Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Эти исследования открывают важную истину о добиологической химии. Простые эксперименты только с одним или двумя химическими ингредиентами, проводимые при комнатной температуре и давлении и использующие обычную воду из-под крана, относительно легко выполнить, но они столь же легко могут привести к ошибкам, когда речь идет о процессах, ведущих к происхождению жизни. Существенную роль в появлении жизни должны были сыграть результаты сотрудничества и конкуренции большого количества молекул. Мы приходим к выводу, что сложность жизни в значительной степени связана со сложностью природной геохимической среды. Похоже, отбор, концентрация и монтаж молекулярных строительных материалов жизни требуют мудреных трехмерных процессов на атомном уровне — процессов, которые начали раскрываться в экспериментах Шарлин Эстрады и Терезы Форнаро.

Хорошие новости заключаются в том, что сложные взаимодействия между многочисленными небольшими биомолекулами, химическими веществами в растворе и поверхностями минералов намекают на некую тропинку от геохимии к сложности биохимии. А вот и плохие новости — исследование даже крошечной доли потенциально возможных комбинаций молекул, растворов и минералов в перспективе выглядит пугающе. Головокружительное многообразие вероятных добиологических сред заставляет нас воображать буквально миллиарды сочетаний, каждое из которых потребует месяцев кропотливых экспериментов для детального изучения.

Уверенными можно быть лишь в одном: недостатка в темах для лабораторных исследований в ближайшее время у нас не будет.

Шаг 3. Возникновение самовоспроизводящихся систем

Основная загадка происхождения жизни — как небольшие молекулы, неживые и «бесплодные», соединяются в комбинацию, которая может самокопироваться. Сами по себе аминокислоты, сахара и липиды, даже тщательно отобранные и сконцентрированные, очень далеки от жизненности. Эти ингредиенты должны каким-то образом самоорганизовываться в системы большей сложности: они составляют несущие информацию полимеры, окружают себя защитными гибкими оболочками и создают катализаторы, которые ускоряют желаемый химический процесс, блокируя создание конкурирующих молекул. И затем — высшая задача: они делают собственные копии.

В качестве примера стратегии поиска такого самовоспроизводящегося молекулярного процесса можно рассмотреть углеродную химию современных клеток. Необходимо выявить самые древние и глубоко укоренившиеся пути синтеза — наипростейшие химические акты, которые происходят в каждой живой клетке. Одним из таких примитивных биохимических процессов является известный целым поколениям студентов, изучающих биологию, цикл лимонной кислоты (также называемый циклом Кребса или циклом трикарбоновых кислот) — важный этап энергетического потока в клетках. Вероятно, вам на занятиях рассказывали, что цикл этот запускает энергически насыщенная шестиуглеродная молекула лимонной кислоты, которая проходит чуть ли не десяток последовательных шагов фрагментации, сопровождаемых небольшим выделением поддерживающей клеточные функции энергии, а также созданием молекул, служащих отправной точкой для образования основных биохимических веществ. Этот основанный на углероде каскад химических реакций, происходящий триллионы раз в секунду в течение всей вашей жизни — чтобы обрабатывать съеденную вами пищу, — встроен практически в каждую клетку вашего тела.

Полстолетия назад биологи обнаружили, что некоторые примитивные клетки научились запускать цикл лимонной кислоты в обратном направлении{167}. Начнем с простой, имеющей в своем составе два атома углерода молекулы уксусной кислоты — основного ингредиента уксуса. Вызовем реакцию уксусной кислоты с одной молекулой CO₂, чтобы получить трехуглеродную пировиноградную кислоту. Добавим еще одну молекулу CO₂ — и получим четырехуглеродную щавелевоуксусную. Дальше последуют восемь химических реакций, каждая из которых добавит по маленькому фрагментику (H₂, H₂O или CO₂) шаг за шагом, чтобы построить более крупные молекулы — вплоть до лимонной кислоты с шестью атомами углерода.

Этот обратный цикл лимонной кислоты способен сам себя копировать. Расщепите лимонную кислоту на одну молекулу пировиноградной кислоты и одну — щавелевоуксусной, чтобы один цикл стал двумя. Продолжайте в том же духе, и два цикла станут четырьмя, четыре — восемью и т.д. В качестве бонуса многие промежуточные соединения в цикле служат отправными точками создания других важных биомолекул — аминокислот для построения белков, сахаров для построения сложных углеводородов, липидов для построения клеточных мембран и структурных элементов ДНК и РНК.