Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Большинство других биостроительных блоков не самоорганизуются, но способны сосредоточиваться и накапливаться на надежных, защищенных поверхностях пород и минералов в процессе, известном как матричный синтез; он представляет собой второй из механизмов отбора. Наши эксперименты, проведенные в Институте Карнеги за последние десять лет, показали, что многие из жизненно важных молекулярно-строительных блоков прилипают практически к любой естественной минеральной поверхности. Аминокислоты, сахара, компоненты ДНК и РНК адсорбируются на всех минералах, входящих в состав базальта и гранита: полевом шпате, пироксене, кварце и др. Более того, когда на одно место претендуют несколько молекул, они нередко кооперируются и сами образуют сложные поверхностные структуры, позволяя другим молекулам наслаиваться на них. Мы пришли к выводу, что, где бы первоначальный океан ни вступал в контакт с минералами, из бесформенного бульона непременно образовывались плотно собранные органические молекулы.

Здесь я должен выразить предостережение. Занимаясь исследованием происхождения жизни (возможно, подобное происходит и во многих других областях науки), ученые тяготеют к моделям, отражающим их собственную специальность. Специалист по органической химии Стэнли Миллер и его последователи рассматривали происхождение жизни исключительно сквозь призму органической химии. В отличие от них, геохимики склонны к выработке более сложных сценариев, включая такие переменные величины, как температура, давление и химический состав горных пород. Специалисты в области формирования мембран из липидных молекул говорят о «липидном мире», а те, кто занимается молекулярной биологией и исследует ДНК и РНК, рассматривают мир как «модель РНК». Специалисты по вирусам, метаболизму, глинам или глубинной биосфере также имеют свое предвзятое мнение. Все мы таковы; мы опираемся на то, что лучше всего знаем, и рассматриваем мир через объектив своих знаний.

Я изучал минералогию, так что нетрудно угадать мои предпочтения в вопросе о происхождении жизни. Mea culpa [11] «Моя вина» (лат.). – Прим. ред. . Многие исследователи пришли к аналогичному заключению – на самом деле немало выдающихся биологов также тяготеют к минералам, поскольку сценарии происхождения жизни, опирающиеся только на океан и атмосферу, сталкиваются с неразрешимыми проблемами в объяснении базовых механизмов молекулярного отбора и концентрации. Твердые минералы отличаются высоким потенциалом отбора, концентрации и образования молекул. Так что минералы наверняка сыграли главную роль в происхождении жизни.

Биохимические реакции – это комплекс циклических и сетевых молекулярных взаимодействий. Чтобы эти затейливые многоуровневые процессы работали, молекулы должны обладать подходящими размерами и формой. Молекулярный отбор решает задачу подбора наиболее подходящей молекулы для осуществления соответствующего биохимического действия, и матричный отбор на минеральных поверхностях в настоящее время считается наиболее правдоподобной версией происхождения жизни.

Пожалуй, самым большим препятствием на пути молекулярного синтеза является хиральность, разделение на правое и левое, столь распространенное в мире. Многие из живых молекул образуют зеркальные пары, подобно двум нашим рукам – левой и правой. Хиральные пары молекул во многих отношениях тождественны: они обладают одинаковым химическим составом, одними и теми же температурами плавления и кипения, одинаковым цветом и плотностью, одинаковой электропроводимостью. Но «леворукие» и «праворукие» молекулы имеют разные, несовместимые формы, в чем легко убедиться на опыте, если попробовать надеть перчатку с левой руки на правую. Оказывается, жизнь невероятно разборчива: живые клетки почти всегда используют левосторонние аминокислоты и правосторонние молекулы сахара.

Хиральность имеет огромное значение. Любопытно, что искусственно созданный лимонен правосторонней формы пахнет апельсином, а в левостороннем варианте эта простейшая кольцевая молекула пахнет лимоном. Обонятельные рецепторы нашего носа чувствительны к хиральности: левосторонний и правосторонний лимонен подает в наш мозг разные сигналы. Вкусовые рецепторы менее чувствительны к хиральности сахарозы. И правосторонняя, и левосторонняя сахарозы имеют сладкий вкус, но наша пищеварительная система настроена на усвоение исключительно правосторонних сахаров. На свойстве левосторонних сахаров основано действие заменителей сахара, например, тагатозы. Трагическая история с талидомидом тоже связана с хиральностью. Правосторонняя разновидность этого лекарства облегчала утреннюю тошноту у беременных женщин, но левосторонняя модификация, которая тоже попадала к пациенткам, вызывала родовые осложнения. Теперь FDA (Управление по контролю за лекарствами и продуктами США) строго требует, чтобы лекарства обладали правильной хиральностью – это требование спасает жизни, но дополнительные расходы на производство составляют при этом около 200 млрд долларов ежегодно.

Результатом большинства экспериментов по синтезу биомолекул (включая опыты Миллера – Юри и гидротермальные эксперименты) являются левосторонние молекулы, а в естественных условиях молекулы левосторонние и правосторонние производятся примерно в одинаковой пропорции. На самом деле неживая материя безразлична к разнице между левым и правым. Но живое вещество требует точной формы: левосторонние аминокислоты и правосторонние сахарозы имеют жизненно важное значение. Молекулы противоположной направленности просто не могут функционировать. И вот наша исследовательская группа задалась вопросом: как жизнь синтезирует преимущественно левосторонние аминокислоты и правосторонние сахарозы?

Наши последние эксперименты показали, что хиральные поверхности минералов сыграли ключевую роль в отборе молекул определенной ориентации и соответственно – в происхождении самой жизни. В 2000 г. мы с коллегами обнаружили то, что тогда казалось поразительным, а теперь воспринимается как нечто обыденное: хиральные поверхности минералов встречаются повсюду в природе. Обычные минералы в составе любой породы или почвы изобилуют поверхностями, где атомы преобразуются в молекулы с определенной направленностью – либо левой, либо правой. В природе такие поверхности встречаются в равной пропорции, т. е. Земля в глобальном масштабе не отдает предпочтение ни правой, ни левой стороне. Но каждая молекула тщательно выбирает способ закручивания. Наши эксперименты показали, что определенные левосторонние молекулы обычно собираются на одном и том же наборе поверхностей кристаллов, а их зеркальное отражение, правосторонние молекулы, так же устойчиво предпочитают формироваться на другом виде минералов. Каждая поверхность, на которой отбираются и накапливаются молекулы, становится экспериментальной мини-площадкой для молекулярного отбора и синтеза.