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

Маршалл Майкл

Видимо, первой форме жизни был необходим как раз простой метаболический цикл. Гарольд Моровиц^[351] пишет об этом в своей книге 1966 года “Поток энергии в биологии” (Energy Flow in Biology)^[352]. Его вычисления показали, что поток энергии через смесь химических веществ с неизбежностью запускает какой-то цикл реакций^[353]. Другими словами, метаболические циклы могли возникнуть даже безо всяких живых существ, если располагали источником необходимой им энергии. Ученый пишет: “Молекулярную организацию и циклы вещества не следует рассматривать как уникальное свойство живого – скорее это общее свойство всех систем с потоком энергии”.

Его высказывание может

показаться чересчур смелым. Почему, собственно, протекание энергии через смесь химических веществ должно непременно запускать именно цикл реакций? Однако аналогичные процессы происходят постоянно. Примером является круговорот воды на Земле, источником энергии для которого служит исключительно Солнце. Вода испаряется с поверхности морей и других водоемов, превращаясь в поднимающийся вверх водяной пар. Далее он охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, образуя при этом облака. В конечном счете вода проливается обратно на поверхность Земли, попадает в реки и с их потоком течет обратно в моря, где она начинала свой путь. Эта система в целом одновременно и динамична, и неизменна. Триллионы молекул воды находятся в непрерывном движении, но моря в целом сохраняют свой размер – всегда где-то идут дожди, и всегда текут реки. Без энергии Солнца весь этот цикл замер бы, но поток энергии неиссякаем и круговорот воды продолжается.

И тем не менее картина выглядела довольно абстрактно. Моровиц не описал этот простой метаболический цикл в деталях. Потому неудивительно, что самая первая гипотеза первичного бульона наряду с подтверждающими ее опытами Миллера, а позднее также и Мир РНК сохраняли господствующее положение вплоть до конца 1980-х годов. Все это время концепция о начале живого с метаболического цикла (то есть системы для получения и использования энергии) не двигалась с места. Но в конце концов она обрела новое дыхание – и благодарить за это надо не какого-нибудь признанного ученого-биохимика, а юриста, специализировавшегося на патентах.

Гюнтер Вэхтерсхойзер родился в маленьком немецком городке Гессен незадолго до Второй мировой войны, в 1938 году. Шесть лет спустя большая часть его родного города была уничтожена бомбардировками союзников. Однако Вэхтерсхойзер, к счастью, выжил и, решив заняться химией, поступил в Марбургский университет. После получения ученой степени он занял должность патентного юриста, специалиста по изобретениям в области химии. Вэхтерсхойзер – человек вежливый, хотя и достаточно импульсивный и не приемлющий никакой интеллектуальной небрежности.

Одним из его наставников был физический химик Ганс Кун, изложивший свои представления о возникновении жизни в 1970-е годы^[354]. Прочитав книгу Куна, Вэхтерсхойзер, прежде совсем не знакомый с этой областью знаний, пришел в восторг^[355]. Подобно многим своим коллегам, Кун считал, что жизнь началась с РНК. Но отличало его работы предположение, что нуклеотиды могли проникать в пористые горные породы и надолго там оставаться, соединяясь в цепочки РНК. Поскольку такие поры в камнях могли стать безопасным убежищем для РНК, ученый полагал их очень схожими с клетками^[356]. Судя по всему, Кун считал проблему зарождения жизни решенной, и Вэхтерсхойзер, думавший тогда, будто гипотеза первичного бульона в целом верна, не стал больше этим заниматься. Однако зерно было уже посеяно.

Спустя десять лет Вэхтерсхойзер встретился с двумя исследователями, изменившими всю его жизнь. Первым из них был Карл Вёзе, работы которого о родственных связях микробов мы обсуждали в главе 6. Двоих ученых познакомил в 1982 году Джордж Фокс, который сотрудничал с Вёзе. (Овдовевшая мать Фокса вышла за отца Вэхтерсхойзера, тоже вдовствовашего, – вот почему мужчины были знакомы.) Вёзе рассказал Вэхтерсхойзеру о трудностях с теорией первичного бульона. “Это меня здорово озадачило”, – говорит Вэхтерсхойзер.

В том же году Вэхтерсхойзер познакомился и даже подружился с Карлом Поппером, философом науки, которым давно уже восхищался. Поппера называют своим любимым философом многие ученые – ведь он, в частности,

обсуждал условия, при которых следует верить научным утверждениям. Поппер заявлял, что идея является научной лишь в том случае, если ее можно опровергнуть. Скажем, чье-либо утверждение о том, что все диваны имеют лиловый цвет, мы вправе считать научным, поскольку его можно опровергнуть, отыскав розовый диван^[357]. Поппер рассматривал историю человеческого знания как череду сменяющихся идей, каждую из которых рано или поздно записывали в ошибочные, что вынуждало ученых выдвигать идеи получше. Это напоминает историю эволюции, тоже, по сути, являющую собой историю поиска жизнью все новых и более удачных решений тех задач, что сама же она и поставила. “Если углубиться в прошлое, то в конечном итоге мы придем к истокам жизни и к истокам всех проблем”, – считает Вэхтерсхойзер.

После знакомства с Вёзе Вэхтерсхойзер всерьез задумался о зарождении жизни, руководствуясь при этом концепциями своего наставника Поппера. Первым делом Вэхтерсхойзер отказался от всего, что имелось в этой области до него: от первичного бульона, Мира РНК и даже привычных нам молекул вроде аминокислот. Его целью стал поиск чего-то, “разительно отличающегося от всего ранее известного”.

В результате Вэхтерсхойзер создал гипотезу Железо-серного Мира (Мира сульфидов железа)^[358], впервые изложенную им в 1988 году^[359]. Выдвигая свою гипотезу, Вэхтерсхойзер прежде всего учел, что первые организмы нуждались в источнике энергии, и предложил конкретную химическую реакцию, которая, по его мнению, могла выполнять эту роль: образование пирита. Этот минерал широко известен под названием “золото дураков”, поскольку его цвет может навести неопытного человека на мысль, что перед ним золото (пирит его не содержит). Он представляет собой кристалл дисульфида железа, в котором на два атома серы приходится один атом железа. Пирит образуется при взаимодействии железа с сероводородом, а в качестве побочного продукта при этом выделяется водород. Но самым главным в данной реакции является выделение электронов, которые могут быть использованы при реакции углекислоты с водородом, приводящей к образованию воды и формальдегида. Это простая органическая молекула, могущая служить основой для синтеза множества других молекул, в том числе аминокислот.

Согласно сценарию Вэхтерсхойзера, после образования на Земле воды в жидком виде часть ее оказалась насыщена железом и сероводородом, попавшими в нее через горные породы из недр. “Самые ранние организмы могли возникнуть именно в этой среде и получать необходимую им энергию за счет постоянного образования и разложения пирита”, – пишет Вэхтерсхойзер.

Что могли представлять собой подобные первичные организмы? Ответ Вэхтерсхойзера несколько напоминает головоломку. “Такие организмы являются неклеточными и неспособны к делению, однако они могут расти. У них не было ни ферментов, ни аппарата трансляции (синтеза белков на основе содержащихся в генах инструкций), однако присутствовал автокаталический метаболизм. Отсутствовали и нуклеиновые кислоты или какие-либо другие молекулы-матрицы; в то же время для таких организмов были характерны наследственность и естественный отбор. И хотя их едва ли можно назвать по-настоящему живыми, возможность эволюционировать они имели”.

Эти первые живые существа являли собой скопления химических соединений, прикрепленные к поверхности находящегося под водой минерала (речь опять-таки, вероятно, идет о пирите). Те соединения, которые отсоединялись от поверхности, уносились водой и утрачивались навсегда, поэтому эволюция (условно назовем это так) должна была способствовать сохранению тех скоплений, которые были прочнее прикреплены к пириту. Вэхтерсхойзер считал, что в результате сохранялись преимущественно крупные частицы, и предполагал, что это стимулировало возникновение связанных с фосфатами сахаров, а заодно и коротких цепочек аминокислот. Этот слой взаимодействующих веществ был толщиной всего в одну молекулу и потому представлял собой, можно сказать, полученную с помощью набора юного химика версию “Флатландии”^[360].