщу вод. Этот дым — на самом деле не дым, а раскаленный раствор сульфидов металлов в морской воде, поднимающийся от расположенных в глубине источников магматических печей, кислый как уксус и достигающий под колоссальным давлением океанских глубин температуры 400 °C. Когда раствор попадает в холодную воду, сульфиды выпадают в осадок. Сами трубы сложены из содержащих серу минералов, таких как пирит (известный также как «золото дураков»), выпадающих из черного дыма и образующих мощные отложения, покрывающие обширные участки океанского дна. Некоторые трубы растут с поразительной скоростью — до тридцати сантиметров в день — и могут, прежде чем обвалятся, достигать высоты шестидесяти метров.

Рис. 1.1. Питаемый глубоководным вулканом «черный курильщик», температура в жерлах которого достигает 350 °C (хребет Хуан-де-Фука на северо-востоке Тихого океана).

Этот причудливый потаенный мир кажется видением ада, сходство с которым усугубляется обилием серы и исходящего от «черных курильщиков» зловонного сероводорода. А гигантских червей, лишенных и рта, и ануса, и бесчисленное множество безглазых креветок, кишащих на уступах под трубами, как стаи саранчи, кажется, могло породить лишь безудержное воображение Иеронима Босха. Причем население «черных курильщиков» не только способно переносить эти адские условия, но и не может жить без них и процветает благодаря им. Но как?

Ответ на этот вопрос связан с неравновесным состоянием системы. Когда морская вода просачивается к магме, залегающей под «черными курильщиками», она перегревается и насыщается минералами и газами, в том числе — и это особенно важно — сероводородом. Серные бактерии способны извлекать из этой смеси водород и соединять его с молекулами углекислого газа, синтезируя органические вещества. Эта реакция лежит в основе всей связанной с гидротермальными источниками жизни, давая бактериям возможность благоденствовать и без солнечного света. Но переработка углекислого газа в органические вещества требует затрат энергии, и для ее получения серным бактериям нужен кислород. Реакция сероводорода с кислородом приводит к выделению энергии, за счет которой живет мир гидротермальных источников. Она равноценна реакции водорода с кислородом, которой мы сами обязаны жизнью. Поскольку в результате первой реакции получается не только вода, но и свободная сера (библейский жупел), бактерии были названы серными.

Стоит отметить, что бактерии гидротермальных источников не используют непосредственно ни тепло, ни что-либо другое, выделяемое источниками, кроме сероводорода[2]. Сам по себе этот газ не богат энергией: энергию дает его реакция с кислородом, протекающая лишь на границе между источником и океаном, где два мира сходятся, создавая динамические неравновесные условия. Лишь бактерии, живущие в непосредственной близости от источника, могут, черпая из обоих миров, успешно осуществлять эти реакции. Животные, населяющие гидротермальные источники, в свою очередь, пасутся на бактериальных матах (как безглазые креветки) или самостоятельно выращивают бактерии, поддерживая внутри себя бактериальные фермы (так поступают рифтии). Поэтому-то гигантским червям не нужен пищеварительный тракт: их кормят изнутри «стада» живущих в них бактерий. Однако жесткая необходимость обеспечивать бактерий как сероводородом, так и кислородом ставит перед животными-хозяевами ряд непростых задач: им приходится впускать в свой организм частицы двух разных миров. Этим суровым требованием рифтии и обязаны многими удивительными чертами строения своего тела.

На условия гидротермальных источников вскоре обратили внимание ученые, интересующиеся происхождением жизни. Первым из них был Джон Баросс из Вашингтонского университета в Сиэтле. Гидротермальные источники позволяли разом решить многие проблемы, связанные с первичным бульоном, в том числе и термодинамическую: вполне очевидно, что в дыме, изрыгаемом «черными курильщиками», нет никакого равновесия. Вместе с тем условия, которые складывались на границе между гидротермальными источниками и океанами в ранние геологические эпохи, должны были несколько отличаться от нынешних: в то время на Земле не было или почти не было кислорода. Реакция сероводорода с кислородом, как при дыхании современных серных бактерий, не могла быть движущей силой на заре жизни. Кроме того, дыхание на клеточном уровне представляет собой сложный процесс, который мог выработаться в ходе эволюции лишь за долгое время, поэтому оно никак не могло быть первичным источником энергии для древнейших форм жизни. Не верящий авторитетам немецкий химик и патентный поверенный Гюнтер Вехтерсхойзер предположил, что перводвигателем жизни стала реакция сероводорода с железом, в результате которой образуется минерал пирит. Эта реакция проходит спонтанно, с выделением небольшого количества энергии, которую можно использовать, по крайней мере теоретически.

Вехтерсхойзер предложил новую химическую схему происхождения жизни. Энергии, выделяемой при образовании пирита, недостаточно для переработки углекислого газа (диоксида углерода) в органические вещества. Поэтому, по мысли Вехтерсхойзера, они синтезировались из угарного газа (оксида углерода) — химически более активного посредника (этот газ и в самом деле присутствует в кислых гидротермальных источниках). При этом шли и другие медленные органические реакции с содержащими серу и железо минералами, по-видимому, обладающими особыми каталитическими свойствами. Кроме того, Вехтерсхойзер и его коллеги продемонстрировали протекание многих из теоретически предполагаемых реакций в лаборатории, доказав, что их версия — нечто большее, чем правдоподобные умозрительные построения. Это был настоящий прорыв, перевернувший сложившиеся за десятки лет представления о том, как могла возникнуть жизнь. Теперь ученые заговорили о том, что она вышла из поистине адской среды и была «сварена» из неожиданных ингредиентов, из которых принципиально важными были сероводород, угарный газ и пирит — два ядовитых газа и «золото дураков». Один ученый, прочитав статью Вехтерсхойзера, заметил: у него возникло ощущение, будто он наткнулся на научную работу, провалившуюся к нам из конца XXI века через дыру во времени.