Наука: разговор о новых исследованиях происхождения жизни на Земле

Ирина Лагунина: Проблема происхождения жизни занимает умы ученых многих специальностей - биологов, химиков, геологов, палеонтологов. Считается, что появлению жизни предшествовал этап химической эволюции. Развитие химических подходов привело к появлению так называемой теории РНК-мира, согласно которой первые живые организмы не имели ни белков, ни ДНК, а были построены в основном из РНК - рибонуклеиновых кислот. Но что предшествовало РНК-миру? Для ответа на этот вопрос необходимо взглянуть на проблему не только со стороны химии, но и со стороны физики. О новых физических подходах к пониманию происхождения жизни рассказывает руководитель лаборатории докембрийских организмов Палеонтологического института, член-корреспондент РАН Михаил Федонкин. С ним беседуют Александр Костинский и Александр Марков.

Александр Костинский: Какие сейчас новые подходы, что ученые считают? Как я понимаю, они считают, что все-таки жизнь появилась на Земле. И мы как-то продвинулись к пониманию, как она возникла? Есть такая теория, так называемая, РНК-мир.

Михаил Федонкин: РНК – это рибонуклеиновые кислоты, в себе сочетают и некоторые качества, позволяющие говорить о закреплении наследственности, то есть информационная функция и плюс к этому РНК обладает каталитической функцией. И это, конечно, очень привлекательно в рибонуклеиновых кислотах. Но надо думать, что предшествовало миру РНК. И здесь может быть следует идти не по пути химического рассуждения, на языке химии, а скорее может быть на языке физики и говорить о том, как формировался тот поток энергии, который и поддерживает жизнь. Здесь, мне кажется, нам опять могут помочь примеры современных бактерий, многие из которых используют водород в своем обмене. Водород в клетке является своеобразной энергетической валютой, его легко разделяешь на протоны и электроны. На этом, собственно, и держится энергетика клетки - на протонах и потоке электронов. Но тут весь вопрос в том, что одного водорода мало, нужны катализаторы, которые бы ускоряли этот процесс. И вот здесь мне приходит на память высказывание Жоржа Кювье: жизнь похожа на торнадо или смерч, который движется по пустыне. Не жизнь, а живой организм. Этот смерч обладает определенной формой, он движется, он растет, он вбирает в себя и выбрасывает из себя, он может даже двоиться. Но этот «организм» существует до тех пор, пока дует ветер исчезает. Заканчивается поток энергии, эта структура исчезает. Это великий образ и нужно его иметь в виду всегда, рассуждая о происхождении жизни.

Мы должны искать прежде всего катализаторы, которые бы вызывали направленный и энергичный ток электронов. И вот здесь опять нам может быть подсказкой биология. Большинство реакций в клетке осуществляется ферментами. У бактерий, особенно тех, кто живут на водородных соединениях или просто на водороде, базовые реакции осуществляются гидрогеназами. Гидрогеназы - это такие довольно крупные молекулы, но внутри есть активный центр и там либо ионы железа, либо железа и никеля. Гидрогеназы теряют свои каталитические свойства, если мы оттуда эти ионы металлов извлечем. И это говорит о том, что первично катализатор не белок был, белок - это позднее приобретение, а первичные реакции добиологические, доорганические ускорялись металлами, которые были в той среде доступны.

Сейчас есть такой исследователь Майкл Рассел, он работал со своей группой в Шотландии. Он пытается этот процесс смоделировать действительно вокруг горячих источников, где осаждается пирит. Это железосерное соединение, минерал. И когда этот минерал формируется вблизи от горячего источника, то этот агрегат минеральный, он высокопористый. Микроскопические поры заполняют оседающий камень. Майкл Рассел полагает, что эти поры могли быть предтечами клеток, что-то могло входить, что-то внутри могло формироваться. Понимаете, железосерные центры в современных ферментах - это может быть самые распространенные активные центры энзимов. Но тогда мог работать и железо, и никель. На ранней Земле никель мог быть в значительном количестве доступным и железо доступно и вулканизм был более насыщен металлами, чем в более позднее эпохи. И формирование ядра по современным представлениям произошло очень быстро, за первые сто миллионов лет. А что это означает? Это означает, что с самого начала Земля была закрыта, защищена магнитным полем от смертельного космического излучения.

Александр Марков: То есть в основе лежали циклические геохимические процессы, так надо понимать?

Михаил Федонкин: Ведь как клетка работает: у нее есть возможность запасать энергию и отдавать. В недрах нашей академии развивается довольно интересная программа, называется «Проблема зарождения биосферы и ее эволюция», под руководством Эрика Михайловича Голема ведется в частности работа по синтезу аденазинтрифосфата. Вот эта молекула относительно простая, в клетках она универсальная, свойственна всем живым организмам. Она является своеобразной батарейкой – аккумулирует, отдает. Формируется и распадается. В нашем организме, говорят, в нашем теле ежедневно образуется около сорока килограммов и распадается, естественно. Мы должны думать, вероятно, о происхождении жизни и в этом ключе, какие структуры могли формироваться, молекулярные структуры, которые забирают поток энергии, придерживая и отдавая куда надо.

Александр Марков: Кстати, надо упомянуть, что аденозинтрифосфат это тот кирпичик, из которого строится РНК, это же рибонуклеатид.

Михаил Федонкин: И действительно может быть ключиком к тому, как вообще возникла энергетическая машина жизни. Вторая проблема, как эту систему сделать полузакрытой, как возникла мембрана. И нужно это обязательно свести, сделать одновременно.

Александр Марков: Одновременно с чем? Может быть на первых этапах обходились в прите, как вы говорили сейчас.

Михаил Федонкин: Майкл Рассел так говорит. Мне не очень нравится эта модель Рассела. Все-таки если минералы осаждаются - это значит они обретают некоторую стабильность. А нам нужна все-таки лабильность. И поэтому имеет смысл рассматривать формирование первых систем не на минеральной стадии, а на доминеральной стадии, там, где ионы или сложные молекулярные агрегаты, но еще не кристаллическая решетка. Хотя в сфере изучения этой проблемы происхождения жизни целая группа гипотез как раз имеет дело с минералами, их так и называют «минеральные гипотезы происхождения жизни». Ряд гипотез экспериментально показывают возможность синтеза крупных органических молекул на исторической подложке. Другие гипотезы обращаются внимание на то, что некоторые минералы имеют такую кристаллическую решетку, что могут служить своеобразными фильтрами или вместилищами для синтеза молекул. Допустим, циалиты имеют в своей кристаллической решетке что-то вроде каналов. И они могли служить отбору или удержанию некоторых ионов. Приблизительно ту же функцию предписывают глинистым минералам. Глинистые минералы имеют кристаллическую решетку подобно книге - это многослойная структура, и благодаря именно этому качеству слоистости минералов, слоистости кристаллических решеток, они являются такими могучими абсорбентами. И один из моих коллег Энсео Галлори как раз занимается проблемой, как минералы могли улавливать некоторые, скажем, кусочки молекул и внутри в межслоевых пространствах формировать более сложные молекулы. Более того, даже были такие рассуждения о том, что если глинистые минералы способны удерживать, допустим, ДНК и хранить ее долго, то может быть возможны и такие случаи, что древняя ДНК сохранилась в минерале, скажем, с мелового периода. И когда размываются древние породы на берегу моря, то какие-то кусочки может быть тут же мог подхватить из бактерий и забрать себе.

Александр Костинский: Скажите, видна какая-то большая пропасть между клеткой, причем ее даже самые простые клетки чудовищно сложные.

Михаил Федонкин: Несомненно.

Александр Костинский: Есть ли надежда на то, что удастся этот разрыв сократить, прорыв какой-то найти?

Михаил Федонкин: Несомненно, сокращается этот разрыв. Важно то, что огромная доля исследований ведется в лабораториях в области эксперимента. Эти эксперименты очень разные. И конечно, сейчас образуется наука, астробиология ее называют, есть институты астробиологии в разных странах. И там эту проблему атакуют с позиции исследования космоса и других планет.

Александр Марков: А так же и в метеоритах находят что-то похожее на окаменевшие микроорганизмы.

Михаил Федонкин: Да, конечно, как ни заглянуть в небесный камень, что там внутри. Занимаются этим делом и у нас в институте. Но как мне кажется, это не стало абсолютно признанным фактом науки. Дело в том, что сами минералы на микроскопическом уровне себя проявляют по-разному морфологически. Они могут формировать нити, спирали, шарики и так далее.

Александр Костинский: Которые принимают за окаменелости из космоса.

Михаил Федонкин: Это может формироваться. Знаете, как говорят: экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств.

Александр Костинский: То есть пока подходы есть, наступление идет со всех сторон. Но пока, как говорил Остап Бендер, плодотворной дебютной идеи, которая бы могла решить партию, у нас пока нет.

Александр Марков: Дело в том, что там много проблем, путь от неорганического вещества до живой клетки, путь длинный, это не в один шаг делалось. И сейчас отдельные фрагменты этого на самом деле длинного пути воспроизводятся в эксперименте?

Михаил Федонкин: Вы знаете, мы сейчас со своим коллегой из Голландии как раз сдали статью в международный европейский журнал, она называется «Процесс происхождения жизни». Но есть другой, может быть более близкий пример. Когда гигантский нефтеналивной танкер собирается пересекать океан и заводитс свой мотор. Сначала заводится маленький моторчик, он раскручивается, потом вращательный момент переходит на следующий мото,р следующий начинает раскручиваться. Потом с помощью второго мотора заводит третий мотор. Потом наконец заводит тот самый гигантский огромный мотор, который и поведет этот танкер через океан. Проблему происхождения жизни нужно выстраивать так.

Александр Костинский: Систему моторчиков, которые раскручивали жизнь.

Михаил Федонкин: Но самое главное, что в этом процессе эти первые моторчики все еще работают. Водород как энергия, как источник энергии, как субстрат жизни, мне сейчас кажется наиболее привлекательной гипотезой.

Александр Костинский: То есть в действительности задача происхождения жизни оказалась одной из сложных задач, которая перед человечеством стоит. Надежда на то, что из неживой природы можно получить живую, есть, и все-таки ученые этот путь доказывают.

Михаил Федонкин: Этот путь сейчас привлекает большую часть специалистов. Когда говорят о панспермии, ведь это проблему все равно не решает, отодвигает. Поэтому при на удивлении большом количестве ученых, которые сейчас атакуют эту проблему, я думаю, что мы увидим успех в ближайшие десятилетия даже.