06.11.2016. - Как минералы помогли зарождению жизни на Земле

Как минералы помогли зарождению жизни на Земле

Михаил Никитин, автор книги «Происхождение жизни: от туманности до клетки», вышедшей в издательстве Альпина нон-фикшн, рассказал «Чердаку» как глины, сульфиды цинка и немного удачи помогли природе перейти тонкую границу между неживым и живым.

— Что такое жизнь?

— Если встать на позицию ребенка, который видит только животных и растения, то можно сказать, что живые организмы — это те, которые либо двигаются либо растут. Правда, если сюда добавить микробов или некоторых морских животных — например, кораллы, которые почти не двигаются — то критерий подвижности будет уже спорный. Тогда можно сказать, что все живое должно размножаться, но и тут найдутся контрпримеры: какой-нибудь кристалл соли в насыщенном растворе будет и расти и даже размножаться (его можно расколоть на части и снова опустить в другие растворы), но это не делает кристалл живым.

— Какое-то совсем нечеткое определение вышло

— Абсолютно строгие определения бывают только в математике, а когда мы переходим к реальному миру — даже к той же физике, а не обязательно биологии — дать строгие определения становится гораздо сложнее и это не случайно.

Если бы мы могли четко поделить мир на живое и неживое, то тогда не смогли бы никогда ответить на вопрос, как жизнь на Земле вообще смогла появиться.

Мы знаем, что у Вселенной есть начало, Большой Взрыв, и в этих условиях никакая жизнь отдаленно похожая на нашу существовать не могла, но также мы точно знаем, что теперь жизнь существует. Если бы между живым и неживым была непреодолимая пропасть, то даже за миллиарды лет после Большого Взрыва перейти ее резким скачком было бы невозможно.

— Но все-таки астробиологи сейчас ищут жизнь на других планетах. Что именно они ищут? Они не могут опираться на детские ощущения

— Да, для этих целей есть рабочее определение, сформулированное в астробиологической программе NASA: жизнь — это химическая система, способная к дарвиновской эволюции. «Химическая» означает «состоящая из атомов, молекул и использующая реакции между ними». А «дарвиновской эволюции» распадается на 4 условия: (1) Объекты, должны размножаться, то есть создавать свои копии; (2) Копии не должны быть абсолютно точными, должны быть ошибки в копировании, называемые мутациями; (3) Мутации должны передаваться следующему поколению копий, то есть должна быть наследственность; (4) Ошибки копирования должны влиять на вероятность дальнейшего копирования то есть должен быть отбор.

— А почему мы считаем, что жизнь обязательно должна эволюционировать, развиваться?

— Строго говоря, развиваться жизнь может, но не должна. Какие-нибудь цианобактерии, живущие в морях, сейчас почти такие же, как два миллиарда лет назад — они не усложняются, но вполне эволюционируют по этим самым четырем условиям, которые кстати не есть специфика земной жизни и вообще не специфика биологии. Дарвиновская эволюция это больше математика: советский математик Александр Ляпунов через 100 после Дарвина показал, что это единственный процесс, который может создавать принципиально новую информацию и при этом он не обязательно должен быть привязан к материальным телам или какой-то химии. Существует, например, эволюционное программирование, в котором дарвиновскому отбору подвергаются нули и единицы, но там нет никаких химических реакций и поэтому программы эволюционного программирования мы жизнью по определению NASA считать не можем.

— Хорошо, вопрос свелся к еще более абстрактному: почему мы считаем, что в процессе развития живого должна появляться новая информация?

— Дело в том, что все известные организмы на Земле состоят в отношениях паразит-хозяин. На животных, на растениях, на грибах, на бактериях — на любых клеточных формах жизни всегда живут как минимум какие-то вирусы, а в парах паразит-хозяин всегда начинается гонка вооружений, когда хозяева под действием мутаций становятся более устойчивыми к паразитам, а паразиты — более способным к заражению новых организмов.

Это как в «Алисе в зазеркалье» — «Здесь надо бежать очень быстро, чтобы оставаться на месте». Тот живой организм, который в отношениях паразит-хозяин не будет меняться, вскоре вымрет.

Похожая гонка вооружений у поисковых систем и всяких спамеров и накрутчиков: мой знакомый, который занимался продвижением сайтов в интернете, рассказывал, что почти любой найденный инструмент продвижения перестает работать уже в течении полугода, потому что Яндекс и Гугл постоянно меняют свои алгоритмы

— Получается, меняться и эволюционировать жизнь заставляет тот факт, что никто не живет в вакууме?

— Да, конечно. И это работает не только с отдельными организмами. Например, когда секвенировали геном шимпанзе, все кинулись искать, какие гены у людей и обезьян больше всего отличаются между собой — что, собственно говоря, делает человека из обезьяны. Ученые нашли несколько сотен таких генов, стали смотреть в каких тканях они работают и выяснилось, что почти все они активны в половых железах — либо в семенниках, либо в яичниках — и продукты этих генов находятся либо на сперматозоидах, либо на яйцеклетках, между которыми идет тоже своеобразная гонка вооружений. Самки заинтересованы в том, чтобы сперматозоид проникал в яйцеклетку не слишком быстро (иначе их может проникнуть сразу несколько и клетка с высокой вероятностью погибнет), а самцы хотят донести свой генетический материал максимально эффективным способом.

— Без каких минералов переход от неживого к живому и эволюционирующему был бы невозможен?

— Во-первых, некоторые минералы до сих пор остались в живых организмах — это железосерные кластеры пирита, минералы с характерным золотистым белком, которые по-английски называют еще fool’s gold — золото дурака. Из наночастиц пирита делаются провода внутри белковых молекул, по которым течет электрический ток: они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях внутри организма и нарушения в работе железосерных кластеров могут даже стать летальными. Кроме того, у некоторых бактерий бывают еще серно-никелевые кластеры, а у растений- марганец-кислородные кластеры. Это те минералы, без которых до сих пор не могут существовать живые организмы. Кроме них участие в появлении жизни предполагается у различных сульфидных минералов цинка и слоистых глинистых материалов типа смектита.

— Почему так важны сульфиды цинка?

— В живых клетках всегда содержится очень много цинка, это фактически самый распространенный микроэлемент: часто его даже бывает больше чем железа и сейчас неизвестно ни одного живого организма, способного жить без цинка. Он содержится во многих белках, где иногда даже не несет никаких биохимических свойств — не сидит в активных центрах молекул — а только стабилизирует трехмерную укладку белка. При этом в современной пресной воде или других земных средах цинк в большом дефиците и это жуткое расточительство — использовать его в таких количествах. Отсюда и возникла гипотеза цинкового мира, сформулированная Армендом Мулкиджаняном, согласной которой живые организмы некогда возникли и развивались в близком контакте с минералами на основе цинка — в сульфидах цинка.

— А почему в контакте именно с ними? Это просто случайность, закрепившаяся теперь в необычном клеточном составе?

— Нет, это не случайность. Вторая исходная посылка гипотезы цинкового мира связана с работами современных нанотехнологов. Дело в том, что квантовые точки на основе сульфида цинка и также сульфида кадмия очень интересно взаимодействуют со светом. Они могут давать люминесценцию, фосфоресценцию и умеют при помощи света проводить всякие необычные реакции: например, восстанавливать углекислый газ до муравьиной, уксусной и других органических кислот. Кроме того, сульфиды цинка дают хорошую защиту от ультрафиолета, а в условиях древней Земли, лишенной кислорода и озонового слоя, это очень серьезный плюс. Для многих современных микробов смертельная доза под тем солнышком набежала бы за несколько минут.

Так что сульфиды цинка могли давать первым добиологическим формам жизни и крышу над головой и доступное питание продуктами минерального фотосинтеза: и стол, и дом.

Кроме того, фотосинтез на сульфидах цинках приводит к разрушению минералов и выделению цинков в раствор, тому самому аномальному насыщению внешней среды цинком, закрепившемся во всех живых клетках. Все удивительно совпадает.

— Куда сейчас пропали сульфиды цинка? Почему их нет в таком количестве на Земле, как раньше?

— Ушли на морское дно. Отложения сульфида цинка возникают там, куда его выносит из недр Земли горячая вода с температурой более 200 градусов, а при современном атмосферном давлении вода закипает гораздо раньше. Такие условия сейчас бывают только на дне моря в черных курильщиках: из них бьет даже еще более горячая вода с температурой в 350 градусов, которая кроме сульфидов цинка содержит еще более труднорастворимые сульфиды железа. Это минералы черного цвета, они образуют столбы черного дыма над курильщиками и слагают их «трубы», а сульфиды цинка — белые, и они покрывают дно вокруг курильщиков. На древней Земле атмосфера было в несколько раз плотней современной и горячие источники могли дать нужную температуру прямо на поверхности Земли, в ландшафтах вроде долины гейзеров на Камчатке или в Исландии. С тех времен сохранился, например, иберийский пиритовый пояс в Испании — 300-километровый массив отложений сульфидов цинка, марганца и железа, сформированных горячими источниками миллиарды лет назад.

— Хорошо, сульфиды цинка защищают от ультрафиолета и дают питание. А какая роль была у смектитов и других глин? Даже не верится, что появлению жизни помогла какая-то грязь

— Это для человеческого глаза глина просто какая-то грязь и беспорядок, в то время как на микроскопическом уровне это очень структурированный материал: правильные тонкие и длинные силикатные пластинки между которыми есть пустоты толщиной примерно в две молекулы воды, куда идеально помещаются аминокислоты или нуклеотиды. Такие стесненные условия идеально направляют рост цепочек белков и нуклеиновых кислот.

Эксперименты показывают, что если к смектитам добавить даже очень разбавленный раствор со строительными блоками ДНК или РНК, то через несколько минут почти все они окажутся в таком глинистом осадке на дне лужи, а еще через некоторое время соединяются в небольшие цепочки нуклеиновых кислот.

Без такого упорядочивающего эффекта глин появление жизни было бы невозможно.

— Кто раньше вступил в игру: сульфиды цинка или смектиты?

— Судя по тем исследованиям, которые делали геологи, в древних горячих источниках сульфиды цинка могли соседствовать со смектитами, как до сих пор это происходит в грязевых котлах на Камчатке: растворенные в воде силикаты там конденсируются в очень мелкозернистую глину, идеально подходящую для накопления различных органических веществ. Так что, скорей всего, оба минерала вступили в игру одновременно. Сульфиды защищали от ультрафиолета и кормили продуктами минерального фотосинтеза, а смектиты создавали условия для самоорганизации молекул и организовывали обмен веществ, поскольку могут катализировать многие реакции.

— Давайте представим, что на Земле или какой-нибудь другой планете опять сложились точно такие же условия как миллиарды лет назад — жизнь появилась бы снова? И в какие формы она бы развилась?

— Честный ответ: я не знаю и никто не знает. На мой вкус — 50 на 50, либо развилась, либо нет. Но при этом если бы все-таки развилась, то была бы точно такая же, как сейчас или, как минимум, очень похожая — химическая основа жизни была бы та же самая. Те же самые нуклеотиды в ДНК и РНК, те же самые 20 аминокислот в белках, то же самое строение клеточных мембран, тот же самый фотосинтез на хлорофилле, те же самые микроэлементы. Отличия были бы скорее только исторические, с перестановками во времени: наверняка возникли бы те же животные, растения, микробы, различные экологические группы, но родственные отношения между ними были бы другими.

— Откуда такая уверенность?

— Могу привести маленький пример с эволюцией млекопитающих на разных материках. В мезозойскую эру на Земле господствовали динозавры и вся суша была объединена сначала в сверхконтинент Пангею, а потом в два сверхконтинета — Лавразию (Евразия + Северная Америка) на севере и Гондвану (все южные материки) на юге. Поэтому во времена динозавров фауна почти на всей Земле была одинаковая, а ближе ко времени вымирания динозавров Гондвана раскололась и получились изолированные материки. И вот на разных материках независимо появлялись похожие внешне, но совершенно не родственные формы: в Южной Америке были свои аналоги антилоп, лошадей, носорогов, в Австралии и Тасмании — сумчатые саблезубые тигры. Там же до сих пор сохранились вомбаты — сумчатые аналоги сурков или кроликов — и всем известные кенгуру, занимающую ту же самую экологическую нишу скоростных травоядных, что антилопы и газели. То есть эволюция склонна повторять одни и те же решения в разных условиях.

— Хорошо, а что тогда могло помешать при тех же самых начальных условиях возникнуть и развиться жизни? Откуда 50 на 50?

— Очень сложно оценивать случайное и закономерное по единственному событию.

Если жизнь достоверна возникла только на одной землеподобной планете, то нам очень сложно судить насколько это было предопределено, потому что мы, наблюдатели, по определению находимся на этой самой обитаемой планете и не можем точно сказать насколько она уникальна: наш случай это случай из серии девять из десяти или один из миллиарда?

Для ответа нам нужно лететь на другие планеты или, как минимум, очень хорошо смотреть в телескоп, потому что такой признак жизни, как кислородная атмосфера, через 5?10 лет можно будет уже разглядеть на экзопланетах. Конечно, наличие кислородной атмосферы автоматически не означает разумной жизни и высокоразвитых животных, но говорит о появлении на этой планете фотосинтезирующих микробов и растений, поскольку на Земле кислородная атмосфера возникла только при участии жизни.

— Геолог Роберт Хейзен считает, что и многообразием различных форм неживой материи на Земле мы тоже обязаны жизни. Вы согласны с таким мнением. Биологическая эволюция может запускать эволюцию минеральную?

— Роберт Хейзен строит свои рассуждения на примере минералов и тут ему все карты в руки, он занимается минералогией всю свою жизнь и если он пишет, что больше половины минералов Земли могли возникнуть только с участием кислородной атмосферы, то скорей всего он прав. На Земле, действительно, известно гораздо больше разновидностей минералов, чем найдено в лунных породах, метеоритах или на других космических телах, и многие из этих пород без участия живых организмов появиться не могли.

— Возможна ли жизнь, играющая по тем же законам эволюции, но построенная на другой химии?

— Сейчас есть разные плохо обоснованные гипотезы про жизнь на другой материальной основе. Например, есть подозрение, что на поверхности нейтронных звезд про их чудовищной гравитации и сверхмощных магнитных полях могут существовать самокопирующиеся структуры не из атомов, а из различных субатомных частиц — нейтронов, протонов или более экзотических частиц, которые на Земле можно получить только в ускорителях. Потом есть гипотезы о кремниевой жизни с полимерами на основе кремния, а не углерода. Наконец, в Институте общей физики есть гипотеза про плазменно-пылевую жизнь. Там показали, что если к плазме добавить пылевые частицы, то могут возникнуть довольно сложные структуры, например, напоминающие по форму спираль ДНК, но теперь еще нужно показать, что они могут размножаться, проявлять изменчивость и обладают наследственностью.

— А как мы сможем понять по куску материи, живой он или нет, если он не будет двигаться, расти и будет управляться совершенно другой биохимией? Сможем ли мы распознать экзотическую жизнь?

— Кроме определений жизни есть еще признаки, по которым мы, даже имея в распоряжении только какой-нибудь трупик сомнительной сохранности, можем точно установить, что когда-то это было живое существо. Во-первых, все живое отличается от неживого по изотопному составу элементов, в живом они легче, а во-вторых, живому присуща хиральная чистота.

— Почему природа предпочитает легкие изотопы?

— Обмен веществ живого организма составлен из множества химических реакций, катализируемых крупными белковыми молекулами — ферментами, а продукты реакции переходят от одного фермента к другому исключительно за счет теплового движения молекул — диффузии. Скажем, в фотосинтезе на пути от углекислого газа до сахара стоит более десятка химических реакций, и чем более легкие молекулы будут в них участвовать, тем быстрее будет идти обмен веществ. В результате, в живой материи легкого изотопа углерода-12 почти в 100 раз больше, чем тяжелого изотопа углерода-13, а в неживой природе пропорции немного другие. Такой признак жизни можно разглядеть даже в составе нефти, которая некогда была живыми микробами и потом разложилась в бескислородной атмосфере и при большой температуре. То же самое должно быть и с составом той же кремниевой жизни.

— А хиральная чистота живой материи? Что имеется в виду?

— В природе есть молекулы, которые могут иметь две зеркальные, не совпадающие друг с другом формы — как предмет и его отражение или как правая и левая рука; как не крути в пространстве, совместить их друг с другом никогда не получится. Оказывается, что аминокислоты в белках бывают только в левой форме, а нуклеотиды в ДНК — в правой, и это уникальный признак живого, потому что по своим химическим свойствам правые и левые молекулы практически идентичны, они только немного отличаются по физическим свойствам (например, по взаимодействию с поляризованным светом) и биохимическим (за хиральный отбор могли отвечать как раз те пустоты в смектитах, в которые помещались только левые или только правые молекулы).

Так что если мы видим кусок вещества, состоящий только из правых или левых молекул — хирально чистый, то должны понимать, что скорей всего здесь поработали живые организмы, сколько бы миллиардов лет не прошло с тех пор, как они умерли.

Поэтому когда мы будем строить зонды для поиска внеземной жизни на любой самой странной химической основе и отправлять их, скажем, к Титану, Плутону или Европе, то их нужно будет очень аккуратно настроить на поиск аномалий изотопного и хирального состава.

— Может тогда выясниться, что какой-нибудь неприметный, незаметный камень на самом деле вполне живой?

— Ну, у всех земных минералов этих признаков живого нет, но в теории — почему нет? Есть, кстати, история про ползающие камни в калифорнийской пустыне — довольно заметные булыжники с массой под тонну, которые ползают за счет того, что каждую ночь у них с одной стороны намерзает больше льда, чем с другой. Потом этот лед тает, расширяется, и тем подталкивает камень на какие-то доли миллиметра — если делать фотоснимки с интервалом где-то в год, эти путешествия камней выходят вполне заметными. Сам я знаю еще одно место с путешествующими булыжниками — это Белое море. Давно подмечено, что если там тоже делать фотографии одного и того же вида с интервалом в год, то какие-то камни будут пропадать, какие-то появляться: сочетание высоких приливов и отливов вместе со льдом делает так, что неживая материя становится похожей на живую. Хотя бы на том самом детском уровне.

Михаил Никитин, биолог, младший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ имени М. В. Ломоносова, автор книги «Происхождение жизни. От туманности до клетки», лауреат литературной премии имени Александра Беляева.

http://chrdk.ru/sci/mikhail_nikitin_coevolution