- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -

Лужа со снегом и черными камнями или современный взгляд на «теплый пруд Дарвина»

Лужа со снегом и черными камнями или современный взгляд на «теплый пруд Дарвина» - 1

Дисклеймер. КДПВ поставлена для красоты и не вполне реалистична – в период, описываемый в статье, елок на нашей планете еще не было.

Зарождение жизни как возникновение живого из неживого, то есть, как превращение химии в биохимию, является одним из интереснейших интерфейсов и рубежей между физикой и биологией. Несмотря на успехи в генной инженерии и синтетической биологии, пока не приходится ожидать скорого появления полностью синтетического организма. Некоторые успехи в этом направлении достигнуты – так, в 2017 году было объявлено [1] о создании полностью синтетической хромосомы для дрожжей. Также удалось создать полусинтетический [2] одноклеточный организм. Но вопрос о зарождении жизни на Земле по-прежнему сопровождается многочисленными оговорками и допущениями. Один из наиболее развернутых ответов на этот вопрос дан в книге Френсиса Крика «Жизнь как она есть [3]» (оригинал - 1981).

Оговорюсь, что в этой статье я обхожу вниманием авторитетную и научно обоснованную теорию, согласно которой первичным источником жизни на нашей планете могут быть черные курильщики – гидротермальные источники на дне океана. О биохимической составляющей черных курильщиков замечательно рассказано в этой [4] статье на Хабре. Экосистемы черных курильщиков создают некоторые важные предпосылки для образования клеточной жизни, в частности, располагают к образованию мембран [5]. Тем не менее, тщательное изучение этих экосистем позволяет заключить [6] (см. раздел «Hydrothermal vents» по ссылке), что в современных условиях органика в таких источниках гораздо активнее распадается, чем образуется, а безусловно гидротермальное происхождение можно доказать только для простейших органических соединений – этана и метана. Действительно, экосистемы черных курильщиков богаты специфической экстремофильной жизнью, но скорее демонстрируют пример адаптации бактерий к суровой экологической нише, чем представляют собой колыбель жизни.

Притом, что тема лабораторного синтеза живой материи, несомненно, заслуживает подробного рассмотрения, в этой статье я собираюсь подробно остановиться на последних данных в пользу гипотезы панспермии, то есть, свободного рассеивания в космосе органической и почти живой (пребиотической) материи, носителями которой являются кометы и метеориты.

Гипотеза панспермии, уходящая корнями [7] в философию Анаксагора, постепенно получала научное обоснование в течение XIX века и особенно в начале XX, когда ею всерьез занимались Сванте Аррениус, Фред Хойл и Чандра Викрамасингх [8]. В частности, Фред Хойл (1915-2001) высказывал мнение, что органические молекулы могут содержаться непосредственно в космической пыли [9] – действительно, так и есть [10], и этот вопрос будет затронут ниже.

Тем не менее, в середине XX века идея панспермии оставалась экзотической, и предпринимались эксперименты, призванные доказать возможность зарождения жизни в «первичном бульоне» - той биохимической среде, которая существовала на Земле в архее, около 3 миллиардов лет назад.

Первичный бульон

Наиболее интересным опытом такого рода является эксперимент Миллера-Юри [11] поставленный в 1953 году в Чикагском университете. Аспирант Стэнли Миллер (род. 1930), заручился поддержкой и наработками своего научного руководителя Гарольд Юри (1893-1981). Ученик и учитель закачали в герметичную колбу газовую смесь из метана, азота, аммиака, водяного пара и других газов, которые должны были присутствовать в атмосфере древней Земли, а также частично наполнили эту колбу водой. Источником тепла была обычная горелка Бунзена [12], а также через смесь пропускались электрические разряды, имитировавшие молнии.

Опыт Миллера-Юри основывался на теоретических построениях Холдейна и Опарина [13]. К сожалению, Александр Иванович Опарин вне научной деятельности отметился поддержкой Лысенко и осуждением Сахарова, поэтому в серьезных источниках упоминается «на проговоре», но здесь я упомяну его как отца-основателя, еще в 1924 году опубликовавшего статью о происхождении жизни [14] из неживой органики. Впоследствии, узнав о проведенном эксперименте, он даже пригласил [15] Миллера на научную конференцию в СССР.    

Примерно через неделю содержимое колбы Миллера и Юри стало красновато-бурым из-за обилия органики. Среди веществ, возникших там к этому моменту, были фрагменты РНК, а также 18 из 20 аминокислот [16], участвующих в образовании белков. Сами Миллер и Юри зафиксировали лишь аминокислоты глицин и аланин, остальные аминокислоты были обнаружены в растворе позднее, с появлением более мощных аналитических инструментов. Тем не менее, это были лишь косвенные доказательства абиогенного происхождения жизни, а «первичный бульон» Миллера и Юри впоследствии сочли слишком восстановительным и далеким от истинных условий на первобытной Земле.

В более поздних постановках того же эксперимента, где смесь также подвергалась воздействию лазера (имитирующего жесткое космическое излучение) образовывались более разнообразные азотистые соединения, в том числе, азотистое основание гуанин, входящее в состав ДНК, мочевина и циановодород HCN.

Здесь подробнее остановимся на циановодороде. Это простейшее органическое соединение

Лужа со снегом и черными камнями или современный взгляд на «теплый пруд Дарвина» - 2

являющееся основой для синильной кислоты и ее солей цианидов. Тем не менее, уже в 2020 году было установлено, что именно при участии циановодорода запускаются важнейшие реакции, приводящие к образованию нуклеотидов ДНК и РНК, а также, возможно, гибридных нуклеотидов – интересная статья [17] об этом опубликована на сайте «N+1». Здесь будет уместно показать схему упоминаемых реакций, опубликованную [18] в журнале Nature:

Лужа со снегом и черными камнями или современный взгляд на «теплый пруд Дарвина» - 3

Таким образом, компоненты ДНК и РНК могли образовываться одновременно. Но, в усовершенствованном опыте Миллера-Юри также был получен формальдегид – простейшее органическое соединение, содержащее углерод, водород и кислород:

Лужа со снегом и черными камнями или современный взгляд на «теплый пруд Дарвина» - 4

На основе этой простой молекулы в условиях первобытной Земли могли образовываться разнообразные сахара [19], в том числе, рибоза, являющаяся сырьем для рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислоты (РНК и ДНК). Согласно нынешним представлениям, для стабильного образования сложной органики на основе сахаров и формальдегида в атмосфере первобытной Земли необходима горячая металлическая поверхность.

Кометы

С учетом вышеизложенного вырисовывается замечательная научная правдоподобность панспермии. Дело в том, что примитивная органика и замерзшая вода — это как раз та смесь, из которой состоят тела комет. При этом лед на кометах находится не в кристаллической форме, как весь привычный нам лед на Земле, а в аморфной – такое состояние льда достигается при температуре около -243 градусов Цельсия. Такой лед пористый, и в глубине кометы располагаются зерна органики.  Как указано в недавнем исследовании [20] NASA, при приближении кометы к Солнцу кометный лед перекристаллизуется, и органика выходит на поверхность небесного тела. Комету сравнивают с «грязным снежком [21]», но мы в данном случае отметим, что из подтаивающего льда образуется хвост кометы, а органика образует на поверхности кометы темную корку, которая еще сильнее разогревается (как любое темное тело), а также подвергается интенсивному облучению. Эта корка богата циановодородом. В 2009 году был поставлен лабораторный эксперимент [22], продемонстрировавший, что под действием гамма-излучения циановодород в присутствии воды может превращаться в более сложную органику, в частности, в карбоксильные группы (участвующие в ключевом биохимическом цикле Кребса [23]), свободные аминокислоты и мочевину. При этом отмечается, что циановодород как таковой – очень летучее соединение, и его полимеризация с превращением в более сложные молекулы лучше протекает в водном растворе.

Естественно, пристальное внимание было уделено изучению химического состава кометы Чурюмова-Герасименко, и, в частности, органических соединений [24] на ее поверхности. Великолепный научно-популярный обзор [25] на эту тему заслуживает перевода целиком, но в нашем случае наиболее интересен рассказ об органике и пребиотике. Наряду с обычными углеводородами (CH), на комете были найдены вещества, также содержащие кислород (CHO), азот (СNO) и серу (CNOS). В частности, были обнаружены формальдегид (CH2O), метанол (CH4O), этанол (C2H6O), муравьиная кислота (CH2O2), циановодород (HCN).

Кометный лед содержит воду с характерным сочетанием обычного водорода (H) и дейтерия (D), значительная часть молекул воды на кометах имеет формулу HDO. Соотношение дейтерия и водорода на кометах значительно более равное, чем в земной воде (у нас на планете дейтерия мало), что не так давно поставило под сомнение гипотезу, будто вода попала на Землю в основном с кометами. Михаил Никитин в своей книге «Происхождение жизни. От туманности до клетки» указывает, что вклад комет в формирование запасов воды на Земле и Марсе не превышает 10% [26]. Однако более свежие исследования, относящиеся к 2019 году, позволяют с этим не согласиться. Дело в том, что кометы отличаются активностью, и в подклассе гиперактивных [27] комет соотношение обычного водорода (протия) и дейтерия гораздо ближе к составу земной воды.

Метеориты

Вышеизложенное позволяет предположить, что кометы действительно могли обеспечить доставку циановодорода, азота, углеводородов, серы и воды на древнюю Землю. Тем не менее, кометы – не единственный и не самый важный компонент в гипотезе панспермии. Важнее комет могут оказаться метеориты и в особенности микрометеориты. К микрометеоритам относятся мельчайшие частицы межпланетного вещества [28] размером преимущественно от 20 до 300 мкм. Их также называют «межпланетной пылью», такие мелкие образцы вещества постоянно выпадают на Землю, но находят их преимущественно в Антарктиде, где они наиболее заметны. Наиболее интересны микрометеориты с высоким содержанием углерода (около 2%), в которых также обнаружены многие аминокислоты, в частности, D- и L-аспартаты, глицин, аланин, валин, серин. Существует класс антарктических ультра-углеродистых микрометеоритов (UCAMM), в составе которых до 65% приходится на углерод (и до 85% - на органику в целом), а также имеется дейтерий. В настоящее время продолжается изотопный анализ таких метеоритов и соотнесение их состава с составом органических гранул, содержащихся в кометах. В ноябре 2020 года вышла обширная статья [29], обосновывающая точку зрения, согласно которой метеориты могут быть не менее, если не более важны для зарождения жизни, чем кометы. Важнейшая составляющая метеорита – это металл, прежде всего, железо. Железо участвует в биологических процессах, а также, что не менее важно, может служить катализатором для биохимических реакций, тогда как в кометах такой катализатор отсутствует. В случае с метеоритами также важен фактор импактного (ударного) воздействия. При образовании метеоритного кратера происходит термобарическое изменение пород, подвергшихся удару. Это благоприятствует не только запуску химических реакций и полимеризации органических соединений, содержащихся в метеорите, но и притоку воды в образовавшийся кратер, если поверхность планеты в точке удара уже увлажнена. Возможно, именно так образуется «маленький теплый пруд [30]» Дарвина – отметим, что по поводу правдоподобности этой гипотезы продолжаются ожесточенные споры, она постепенно [31] подтверждается [32].       

Лужа со снегом и черными камнями или современный взгляд на «теплый пруд Дарвина» - 5

В 2013 году было проведено исследование [33], демонстрирующее, что при высоких температурах (200 °C и более), возникающих при ударе метеорита о поверхность Земли, катализатором химических реакций может выступать не только железо, но и фосфор, и сера. Сложные органические молекулы с высоким содержанием углерода активнее образуются при более низких температурах, порядка 140 °C. Также в поставленных опытах удалось получить трикарбоновые кислоты, нуклеотидные основания и аминокислоты. Правда, каталитический потенциал в целом выше у тех метеоритов, в которых больше железа и меньше углерода.

Заключение

Представляется правдоподобным, что основные пребиотические компоненты, послужившие материалом для образования жизни на Земле, были занесены на нашу планету из космоса. Вероятно, эти события хронологически совпадают с периодом «поздней тяжелой бомбардировки [34]» (в англоязычных источниках – Late Heavy Bombardment, LHB). Этот период продлился с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, в результате него на Земле образовалось более 22 000 метеоритных кратеров, в том числе более 40 диаметром свыше 1000 км. Современные представления об образовании простой органики на кометах и более сложной органики в воде на нашей планете позволяют говорить о трех основных источниках пребиотических молекул на Земле:

  1. Кометы (важный источник водяного льда и циановодорода)

  2. Межпланетная пыль и микрометеориты

  3. Углистые и железистые метеориты – также послужившие первичными источниками серы и фосфора для земной биохимии  

Эволюция различных вариантов «теплого пруда Дарвина», рассмотренная, например, здесь [35], допускает и развитие других биохимических циклов, например, сероводородного и циановодородного. Тем не менее, способность углерода к образованию длинных органических цепочек предопределило успех и универсальность именно углеродной биохимии.

Автор: OlegSivchenko

Источник [36]


Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/himiya/361605

Ссылки в тексте:

[1] объявлено: https://hightech.fm/2017/03/10/yeast-synth

[2] полусинтетический: https://www.nature.com/articles/nature13314

[3] Жизнь как она есть: http://evolution.powernet.ru/library/crick_life_itself.html

[4] этой: https://habr.com/ru/post/406269/

[5] мембран: https://www.computerra.ru/242162/issledovanie-glubokovodnye-gidrotermalnye-istochniki-obladali-idealnymi-usloviyami-dlya-vozniknoveniya-zhizni/

[6] позволяет заключить: https://evolution-outreach.biomedcentral.com/articles/10.1007/s12052-012-0443-9

[7] уходящая корнями: https://sites.google.com/site/teoriigizni/teoria-panspermii

[8] Фред Хойл и Чандра Викрамасингх: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433430/Bolshoy_vzryv_sera_Freda_Khoyla

[9] космической пыли: https://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6727/

[10] так и есть: http://web.missouri.edu/~lia/papers/biospace.pdf

[11] эксперимент Миллера-Юри: https://elementy.ru/trefil/21169/Eksperiment_MilleraYuri

[12] горелка Бунзена: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D0%B0_%D0%91%D1%83%D0%BD%D0%B7%D0%B5%D0%BD%D0%B0

[13] Холдейна и Опарина: https://habr.com/ru/post/533508/

[14] происхождении жизни: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/093/217.htm

[15] пригласил: https://blog.t30p.ru/post/Eksperiment-Millera-Yuri-Proishozhdenie-zhizni-ili-haip

[16] 18 из 20 аминокислот: https://hij.ru/read/6717/

[17] статья: https://nplus1.ru/news/2020/06/05/arn-y-adn

[18] опубликованную: https://www.nature.com/articles/d41586-020-01566-4

[19] сахара: http://evolbiol.ru/docs/docs/npr_parmon.pdf

[20] исследовании: https://www.sciencedaily.com/releases/2015/02/150211090812.htm

[21] грязным снежком: https://www.space.com/53-comets-formation-discovery-and-exploration.html

[22] эксперимент: https://sci-hub.do/10.1089/ast.2006.0117

[23] цикле Кребса: https://kp-tts.ru/cikl-krebsa-biohimiya-kratko-cikl-krebsa-centralnaya-rol-v.html

[24] органических соединений: https://habr.com/ru/post/382321/

[25] обзор: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1908/1908.02960.pdf

[26] не превышает 10%: https://books.google.ru/books?id=UP7jDAAAQBAJ&pg=PT104&lpg=PT104&dq=%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B9+%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B+%D0%BD%D0%B0+%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B5+10%25&source=bl&ots=0OxJ-tlBUg&sig=ACfU3U0Bb3-pTWqG9x_pRY4r7cN1_hw4eQ&hl=ru&sa=X&ved=2ahUKEwjPuJyjiefuAhWQw4sKHUp4DtYQ6AEwEnoECAgQAg#v=onepage&q=%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B9%20%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B5%2010%25&f=false

[27] гиперактивных: https://arxiv.org/pdf/1904.09175.pdf

[28] межпланетного вещества: https://www.bio-conferences.org/articles/bioconf/pdf/2014/01/bioconf_epov2012_03003.pdf

[29] обширная статья: https://sci-hub.do/https:/www.liebertpub.com/doi/10.1089/AST.2019.2203

[30] маленький теплый пруд: https://elementy.ru/novosti_nauki/430963/Tayna_proiskhozhdeniya_zhizni_skoro_budet_razgadana

[31] постепенно: https://ria.ru/20171003/1506094607.html

[32] подтверждается: https://nauka.tass.ru/nauka/6820011

[33] исследование: https://sci-hub.do/https:/doi.org/10.1002/chem.201303690

[34] поздней тяжелой бомбардировки: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%BD%D1%8F%D1%8F_%D1%82%D1%8F%D0%B6%D1%91%D0%BB%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%BE%D0%BC%D0%B1%D0%B0%D1%80%D0%B4%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0

[35] здесь: https://www.mdpi.com/2075-1729/8/2/12/htm

[36] Источник: https://habr.com/ru/post/542276/?utm_source=habrahabr&utm_medium=rss&utm_campaign=542276