Ник Лэйн - Вопрос жизни [Энергия, эволюция и происхождение сложности]

И не только синтезировать АТФ. Протонный градиент – универсальная форма энергии, которая используется для вращения жгутиков бактерий (но не архей – их жгутик устроен иначе), для активного транспорта молекул вовнутрь и наружу клетки, для диссипации (с выделением тепла). Протонный градиент играет центральную роль в жизни клеток и их программируемой смерти – апоптозе.

Мне выпала честь работать по соседству с Питером Ричем, который после ухода Митчелла возглавлял Глинновский институт (ныне Глинновская лаборатория биоэнергетики) и добился его присоединения к Университетскому колледжу Лондона. Рич со своей группой исследует динамические водные каналы, по которым протоны проходят через комплекс IV (цитохромоксидазу) – последний дыхательный комплекс, который восстанавливает кислород до воды.

У галоархей, населяющих соленые лагуны, радикально иной тип фотосинтеза. Вместо хлорофилла свет поглощает ретиналь (как у нас в глазах), а электрон-транспортные цепи не используются. – Прим. науч. ред.

Это один из недостатков аноксигенного фотосинтеза: в итоге клетки оказываются погребены под собственными отходами. Иногда отложения железа бывают пронизаны множеством дырочек размером с бактерию. (Скорее всего, это как раз тот случай.) Поэтому кислород, несмотря на свою токсичность, – гораздо более приемлемый побочный продукт: будучи газообразным, он тут же улетучивается.

Нет уверенности в том, что фотосинтез произошел от дыхания, а не наоборот. Дыхание присуще всем живым организмам, а фотосинтез присущ лишь нескольким группам бактерий. Если Всеобщий предок был способен к фотосинтезу, то большая доля бактерий и все археи должны были утратить это ценное свойство. Это, мягко говоря, неэкономно!

Теория Митчелла в Британии и в целом на Западе не получила поддержки, но ею заинтересовались в СССР. Первые эксперименты, подтвердившие правоту Митчелла, были поставлены будущим академиком В. П. Скулачевым. – Прим. науч. ред.

Хемиосмотическое сопряжение позволяет использовать мелкие порции энергии, что дает огромное преимущество. Об этом автор упоминает в гл. 5, в разделе “Почему бактерии остаются бактериями”. – Прим. науч. ред.

Рибосомы, генетический код и белковый синтез есть у всех без исключения клеток, а хемиосмотическое сопряжение исчезает у некоторых бродильщиков и внутриклеточных паразитов. Так что оно – не самое универсальное свойство жизни. – Прим. науч. ред.

Липиды состоят из гидрофильной головки и двух-трех гидрофобных “хвостов” (у бактерий и эукариот их роль играют жирные кислоты, у архей – изопреноиды). За счет этих частей липиды способны формировать не только капли, но и бислои, причем с большей вероятностью. Головка и у архей, и у бактерий представлена глицеролом, но в разных зеркальных формах. Это интересным образом дополняет тот факт, что все живое использует левые аминокислоты и правые сахара в ДНК. Такую асимметрию часто объясняют тем, что один из изомеров оказался предпочтительней еще на абиотическом уровне, а отбор на уровне биологических ферментов, как считают, не сыграл в этом особой роли. Использование бактериями и археями разных оптических изомеров глицерина может свидетельствовать о том, что случайность и отбор все же имели значение.

Первые рибосомы могли состоять только из РНК, для синтеза которой не нужны сложные машины. А для сборки любого белка нужна сложная рибосома. Поэтому АТФ-синтаза не может быть старше рибосомы. – Прим. науч. ред.

При этом древние мембраны непроницаемы для натрия. Это один из аргументов в пользу того, что натриевая энергетика древнее протонной. – Прим. науч. ред.

Согласно современным представлениям, основанным на химическом анализе горных пород и кристаллов циркона, атмосфера древней Земли была относительно нейтральной и состояла в основном из двуокиси углерода, азота и паров воды, подобно вулканическим газам.

“Первичный бульон” в термодинамическом отношении подходит плохо, потому что образование нуклеотидов и их соединение в РНК сопровождаются выделением воды, а в водном растворе это невыгодно. – Прим. науч. ред.

Безобидно выглядящая конструкция “правдоподобные первичные условия” на самом деле содержит множество подводных камней. По сути, под ней подразумеваются химические вещества и условия на древней Земле, существование которых можно хоть как-нибудь обосновать. Вполне вероятно, что в океанских водах времен катархея содержался цианид. Также возможно, что температура тогда могла изменяться от нескольких сотен градусов (в гидротермальных источниках) до температуры, при которой замерзает вода. Проблема в том, что реальные концентрации органических веществ в “первичном бульоне” гораздо ниже тех, что используются в лаборатории, а возможность одновременного существования высоких и низких температур в одной и той же среде сложно представить. Конечно, все эти условия могли быть воплощены где-то на планете. Но говорить об их участии в появлении добиологической химии можно, лишь уподобив Землю лаборатории, где химики аккуратно проводят опыты. А это совсем не похоже на реальность.

Однако есть микробы, использующие его как источник азота. Кроме того, цианид разлагается в воде, образуя муравьиную кислоту, которая широко используется микробами как источник энергии и углерода. – Прим. науч. ред.

Естественно, сейчас такие формы жизни найти трудно, потому что озоновый слой в атмосфере эффективно поглощает УФ. Однако на высокогорьях, где поток УФ сильнее, найдены плесневые грибки, накапливающие черный пигмент меланин. Он не только защищает их от УФ, но и позволяет использовать энергию УФ и даже рентгеновских лучей, ускоряя рост грибков в 2–3 раза. – Прим. науч. ред.

Входящие в состав ДНК и РНК природные азотистые основания отличаются от множества других похожих молекул, способных к образованию двойной спирали, очень высокой устойчивостью к УФ. Вряд ли это случайность. – Прим. науч. ред.

Цианид ядовит в основном для дышаших кислородом животных. Растения, многие грибы и анаэробные микробы устойчивы к нему и даже могут накапливать цианид для защиты от поедания. – Прим. науч. ред.

Многие ученые склоняются к тому, что жизнь возникла в маленьких пересыхающих лужах у наземных горячих источников. В таких лужах возможно накопление формамида (соединение цианида с водой, легко образующее азотистые основание) до высоких концентраций при высыхании, так как формамид имеет высокую температуру кипения (218 °C) и сохраняется после испарения воды. – Прим. науч. ред.