Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Здесь R – это радикал (остаток) молекулы, в данном случае кофермент А. CH₃ – метильная группа. Но в качестве R не обязательно выступает кофермент А. Вместо него может быть какая-нибудь простая группа, например метильная (CH₃). Тогда получится небольшая молекула – метилтиоацетат:

CH₃–S – CO – CH₃

Это активный тиоэфир, аналогичный по химическим свойствам ацетил-коферменту А, но достаточно простой, чтобы его можно было получить в результате реакции H₂ и CO₂ в гидротермальных источниках – и действительно, он был получен Клаудией Хубер и Гюнтером Вехтерсхойзером, в качестве исходных веществ взявших лишь CO и CH₃SH. Более того, метилтиоацетат, как и ацетил-кофермент А, должен быть способен непосредственно реагировать с фосфатом, образуя ацетилфосфат. Таким образом, этот активный эфир через образование ацетилфосфата теоретически мог обеспечивать синтез новых органических молекул, а также их полимеризацию с образованием сложных цепей, например белков и РНК. Эту гипотезу мы сейчас проверяем при помощи настольного реактора (нам действительно удалось получить ацетилфосфат, хотя и в низкой концентрации).

Внутри микропор щелочных гидротермальных источников примитивный вариант пути Вуда – Льюнгдаля, в принципе, может дать все, что нужно для возникновения примитивных клеток. Я предположил бы три стадии. На первой стадии протонные градиенты на тонких неорганических перегородках, содержащих каталитические железосерные минералы, обусловили образование небольших органических молекул (рис. 14). Органические вещества концентрировались внутри более прохладных пор посредством термофореза и, в свою очередь, улучшали каталитические свойства минералов (гл. 3). Так зародилась биохимия: непрерывное образование и концентрирование активированных предшественников вынуждало молекулы реагировать друг с другом и формировать простые полимеры.

Вторая стадия: формирование простейших органических протоклеток внутри пор источника как естественный исход физического взаимодействия органических веществ. Это были простые клеткоподобные структуры, образующиеся в результате самоорганизации материи, пока не обладающие ни каким-либо генетическим базисом, ни реальной сложностью. Я думаю, что эти простые клетки осуществляли органический синтез за счет протонного градиента, но теперь на собственных органических мембранах (так, липидные бислои образуются самопроизвольно из жирных кислот), а не на неорганических стенках источника. Для этого не нужны белки. Протонный градиент может способствовать образованию метилтиоацетата и ацетилфосфата и обеспечивать углеродный и энергетический метаболизм. На этой стадии возникает ключевое отличие: отныне органическая материя формируется внутри самой клетки и этим процессом движут естественные протонные градиенты на органических мембранах. Мне нравится слово “движут”: думаю, оно подходит по смыслу лучше всех остальных. Оно позволяет подчеркнуть, что это не пассивные химические процессы, а вынужденные – инициированные непрерывным потоком углерода, энергии, протонов. Этим реакциям нужно произойти: это единственный способ разрешить нестабильное состояние, в котором пребывают восстановленные, насыщенные водородом щелочные жидкости, попадающие в окисленные, кислые, богатые ионами металлов океанские воды. Единственный путь достигнуть желанного термодинамического равновесия.

Третья стадия – возникновение генетического кода и настоящей наследственности. Это позволило протоклеткам более или менее точно воспроизводить себя. Наиболее ранние формы отбора, основанные на соотношении скоростей синтеза и распада, открыли путь настоящему естественному отбору, в ходе которого популяции протоклеток с генами и белками начали бороться за существование в порах источников. В конце концов в результате действия стандартных механизмов эволюции в ранних клетках появились белки со сложным строением, в том числе рибосомы и АТФ-синтаза (эти белки сохранились у всех организмов). Мне представляется, что Последний всеобщий предок, прародитель и бактерий, и архей, обитал в микропорах щелочных гидротермальных источников. Это значит, все три стадии, от абиотического начала и до Последнего всеобщего предка, протекали внутри пор источников. Все они обеспечивались протонными градиентами на неорганических стенках или органических мембранах. А появление сложных белков, например АТФ-синтазы – это последний шаг на каменистом пути к Последнему всеобщему предку.