Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Но так ли это? Вот она, красота науки: это простой вопрос, который можно проверить. Не то чтобы это было просто. Некоторое время я уже пытаюсь это сделать в лаборатории вместе с химиком Барри Херши и аспирантами Александрой Уичер и Элоем Кампруби. На деньги фонда “Леверхульм траст” мы построили настольный реактор, чтобы попробовать провести эти реакции. Осаждение в лаборатории тонких полупроводниковых стенок из сульфида железа – дело не слишком простое. Еще одна проблема – формальдегид нестабилен и он “хочет” вернуть свои электроны протонам, а при этом вновь образуются H₂ и CO₂. Легче это происходит в кислотной среде. Определенный pH и точная концентрация водорода критически важны. И в лаборатории, разумеется, затруднительно воспроизвести размеры настоящих источников (десятки метров в высоту), а тем более обеспечить высокое давление (это позволяет добиться гораздо более высокой концентрации газов, например водорода). Эксперимент прост в том смысле, что вопрос четко сформулирован и проверяем, а ответ поможет многое узнать о происхождении жизни. Нам удалось получить формиат, формальдегид и другие простые органические вещества (включая рибозу и дезоксирибозу)[51].

Пока примем теорию такой, какова она есть, и предположим, что реакция пойдет именно так, как предсказано. Что произойдет? Медленный, но устойчивый синтез органических молекул. (Каких именно молекул, разберем в следующей главе. Пока лишь отметим, что это предположение проверяемо.) После образования органики ее концентрация будет увеличиваться в тысячи раз по сравнению с изначальной за счет термофореза, обеспечивая формирование везикул и, возможно, таких полимеров, как белки. (И это предположение можно проверить в лаборатории.) Первые шаги вдохновляют: флуоресцентный краситель флуоресцеин, по размеру такой же, как нуклеотид, в нашем потоковом реакторе увеличивает свою концентрацию минимум в 5 тыс. раз, а хинин может концентрироваться еще сильнее (рис. 13).

Итак, что означают рассуждения о восстановительных потенциалах? Они одновременно и ограничивают спектр, и выявляют широкий диапазон условий, при которых во Вселенной могла возникнуть жизнь. Да, из-за подобных вещей ученые часто выглядят так, как будто они живут в изолированном мирке, потерявшись среди абстрактных размышлений. Может ли тот факт, что восстановительный потенциал водорода падает вместе с pH, приблизить нас к разрешению проблемы? Да. В условиях щелочных гидротермальных источников H₂ будет реагировать с CO₂ с образованием органических молекул. Почти в любых иных условиях этого не случится. Выше я успел отвергнуть почти все остальные среды, которые могли обеспечить происхождение жизни. Исходя из законов термодинамики, мы установили, что для того, чтобы построить живую клетку с нуля, требуется непрерывный поток активного углерода и химической энергии, проходящей над примитивными катализаторами в системе, которая ограничивает и направляет движение потока. Лишь гидротермальные источники могут обеспечить необходимые условия, и лишь единственная их разновидность – щелочные гидротермальные источники – обладает абсолютно всеми необходимыми свойствами. Но идея щелочных источников одновременно порождает серьезную проблему – и дает красивое ее решение. Серьезная проблема состоит в том, что хотя эти источники богаты водородом, водород не будет просто так вступать в реакцию с CO₂ с образованием органики. А красивое решение – это физическое строение щелочных источников: естественные протонные градиенты на тонких полупроводниковых стенках в теории могут инициировать образование органических веществ. А затем обеспечить их концентрирование. На мой взгляд, все это имеет смысл! Учтите при этом, что жизнь использует (до сих пор) трансмембранные протонные градиенты, чтобы обеспечивать энергией и углеродный, и энергетический метаболизм, и мне хочется стенать вместе с Джоном Арчибальдом Уилером: “О, могло ли быть иначе! Как мы все могли так долго оставаться слепы?!”

Рис. 14. Как получить органику из H₂ и CO₂.

А. Зависимость потенциала восстановления от водородного показателя (pH). Чем более отрицателен потенциал восстановления, тем выше вероятность, что вещество отдаст один или более своих электронов. Чем он положительнее, тем вероятней, что вещество примет электроны. Обратите внимание, что значения на шкале y становятся отрицательнее с увеличением высоты. При pH = 7 H₂ не способен отдавать электроны на CO₂ с образованием формальдегида (CH₂O). Реакция будет идти преимущественно в противоположном направлении. Однако если H₂ окажется в среде с pH = 10 (как в гидротермальных щелочных источниках), а CO₂ – при pH = 6 (как в древнем океане), теоретически возможно восстановление CO₂ до CH₂O.