2.1. Образование Солнечной системы

Около 4.6 млрд лет тому назад газопылевая туманность, из которой затем сформировалась наша Солнечная система, вступила в фазу сжатия. Участившиеся столкновения пылевых частиц вызывали разогрев материи особенно в более плотных центральных областях. Поначалу тепло свободно излучалась в пространство. Однако по достижении достаточно высокой плотности отток тепла оказался затрудненным, а затем почти прекратился. Вследствие этого плотное ядро туманности, в котором из газов преобладал водород, стало разогреваться. Когда температура достигла нескольких миллионов градусов, началась реакция слияния ядер водорода, протекающая с выделением большого количества энергии. Хотя с повышением давления газов в центральной области туманности сжатие прекратилось, запущенная термоядерная реакция поддерживала высокую температуру плотного ядра – молодого Солнца.

Параллельно изменялась структура периферии туманности. Вследствие сжатия скорость ее вращения возрастала (при сохранении общего момента количества движения), и она трансформировалась в быстро вращающийся диск. При этом резко участились столкновения пылевых частиц, сорбировавших на себе газы и вещества, синтезированные в разогретой туманности. Сталкивавшиеся частицы слипались (происходила аккреция). Процесс аккреции шел крайне неравномерно, вследствие чего стали образовываться тела разного размера. Немногие тела достигли крупных размеров. На завершающих этапах формирования этих тел – будущих планет – решающую роль сыграли силы гравитации: на протопланеты сплошным потоком падали более мелкие образования. При столкновениях выделялось тепло. Образовавшиеся в горниле термоядерного котла молодого Солнца и периодически выбрасываемые в окружающее пространство короткоживущие радиоактивные элементы сорбировались на пылинках и увеличивали разогрев укрупнявшихся тел.

На завершающих стадиях формирования планет их поверхность, в том числе поверхность прото-Земли, оказалась расплавленной. Когда материал для аккреции был в значительной степени исчерпан, начался процесс остывания планет. Анализ изотопного состава радиоактивных семейств в сохранившихся с тех пор минералах, занесенных на Землю как метеориты, позволил оценить минимальный возраст Солнечной системы в 4.5695 млрд лет (Baker et al., 2005). Реальность описанного выше процесса формирования Солнечной системы подтверждается современными астрономическими наблюдениями. Обнаружено много космических объектов, которые представляют собою звездные системы на разных стадиях формирования: от только приступивших к сжатию туманностей до быстро вращающихся дисков с молодой звездой в центре (Habing et al., 1999).

Медленное вращение многих зрелых звезд, в том числе нашего Солнца, связывают с присутствием планет, которые берут на себя часть момента количества движения системы. Именно эти наблюдения позволили с достаточной степенью уверенности описать поэтапно процесс формирования из газовой туманности нашего Солнца и обращающихся вокруг него тел. С другой стороны, исследование Солнечной системы изнутри позволяет представить структуру других планетных систем, т. к. основные принципы их формирования должны быть общими. А это означает, что внутренние (ближайшие к звезде) планеты – небольшие и плотные (как Земля), а внешние – большие и рыхлые (как Юпитер и Сатурн). Крупные планеты уже обнаружены около многих звезд. При этом использованы такие методы как фотометрия (определялось периодическое снижение яркости звезды при прохождении планеты перед диском звезды), допплеровская техника, позволяющая определять изменения скорости приближения или удаления звезды при ее движении по орбите, вызванные взаимодействием звезды с крупной планетой (или планетами). В разных звездных системах уже обнаружено около двадцати планет, подобных Юпитеру, и даже более крупных. До настоящего времени не удалось выявить планеты, по размерам близкие Земле, обращающиеся вокруг других звезд или вокруг крупных планет, хотя существует полная уверенность, что они присутствуют во многих звездных системах (Lissauer, 1999). Для обнаружения этих планет необходимо существенно повысить чувствительность аппаратуры, в том числе оптических и радиотелескопов. Усовершенствование спектральных методов позволит не только обнаружить подобные Земле планеты, но и непосредственно их исследовать, в частности провести анализ поверхности планет и их атмосферы. По мнению многих специалистов, новых открытий следует ожидать уже в течение ближайших десяти-двадцати лет. Однако в настоящее время могут быть исследованы только объекты Солнечной системы и, в первую очередь, сама Земля.

 

2.2. История ранней Земли. Образование Луны

Когда со времени образования Солнечной системы прошло около 100 млн лет, на поверхности первоначально расплавленной Земли стала образовываться твердая корка. Однако начавшийся было процесс формирования земной коры был прерван столкновением Земли с другой планетой, по массе близкой Марсу. В результате удара и вызванного мгновенным разогревом взрыва в космос было выброшено громадное количество вещества. Оно принадлежало, главным образом, планете-пришельцу, однако значительное количество вещества Земли также оказалось в космосе. Из этого материала сформировался наш единственный спутник – Луна, а на Земле осталась глубокая воронка, в которой впоследствии разместился самый большой и глубокий Тихий океан. Выделившееся при столкновении тепло было столь значительным, что поверхность Земли вновь оказалась расплавленной. Это произошло 4.45 млрд лет тому назад. (Newsom and Taylor, 1989). Предложена и несколько иная трактовка этого события (Asphaug et al., 2006). Согласно этой трактовке, тогда столкнулись две протопланеты (планетезимали). Именно при их столкновении и фактическом слиянии образовалась Земля, обращающаяся вокруг Солнца по почти круговой орбите. Тогда же из выброшенного в космос материала обеих протопланет сформировалась Луна.

Независимо от конкретных обстоятельств, приведших к образованию Луны, на этом событии в истории Земли следует остановиться более подробно. Луна оказала существенное влияние на поведение Земли и, как следствие, на ее климат. Столкновение с крупным телом и образование Луны вызвали наклон земной оси по отношению к орбите движения Земли вокруг Солнца. Именно этот наклон (около 23.5°) обусловливает смену времен года на нашей планете. От наклона земной оси зависит и климат в любом регионе планеты. Но воздействие среды – один из главных факторов, задающих направление эволюции живых существ. Первоначально Луна сформировалась очень близко от Земли – на расстоянии 20–30 тыс. км. В тот период Луна оказывала сильное возмущающее воздействие на атмосферу Земли и вызывала приливы сначала в расплавленной коре, а затем – в океанах и морях. В тот период Земля вращалась вокруг своей оси значительно быстрее, чем ныне: длина суток составляла около 6 часов. Приливные явления, создавая трение, замедляли вращение Земли, увеличивая длину суток. Вследствие этого (для сохранения момента импульса системы) Луна стала удаляться от Земли. Сейчас она находится на расстоянии около 380 тыс. км и продолжает удаляться со скоростью 3.5 см в год. 4 млрд лет тому назад Луна успела удалиться на 140 тыс. км, и ее воздействие на Землю перестало быть экстремальным.

Согласно преобладающим ныне представлениям, глобальное плавление коры в истории Земли происходило, как минимум, еще один раз. В отличие от всех событий, происходивших на Земле ранее, это происшествие “документировано” благодаря появлению Луны, которая быстро растеряла свою первоначальную атмосферу. Вода также испарилась, по крайней мере, из поверхностных слоев. Благодаря этому на Луне почти с самого ее возникновения не было ветровой и водной эрозии, и самые древние детали рельефа, близкие по возрасту самой Луне, сохранились до наших дней. Наблюдение систем перекрывающихся лунных кратеров и лавовых потоков, а также анализ доставленных на Землю проб лунного грунта позволили установить, что сильнейшие метеоритные ливни обрушились на Луну 4.1–3.8 млрд лет тому назад (Maurer et. al., 1978; Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005). Судя по кратерам, размеры некоторых метеоритов превышали 10 км. Однако центр тяжести системы Земля-Луна находится в Земле. Поэтому основные потоки метеоритов принимала на себя Земля. Согласно подтвержденной расчетами гипотезе, в тот период происходили выплескивания материала астероидного пояса, вызванные нарушениями орбитального движения планет-гигантов (Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005; Tsiganis, 2005). По мнению некоторых авторов, в этот период кора Земли вновь расплавилась, а уже существовавший до того океан испарился (Chyba, 1993; Wilde, 2001). Эти сведения из ранней истории Земли имеют прямое отношение к вопросу о возникновении жизни на Земле, т. к. вызванное сильнейшим разогревом (до тысячи градусов и более) плавление коры каждый раз приводило бы к ее стерилизации. Если на Земле ранее уже были осуществлены какие-то шаги на пути становления жизни, т. е. были синтезированы сложные органические соединения или даже присутствовали живые организмы, то после очередного стерилизующего события все должно было начинаться сначала. Принято считать, что линия жизни на Земле, продолженная до наших дней, могла иметь начало не ранее 3.9–3.8 млрд лет тому назад, ибо именно с тех пор тотального плавления земной коры не было ни разу. Этот срок обозначен геологами на основании исследования древнейших скальных пород как вулканического, так и осадочного происхождения, выходы которых обнаружены на разных континентах: в Гренландии, Австралии, Южной Африке, Восточной Сибири. Метод определения возраста минералов основан на количественном определении газообразных продуктов радиоактивного распада, накапливающихся в толще минерала. Из расплава эти продукты улетучиваются, и отсчет возраста минерала начинается после его затвердевания. Подходящим для такого исследования является семейство 40K (К-захват) → 40Ar. Период полураспада 40K составляет 1.3×109лет. Определение содержания в минерале инертного газа 40Ar относительно 40K позволяет определить время, прошедшее после последнего плавления минерала. Именно так, по возрасту самых древних минералов, был определен промежуток времени после последнего глобального плавления Земли – почти 4 млрд лет.

К тому времени в центральной области Земли сформировалось расплавленное железо-никелевое ядро, в котором, по последним данным, присутствуют и силикаты (Elliott, 2007). Его окаймляет расплавленная мантия, образованная, главным образом, силикатами, окислами металлов, базальтами и насыщенная разнообразными газами. Затвердевшая кора 4 млрд лет тому назад была тоньше нынешней. Присутствующая в верхних слоях мантии магма во многих местах прорывала кору и разливалась на поверхности. Вместе с лавой наружу прорывались газы, которые формировали раннюю атмосферу Земли. Представлять как можно точнее состав ранней атмосферы принципиально важно для правильного направления рассуждений о химических реакциях, протекавших тогда в атмосфере, и, в первую очередь, о синтезах органических соединений, которые являлись необходимыми стадиями формирования среды, в которой могла появиться жизнь.

 

2.3. Атмосфера ранней Земли и ее роль в доклеточной эволюции

Самым распространенным элементом во Вселенной является водород. В газово-пылевой туманности, из которой сформировалась Солнечная система, также преобладал водород. Поэтому естественной была гипотеза Опарина и Юри о преобладании в ранней атмосфере Земли водорода. Это означало бы, что другие атомы и молекулы находились в максимально восстановленном состоянии. Так, металлы должны были существовать, в основном, в чистом виде, а не в форме окислов. В атмосфере преобладали бы соединения, богатые водородом: метан (CH4), аммиак (NH3), сероводород (SH2). В присутствии паров воды восстановительная атмосфера благоприятна для синтеза сложных органических соединений. В источниках энергии, необходимой для осуществления реакций, также не было недостатка. Благодаря отсутствию в атмосфере свободного кислорода (и, соответственно, озона) она не являлась препятствием для интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца, которое практически без потерь достигало поверхности Земли. Другими источниками энергии были мощные разряды атмосферного электричества, потоки ионизирующих частиц с Солнца и из дальнего космоса и, наконец, тепло, доставлявшееся раскаленной лавой, горячими источниками, все еще многочисленными метеоритами, энергия торможения которых освобождалась в форме тепла. По идее Опарина и Юри образовавшиеся в атмосфере органические вещества накапливались в водоемах (“первичный бульон”). Юри и Миллер первыми поставили эксперименты, моделирующие процессы, которые могли идти на ранней Земле в описанных выше условиях (Miller and Urey, 1956; Miller, 1986). Они пропускали электрические разряды через обладающую восстановительными свойствами смесь газов в герметически закрытой колбе, снабженной электродами. В смеси обычно присутствовали водород, метан, аммиак, пары воды и др. Продуктами реакций оказались формальдегид, аминокислоты, жирные кислоты и даже более сложные соединения. Расчеты показали, что благодаря высокой эффективности синтеза органических соединений в атмосфере подобного состава в течение нескольких миллионов лет на Земле могло накопиться достаточно разнообразной органики для образования концентрированного “первичного бульона”, что позволило бы осуществиться взаимодействиям, ведущим к образованию еще более сложных молекул, в том числе полимеров. Первоначально образование коротких белковых молекул (пептидов) в смеси аминокислот удалось надежно зафиксировать лишь при использовании повышенной температуры (110–120 °C) в безводной среде (Fox and Middlebrook, 1954). Осуществление процесса в безводной среде обусловлено тем, что при образовании пептидной связи освобождается молекула воды. Поэтому в соответствии с законом действующих масс в водной среде равновесие реакции смещено в сторону разрыва связи, сопровождающегося связыванием молекулы воды (гидролиз). Однако позже было показано, что при ориентированной сорбции реагентов на твердой поверхности реакции, в том числе образование пептидной связи, осуществляются в значительно более мягких условиях. Большое значение могло иметь присутствие веществ, способных связывать воду, как карбодиимид, цианоген и др. Недавно был продемонстрирован способ образования пептидов из аминокислот в присутствии карбонил сульфида (COS). Примечательно, что этот процесс эффективен в водной среде при комнатной температуре (Leman et al., 2004). Авторы подчеркивают, что COS является распространенным вулканическим газом, и, следовательно, этот процесс мог осуществляться в предбиологический период вблизи выходов лавы и горячих источников, а также на океаническом дне. В целом модельные эксперименты подтвердили практическую осуществимость химической эволюции, т. е. добиологического образования сложных органических молекул, из которых и могли быть сформированы первые живые организмы. Только позже, уже в ходе клеточной эволюции по мере освоения клетками все более сложных органических синтезов необходимость в поступлении соответствующих продуктов из среды отпала.

Однако со временем представление о составе, а следовательно, и свойствах ранней атмосферы Земли существенно изменилось (Kerr, 1980; Pace, 1991; Kasting and Ackerman, 1986). Поводом для такого пересмотра явились результаты геохимического анализа древнейших осадочных пород, возраст которых 3.9–3.8 млрд лет. Эти породы в значительной степени сложены из известняков, что указывает на высокое содержание углекислоты (CO2) в атмосфере, достигавшее 70 %. Это значение многократно выше содержания CO2 в нынешней атмосфере. Таким образом, ранняя атмосфера Земли не обладала сильными восстановительными свойствами. На это указывает и присутствие в древнейших минералах окислов металлов (Summers and Chang, 1993). В образовании этих минералов мог участвовать кислород, освобождающийся при радиолизе воды, а также окись азота, образующаяся в атмосфере при электрических разрядах. Именно благодаря связыванию кислорода в окислах металлов он не накапливался в значительном количестве в атмосфере Земли. Модельные эксперименты показали, что под действием электрического разряда, ультрафиолетового излучения или других видов энергии в газовой смеси, модифицированной присутствием СО2 и кислорода, возникали разнообразные органические соединения, причем выходы их были сопоставимы с выходами в газовой смеси с сильно восстановительными свойствами (Schlesinger and Miller, 1983; Miyakawa et al., 2002). Однако остается много вопросов. Для эффективного протекания синтетических процессов концентрация реагентов должна быть достаточно высока (не менее 10-5 М, т. е. порядка 1018-1019 молекул в литре). Была ли достижима эта пороговая концентрация на ранней Земле при осуществлении синтезов в близких к нейтральным условиях? Следует также иметь в виду, что наряду с синтетическими процессами под действием тех же источников энергии должны были идти обратные процессы деструкции. Их интенсивность зависела от разных обстоятельств, которые полностью учесть невозможно. По современным оценкам на ранней Земле синтезировалось более 2 млн тонн формальдегида в год, что обеспечивало его концентрацию в “первичном бульоне” около 0.02 М. В значительном количестве поступал также цианистый водород и другие реакционно-способные соединения, что обеспечивало осуществление все более и более сложных синтезов в ходе химической эволюции (Taillades, et al., 1998).

Описанные выше результаты модельных экспериментов подтверждают принципиальную возможность сложных органических синтезов в предполагаемых на ранней Земле условиях, но не могут служить доказательством, что эти процессы действительно имели место. В древнейших осадочных породах аминокислоты, азотистые основания и другие сложные органические соединения не обнаружены. Однако это не доказывает отсутствие этих соединений в тот период, ибо из-за тепловых и других воздействий они могли не сохраниться. Тем не менее, весьма убедительные свидетельства присутствия этих веществ на ранней Земле получены. Упали они, в буквальном смысле этого слова, с неба. В 1969 году вблизи города Марчинсон в Австралии “приземлился” метеорит, имевший в поперечнике около 50 см. Марчинсонский метеорит принадлежит к углистым хондритам. Такое наименование обязано высокому содержанию в углистых хондритах углерода (30 %) и присутствию хондрул – зернистых структур, образованных, главным образом, силикатами, но содержащих также окислы и соли металлов. Углистые хондриты богаты водой (до 20 %). Они являются древнейшими минералами Солнечной системы: радио-изотопные методы показывают, что их возраст около 4.6 млрд лет. Следовательно, они образовались в период формирования планет (McSween 1989). В Марчинсонском метеорите, в других метеоритах этого типа был обнаружен широкий набор аминокислот, а также азотистые основания, сахара, жирные кислоты, другие сложные органические соединения, в том числе порфирины (Pizzarello, 2004; Meierhenrich et al., 2004). Принятые меры предосторожности полностью исключили возможность заноса продуктов жизнедеятельности земных организмов. К тому же в земных организмах отсутствуют некоторые аминокислоты и другие органические вещества, обнаруженные в метеоритах. Многие из них получены в модельных экспериментах, о которых говорилось выше, хотя набор “космических” аминокислот богаче, и в нем присутствуют аминокислоты с более сложными боковыми группами. Воспроизведен также “космический” синтез как аминокислот (Nuevo et al., 2008), так и сложных гетероциклических соединений – предшественников порфиринов и других биологических кофакторов (Mierhenrich et al., 2005). Из самого факта обнаружения сложной органики в углистых хондритах, как и в материале комет, также образовавшихся в период формирования Солнечной системы, следует однозначный вывод: в газово-пылевой атмосфере молодого Солнца уже были осуществлены как ранние (т. е. использующие непосредственно газы атмосферы), так и дальнейшие стадии химической эволюции. Этот вывод подтверждается прямыми наблюдениями. Спектральный анализ показал, что в межзвездных газовых скоплениях присутствуют разнообразные органические вещества. Возможно, что часть органики, обнаруженной в метеоритах и кометах, была образована еще до формирования Солнечной Системы (Irvine, 1998; Busemann et al., 2006).

В результате слипания пылинок органика оказалась замурованной в минералах, а также во льду и замерзшей углекислоте. Сохранение в метеоритах сложных органических соединений в течение 4.6 млрд лет можно объяснить рядом факторов, в первую очередь низкой температурой, глубоким вакуумом, защищенностью от излучений в толще минерала. В ранних, да и в не очень ранних осадочных породах земного происхождения сложные органические вещества (аминокислоты, азотистые основания, сахара, липиды и др.), как таковые, не сохранились, т. к. не могли избежать деструкции и других химических превращений при земных температурах. Вследствие этого органика в земных минералах обнаруживается только в форме керогенов – конгламератов плохо растворимых органических веществ, в основном углеводородов.

Мы уже говорили о грандиозных метеоритных потоках, выпавших на Землю около 4.0 млрд лет тому назад. Многие исследователи считают, что углистые хондриты, преобладавшие в этих потоках, а также кометы, захваченные Землей, принесли значительную часть воды, присутствующей на планете. С этим же материалом на Землю попало много космической органики. Подсчитано, что практически весь ныне присутствующий на Земле углерод мог быть занесен из космоса именно в тот период (Pflug, 1984; Oro et al., 1990; Chyba and Sagan, 1992). Значительная часть органики, доставленной метеоритами, должна была подвергнуться пиролизу из-за разогрева при прохождении атмосферы и взрывном столкновении с Землей, поверхность которой, к тому же, могла быть расплавлена предыдущими столкновениями. Однако органика, выброшенная при взрыве в верхние слои атмосферы, могла сохраниться. Основной же приток органики на Землю мог идти с плавно оседавшей космической пылью (Raulin and Greenberg, 1997). Существенно, что пылинки размером до нескольких десятков микрон легко тормозятся практически без разогрева еще в верхних слоях атмосферы и надолго в ней задерживаются (Anders, 1989). Важным источником достигавшей Земли космической органики были кометы. 4 млрд лет тому назад засоренность межпланетного пространства разного калибра и состава “камнями”, в том числе кометами, была многократно выше, чем в наше время. Их газово-пылевые хвосты формируются из материала кометы, освобожденного благодаря таянию ледяной шубы и испарению твердой углекислоты при сближении кометы с Солнцем. В этом материале значительную долю составляет (и составляла) органика. Изрядно “похудевшие” кометы удалялись, а их хвосты рассеивались во внутренних областях Солнечной системы, пополняя запас космической пыли. Присутствие большого количества органики в материале комет доказано прямыми исследованиями кометы Галлея. В 1986 г. с нею сблизилась космическая станция Вега 1, с борта которой были проведены спектральные анализы. Тогда же были взяты пробы материала хвоста кометы. Оказалось, что значительную часть кометной органики составляют ненасыщенные углеводы, азот-содержащие (в том числе циклические) и другие весьма реакционноспособные соединения. Космическая пыль оседает на Землю непрерывно с момента ее появления. В наши дни ее приток составляет по одним данным 3 тыс. тонн в год, по другим – не менее 10 тыс. тонн в год. 10 % космической пыли составляет органика. 4 млрд лет тому назад запыленность околосолнечного пространства была в сотни раз больше. Соответственно, приток органики из космоса был многократно выше. (Chyba, 1993; Cooper, 2001; Llorca, 2004; Cockell and Bland, 2005).

Таким образом, если основываться на этом подходе, 4 млрд лет тому назад атмосфера Земли оказалась насыщенной разнообразной и реакционноспособной космической органикой, благодаря чему химическая эволюция могла развиваться независимо от того, успела ли накопиться органика местного происхождения. Очевидно, что в этом случае теряет остроту полемика о составе ранней атмосферы Земли, хотя свой вклад в химическую эволюцию могли внести и земные синтезы.

Изложенные выше представления об условиях, существовавших на ранней Земле, являются доминирующими, но не единственными. Соответствующей этим представлениям концепции нормально теплой ранней Земли (вода в океане – жидкость), временами раскаленной до плавления коры столкновениями с астероидами, противостоит альтернативная концепция нормально обледеневшей Земли, временами оттаивавшей благодаря столкновениям с астероидами. Во времена, о которых идет речь (4.4–4.0 млрд лет тому назад), светимость Солнца была ниже нынешней в начале этого срока на 40 %, а в конце – не менее чем на 30 %. Расчеты показывают, что в этих условиях даже при высоком содержании углекислоты и метана в атмосфере нормальным состоянием Земли было оледенение. Предполагается, что толщина ледяного покрова на океане могла составить 300 м (Bada et al., 1994). Достаточное для прекращения оледенения количество тепла могло быть выделено при столкновении Земли с крупным (размером около 100 км) астероидом или с дождем астероидов меньшего размера. Эти события в те времена происходили достаточно часто. Необходимость расплавить громадный массив льда снижала величину разогрева. В результате Земля избегала раскаленного состояния, но становилась теплой. За время оледенения подо льдом скапливались газы, поднимавшиеся от дна, где действовали термальные источники, происходили извержения и истечения лавы. Накопленные подо льдом газы поступали в потеплевшую атмосферу и вступали в химические реакции, производя разнообразные органические соединения. Углекислота и метан создавали парниковый эффект, продлевавший теплый период на Земле. Циклы глобальное оледенение – индуцированное потепление могли многократно повторяться, причем органические соединения, синтезированные в течение теплых периодов, сохранялись в холодные периоды оледенения и могли быть впоследствии использованы для получения более сложных соединений. Правдоподобность такого подхода подтверждается длительными глобальными оледенениями, действительно имевшими место около 2 млрд и 600 млн лет тому назад, т. е. в периоды, активно исследуемые геологическими и палеонтологическими методами. Каждое из них продолжалось многие миллионы лет, и выход в состояние теплой Земли был принудительным: помимо мощных импактов (столкновений с астероидами) называлась вулканическая активность. Окончательный выбор между гипотезами, моделирующими условия, существовавшие на ранней Земле, еще не сделан. Некоторые новые данные еще более обостряют полемику. Так, согласно Tian et al. (2005), водород, которого было очень много в первичной атмосфере Земли, убывал в сотни раз медленнее, чем следовало из данных других авторов, и, следовательно, восстановительная атмосфера “по Опарину” могла продержаться значительно дольше, чем полагают сторонники раннего формирования окислительной (бедной метаном и богатой окислами углерода) атмосферы. Но в таком случае синтезы сложных органических соединений в достаточном для этапа химической эволюции объеме могли быть в необходимый срок осуществлены на Земле без непременного участия космической органики (см., однако, Catling, 2006).

 

2.4. Возможные сроки осуществления доклеточной эволюции

Необходимо принять во внимание, что химическая эволюция, начавшись, как полагает большинство исследователей, не ранее 3.9 млрд лет тому назад, должна была привести к появлению клеточных форм жизни менее чем через 50 млн лет. Это ограничение накладывается обнаруженными недавно признаками существования жизни 3.8–3.85 млрд лет тому назад. Основанием для такого утверждения явилась повышенная доля легких изотопов углерода, железа и других элементов в древнейших обнаруженных осадочных породах, формирование которых относят именно к этому интервалу времени (Schidlowski, 1992, 1995; Mojzsis et al., 1996). Считается, что клеточная мембрана несколько более проницаема для легких изотопов. Это приводит к их более высокому содержанию в молекулах биологического происхождения по сравнению с молекулами, образованными небиологическим путем. Преобладание легких изотопов над тяжелыми в биологических молекулах незначительно. Так, для углерода С12/с13)биол. /(С12/С13)небиол. =1.01. Однако это превышение вполне регистрируемо. Принимая приведенные результаты, необходимо учитывать их предварительный характер. В частности, предстоит еще убедить оппонентов (van Zuilen et al., 2002; Fedo et al., 2006) в том, что исследованные породы действительно являются осадочными.

В настоящее время у исследователей нет единого мнения, достаточно ли было 10–50 млн лет для всей доклеточной эволюции. Многим этот срок кажется недостаточным. С другой стороны, Сидней Миллер и его коллеги полагают, что от начала химической эволюции до появления клеточных форм жизни могло пройти всего 5-10 млн лет (Lazcano and Miller, 1996). Аргументируя в пользу этого постулата, авторы обращают внимание на то, что синтезированные в ходе химической эволюции органические соединения были подвержены деструкции под действием тех же энергетических факторов, которые участвовали в их образовании. Поэтому медленно прогрессировавшие конгломераты (доклеточные образования) были обречены на инволюцию из-за деструкции составлявших их органических молекул. По этой логике вся доклеточная эволюция должна была пройти достаточно быстро, чтобы участвующие в ней конгломераты органических веществ успели превратиться в клетки – заключенные в малопроницаемую оболочку (мембрану) автономные образования, которые оперативно обновляют свой состав, захватывая вещества извне и осуществляя собственные синтезы. Накопив определенный избыток образующих их компонентов, клетки делятся на равноценные дочерние клетки. Именно эти присущие клеткам качества – обновление состава путем многократно ускоренных катализом синтезов и размножение делением – обезопасили их от гибели из-за спонтанной и индуцированной деструкции органических молекул. Весьма конкретный срок, отпущенный на всю доклеточную эволюцию, авторы выводят из предельного срока “жизни” органических молекул в Мировом океане. Согласно их концепции, вследствие циркуляции вод Мирового океана все присутствующие в нем молекулы в течение 10 млн лет обязательно попадают в зону извержения донных вулканов, где органика подвергается термическому разложению. Деструкция органических соединений при нагреве, действии излучений и по иным причинам безусловно имела место и оказывала существенное влияние на темп доклеточной эволюции, однако предложенное Миллером и коллегами обоснование отпущенного ими срока на доклеточную эволюцию не кажется убедительным. Кроме того, океан не был единственным местом, где различные мультимолекулярные комплексы “пытались” трансформироваться в клетки. Предпочтительным полигоном для таких попыток могла оказаться увлажненная твердая поверхность и запыленная влажная атмосфера. К этому вопросу мы еще вернемся. Здесь лишь отметим, что большую роль в темпе доклеточной эволюции имела эффективность нуклеации, т. е. частота зарождения мультимолекулярных комплексов, претендующих на превращение в клетки. В зависимости от многих обстоятельств (эффективности предшествовавших этапов химической эволюции, пространства, доступного для формирования и развития этих комплексов и др.) число этих центров могло бы отличаться на много порядков. Соответственно и сроки, основанные не на конкретном знании, а на предположениях, могут в интерпретации разных авторов кардинально отличаться.

Выше мы придерживались наиболее распространенной версии о начале на Земле эволюции (в первую очередь, химической) около 3.9 млрд лет тому назад, когда на поверхности планеты установились, наконец, благоприятные для того условия. Однако, если не ограничиваться представлением, что жизнь могла зародиться и поддерживаться только на поверхности планеты, то открываются дополнительные ниши, где процессы доклеточной эволюции могли начаться значительно раньше. Это глубины океана и достаточно удаленные от поверхности слои атмосферы. Есть основания полагать, что глубинные области океана не подвергались испарению даже при самых сильных катаклизмах. Там, в придонных участках вблизи выходов горячих газовых струй и извержений подводных вулканов возникли благоприятные условия для процессов, ведущих к становлению жизни (Maher and Stevenson, 1988; Ferris, 1992). Существенным фактором в этих придонных процессах могло стать давление, создаваемое столбом воды высотою несколько километров, смещающее равновесие в химических реакциях в сторону синтеза, в том числе полимеризации.

Несколько позже было обращено внимание на атмосферу Земли как еще один резервуар, в котором могли осуществляться не только ранние органические синтезы, но и сложные процессы предбиотической эволюции (Woese, 1979; Oberbeck et al. 1991). В атмосфере в большей степени, чем в других резервуарах, были доступны все упоминавшиеся выше источники энергии: электрические разряды, тепло, исходящее от Солнца, а также от раскаленной поверхности Земли, ионизирующее и ультрафиолетовое излучения, поступающие из космоса, главным образом от Солнца. Вулканические извержения и метеоритные взрывы пополняли атмосферу газами, влагой, распыленными минералами. Кроме того, как уже обсуждалось выше, значительное количество минеральной пыли и реакционно-способной органики поступало в атмосферу из космоса. На достаточном удалении от поверхности устанавливался благоприятный режим для органических синтезов и других эволюционно значимых взаимодействий. Восходящие потоки тепла и газов поддерживали взвешенные частицы и капли влаги на удалении от поверхности. Реакционно-способные соединения, синтезированные из газов, и органические молекулы, проникающие в атмосферу из космоса, скапливались в капельках влаги, размеры которых не были постоянными. Перемещаясь в нисходящих и восходящих потоках, они могли уменьшиться вплоть до полного высыхания, когда оказывались в нижних (горячих) или в верхних сильно разреженных слоях атмосферы, а затем, вернувшись в насыщенные влагой слои, вновь увеличивались в размерах, обогащались реагентами, в том числе аминокислотами, и цикл повторялся. Эти метаморфозы могли иметь принципиальное значение. При вызванном испарением уменьшении размеров капель содержавшиеся в них вещества концентрировались в десятки и сотни раз. Благодаря этому существенно ускорялись синтетические процессы. Присутствовавшие в каплях пылинки металлов, глин и других минералов не только предоставляли твердую поверхность для ориентированной сорбции реагентов, но благодаря выходу на поверхность определенных, в том числе заряженных, групп оказывались способными катализировать происходящие на их поверхности реакции (Бернал, 1969; Wachtershauser, 1988, 1994; de Duve and Miller, 1991). Важно отметить, что в условиях поверхностной сорбции могли быть осуществлены важнейшие процессы, практически невозможные в чисто водной среде. В первую очередь, это относится к образованию пептидных связей, соединяющих аминокислоты в цепочку, образующую белок (пептид), и фосфоэфирных связей, которые, возможно, формировали ранние автореплицирующиеся молекулы. Большое значение для прогресса доклеточной эволюции могли иметь акты дробления-слияния капель, внешне напоминающие акты деления-слияния клеток, когда осуществляется перераспределение материала, возрастает многообразие синтетических процессов и, соответственно, их продуктов. Если реакции синтеза преобладали над деструкцией, атмосфера обогащалась все более сложной, в том числе полимерной, органикой, сгруппированной в разнообразные комплексы на поверхности пылевых частиц. Очевидно, что достаточно прочная сорбция на поверхностях, выполнявших функции концентратора и катализатора, могла происходить только при умеренной температуре. На этом основании Бада и Лазкано выступили против широко распространившихся представлений о зарождении жизни вблизи придонных горячих источников и вулканов (Bada and Lazcano, 2002). Однако необходимые для зарождения жизни процессы могли осуществляться на некотором удалении от источников тепла (см. Borgeson et al., 2002).

Около 3.9 млрд лет тому назад, когда затвердела кора и температура поверхности стала ниже 100 °C, значительная часть атмосферной влаги пролилась ливнями, заполнив океанические выемки. Вместе с водой в океаны и на поверхность переместилась синтезированная в атмосфере органика. Эта органика вместе с органикой, поступавшей непосредственно из космоса, явилась как бы затравкой для процессов, продолжившихся на окончательно застывшей поверхности Земли и в уже не подвергавшихся тотальному испарению океанах. Предположение о существовании в периоды глобального плавления земной коры ниш, в которых сохранялась возможность продолжения и развития эволюционных процессов, позволяет увеличить допустимый срок доклеточной эволюции на Земле до 500 млн лет. Такой срок предполагает, что эволюционный процесс мог быть инициирован еще в период формирования Солнечной системы и с тех пор никогда не прерывался. В связи с этим отметим еще одну достаточно изящную гипотезу сбережения земной жизни на период, когда обрушившийся на планету метеоритный ливень плавил кору и испарял океан: клетки и их споры могли сохраниться в материале, выброшенном в космос при импактах (Gladman et al., 2005). Расчеты показали, что значительное количество этого грунта, в итоге, возвращается на Землю, причем пребывание в космосе какой-то его части может оказаться достаточно длительным для того, чтобы замурованные в грунте клетки вернулись на Землю уже после восстановления на ней совместных с жизнью условий.

 

2.5. Возможные пути предклеточной эволюции

Было бы большим упрощением полагать, что описанная выше химическая эволюция, в ходе которой накапливались все более сложные органические соединения, непосредственно предшествовала клеточной эволюции, т. е. появлению жизни. На самом деле следует выделить предклеточный этап эволюции, в ходе которого формировались квазиживые комплексы.

В этих комплексах главным компонентом были полимерные молекулы, способные к воспроизводству путем авторепликации (Paul and Joyce, 2004). Известные нам автореплицирующиеся молекулы воспроизводятся не непосредственно, а через комплементарную (структурно дополнительную) реплику, т. к. комплементарные звенья взаимодействуют значительно более эффективно, чем идентичные (принцип комплементарного узнавания). При комплементарном синтезе к концу растущей цепи подключается мономер, несущий матричный элемент, комплементарный матричному элементу соответствующего звена родительской цепи, играющей роль полимерной матрицы. Новые цепи однозначно соответствуют родительским цепям, но не идентичны, а комплементарны им. Только при следующем раунде репликации, при котором в качестве матриц выступают комплементарные элементы дочерней цепи, воспроизводится комплементарная комплементарной, т. е. исходная последовательность звеньев, после чего цикл повторяется вновь и вновь. В современных клетках принцип комплементарного узнавания используется при репликации нуклеиновых кислот: молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК) (Бреслер, 1963; Албертс и др., 1994). При этом автореплицирующимися являются молекулы ДНК, а все типы клеточной РНК синтезируются по ДНК (исключение составляют автореплицирующиеся РНК вирусов). Только у вирусов имеет также место обратный процесс: синтез ДНК по РНК. Матричными элементами в звеньях нуклеиновых кислот служат азотистые основания, принадлежащие классу гетероциклических соединений. За небольшими исключениями в современной живой природе используются две пары комплементарных друг другу оснований: гуанин – цитозин и аденин – урацил (в ДНК, как правило, вместо урацила используется тимин).

Однако представляется маловероятным, что ранними самовоспроизводящимися структурами были молекулы ДНК или РНК. В модельных экспериментах среди продуктов органических синтезов сахар рибоза встречается значительно реже других сахаров (Shapiro, 1984, 1988), и тем более редки нуклеозиды с “правильным” подключением к рибозе азотистого основания (в первом положении). С другой стороны, непосредственные объекты комлементарного узнавания, азотистые основания, вполне могли накапливаться в ходе органических синтезов в ранней атмосфере Земли. Уже в первых модельных экспериментах было показано, что аденин, а также другие пурины могут быть получены из циановодородной кислоты (HCN) (Oro, 1961; Ferris and Hagan, 1984; Borquez, 2005). Также присутствовавший в ранней атмосфере Земли цианоацетилен мог послужить исходным продуктом для образования пиримидинов цитозина и урацила (Miller 1986; Ferris and Hagan, 1984). Несмотря на то, что высказано сомнение в реальности пребиотического синтеза цитозина (Shapiro, 1999), многие авторы сходятся во мнении, что азотистые основания с самого начала входили в состав мономеров, из которых формировались цепные молекулы, обеспечивая авторепликацию этих молекул по принципу комплементарного узнавания. Последовательности азотистых оснований в автореплицирующихся молекулах, как и ныне, служили для записи и сохранения наследственной информации. Принято считать также, что звенья были ациклическими и ахиральными (не обладавшими оптической активностью) аналогами нуклеотидов. Однако нет единого мнения о возможной структуре скелетной части звеньев и, соответственно, о природе связей, объединяющих их в цепной молекуле. В настоящее время рассматриваются две основные концепции. Согласно одной из них, в ранних автореплицирующихся молекулах звенья соединялись, как и в нуклеиновых кислотах, фосфодиэфирными связями. Они могли быть сконструированы на основе гликоля, акролеина и других молекул, которые можно рассматривать как ациклические предшественники рибозы (Joyce and Schwartz, 1987; Schwartz, 1997; Zhang et al., 2005). Согласно другой концепции, звенья соединялись амидной связью подобно аминокислотам в белке. Мономерами в этом случае служили аминокислоты, у которых в качестве боковых групп были азотистые основания. Полимерные молекулы этого типа получили название пептид-нуклеиновых кислот (peptide nucleic acid, PNA). Их можно было бы также назвать “информационные пептиды”. Такие молекулы получены в лаборатории (Nielsen et al. 1991; Nelson et al., 2000; Fader and Trantrizos, 2002), что свидетельствует о реальности их синтеза в ходе химической эволюции. Матричный синтез цепи ПНК по комплементарной ПНК также осуществлен экспериментально. Более того, оказалось, что в качестве комплементарной матрицы при синтезе ПНК можно использовать цепь РНК и, наоборот, РНК может быть синтезирована по ПНК (Bohler et al. 1995). Последний факт представляется весьма существенным для эволюции. Он показывает, что при переходе по мере развития клеточных синтезов от простейших автореплицирующихся молекул к более совершенным структурам могла иметь место преемственность генетических свойств, информация о которых зашифрована в последовательности азотистых оснований. Аналогичными свойствами обладают также гликоль-нуклеиновые кислоты (Zhang et al., 2005). Мы не знаем, какой именно вариант структуры автореплицирующихся молекул был реализован при зарождении жизни. Возможно, параллельно функционировали несколько таких структур (Wu and Orgel, 1991). Главное, что упомянутые выше автореплицирующиеся структуры действительно могли возникнуть в ходе химической эволюции.

Независимо от того, какие автореплицирующиеся и иные структуры функционировали в предбиологическом мире, проблема катализа их синтеза сохраняет актуальность. Явление поверхностного катализа реакций полимеризации привлекло внимание исследователей как пока единственное научно правдоподобное объяснение добиологического образования белков и автореплицирующихся молекул. В качестве минералов-катализаторов особое внимание исследователей привлекли каолин (глины) (Cairns-Smith, 1985), пирит (FeS2) (Keller et al., 1994), сульфид железа (FeS) (Wachtershauser, 1988; Huber, 2003; Martin and Russell, 2003). Поверхность этих минералов несет слабый положительный заряд. Такой заряд оттягивает электроны сорбированных на поверхности молекул. Благодаря этому ослабевают внутримолекулярные связи и повышается реакционноспособность молекул (иными словами, как при любом катализе, понижается энергия активации химических реакций). Кроме того, молекулы, сорбированные на поверхности, могут блуждать по ней, как бы подыскивая партнеров по взаимодействию. Сорбированная на поверхности твердого тела вода находится в связанном состоянии, что снижает ее вовлеченность в химические процессы. Благодаря этому процессы конденсации должны проходить эффективнее, чем в водной среде. К таким процессам относятся образование пептидной и фосфоэфирной связей, т. е. синтез белков и автореплицирующихся молекул. Действительно, на взвешенных в водном растворе аминокислот частицах коллоидных комплексов сульфидов железа и никеля в присутствии окиси углерода (CO) были синтезированы пептиды (Huber and Wachtershauser 1998, 2006). Важно отметить, что процесс осуществлялся в относительно мягких условиях (при температуре около 100 °C и нейтральных значениях pH). Такие условия считаются типичными для Земли 4–3.9 млрд лет тому назад. Не исключено, что предшественниками при синтезе пептидов были не сами аминокислоты, а присутствовавшие в большем количестве модифицированные предшественники (Taillades, 1998).

Энергия, необходимая для образования пептидной связи, как и для других реакций, могла доставляться не только теплом, но также уже упоминавшимися другими источниками: УФ-излучением и электрическими разрядами. (Dickerson 1978). Под действием тех же источников синтезировались соединения, сами способные быть донорами энергии. Это могли быть неорганические пирофосфаты (Baltscheffsky and Baltscheffsky 1994), которые образуются, в частности, из вулканической магмы при распаде P4O10 (Yamagata at al. 1991), а также полифосфаты и органические макроэргические соединения (Kulaev, 1979; Westheimer, 1987).

Осуществление добиологических синтезов на поверхности минералов позволяло решить сразу несколько, как казалось не решаемых вне клетки, проблем: концентрирование реагентов в зоне реакции, катализ, сдвиг равновесия в сторону полимеризации. Еще одно важное качество осуществленных на поверхности синтезов: их продукты остаются на какое-то время в контакте с поверхностью и друг с другом. В формировавшихся на поверхности комплексах автореплицирующиеся молекулы (предшественники РНК и ДНК), пептиды и другие молекулы, в том числе способные запасать энергию, вступали во взаимодействия, воспринимаемые как зачаток метаболизма. Ключевым этапом раннего метаболизма могла стать организация взаимодействий, обеспечивших установление элементов обратной связи, когда определенный продукт способствует синтезу другого, а этот последний стимулирует образование первого. Особое значение имело установление такой связи между пептидами и автореплицирующимися молекулами. Пептиды, несмотря на небольшие размеры, уже могли играть роль катализатора. В частности, синтезированный в лаборатории дипептид гистидил-гистидин проявил способность катализировать как синтетические процессы, так и гидролиз (Shen et al., 1990). Поэтому предположение, что пептиды (белки) могли быть в числе самых ранних участников предбиологической эволюции и об участии пептидов в образовании автореплицирующихся молекул вполне оправдано, тем более, что аминокислоты, из которых формируются пептиды, могли быть образованы, как и азотистые основания, из HCN (Oro and Kamat, 1961; Oro and Guidry, 1961).

Другой элемент обратной связи – контроль образования пептида со стороны автореплицирующейся молекулы. Можно предположить, что аминокислотная последовательность пептида определялась прилегавшими друг к другу элементами автореплицирующейся молекулы, которые связывали и определенным образом ориентировали соответствовавшие им аминокислоты (применительно к РНК см. Раздел 3.2). В образовании связей между аминокислотами могли участвовать элементы тех же автореплицирующихся молекул. Это предположение основывается на недавно подтвержденных данных, свидетельствующих, что в современном мире, в котором, казалось бы, безраздельно господствуют ферменты белковой природы, роль фермента, осуществляющего в рибосоме присоединение очередной аминокислоты к концу растущей белковой цепи, выполняет элемент рибосомной РНК (Nissen et al. 2000). Эти экспериментальные данные, полученные на РНК, косвенно подтверждают предположение, что способностью контролировать аминокислотную последовательность и сам синтез пептидов могли обладать и более ранние, не дошедшие до нас, автореплицирующиеся молекулы.

В последние годы как модели ранней (неферментной) авторепликации нуклеиновых кислот рассматриваются различные матричные конструкции, химические катализаторы и т. д. В экспериментах по неферментной авторепликации нуклеиновых кислот, как и в биологических системах, используется принцип комплементарности. Экспериментально было установлено, что короткие фрагменты однонитевой ДНК могут ассоциировать с соответствующими им (гомологичными) участками биспиральной ДНК. В образовавшейся прерывной тройной спирали примыкающие друг к другу фрагменты могут быть воссоединены (легированы) с помощью N-цианимидазола. Аналогичным образом могут быть воссоединены фрагменты, находящиеся в составе прерывной биспирали (Li and Nicolaou, 1994; Sievers and von Kiedrovski, 1994; Luther et al., 1998). Отметим, однако, что от воссоединения фрагментов до реального синтеза комплементарной нити ДНК или другой автореплицирующейся молекулы из мономерных предшественников еще далеко. Тем не менее, механизм формирования протяженных цепных молекул путем скрепления коротких фрагментов мог быть полезным в добиологические времена и в ранних клетках при условии осуществления химического синтеза коротких фрагментов из мономеров (Sievers and von Kiedrovski, 1994; Luther et al., 2001). Сшивка фрагментов на матрицах позволяла ступенчато наращивать длину цепных молекул до размеров, позволявших молекулам выполнять их функции (в данном случае, информационные). Фактически, этот процесс можно рассматривать как самую раннюю и, естественно, примитивную форму генетической рекомбинации (Lehman, 2003). Механизм ступенчатого наращивания пептида путем соединения коротких цепочек на белковой же матрице также мог иметь место (Lee et al., 1996; Yao et al., 1998; Paul and Joyce, 2004). Образование примитивных клеток сделало автореплицирующиеся молекулы, а следовательно, и заключавшие их клетки предметами Дарвиновского отбора.

Идея о возможности неферментной авторепликации нуклеиновых кислот привела некоторых авторов к выводу о вторичности белков. Высказано предположение, что в РНК мире белков еще не было. Однако учитывая, что белки, как и нуклеиновые кислоты (скорее, аналоги нуклеиновых кислот), могли быть образованы в ходе химической эволюции, их участие в предбиологических и раннебиологических синтетических процессах представляется весьма вероятным.

Следует коснуться часто поднимаемого вопроса, каким образом и в какой степени в добиологические и раннебиологические времена при синтезе “биологических” полимеров, в первую очередь белков и нуклеиновых кислот, выполнялось правило единообразия оптических изомеров. Аминокислоты, составляющие белки, как и сахара, составляющие основу нуклеиновых кислот, обладают асимметрическим атомом углерода (все замещающие группы у этого атома разные), благодаря чему являются оптически активными (хиральными) веществами. Каждое из них присутствует в форме двух конформационных d– и l-изомеров (энантиомеров), вращающих плоскость поляризации света, соответственно, вправо и влево. Такие изомеры, будучи химически идентичны, не могут быть совмещены друг с другом подобно кистям правой и левой руки. Очевидно, что d– или l-изомеры не взаимозаменяемы в биологических полимерных молекулах (в том числе уже на этапе их синтеза), т. к. осуществление фермент-субстратной реакции и других форм межмолекулярных взаимодействий, требует точного соответствия позиций участвующих во взаимодействии групп. В клетке эта проблема решается, как правило, определенным образом: соответствующие ферментные системы синтезируют только l-изомеры (аминокислоты) или d-изомеры (сахар рибоза). Оговорка “как правило” не случайна, т. к. существуют и исключения. Известны не частые случаи, когда в определенной позиции пептида (например синтезируемого цианобактериями токсина) присутствует не l-, а d-изомер, синтез которого контролируют соответствующие ферментные системы. Такой пептид не кодируется непосредственно генетическим аппаратом клетки, и, соответственно, его синтез не осуществляется на рибосомах. В этих случаях кодируются образованные l-аминокислотами ферменты, которые обеспечивают синтез пептида с включенными в определенных позициях d-аминокислотами.

Принято считать, что при химических синтезах l– и d-формы аминокислот образуются в равных количествах (рацемическая смесь). В связи с этим возник вопрос, каким образом в предбиологических и ранних биологических системах при синтезе белка из рацемической смеси аминокислот отбирался только один оптический изомер. Современные данные вносят определенную ясность в эту проблему. Прежде всего, они не подтверждают предположение о строгой рацемичности присутствовавших на ранней Земле аминокислот. Установлено, что в космической органике, доставляемой, в частности, углистыми хондритами, некоторые аминокислоты в большей степени представлены l-энантиомерами (Bada, 1997; Pizzarello and Cronin 2004). Такую асимметрию связывают с круговой поляризацией (возможно, на кристалликах льда) космического ультрафиолетового излучения, являвшегося энергетическим компонентом при синтезе аминокислот как в атмосфере раннего Солнца, так и на Земле (Meierhenrich and Thiemann, 2004). Возможно, что незначительное преобладание l-аминокислот в “первичном бульоне” в период химической эволюции явилось причиной тому, что именно эта стереоформа была “выбрана” на Земле для конструирования клеточных белков. Не исключено, что в другой части Вселенной или даже нашей Галактики, где ультрафиолетовое излучение поляризовано в другом направлении, в смеси химически синтезированных аминокислот преобладают d-аминокислоты и, соответственно, клеточные белки образованы d-аминокислотами. По этой причине для нас тамошняя пища оказалась бы несъедобной.

Принципиально важный результат был получен Хитсом и Луизи (Hitz and Luisi, 2004). Авторы показали, что пептиды, полученные в водной среде из рацемата аминокислот, одержат значительное количество гомохиральных последовательностей (d– или l-). В той же работе продемонстрировано, что пептиды с гомохиральными последовательностями избирательно сорбируются на твердой поверхности. В случае даже незначительного преобладания в исходной смеси l-аминокислот (как, возможно, и на ранней Земле) среди гомохиральных пептидов в значительно большей степени преобладают пептиды, образованные l-звеньями (эффект усиления). Другие авторы (Saghatelian et al., 2001) показали, что специально сконструированный 32-звенный пептидный репликатор, используя рацемическую смесь пептидных фрагментов, осуществляет селективный процесс конденсации, в результате которого образуются гомохиральные продукты. Недавно было обнаружено, что аминокислота серин образует восьмичленные гомохиральные кластеры, которые могли формироваться и в пребиотические времена. Их взаимодействие с другими структурами также было стереоспецифичным (Nanita and Cooks, 2006).

Выше было отмечено, что процесс полимеризации мог происходить не в гомогенной среде, а при сорбции реагентов (в данном случае аминокислот) на твердой поверхности. Их взаимодействие с поверхностью ослабляет существующие связи, катализируя тем самым образование новых связей. Необходимый для осуществления химической реакции тесный контакт наращиваемого конца пептида с присоединяемой аминокислотой в условиях сорбции на твердой поверхности может быть обеспечен при определенной взаимной ориентации сорбированных реагентов, что может быть обеспечено их гомохиральностью. Имея в виду некоторое преобладание l-аминокислот в “первичном бульоне”, следует заключить, что хиральность большей части пептидов, синтезированных на твердой поверхности, должна была оказаться l-типа. Таким образом, существенное преобладание монохиральных пептидов (белков), сформированных из l-аминокислот, могло существовать уже на этапе химической эволюции. В клетках эта специфика закреплена ферментативным синтезом l-аминокислот. Нельзя исключить, что на ранних этапах клеточной эволюции, когда синтез пептидов стали контролировать автореплицирующиеся молекулы, отбор изоформ мог осуществляться при связывании и ориентировании аминокислот элементами этих молекул. Действительно, связывающие аминокислоты петлевые элементы РНК распознают не только саму аминокислоту, но и ее конформацию, связывая преимущественно l-аминокислоты (Geiger et al. 1996).

Таким образом, в своей совокупности идеи поверхностного катализа, удержания синтезированных молекул в состоянии сорбции, формирования из этих молекул ансамблей с зачатками самоорганизации позволяют представить, как мог осуществляться принципиально важный этап предклеточной эволюции, а также переход к ранним клеткам.

 

2.6. Признаки, отличающие живое от неживого; ранние клетки

Пылинку, которая несла ансамбль, составленный автореплицирующимися молекулами, пептидами и другими молекулами, необходимыми для поддержания и активизации синтетической активности, можно рассматривать как двумерную (плоскую) квазиклетку. При накапливании избыточного количества синтезированных полимерных и других молекул часть их съезжала с пылинки и вновь сорбировалась на свободной поверхности, где синтезы возобновлялись. Так происходило размножение квазиклеток. Однако когда-то должен был произойти переход к образованиям, более близким настоящим клеткам, в которых метаболирующий комплекс органических молекул окружен полупроницаемой оболочкой, пропускающей внутрь необходимые для поддержания метаболизма вещества, но изолирующей от среды и от других клеток продукты клеточных синтезов. Получены данные, свидетельствующие, что формирование такой мембраны могло быть стимулировано самой минеральной частицей, несущей мультимолекулярный комплекс (Hanczyc et al., 2003). Только с появлением изолированных ансамблей могла быть запущена эволюция по Дарвину, в основе которой лежит естественный отбор. Ранее такой отбор был невозможен, т. к. новые удачные продукты или полезные модификации уже присутствовавших ранее продуктов при появлении в открытой системе, каковою является поверхность пылинки, могли эту поверхность покинуть и присоединиться к другой “квазиклетке”, т. е. стать достоянием всех, что препятствовало конкуренции и отбору. В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию. При комплементарной репликации информационной (автореплицирующейся) молекулы произошло подключение некомплементарного звена (мутация). Вследствие изменения состава информационной молекулы изменилась также ее конформация, благодаря чему оказались изменены матричные свойства этой молекулы при образовании контролируемого ею пептида. Измененный вследствие этого пептид приобрел новые качества, которые позволили ему лучше справляться с выполняемой функцией – активизацией комплементарной репликации информационных молекул. Вследствие открытости системы пептиды, синтезированные на модифицированной матрице, могли рассеиваться и присоединяться к другим поверхностным ансамблям. В этих ансамблях репликация немодифицированных информационных молекул оказывалась активированной так же, как в ансамбле, породившем измененный пептид. Эта “филантропия” не позволяла осуществиться в полной мере конкуренции и проявлению преимуществ мутировавшего ансамбля, т. е. отбору. Образование оболочки, препятствовавшей выходу в среду синтезированных в ансамбле продуктов, коренным образом меняло ситуацию. С этих пор все изменения в структуре информационных молекул, как благоприятные, так и неблагоприятные, работали на пользу или во вред только своей клетке.

В рассуждениях об эволюции мы достигли этапа, когда необходимо ввести определение, чем же отличается живое от неживого, т. е. попытаться ответить на вопрос, что есть жизнь.

Одно из первых, если не первое, научное определение жизни в 60-е годы 19-го века дал Фридрих Энгельс, заявивший: жизнь есть форма существования белковых тел. Представления, сформулированные через 80 лет известным физиком Эрвином Шредингером в книге “Что такое жизнь?”, мало отличаются от представлений Энгельса. Шредингер, как и Энгельс, приписывал белку все основные функции в клетке, в том числе наследственные. Однако специалистам уже была известна работа Эвери и его сотрудников, опубликованная в 1944 г. (Avery et al., 1944). В экспериментах по переносу наследуемых признаков у пневмококков авторы показали, что трансформирующим началом, а следовательно, веществом, обеспечивающим наследственные (генетические) свойства клетки, является ДНК, а не белки, как считалось ранее. Именно с этого момента началась многократно описанная гонка, завершившаяся в 1953 г. установлением Уотсоном и Криком биспиральной структуры ДНК (Watson and Crick, 1953a) и описанием ими же механизма полуконсервативной репликации ДНК (Watson and Crick, 1953b). Как следствие, в качестве живых были признаны системы, в которых “обязательными компонентами являются два важнейших класса биополимеров – белки и нуклеиновые кислоты” (Энгельгардт, 1984). Дальнейшие исследования в области эволюции клетки показали, что в ранних клетках нуклеиновым кислотам могли предшествовать менее сложно организованные носители наследственных свойств, также способные к полуконсервативной репликации (например, уже упоминавшиеся ПНК).

Поэтому в настоящее время предложено более общее определение живого, состоящее из трех положений: 1) Способность к самовоспроизведению, 2) Способность к размножению, 3) Способность к конкурентной эволюции. При этом подразумевается клеточная структура живого организма, пользующегося внешними источниками энергии и поступающими из среды исходными материалами для биохимических реакций.

Согласно приведенному определению, описанные выше делящиеся мультимолекулярные комплексы, которые отгородились от среды и других комплексов малопроницаемой мембраной, следует рассматривать как самые примитивные, но уже живые клетки.

 

2.7. Попытки моделирования примитивных клеток

В ранних работах о происхождении жизни была выдвинута идея предклеточных структур, существующих в водной среде в форме “микросфер” (Fox, 1965; 1991) и “коацерватных капель” (Опарин, 1966). Микросферы формировались из т. н. протеиноидов – белковоподобных веществ, образованных путем термической полимеризации наборов аминокислот. Несмотря на отсутствие липидов, микросферы ограничены похожей на мембрану структурой, формирование которой зависит от присутствия в протеиноидах звеньев с гидрофобными боковыми группами. При механических воздействиях микросферы дробились (делились), можно было также добиться их слияния.

Коацерватные капли конструировались из готовых белков, в том числе ферментов, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов, хлорофилла и других веществ, которые можно встретить в живой клетке. Показательно, что ферментативные реакции в коацерватных каплях протекали эффективнее, чем в окружающей среде. Накапливая материал, коацерватные капли увеличивались в размерах и делились. Однако реально коацерватные капли, конструировавшиеся из веществ, характерных для современных клеток, весьма далеки от ранних автореплицирующихся комплексов, которые по составу были намного примитивнее, но полностью воспроизводились в дочерних структурах.

В последние годы вновь проявился интерес к проблеме экспериментального изучения возможных свойств примитивных клеток. Этот интерес отразили конференции по искусственным формам жизни (для обзора см. Rasmussen et al., 2004). Здесь следует заметить, что самые ранние отпечатки клеток, обнаруженные к настоящему времени на Земле, возраст которых 3.5 млрд лет, принадлежат уже клеткам современного типа. Однако тонкие детали структуры этих клеток и, тем более, молекулярный состав практически неопределимы. Отпечатки предшествовавших им примитивных клеток вообще не найдены. Поэтому любые современные версии примитивных клеток, даже успешные, могут рассматриваться лишь как правдоподобные, но отнюдь не обязательно существовавшие структуры.

Предложены несколько вариантов моделирования примитивных клеток, которые соответствовали бы приведенному выше определению живого. Так, исследуются системы, содержащие пептид-нуклеиновую кислоту (ПНК) как относительно простой автореплицирую-щийся компонент. Предполагается, что автореплицирующиеся молекулы (протогены), принимая определенные конформации, смогут выполнять матричные и каталитические функции (например при синтезе пептидов). В системах присутствуют также пигментные комплексы, призванные обеспечивать их энергией позаимствованной у Солнца. Обязательным участником такой системы является мембрана, организующая все компоненты и изолирующая систему (клетку) от среды. Эта мембрана может быть образована липидами (см. Segre et al., 2001) или другими, способными образовать мембрану в водной среде, соединениями, например гетероциклическими, которые благодаря поступлению из космоса и локальным синтезам присутствовали в значительном количестве на Земле в период становления на ней жизни (Ehrenfreund et al., 2006). Основная задача исследователей – запустить в искусственно организованных клетках самоподдерживающиеся синтетические и другие процессы, которые обеспечили бы их рост и деление. В настоящее время разным группам исследователей удалось в липидном пузырьке осуществить отдельные синтезы, в частности экспрессировать определенные белки (Luisi et al., 2006), провести авторепликацию ПНК (Rasmussen et al., 2003). Возможность деления липидных пузырьков доказана экспериментально (Hanczyc and Szostak, 2004; Luisi et al., 2004). Однако еще предстоит сделать главное: наладить взаимозависимые синтетические и другие процессы, которые обеспечат воспроизводство содержимого пузырька и его деление с образованием двух полноценных структур, способных повторить цикл. По достижении этой цели метаболирующие пузырьки можно будет переименовать в искусственно полученные примитивные клетки. Очевидно, что в делящихся примитивных клетках отсутствовал механизм эквивалентного распределения автореплицирующихся молекул между дочерними клетками. Поэтому в клетке за период роста должны были пройти несколько циклов воспроизводства молекул, чтобы при делении вероятность их попадания в обе дочерние клетки была велика. Напомним, что именно таков механизм сохранения митохондрий в поколениях эукариотических клеток.

Собственные возможности ранних клеток были весьма ограничены. Их развитие должно было быть направлено, в первую очередь, на совершенствование автореплицирующихся молекул и ускорение их синтеза. Представляется маловероятным, чтобы в числе продуктов ранних клеточных синтезов были элементы клеточной оболочки. Тем более что эти элементы, каковыми могли быть жирные кислоты, липиды, “гидрофобные” пептиды, накапливались в среде как продукты химических реакций. Об этом свидетельствуют эксперименты, воссоздающие условия, которые могли существовать на ранней Земле. Среди продуктов были, в частности, обнаружены липиды фосфатидилхолин и фосфатидилэтано-ламин (Epps et al. 1978; Deamer, 1986). Эти липиды принадлежат к числу основных составляющих липидного бислоя, образующего стенки (мембраны) современных клеток. Для таких молекул характерно наличие гидрофильной головки и гидрофобного конца, образованного протяженными углеводородными цепочками. Липиды стремятся самоорганизоваться в бислой, обе поверхности которого гидрофильные, а внутренняя область, цементирующая бислой, сформирована из гидрофобных углеводородных цепочек. Там, где присутствовала влага, липидные бислои образовывали поверхностный слой, состоявший преимущественно из замкнутых микроструктур – везикул (пузырьков), внутренняя полость которых была заполнена водной средой. Везикулы могли захватывать приобретшие способность к метаболизму молекулярные ансамбли, формируя таким образом ранние клеточные структуры (Monnard and Deamer, 2002).

Липидная оболочка содержала разнообразные вкрапления, в частности пептиды, нарушавшие регулярность структуры бислоя, Эти вкрапления облегчали транспорт через мембрану веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки.

Примитивные клетки формировались не только на основе молекулярных ансамблей, “сползших” с создавшей их поверхности, но и сами каталитические пылинки могли оказаться включенными в клетки. В этом случае поверхностный катализ сохранялся в клетке, что существенно повышало ее возможности.

Предложена гипотеза, основанная на предположении, что липидные мембраны с самого начала были основой, объединившей “репликаторы” (нуклеиновые кислоты или их предшественники), катализаторы, пептиды. Конкуренция этих все усложнявшихся нуклео/ белково/липидных ансамблей приводила к отбору воспроизводившихся наиболее точно и быстро. Симбиотические взаимодействия (слияния) ускоряли эволюцию этих прото-организмов (Cavalier-Smith, 2001).

Естественно, ранние клетки не могли обеспечить регулярность клеточного деления, весьма сложного многоступенчатого процесса. Клеточное деление могло осуществляться при разрыве оболочки вследствие переполнения клетки синтезированными продуктами и при случайных механических повреждениях, например при попадании клетки в турбулентность.

Представляется очевидным, что жизнь клетки могла протекать только в водной среде, где черпались продукты, служившие клеткам питанием, и могла формироваться липидная оболочка. Электрический разряд и высокая температура, служившие важными источниками энергии при доклеточных синтезах в атмосфере, не могли быть столь же эффективно использованы обитавшими в водной среде клетками. Однако по-прежнему эффективным оставалось ультрафиолетовое излучение Солнца, свободно достигавшее поверхности Земли благодаря отсутствию в атмосфере свободного кислорода, а следовательно, и поглощающего ультрафиолетовое излучение озонового слоя (в значительном количестве кислород появился в атмосфере Земли через 1 млрд лет как побочный продукт фотосинтеза). Отсутствие свободного кислорода давало преимущество синтетическим процессам перед окислительной деструкцией, что было весьма существенным в тот ранний период эволюции, когда скорость синтетических процессов, в том числе полимеризации, была еще очень низка.

Синтезированные под действием ультрафиолетового излучения гетероциклические соединения (пирролы, имидазолы, индолы, азотистые основания, порфирины) могли перехватывать энергию видимого света и использовать ее на образование макроэргических соединений. На роль таких макроэргов, которые обеспечивали энергией синтетические процессы в ранних клетках, а возможно, и в предклеточных системах, прочат неорганические полифосфаты, в частности пирофосфат (Baltscheffsky and Baltscheffsky, 1994).