Как зародилась жизнь на нашей планете около четырех миллиардов лет назад? В рамках научно-популярного проекта Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсудил эту фундаментальную загадку с известным биохимиком, профессором Калифорнийского университета в Санта-Круз Дэвидом Димером. В центре дискуссии — так называемый «водный парадокс», концепция «урабильности» планет и революционная гипотеза о том, что первые живые организмы появились не в глубоких океанических гидротермальных источниках, а в высыхающих геотермальных лужах на склонах древних вулканов.
☄️ Космические «курьеры» и тайны углеродистых метеоритов 2:29
Изучение происхождения жизни неразрывно связано с исследованием космоса. В 1969 году, совпавшем по времени с высадкой человека на Луну, произошло знаковое для науки событие — падение метеорита Мерчисон в Австралии. Этот углеродистый хондрит, как и аналогичный ему метеорит Мюррей, наглядно продемонстрировал, что сложная органическая химия повсеместно распространена в нашей Солнечной системе. Профессор Дэвид Димер хранит в своей лаборатории флакон с экстрактом метеорита Мюррей. По словам ученого, это вещество обладает характерным пыльным, слегка кисловатым и затхлым ароматом.
Запах сухой пыли обусловлен полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) — теми же соединениями, что содержатся в дизельном выхлопе или сигаретном дыме. В метеоритах ПАУ находятся в форме полимера, известного как кероген, на долю которого приходится около 90% всего органического углерода космического объекта. Однако кероген состоит из слишком крупных молекул и не испаряется. Резкий же запах экстракту придают монокарбоновые кислоты длиной до 12 атомов углерода, которые по своей химической сути являются мылами.
В 1985 году Дэвид Димер провел исторический эксперимент: он смешал органические соединения, извлеченные из метеорита, с водой и поместил их под микроскоп. К своему изумлению, биохимик обнаружил спонтанное самосборку красивых мембранных везикул (пузырьков). По мнению Димера, эти капсулы возрастом более 4,5 миллиардов лет являются максимально точным аналогом того строительного материала, который был доступен на ранней Земле для формирования первых клеток. Доставка органики из космоса продолжается и сегодня: ежегодно на Землю падает около 30 000 тонн межпланетной пыли (IDPs), которая выступает главным источником космического углерода для нашей планеты.
🌋 Камчатский эксперимент и концепция «горячей лужи» Дарвина 6:44
Чтобы проверить лабораторные модели в реальных условиях, Дэвид Димер призвал коллег выйти из стерильных помещений и обратиться к природным аналогам ранней Земли — вулканическим гидротермальным полям. В таких местах горячая вода является пресной, поскольку подпитывается осадками (дождем и тающим снегом), испарившимися из океана. В 2004 году Димер отправился на Камчатку, к подножию вулкана Мутновский, чтобы провести эксперимент в условиях дикой природы.
Ученый воссоздал так называемый «пребиотический суп», добавив в небольшой кипящий геотермальный водоем объемом около 10 литров сухую смесь ключевых биологических компонентов:
- Аминокислоты (строительные блоки белков);
- Нуклеотидные основания (компоненты ДНК и РНК);
- Фосфаты и глицерин;
- Миристиновую кислоту (14-углеродную жирную кислоту, способную формировать мембраны).
Результаты эксперимента оказались неожиданными. Практически все добавленные компоненты были поглощены и нейтрализованы содержащейся в луже глиной. Исключением стала лишь миристиновая кислота — она не растворилась, а образовала белую пену по краям испаряющегося водоема.
Этот эксперимент укрепил Димера во мнении, что жизнь зародилась вовсе не в океане, как принято считать в академических кругах. Биохимик указывает, что еще Чарльз Дарвин в своем письме Джозефу Гукеру в 1871 году гениально предсказал появление жизни в «теплом маленьком пруду». В современной терминологии Димера этот водоем называют «горячей лужей Дарвина». Ключевой механизм здесь — циклы высыхания и увлажнения (wet-dry cycles). Когда лужа высыхает, крайне разбавленные органические вещества концентрируются, превращаясь в тончайшую пленку, где молекулы вынуждены вступать во взаимодействие друг с другом.
🌌 Обитаемость против «урабильности»: бесплодные водные миры 13:09
Применение модели высыхающих луж коренным образом меняет современные взгляды на астробиологию. Дэвид Димер и его коллега Брюс Димер утверждают, что зарождение жизни на ледяных океанических лунах вроде Европы (спутник Юпитера) или Энцелада (спутник Сатурна) выглядит крайне неправдоподобным. Эти небесные тела покрыты многокилометровой толщей льда, под которой скрываются жидкие океаны. В глубинах этих миров полностью отсутствуют циклы высыхания — там физически невозможно сконцентрировать органические молекулы.
В связи с этим Димер предлагает разделять два принципиально разных научных термина:
- Habitability (Обитаемость) — способность планеты или луны поддерживать существование уже развитой, занесенной извне микробной жизни. Энцелад и Европа вполне могут быть обитаемыми, так как бактерии способны выживать подо льдом при нулевых температурах.
- Urability (Урабильность / Первородность) — комплекс условий, необходимых для возникновения жизни с нуля из неживой материи. Это гораздо более сложная система факторов, чем просто наличие жидкой воды.
В нашей Солнечной системе был второй урабильный мир — ранний Марс. Около 4 миллиардов лет назад на Красной планете присутствовали все необходимые компоненты: регулярные падения углеродистых метеоритов, соленая жидкая вода и мощнейшая вулканическая активность (например, вулкан Олимп размером с Францию). Однако Марс потерял свою урабильность. Из-за слабой гравитации водяной пар и легкие газы в верхних слоях атмосферы нагревались, достигали второй космической скорости и навсегда улетучивались в космическое пространство, оставив планету сухой и мертвой.
Интересно, что современная Земля также потеряла статус урабильной планеты. По мнению Димера, если бы сегодня на Земле попытался начаться новый, независимый процесс абиогенеза, предбиологические молекулы немедленно были бы поглощены существующей биомассой. Все вещества, необходимые для зарождения жизни, сейчас являются пищей для миллиардов видов бактерий, населяющих планету.
🧪 Кинетические ловушки и молекулярный насос эволюции 21:48
Геологические следы древней гидротермальной активности находят и на Марсе. Профессор Димер упоминает данные марсохода Spirit, который в районе холмов Колумбии исследовал плато Хоум-Плейт шириной около 100 метров. Анализируя снимки, планетолог Стив Рафф обнаружил там специфические нодулярные (узелковые) структуры из кремнезема. На Земле подобные отложения формируются исключительно вокруг высыхающих геотермальных гейзеров и горячих источников. Это доказывает, что на Марсе некогда существовали мелководные моря глубиной в несколько сотен метров и действующие вулканические зоны, обеспечивавшие идеальные циклы увлажнения и высыхания.
С химической точки зрения циклы высыхания и увлажнения работают как метафорический высокоэффективный насос, подталкивающий органику вверх по шкале сложности. Процесс усложнения молекул фиксируется в так называемой «кинетической ловушке».
«Все живое на Земле существует в условиях кинетической ловушки, — объясняет Дэвид Димер. — Это означает, что скорость синтеза наших сложных полимеров превышает скорость их распада под воздействием воды (гидролиза)».
Когда человек принимает душ, его ткани не растворяются, поскольку микроскопические потери эпидермиса за несколько дней полностью компенсируются делением клеток. На ранней Земле кинетические ловушки позволяли молекулам быстро укрупняться во время сухой фазы (когда вода испаряется и выступает в роли уходящей группы), достигая стабильного состояния и приобретая каталитические свойства до того, как наступит фаза гидролиза. На самых ранних этапах абиогенез, по мнению Димера, носил глобальный характер: на планете одновременно запускались миллионы химических «экспериментов», большинство из которых затухали и гибли из-за отсутствия стабильных условий высыхания.
Дополнительным жестким фактором естественного отбора выступало жесткое ультрафиолетовое (УФ) излучение молодого Солнца. Коротковолновый ультрафиолет деструктивно воздействует на ДНК. В частности, когда два нуклеотидных основания тимина оказываются рядом, поглощение УФ-света заставляет их прочно связываться друг с другом, образуя так называемый тиминовый димер. Этот процесс фактически «убивает» ДНК, блокируя работу ферментов копирования. Древнейшим молекулярным структурам приходилось искать защиту в тени минералов или вырабатывать механизмы репарации, чтобы противостоять радиационному повреждению.
🧬 Как жизнь «открыла» готовые нуклеиновые кислоты 29:24
Лабораторные исследования группы Димера направлены на поиск химически правдоподобных путей синтеза нуклеиновых кислот без участия живых ферментов. Секрет кроется в реакциях конденсации. В процессе высыхания мономеры (мононуклеотиды) сближаются вплотную внутри тонкой органической пленки. Когда гидроксильная группа одной молекулы соприкасается с кислой фосфатной группой соседней, молекула воды выталкивается, и формируется прочная сложная эфирная (эфирофосфатная) связь.
Человеческая ДНК и РНК по своей химической природе являются полиэфирами. В ходе циклов wet-dry эти полиэфирные цепочки образуются спонтанно. В 2022 году Димер совместно с профессором Туомасом Ноулзом (Университет Копенгагена) опубликовал работу, где с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) были впервые визуализированы полученные таким образом синтетические полимеры. На снимках отчетливо видны длинные нити и кольцевые структуры, собранные из простейшей смеси мононуклеотидов.
На основании этих результатов Дэвид Димер выдвигает смелую гипотезу:
«Жизнь не изобретала нуклеиновые кислоты. Жизнь открыла уже существовавшие во внешней среде полимеры нуклеиновых кислот».
В присутствии мембранообразующих жирных кислот эти хаотичные цепочки полимеров оказывались заперты внутри липидных пузырьков. Так рождались протоклетки. В лаборатории ученые за один цикл создают триллионы уникальных протоклеток. Подвергаясь температурным и химическим стрессам, эти популяции проходят через сито первичного естественного отбора, отсеивающего нестабильные формы и сохраняющего структуры, способные к усложнению.
🌊 Солевой барьер: почему жизнь не могла зародиться в океане 35:56
Гипотеза зарождения жизни в пресноводных вулканических лужах имеет серьезный козырь против теории океанических гидротермальных источников («черных курильщиков»). Этот козырь — разрушительное воздействие морской соли на пребиотическую химию. Если протоклетки зародились на вершинах вулканических островов, то под действием гравитации они постепенно смывались вниз по течению, проходя этапы адаптации в солоноватых устьях рек и лишь затем заселяя океан.
Прямой синтез полимеров в морской воде невозможен по трем фундаментальным причинам:
- Осмотический шок: Океаническая вода является гипертонической средой. Концентрация хлорида натрия там составляет около 0,5 М (в человеческой крови — всего 0,15 М). В таких условиях незащищенная мембрана протоклетки мгновенно сжимается, теряет внутреннюю воду и разрушается.
- Ионы жесткости: В морской воде содержится колоссальное количество двухвалентных катионов кальция (10 мМ) и магния (53 мМ). Попробуйте помыть руки с мылом в морской воде — вместо пены вы получите твердые хлопья. Точно так же магний и кальций мгновенно осаждают жирные кислоты метеоритного происхождения, превращая мембраны протоклеток в подобие творожистого осадка.
- Термодинамический тупик: В условиях избытка воды невозможно заставить воду выступать в роли «уходящей группы» для формирования пептидных связей белков или эфирных связей ДНК.
По словам Димера, его давний коллега и оппонент Ник Лейн из Лондона, развивающий теорию океанического происхождения жизни, постепенно соглашается с этими доводами. Сторонники гидротермальных источников теперь склонны считать, что на дне океана мог зародиться лишь первичный метаболизм (синтез простейшей муравьиной кислоты из $CO_2$), но не синтез сложных полимеров. В вопросах полимеризации космический источник углерода в пресных лужах выглядит несравнимо более правдоподобно. Даже кометы, богатые цианидами и ПАУ, не могут быть местом зарождения жизни: там полностью отсутствует жидкая вода и энергия активации из-за экстремального холода.
🧬 Гомохиральность как эволюционный щит против гидролиза 46:49
Одной из главных загадок биологии остается хомохиральность (однорукость) живой материи: все аминокислоты в белках Земли имеют левую конфигурацию (L), а все сахара в ДНК и РНК — правую (D). Профессор Димер совместно с теоретическим химиком Дэвидом Россом из SRI International предложили элегантное объяснение этого феномена через призму стабильности молекул. Согласно их гипотезе, хомохиральность — это прямое следствие отбора на устойчивость к распаду.
Процесс пищеварения в нашем желудке — это не что иное, как ферментативный гидролиз, расщепляющий связи в белках и нуклеиновых кислотах. Когда молекула ДНК закручивается в знаменитую двойную спираль, её сложные эфирные связи оказываются физически спрятаны глубоко внутри конструкции. Вода не может эффективно атаковать эти связи. Опыты показывают, что двухцепочечная ДНК распадается под действием гидролиза в десятки и сотни раз медленнее, чем одиночная нить.
Однако стабильная двойная спираль может сформироваться только в том случае, если все сахара в цепи обладают строгой пространственной однородностью (все являются D-изомерами). Как показал исследователь Джерри Джойс еще в 1980-х годах в Институте Солка, добавление даже небольшого количества «левых» (L) сахаров в рацемическую смесь полностью блокирует сборку двойной спирали. Таким образом, структуры, случайно зародившиеся как хомохиральные, имели гигантское эволюционное преимущество: они медленнее разрушались в горячей воде и накапливались в кинетических ловушках, тогда как «разнорукие» полимеры быстро распадались до исходных мономеров.
Сходные дискуссии ведутся и вокруг концепции «РНК-мира». Данная гипотеза, получившая популярность в 1986 году благодаря Уолтеру Гилберту после открытия Томасом Чеком и Сидни Альтманом каталитической активности РНК (рибозимов), имеет веские основания. Например, главный источник энергии клеток — АТФ — является рибонуклеотидом, а в самом сердце рибосомы за перенос аминокислот отвечает именно РНК, а не белок, на что указывают работы Гарри Ноллера. Тем не менее, Димер разделяет позицию исследователя Рама Кришнамурти, утверждающего, что РНК и ДНК, скорее всего, развивались параллельно и синергетически с самого начала, а не сменяли друг друга.
🧫 Экстремофилы и создание искусственной жизни 55:18
Микробная жизнь демонстрирует поразительную живучесть. На Земле существуют гипертермофилы, процветающие при температурах около $100°C$, ацидофилы (живущие в кислоте) и гипергалофилы, обитающие в насыщенных солевых растворах. Бактерия Deinococcus radiodurans способна переносить дозы радиации, в 25 000 раз превышающие смертельный для человека уровень. Ее ДНК распадается от облучения на куски, но уникальные ферменты мгновенно собирают генетический код заново. Димер отмечает поэтическую деталь: эта радиационная стойкость развилась у бактерии как побочный эффект адаптации к циклам полного высыхания — споры бактерий приспособлены выживать в безводной среде. Более сложные многоклеточные организмы, такие как тихоходки, выдерживают космический вакуум благодаря заполнению своих клеток особым защитным сахаром — трегалозой.
Развивая идею межпланетного переноса жизни (панспермии), Димер упоминает гипотезу Стивена Беннера о том, что все мы можем быть потомками марсианских микробов, занесенных на Землю с метеоритами типа Нахла. Чтобы проверить это, Димер совместно с коллегами направил в NASA проект уникального прибора для поиска жизни на Марсе. Устройство основано на технологии нанопорового секвенирования.
Принцип работы прибора заключается в следующем:
- В полимерной мембране создается наноскопическое отверстие (нанопора), через которое под действием электрического напряжения (электрофореза) протягивается полимерная молекула.
- ДНК и РНК являются полианионами, то есть несут сильный отрицательный заряд на каждом фосфатном остатке, что заставляет их двигаться через пору.
- Проходя сквозь нанопору, крупная молекула на несколько миллисекунд блокирует ионный ток. Характер этой блокады позволяет считывать последовательность нуклеотидных оснований прямо на экране ноутбука.
Если такой прибор обнаружит полианионные полимеры в марсианском льду, это станет сенсацией. Определить, является ли марсианская жизнь независимым вторым генезисом или родственницей земной, можно будет по двум маркерам: хиральности сахаров и структуре генетического кода. Если триплетный код совпадет, это докажет факт панспермии, поскольку вероятность случайного совпадения кодонов ниже, чем выигрыш в масштабной лотерее. В то же время Димер скептически относится к заявлениям Патрисии Страат об обнаружении жизни аппаратами Viking в 1976 году, списывая выделение газов на небиологические реакции марсианских перхлоратов с водой.
Говоря об искусственной жизни, Димер с огромным уважением отзывается о работе лауреата Нобелевской премии 2009 года Джека Шостака, который перешел в Чикагский университет для создания размножающихся синтетических протоклеток методами биотехнологии. По мнению Димера, создание искусственной жизни в лаборатории — вопрос ближайших 5–10 лет. Однако этот процесс совершенно безопасен: рукотворные протоклетки будут настолько примитивными, что при любой утечке немедленно превратятся в питательный субстрат для естественных земных бактерий. Куда более реальную опасность представляют уже эволюционировавшие природные патогены, такие как вирус COVID-19, способный эффективно захватывать человеческие клетки для саморепликации.
