Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Химическими процессами управляют термодинамика и кинетика. Законы термодинамики предопределяют, какие из состояний материи более стабильны – иными словами, какие молекулы будут получаться в результате реакции при условии неограниченного времени. Законы кинетики указывают скорость реакций и позволяют понять, какие продукты образуются при реакции за фиксированный срок. Исходя из термодинамических закономерностей, CO₂ будет реагировать с водородом (H₂) с образованием метана (CH₄). Это экзотермическая реакция, она протекает с выделением тепла. За счет этого повышается энтропия окружающей среды – по крайней мере в определенных условиях, благоприятствующих протеканию реакции. Реакция пойдет самопроизвольно, если предоставить ей такие условия (в данном случае это умеренная температура и отсутствие кислорода). Если температура слишком высока, CO₂ становится стабильнее метана. А в присутствии кислорода водород будет реагировать преимущественно с ним, образуя воду. Четыре миллиарда лет назад умеренная температура и бескислородная среда щелочных источников должны были способствовать реакции CO₂ с H₂ с образованием CH₄. Даже сейчас, в присутствии кислорода, Затерянный город производит немного метана. Геохимики Ян Аменд и Том Макколлом рассчитали, что в условиях щелочного гидротермального источника образование органических веществ из H₂ и CO₂ остается термодинамически выгодным до тех пор, пока в среде нет кислорода. Это впечатляет. В таких условиях, при 25–125 °C, формирование тотальной клеточной биомассы (аминокислот, жирных кислот, углеводов, нуклеотидов и т. д.) из H₂ и CO₂ действительно экзергонично. Это значит, что органическая материя при таких условиях должна самопроизвольно формироваться из H₂ и CO₂. В результате образования клеток выделяется энергия и повышается общая энтропия.

Но (и это сильное возражение) заставить реагировать H₂ и CO₂ очень непросто: препятствует кинетический барьер. Хотя термодинамика и утверждает, что они должны самопроизвольно реагировать, некое препятствие не дает этому случиться. H₂ и CO₂ почти безразличны друг к другу. Чтобы заставить их вступить в реакцию, нужно много энергии: бомба, которая проломит барьер. Тогда H₂ и CO₂ вступят в реакцию. Вначале будут образовываться частично восстановленные вещества. CO₂ может принимать электроны только парами. Приобретая пару электронов, CO₂ превращается в формиат (HCOO^–). Приняв еще два электрона – в формальдегид (CH₂O), а следующие два – в метанол (CH₃OH). Наконец, последняя пара дает полностью восстановленный метан (CH₄). Конечно, живые организмы состоят не из метана – основой жизни служит частично восстановленный углерод, в грубом приближении представляющий собой нечто среднее между углеродом в формальдегиде и углеродом в метане. Это означает, что на пути возникновения жизни из CO₂ и H₂ стоят два кинетических барьера. Первый нужно преодолеть, чтобы получить формальдегид или метанол. А второй не должен быть преодолен! Приняв H₂ и CO₂ в свои теплые объятия, клетка в последнюю очередь желала бы, чтобы реакция пошла до конца и образовался метан. В этом случае ее содержимое разлетелось бы, рассеялось, улетучилось. Похоже, жизнь точно знает, как сделать первый барьер ниже и как поддерживать второй (опуская его лишь при необходимости энергии). Но что случилось в самом начале?

Если бы существовал простой и экономичный способ заставить CO₂ реагировать с H₂, затрачивая на это не более энергии, чем получается на выходе, мы немедленно им воспользовались бы. Это был бы огромный шаг на пути к решению глобальной энергетической проблемы. Представьте себе: искусственный фотосинтез, с помощью которого можно расщепить воду на H₂ и O₂! И это уже реальность. Но у водородной энергетики есть свои недостатки. Гораздо лучше заставить реагировать H₂ и CO₂ из воздуха, получая природный газ – или даже синтетический бензин! Тогда можно сразу сжигать этот газ на электростанциях. При этом выброс CO₂ уравновешивался бы его забором. Мы смогли бы остановить повышение концентрации CO₂ в атмосфере, избавиться от зависимости от ископаемого топлива. Энергетический кризис нам точно не грозил бы. Пока мы не преуспели в поиске экономичного осуществления этой реакции. Вряд ли можно добиться более высокого выхода. А вот клетки, даже самые простые, делают это постоянно. Так, метаногены получают нужные им для роста углерод и энергию в результате реакции H₂ с CO₂. Но вот еще более сложный вопрос: как эта реакция могла идти до возникновения живых клеток? Вехтерсхойзер отверг такую возможность. Он решил, что жизнь не могла начаться с реакции CO₂ и H₂, потому что те просто не стали бы реагировать[47]. Даже высокое давление, как на дне океана, где находятся гидротермальные источники, не заставило бы H₂ вступить в реакцию с CO₂. Вот почему Вехтерсхойзер отстаивал идею пиритного пуллинга. Но один способ все же есть.

Протонная сила