Ричард Докинз - Человек в космосе. Отодвигая границы неизвестного [сборник litres]

На химическом уровне мы хотели бы понять, как самые простые «кирпичики», такие как вода, азот, аммиак, окись углерода, водород – те исходные материалы, про которые мы можем практически наверняка сказать, что они присутствовали на молодой Земле – начали реагировать друг с другом, формируя более сложные биологические структуры? Жирные кислоты («кирпичики» мембран), нуклеотиды («кирпичики» ДНК и РНК), аминокислоты («кирпичики» пептидов): как они были созданы и как они все собрались вместе, чтобы создать первые клетки?

Первопроходцем в этой области был Стэнли Миллер, который в 1953 году провел вошедший в историю эксперимент: взял различные смеси газов и, передавая в эту систему энергию посредством искровых разрядов, обнаружил, что в течение нескольких дней эта смесь дала смолистый осадок. Удивительно, но оказалось, что полученная масса содержит множество разнообразных соединений, в том числе большинство аминокислот, составляющих белки. Так что изготовление аминокислот выглядит достаточно просто. Эксперимент Миллера на многие годы определил повестку в этой научной области: до него ученые думали о белке, так что доступность аминокислот казалась фантастической новостью. Дело в том, что у нас еще не было информации о центральной и главенствующей роли РНК. Сейчас мне думается, что самой важной частью эксперимента Миллера было не создание аминокислот самих по себе, но появление одного из промежуточных продуктов – элемента, который способствует появлению не только аминокислот, но и других соединений. Я говорю о цианидах. Цианиды – это очень реактивные химические вещества, и в результате ряда реакций они могут генерировать множество любопытных молекул. Это один из центральных источников сырья для создания нуклеотидов, из которых потом можно получить РНК и ДНК.

Все это наводит нас на мысль – могло ли что-то подобное произойти на юной Земле? Мне кажется, что, принимая во внимание природу современных вулканов, это вполне возможно. Например, недавно извергнувшийся чилийский вулкан Пуеуэ окружали заметные облака пепла. Вокруг этих облаков собралась невероятная грозовая буря, насыщенная молниями. Когда Земля была молода и в ее атмосфере еще не было кислорода, подобные разряды молний могли стать причиной локального формирования цианидов. Возможно, кое-где цианиды возникали даже в количествах, достаточных для формирования «кирпичиков жизни» более высокого порядка.

Я мог бы еще долго говорить о химических процессах, ведущих к появлению нуклеотидов, но я не хочу вдаваться в технические детали. Вместо этого я расскажу о молекулах, из которых состоят мембраны примитивных клеток. Они гораздо проще, чем нуклеотиды, и, оказывается, могут быть получены множеством разных способов. Материалы для них есть даже в метеоритах, содержащих в изобилии органические компоненты. Извлеченная из метеоритов органика способна формировать в воде структуры вроде пузырьков, внутри которых могут быть заперты другие молекулы. Проводились эксперименты с тонкими ледяными пленками из метана, аммиака, углекислого газа и подобных молекул – они показали, что под воздей-ствием ультрафиолета спонтанно образуются полые мембранообразные структуры, способные удерживать внутри другие молекулы.

Еще один вариант – молекулы, образующие мем-браны, могли возникнуть на ранней Земле в условиях высокой температуры и давления возле океанических гидротермальных источников.

Хотя ученые все еще ломают голову над конкретными деталями химического процесса, кажется, что эти красивые мембранообразные структуры получить не так уж сложно.

Интересно поразмышлять об условиях на ранней Земле, которые могли бы способствовать образованию жирных кислот. Стоит обратить внимание на гидротермальные источники, которые можно обнаружить в геотермально активной зоне, например, в парке Йеллоустоун в США или на гейзерных полях Исландии.

Глубоко под землей, где температура и давление намного выше, чем на поверхности, такие металлы, как железо и никель, находятся в форме оксидов и сульфидов. На поверхности этих кристаллов (которая в этих условиях является катализатором) водород и углерод могут соединяться, образуя открытую углеводородную цепь с кислородом на конце. Затем такие цепи благодаря подземным течениям могут оказаться на поверхности, и в результате различных геохимических сценариев их концентрация может оказаться достаточно велика. Эти молекулы представляют собой, по сути, просто мыло (да, обычное мыло). Если эти мыльные молекулы встряхнуть в воде вместе с какими-нибудь солями и чем-то вроде амортизаторов (например, аминокислотами), они образуют красивейшие структуры, собирающиеся в полотна, которые затем смыкаются и таким образом могут удержать внутри крупные молекулы вроде РНК.

У этих везикул (защищенных мембраной емкостей) есть интересные и весьма необычные свойства. Одно из них – постоянное движение. Когда смотришь на фотографию, они кажутся жесткими и неподвижными, но на самом деле эти пузырьки очень гибкие, а молекулы, из которых состоит мембрана, непрерывно перемещаются. Поразительно, но эти молекулы снуют не только по самой поверхности, но и внутрь и вовне нее – и все это происходит очень быстро, за секунду или даже меньше. Такие протомембранные структуры очень, очень динамичны, и это, как оказывается, необычайно важно для того, чтобы сделать первый шаг к примитивной клеточной мембране.

Другое интересное свойство везикул – они относительно долговечны, несмотря на то, что составляющие их молекулы появляются и исчезают довольно быстро. На следующем рисунке (см. рисунок 22 на вклейке) можно увидеть красные и зеленые везикулы. Они помечены красителем, который не перемещается между пузырьками. Эта фотография сделана через день после того, как красные и зеленые пузырьки были смешаны. Мы знаем, что такие пузыри ежесекундно в случайном порядке обмениваются составляющими их молекулами, и все же отдельные структуры сохраняются в течение нескольких дней, недель или даже месяцев. Они сохраняют свою «идентичность», даже если молекулы, из которых они сделаны, постоянно меняются местами. Дело, по сути, обстоит так же, как и с нашими телами, молекулы которых меняются год от года. Только здесь скорость изменений меряется секундами.

Чтобы понять, как могла возникнуть первая примитивная клетка, нужно вообразить такой сценарий, в котором генетический материал оказывается внутри подобной мембраны. Это может произойти случайно: когда полотно мембраны сворачивается, образуя замкнутую структуру, внутри может оказаться что угодно из окружающего раствора. Если в растворе есть РНК, какая-то ее часть попадет в мембрану. Но оказалось, что кое-какие простейшие минералы могут сделать этот процесс куда более эффективным. Например, девять лет назад мы изучали возможную роль глины в образовании примитивных клеток. Я говорю об особом виде глины, монтмориллоните, он образуется при выветривании вулканического пепла. Та же вулканическая геохимия, что обеспечивает нам цианиды и другие химические «кирпичики», ответственна и за появление большого количества пепла – какая-то его часть оседает в океан, вступает в реакцию с соленой водой и превращается в глину.