Рожденные в глубинах

черные курильщики
 
8 февраля 1977 года научно-исследовательское судно “Кнорр” покинуло западную часть Панамского канала и взяло курс на Тихий океан, точнее – на Восточно-Тихоокеанское поднятие. Здесь находится хребет, расположенный на границе двух тектонических плит океанического дна. Научно-исследовательские экспедиции ранее уже описали потоки поднимающейся тут теплой воды. Кроме того, в этом месте на поверхности воды были замечены погибшие глубоководные рыбы.
 
Все это заставило ученых заподозрить присутствие здесь так называемых гидротермальных источников. Прежде таких источников еще никто никогда не видел: они представляют собой потоки горячей воды, нагретой вулканическими горными породами и магмой в толще дна и прорывающейся сквозь него в холодный океан.
 
На “Кнорре” находилась команда океанографов, в том числе Джон (“Джек”) Корлисс, Тьерд ван Андел и Роберт Баллард. Они отправились на поиски гидротермальных источников, потому что верили в их существование. Никто из них не подозревал, что им предстоит произвести настоящую революцию в биологии – и тем самым вдохновить представителей группы “вначале был метаболизм” на создание новой гипотезы зарождения жизни.
 
Остановившись над Восточно-Тихоокеанским поднятием, ученые погрузили в воду устройство под названием ANGUS, напичканное камерами, фонарями и различными сенсорами. Соединенный с кораблем при помощи кабеля, ANGUS перемещался у дна на расстоянии 4,5 метра от него и каждые 10 секунд делал фотографии. Около полуночи он зарегистрировал резкий скачок температуры: аппарат попал в восходящие потоки теплой воды. Когда у ANGUS кончилась пленка, его вытащили на поверхность и на следующий день проявили все 70 000 снимков.
 
На большинстве их видны лишь голые скалы – кажущиеся бесконечными раздолья застывшей лавы, выброшенной из океанического дна. Но на тринадцати фото, которые были сделаны во время путешествия устройства по температурной аномалии, оказалось нечто совершенно иное. Там буйствовала жизнь! “Поток застывшей лавы окружали сотни белых моллюсков и коричневых ракушек, – напишет позже Баллард. – Такого обилия живого в глубинах океана еще никто никогда не видел – оно появилось внезапно из-за облака мутно-синеватой воды и вскоре исчезло из поля зрения”. Это стало настоящим сюрпризом. В команде исследователей не было биологов: никто даже не подозревал, что они могут понадобиться.
 
На следующий день к месту действия прибыл второй корабль. На нем находился подводный аппарат “DSV Элвин”, при помощи которого ранее разыскивали потерянную в море военно-воздушными силами США водородную бомбу. В 1986-м Баллард также использовал “Элвин” для глубоководного погружения на севере Атлантики – там он исследовал останки затонувшего “Титаника”. Однако в этот раз на борт “Элвина” взошли Корлисс и ван Андел, а управлял им пилот Джек Доннелли. Вскоре после рассвета судно, начав погружение, достигло глубины 2700 метров. Температура воды составляла всего 2 °C, давление было огромным, и повсюду царила полная темнота. Прожекторы “Элвина” выхватили крошечный участок морского дна, окруженный прямо-таки стигийским мраком. Скалы, скалы, одни лишь голые безжизненные скалы… Но вот подводный аппарат добрался до места назначения, и пейзаж сразу переменился. Температура воды подскочила до 8 °C, и перед удивленными Корлиссом и ван Анделом предстали гидротермальные источники.
 
Струи мерцающей теплой воды выходили из трещин в поверхности застывшей лавы. Смешиваясь с холодными водами Тихого океана, они приобретали мутно-синий цвет, поскольку растворенные в горячей воде вещества переходили в кристаллическую форму и становились мельчайшими металлическими частицами. Такие гидротермы – это глубоководный аналог горячих источников на суше, которые возникают там, где подземные воды нагреты окружающими их породами и прорываются на поверхность. Представьте себе бурлящие небольшие водоемы, в которых японские макаки принимают горячие ванны, чтобы не замерзнуть среди снегов. Теперь вообразите такой же поток горячего насыщенного раствора, но на дне океана, во тьме и в окружении холодной соленой воды.
 
Эти источники оказались наполнены жизнью: вокруг них обитали не только те самые запечатленные на фото моллюски, но и разбегающиеся в разные стороны крабы, фиолетовый осьминог и целые поля трубчатых червей длиной до полуметра. Когда команда подняла образцы животных на поверхность, ученых ожидал еще один сюрприз: от образцов исходил резкий запах тухлых яиц. Вся вода здесь оказалась насыщена сероводородом. На корабле не было хранилища для того, чтобы надлежащим образом доставить собранные трофеи на сушу, но что-то удалось сохранить благодаря бутылке водки, взятой в плавание не то чтобы с научными целями.
 
Другие экспедиции выяснили, что существует несколько типов таких гидротермальных источников. Те, что расположены непосредственно над самыми горячими скалами, могут выбрасывать вверх воду при температуре до 380 °C. Растворенные в ней минералы мгновенно кристаллизуются, в результате чего получаются высокие трубы, как бы “дымящие” черным раствором сульфидов. Эти ужасно горячие источники называются “черными курильщиками”.
 
Первым приходит на ум вопрос, как животные вообще могут тут выжить. До экспедиции 1977 года биологи считали дно океана безжизненной пустыней, причем не из-за низкой температуры или давления, а из-за темноты. На суше все живое зависит от солнечного света. Растения и различные бактерии используют энергию света для того, чтобы превратить углекислый газ в воду и углеводы, поддерживающие их жизнедеятельность. Далее их поедают животные, которые становятся пищей для хищников. Те после смерти сами превращаются в источник питания для различных организмов, занятых разложением, – к примеру, для грибов, что делают почву плодородной и пригодной для роста растений. Если усваивающие энергию Солнца растения исчезнут, все эта экосистема разрушится. У обитателей же гидротермальных источников света нет вовсе, так что их вроде как вообще не должно существовать.
 
Ключом к решению этого парадокса стал резкий запах сероводорода. Именно это соединение Вэхтерсхойзер позже предложит в качестве источника энергии для первых форм жизни. Как выяснилось, в кишечнике трубчатых червей образуются отложения серы. Услышав об этом, Коллин Кавано, молодая аспирантка из Гарварда, предположила, что внутренности таких червей могут содержать бактерии, умеющие превращать сероводород в серу. Кавано считала, что именно они могут являться основой всей этой экосистемы.
 
Всего за несколько лет мир узнал о и том, что гидротермальные источники действительно существуют, и о том, что они являются основой довольно причудливой экосистемы. Ее обитатели абсолютно не зависят от энергии Солнца – источником энергии для них служат химические соединения вроде сероводорода, которые с пульсирующими струями воды пробиваются сквозь морское дно. Они отлично себя чувствуют в темноте, в обжигающе горячей воде, всего в нескольких метрах от ледяных потоков. Безусловно, это было совершенно потрясающее открытие.
 
Но для Джека Корлисса оно оказалось чем-то большим. Вскоре он предположил, что именно такие гидротермы могли быть тем местом, где возникла жизнь. Вместе с двумя коллегами он выдвинул гипотезу, что расположенные под источниками камеры являются “идеальными реакторами для абиотического синтеза”. Просто устроенные вещества вроде углекислоты, аммиака и водорода, “выныривая” из горячих камней, могли вступать в химические реакции наподобие тех, что описывал Миллер и другие. В результате получались аминокислоты, а также молекулы побольше, типа белков. Корлисс отметил, что в гидротермальных источниках часто присутствует глинистый минерал монтмориллонит, который может ускорять многие из этих реакций. По мере того как биологические молекулы поднимались вверх и оказывались в море, содержащая их горячая вода охлаждалась, что сопровождалось образованием все более замысловатых структур, а в конечном итоге – живых клеток.
 
Тут, как и следовало ожидать, сказал свое слово Стэнли Миллер. В 1988 году он и Джеффри Бада выступили с решительными возражениями. Их аргументация была очень простой: обжигающе горячая вода гидротермальных источников уничтожила бы любую биологическую молекулу, которая могла в них образоваться. Это было отнюдь не голословное утверждение: ученые провели эксперименты, в ходе которых установили, что разрушение аминокислот при температуре 250 °C происходит за двадцать минут. Следовательно, любая аминокислота, возникшая вблизи гидротермального источника, должна была быстро уноситься вверх, подальше от самой горячей области – иначе она бы попросту разрушилась. То же – с сахарами: они могли выдержать “максимум секунды”, а белки мгновенно распались бы на аминокислоты. Так что всю эту идею в целом, утверждали Миллер и Бада, “можно уже считать опровергнутой”.
 
Эти нападки возымели действие: идея Корлисса перестала развиваться. Однако британский геолог Майк Рассел считал, что здесь есть еще за что побороться. Да, обжигающе горячие гидротермальные источники вроде того, что находится на Восточно-Тихоокеанском поднятии, совершенно не подходят: Миллер и Бада это доказали. Но, возможно, существуют источники с менее экстремальными условиями и пригодные для живого.
 
Майкл Джон Рассел занимает в науке необычное положение. Среди исследователей зарождения жизни он – знаменитость, автор одной из самых заметных гипотез. В отличие от Мира РНК, над которым трудились десятки ученых, гипотеза щелочного гидротермального источника по большей части – дело его рук. При этом в Википедии статьи о нем нет (“я слишком, мать вашу, занят”, – говорит он), а интервью Рассел дает редко. В 2019 году ему исполнилось 80, но это не мешает ученому оставаться все таким же резким и вспыльчивым и цитировать по памяти Райнера Марию Рильке и Боба Дилана. Он полагает себя Галилеем наших дней, сражающимся за истину с закоснелым научным истеблишментом.
 
Шел Рассел к своей области научных интересов окольными путями. Бросив в 1958 году школу, он устроился рабочим на фабрику по производству аспирина близ Лондона. Учась вечерами, сумел получить дипломы геолога и химика и всего через пять лет поехал как волонтер-геолог на Соломоновы острова в Тихом океане. “Это был последний бастион Британской империи, – вспоминает он. – Все те империалисты, которые не сумели найти работу в Канаде, Австралии или США, отправились на Соломоновы острова, так что легко догадаться, что это было за местечко. Жуткие люди”.
 
Но в конце концов Рассел занялся-таки академическими исследованиями. К началу 1980-х годов он уже трудился в Университете Стратклайда и регулярно наведывался на месторождение вблизи Сильвермайнс (“Серебряные Прииски”) в Ирландии. Название этой деревни связано с расположенными неподалеку рудными залежами; есть там и беловатый минерал барит. Здесь Рассел и отыскал первую подсказку, натолкнувшую его на главную мысль будущей гипотезы.
 
Рассел давно подозревал, что подобные месторождения являются следами древних гидротермальных источников. Увидев фотографии “черных курильщиков”, он заинтересовался: а могут ли подобные структуры сохраняться в барите? Рассел принялся искать их и сумел найти трубки пирита диаметром около одного сантиметра. Он счел это доказательством того, что барит и другие содержащие металлы минералы в окрестностях Сильвермайнс когда-то извергались из гидротермальных источников.
 
Но эти древние источники отличались от необычайно горячих “черных курильщиков”, нагретых до 400 °C. Рассел был уверен, что местные источники едва ли имели температуру выше 150 °C, и потому они казались ему более комфортными для биологических молекул. Такие гидротермы в изобилии содержали реакционноспособные соединения, но среда в них не была настолько экстремальной, чтобы уничтожать продукты химических реакций с их участием – вроде аминокислот. Мало того: подобные трубочки из пирита могли служить своеобразными “камерами для культивирования”, безопасными уголками, в которых биологические молекулы имели возможность накапливаться и взаимодействовать между собой.
 
Начиная с 1983 года, Рассел и его коллега Аллан Холл разрабатывали эти идеи, однако же никаких статей не публиковали. Тем более что Рассел (безуспешно) тратил тогда немало времени на спасение факультета прикладной геологии своего университета. В те годы у власти в Великобритании находилась Маргарет Тэтчер и урезать расходы было в моде – под сурдинку пошли под нож и университетские факультеты.
 
Рассел сказал свое веское слово как раз тогда, когда Миллер и Бада раскритиковали гипотезу гидротермальных источников Корлисса. “Я не мог поверить, что это был тот самый Миллер”, – утверждает Рассел. Он и Холл при содействии еще двух коллег, включая Грэма Кернс-Смита, нанесли ответный удар, заявив, что стоит обратить внимание на другие гидротермальные источники с более мягкими условиями.
 
Дело происходило в 1988 году, том самом, когда Вэхтерсхойзер впервые предложил свою гипотезу основанного на химии пирита Железо-серного Мира. Рассел тоже постоянно размышлял о пирите и на первых порах посчитал идеи Вэхтерсхойзера и свои собственные тесно связанными. Он предложил Вэхтерсхойзеру сотрудничество, однако из этого ничего не вышло, и в итоге двое исследователей даже начали недолюбливать друг друга. Вскоре Рассел добился нового прорыва.
 
Можно сказать, что в какой-то степени вдохновил его на этом этапе французский врач Стефан Ледук, который работал в конце XIX и начале XX века. Ледук пытался доказать, что простые живые существа могут сформироваться в результате чисто физических процессов. Смешивая определенные реагенты в стеклянных сосудах, Ледук получал очень красивые, напоминающие нечто живое структуры – некоторые из них даже обладали сходством со скоплениями клеток. Для Рассела же было важно то, что французский исследователь стал пионером концепции “вначале был метаболизм” и что он утверждал, будто “самое существенное явление для живого – это его питание”. Однако на родине труды Ледука печатать не хотели, поскольку французская Академия наук считала, что он защищает опровергнутое к тому времени спонтанное зарождение. Сейчас его эксперименты представляются скорее любопытной диковинкой, поскольку сходство структур Ледука с живыми организмами было исключительно внешним. Но вдохновлять он тем не менее мог.
 
Первым делом Рассел воссоздал пиритовые трубочки в лаборатории. Растворив дисульфид натрия в воде, он пропускал раствор через небольшое отверстие, за которым находилась насыщенная дихлоридом железа соленая вода. При смешивании этих двух растворов образуется желеобразная прослойка. Появляются и разрушаются пузырьки и капли, образуя тонкие вертикальные трубки диаметром несколько миллиметров и высотой несколько сантиметров. Рассел сделал вывод, что такие трубки формируются и у рассматриваемых им “альтернативных” гидротермальных источников. Они не твердые, как камень, а скорее представляют собой подвижное желе, богатое сульфидами и железом, – желе, в котором могут накапливаться и другие соединения.
 
В 1989 году Рассел сделал следующий и очень важный шаг. Он выяснил, что его гидротермальные источники не только менее горячие, чем “черные курильщики”, но и отличаются от них своим химическим составом. Вода в его источниках является щелочной, в то время как в случае “черных курильщиков” она кислая. Большинство считает кислоты разъедающими жидкостями, способными растворять металл, – наподобие кислотной крови существ из “Чужого”. Но на самом деле щелочь может быть не менее едкой. С точки зрения химии, кислоты – это просто молекулы, которые при растворении в воде отдают протон, то есть ядро атома водорода. Щелочи же – это противоположность кислот: они протон принимают. Соединения, которые не склонны делать ни то, ни другое, называют нейтральными.
 
По мнению Рассела, такое различие в составе воды объясняется географическим положением этих источников. Если “черные курильщики” существуют за счет нагревания воды расплавленной магмой, то его источники образовались благодаря химической реакции между горными породами и водой. Такой процесс называется серпентинизацией, потому что приводит к образованию красивого минерала зеленого цвета – серпентина. Внешне он напоминает чешую змеи. При серпентинизации выделяется тепло, поэтому Рассел предположил, что этот процесс – если он будет происходить под дном океана – может образовывать теплые щелочные воды. В таком случае ее потоки должны подниматься сквозь слои породы и попадать в морскую воду.
 
Может возникнуть вопрос: чем щелочная вода гидротермальных источников лучше кислотной, если и та, и другая очень едкие? Дело в том, что океаны на молодой Земле могли исходно быть кислыми из-за растворения в них углекислого газа атмосферы, приводящего к образованию угольной кислоты. И если сульфидные пузырьки Рассела действительно когда-то могли возникнуть у щелочных гидротермальных источников, то внутри них оказывался бы водяной раствор со щелочной реакцией. В то же время вода вокруг них должна была быть кислой. Следовательно, снаружи таких капель находилось больше протонов, чем внутри, – это называется протонный градиент. Из-за него внешние протоны стремились попасть внутрь, что было для них довольно трудно.
 
Это может показаться чем-то не относящимся к делу, однако в действительности протонные градиенты имеют решающее значение для всего метаболизма, а может, и жизни в целом. Чтобы понять причину этого, нам следует переместиться назад во времени на несколько десятков лет и познакомиться с одним из самых интригующих персонажей в истории науки XX века.
 
Питер Митчелл родился в состоятельной семье на юго-востоке Англии. Его отец был государственным служащим, кавалером Ордена Британской Империи, а дядя возглавлял строительную фирму “Джордж Уимпи” (ныне “Тэйлор Уимпи”). В 1939 году Митчелл поступил в Кембридж, где его считали “светлой головой”, несмотря на довольно средние оценки. В 1951 году он худо-бедно защитил диссертацию по биохимии. Некоторые называли Митчелла “особо одаренным и изобретательным”, хотя и “не способным донести свои мысли до других”.
 
Работая над диссертацией, Митчелл начал сотрудничать с биохимиком Дженнифер Мойл, на три последующих десятилетия ставшей его ближайшей коллегой. Мойл также поступила в Кембридж в 1939 году – в то время, когда университет еще не присуждал женщинам ученых степеней, а заменял их “аналогичным степени званием”. В годы Второй мировой войны она служила в военной разведке и лишь позднее вновь занялась биохимией. Двое ученых идеально подходили друг другу: Митчелл стал генератором идей, а Мойл взяла на себя роль старательного экспериментатора и конфидента.
 
Однако в 1955 году Митчелл покинул Кембридж и перебрался в Эдинбург. Причин этому были две: стремление к карьерному росту и проблемы в личной жизни. В 1944 году он женился в первый раз – на Эйлин Ролло. Хотя у супругов и родились двое детей, в 1954 году они развелись. Митчелл завел роман с Хелен Робертсон, матерью двоих малышей. Ее муж Пэт потребовал, чтобы Хелен сделала выбор между обожаемым ею Митчеллом и детьми. В итоге семейство Робертсонов переехало в Бристоль. Но Митчелл не сдавался: он встречался со своей возлюбленной, предварительно загримировавшись и договорившись о свидании через послания, спрятанные в яичных картонках. Однако Хелен была уже не в силах разрываться между семьей и Митчеллом и потому написала ему: “Мой дорогой Питер, я не могу делать две вещи одновременно и поэтому не должна больше с тобой видеться. Прощай навсегда. С любовью, Хелен”.
 
Обосновавшись в подвальном помещении Эдинбургского университета, Митчелл предложил Мойл присоединиться к нему, и они начали налаживать совместную работу. Вскоре Митчелла попросили выступить с лекцией в Бристоле, и ему удалось-таки повстречаться с Хелен. Их любовь оказалась настолько сильной, что Хелен все же ушла от мужа, забрав с собой детей. Питер и Хелен поженились в 1958 году и не расставались до самой его смерти в 1992-м.
 
Из саги о Митчелле и его любви ко второй жене становится понятно, насколько это был страстный, уверенный в себе и харизматичный человек. И все эти качества ему скоро понадобились. За восемь лет в Эдинбурге он и Мойл сформулировали свою самую главную идею – идею, которую им предстояло защищать от нападок не один год.
 
Митчелл был одержим аденозинтрифосфатом (АТФ) – той самой молекулой, что используют все без исключения клетки для хранения энергии. Метаболические циклы (вроде тех, что рассматривал Вэхтерсхойзер) создают нужную клетке энергию, которая далее хранится в форме АТФ. Клетка разрушает молекулы АТФ и извлекает из них энергию. Нерешенным оставался вопрос о том, как клетка создает АТФ. Благодаря чему она может использовать ее энергию? Жизнь по сути “работает на батарейках”, и перед Митчеллом стояла задача выяснить, как она умудряется их заряжать.
 
Ответ в какой-то степени был очевиден. Метаболические циклы производят электроны, а те начинают прыгать между различными встроенными в мембраны белками. По мере передвижения электрона от одного белка к другому он теряет часть своей энергии – именно она используется для синтеза АТФ. Все это немного напоминает футбольный мяч, который скачет вниз по лестнице, на каждой ступени теряя часть своей энергии. Астробиолог Чарльз Кокелл назвал этот процесс транспорта электронов основополагающим для живого, потому что электроны являются самой доступной частью атома – ведь они образуют его внешнюю оболочку.
 
Вопрос заключался в том, как именно электроны физически используются для синтеза АТФ. Решение Митчелла, над которым он проработал несколько лет и наконец опубликовал в 1961 году, многим его коллегам показалось странным. Он предположил, что АТФ синтезирует некий белок, устроенный довольно просто и встроенный в находящуюся внутри клетки мембрану. Кроме того, Митчелл считал, что вокруг этой мембраны образуется протонный градиент: с одной от нее стороны протонов много, а с другой – намного меньше. Именно это делает возможным движение электронов: каждый раз, когда находящийся в мембране белок получает электрон, он перекачивает протон через мембрану, так что протоны накапливаются с одной стороны. Сами по себе протоны не могут пройти через мембрану, но им помогают синтезирующие АТФ ферменты. При этом сами протоны снабжают фермент энергией, необходимой для производства АТФ.
 
Эта названная Митчеллом “хемиосмотической” гипотеза была детищем гениального озарения. И все же из-за своей излишней сложности она кажется причудливой. Словно бы кто-то построил электростанцию (движение электронов), но затем почему-то стал использовать полученное электричество для перекачивания воды выше по склону (градиент протонов), а потом позволил ей течь вниз, при этом вращая турбину (создающий АТФ фермент). Почему бы просто не использовать энергию, создаваемую самой электростанцией? Неспроста Митчелл и Мойл несколько следующих лет проводили дополнительные эксперименты, одновременно отбиваясь от критики своих коллег (те отказывались верить в такое мудреное объяснение). Ситуация еще более ухудшилась в 1962 году, когда Митчелл слег с язвой желудка. Он отказался от операции, в ходе которой хирург должен был удалить 80% его желудка, и тогда ему настоятельно порекомендовали уйти в отставку и заняться своим здоровьем.
 
Большинство из нас в этой ситуации сдались бы, но Митчелл был находчив и к тому же богат. Годом ранее он приобрел загородный дом – небольшой коттедж на въезде в имение под названием Глинн Хаус, которое располагалось в Корнуолле на юго-западе Англии. (Он выбрал это место потому, что оно находится очень далеко от Эдинбурга – климат которого Митчелл возненавидел, – но при этом все же в пределах Великобритании.) И вот теперь он выкупил все имение целиком за сумму, немного превышающую 2800 фунтов стерлингов, – сейчас это около 60 000 в той же валюте.
 
В наши дни Глинн Хаус является объектом культурного наследия, но в те времена дом был полностью заражен грибком. Митчелл, понимая, что “с таким может связаться только полный безумец”, недвижимость все же купил. Он потратил целое лето на то, чтобы привести свою новую собственность в порядок, и даже натягивал над домом полиэтиленовую пленку, чтобы уберечь его от дождя и “спасти отличное старое здание от разрушения”.
 
Когда же язвенная болезнь Митчелла обострилась, он и Хелен поселились в этом коттедже. Уволившийся из университета ученый решил реставрировать Глинн Хаус и обустроить в нем частное научное учреждение. (Тем более что он издавна недолюбливал официальную науку.) Мойл поддержала инициативу коллеги, и несколько следующих лет они занимались ремонтом, потратив на него 70 000 фунтов стерлингов личных средств Митчелла (сейчас это полтора миллиона). Митчелл еще и купил восемь коров джерсейской породы, обитавших в том же имении и дважды в сутки нуждающихся в ручном доении. Когда здание приобрело форму корабля, Митчелл обустроил в нем небольшое научное учреждение под названием “Глинн Ресерч Лтд.” (Glynn Research Ltd), вновь потратив на это собственные деньги. После этого он, Мойл и еще несколько их коллег продолжили исследования протонных градиентов.
 
К 1978 году споры наконец стихли: Митчелл оказался прав и получил заслуженную Нобелевскую премию по химии. Мойл награды не досталось, и спустя несколько лет она вышла на пенсию. Митчелл явно сожалел о том, что все так сложилось, и пытался добиться для коллеги общественного признания, называя Мойл “лучшим из известных мне биохимиков, чьи навыки экспериментатора и умозаключения безукоризненны”. Он также хлопотал о том, чтобы Мойл дали почетное научное звание, – это хотя бы в какой-то мере компенсировало отказ Кембриджа присвоить ей соответствующую степень. Но все его усилия оказались тщетными.
 
Как бы там ни было, в итоге Митчелл и Мойл установили, что протонные градиенты имеют исключительное значение для всего живого, поскольку питают энергией процесс образования АТФ. И это объясняет энтузиазм Майка Рассела по поводу идеи о щелочных гидротермальных источниках, в которых протонный градиент формируется самопроизвольно: он мог стать источником энергии для первых живых существ и для химических циклов вроде тех, которые предложил Вэхтерсхойзер. Машинерия для перекачивания протонов через мембрану очень сложна и, по всей видимости, возникла позже. Но в те горячие источники протоны в каком-то смысле были “закачаны заранее”, так что первым клеткам нужно было только использовать готовую энергию протонного градиента. Это объясняет и используемый жизнью запутанный механизм: он был построен “вокруг” имевшегося градиента, к которому добавлялись остальные компоненты.
 
Рассел и его коллеги излагали свои результаты в период между 1989 и 1993 годами. В отличие от эпохального исследования Миллера, проведенного за сорок лет до того, статьи Рассела публиковались в скромных журналах и прошли мимо внимания журналистов, хотя, возможно, они были не менее существенны. Рассел взял на вооружение несколько на первый взгляд несвязанных идей (метаболические циклы и сульфиды железа Вэхтерсхойзера, гидротермальные источники, протонные градиенты Митчелла) и объединил их в одну замысловатую, но убедительную картину.
 
Насколько она соответствует действительности? На протяжении 1990-х годов Рассел неутомимо продвигал свои идеи, но все же несколько вопросов ответа тогда так и не получили. Первый вопрос прост: существуют ли на самом деле щелочные гидротермальные источники? А если существуют, то возможно ли использование их протонного градиента для получения органических веществ (вроде аминокислот) без ферментов? И может ли это привести к образованию простых клеток?  
В декабре 2000 года был получен ответ на первый вопрос. Ученые на борту научно-исследовательского судна “Атлантис” изучали массив Атлантис. Так называют купол диаметром около 15 километров и высотой примерно 4 километра, расположенный на дне Атлантического океана. Он находится близ Северо-Атлантического хребта, который вытянулся с севера на юг посередине Атлантического океана и является границей неспешно расходящихся тектонических плит. Исследователи опустили в тамошнюю холодную воду камеры и наблюдали происходящее на экране. Неожиданно на нем появились “странного вида белоснежные отложения и небольшие пики, которые вскоре исчезли из поля зрения”.
 
Команда под руководством океанографа Деборы Келли использовала подводный аппарат “Элвин” и увидела “целый лес потрясающе выглядящих высоких белых трубок”, высота которых достигала 60 метров. Их вид напомнил присутствующим греческие и римские колонны, а поскольку и исследуемый ими массив, и корабль носили название “Атлантис” (то есть “Атлантида”), это странное место нарекли “Затерянным городом”. Удачнейшее название! Каменные шпили пугающе неподвижны и выглядят обесцвеченными. Подводный лес кажется жутким, словно бы населенным призраками. Некоторые из трубок напоминают термитники, хотя особой активности живого тут не наблюдается. В Затерянном городе обильно представлены микроорганизмы, но вот крупных организмов команде Келли удалось обнаружить не то чтобы много – это “пара крабов, морские ежи и предостаточное количество губок и кораллов”.
 
Затерянный город являет собой поле гидротермальных источников. Температура бьющей из белых трубок воды, по сравнению с “черными курильщиками” Тихого океана, невелика: 40–90 °C. Эти воды также отличает щелочная реакция, их показатель кислотности (или pH) составляет около 10. Вся эта система существует благодаря серпентинизации – взаимодействиям между горной породой и водой в толще дна. Рассел предполагал существование таких источников за десять лет до их открытия и оказался прав. Ключевой момент его теории был верен.
 
Однако нельзя сказать, что Рассел не ошибся вообще ни в чем. Ученый представлял себе пузырьки и шпили из сульфида железа, однако башни Затерянного города имеют другой состав. Они по большей части образованы минералами-карбонатами, похожими на тот известняк, из которого сложены, например, Белые скалы Дувра, – это объясняет их светлую окраску. Впрочем, это не слишком меняет суть дела. Минералы подводных башен пористы: в них полно дырок, как у губки. Легко вообразить, как эти крошечные, наполненные водой полости в камне становятся приютом для первой жизни. Иными словами – становятся первыми небиологическими клетками. Эксперименты показали, что любые образовавшиеся здесь биологические молекулы собирались бы в концентрированные сгустки из-за постоянного потока жидкости.
 
Примерно в то же время, когда был открыт Затерянный город, Рассел нашел себе нового коллегу. Им стал задиристый и крайне талантливый микробиолог Билл Мартин. Родом из Мэриленда, он какое-то время работал там столяром, а затем перебрался в Германию и в 28 лет обзавелся дипломом о высшем образовании. За свою карьеру Мартин сгенерировал целую череду парадоксальных идей, касающихся ранней эволюции жизни, причем многие из них оказались на удивление удачными. Но его сотрудничество с Расселом продолжалось всего десять лет и закончилось потому, что оба ученых, будучи очень яркими личностями, разошлись во мнениях о химии. Рассел сравнивал себя и своего коллегу с Джоном Ленноном и Полом Маккартни, которые тоже в какой-то момент не смогли больше работать вместе. Но Рассел, тем не менее, ценил Мартина очень высоко. “Без него я не смог бы этого добиться”, – говорит он. Мартин оказался идеальным партнером благодаря своим знаниям в области микробиологии, в которой геолог Рассел разбирался не слишком хорошо.
 
По-видимому, самым значительным вкладом Мартина стало предположение о том, что метаболизм первых живых существ был основан на так называемом пути Вуда – Льюнгдаля. Его используют многие современные бактерии и археи. Следуя по этому пути, углекислота и водород соединяются с более крупной молекулой – коферментом А. В результате образуется ацетилкофермент А и вода. Ацетилкофермент А то и дело мелькает в учебниках биохимии, поэтому его синтез открывает огромные возможности. Мартин считал, что именно этот метаболический путь (а не предложенный Вэхтерсхойзером обратный цикл лимонной кислоты) имеет большие шансы оказаться первичным. Ведь в нем нет ничего слишком сложного, такого, как циклы, да к тому же он может функционировать в нескольких разных режимах.
 
Гипотеза щелочных гидротермальных источников стала одним из самых активно цитируемых и авторитетных предположений о возникновении жизни. Именно ее биохимик и научный писатель Ник Лейн активно продвигает в своей книге “Жизненный вопрос” (The Vital Question). Ему даже удалось рассказать о ней в прайм-тайм на телевидении – в эфире программы Брайана Кокса “Силы природы”. Мартин, в свою очередь, любит хвалиться частым упоминанием их гипотезы в учебниках биохимии и клеточной биологии – поскольку она связана с метаболизмом бактерий и архей.
 
Проницательный читатель может ощутить приближение некоего “но”. Действительно, “но” тут уместно, причем довольно весомое. Пробегитесь глазами по тексту и посчитайте, сколько раз в ней встречается слово “эксперимент”. Вам хватит пальцев одной руки. После ранних экспериментов с мембранами и сульфидом железа работа Рассела носила, можно сказать, теоретический характер, да и позднее, сотрудничая с Мартином, он в основном проводил анализ уже имеющихся данных биохимии. Так что вся эта сложная конструкция держится на весьма скромной экспериментальной опоре.
 
Среди оставшихся без ответа вопросов первым значится тот, что касается возможности образования органических соединений в щелочных гидротермальных источниках и, далее, их возможности сохраняться там. Группа Ника Лейна попыталась решить эту проблему с помощью созданного ими “реактора зарождения жизни”, который воспроизводил в себе среду щелочных источников. Он представляет собой стеклянный цилиндр диаметром десять сантиметров и десятисантиметровой же высоты, в который вставлены трубки для введения внутрь жидкостей. Наполнив этот реактор имитирующим первозданный океан кислым раствором и затем добавляя в него щелочную “гидротермальную воду”, ученые сумели получить полые трубки и сферы. В такой “настольной” версии гидротермального источника удалось преобразовать диоксид углерода в формальдегид. Формальдегид, в свою очередь, может быть использован для синтеза сахаров, в том числе рибозы и дезоксирибозы из РНК и ДНК соответственно. Впрочем, по правде говоря, последний этап стал возможен только после добавления в реакционную смесь концентрированного формальдегида. Небольшого количества этого соединения, образующегося в ходе самой реакции, было явно недостаточно. Этот старый трюк пребиотического химика делает условия опыта не слишком убедительными.
 
Стоит отметить, что группа Лейна избегала громких заявлений, называя свои исследования “предварительной проверкой гипотезы”, и после первой публикации с описанием реактора в 2014 году они больше не публиковали ничего нового по этой тематике. К тому же Вэхтерсхойзер заявил, что полученное в опыте количество формальдегида настолько мизерно, что может оказаться просто загрязнением (это предположение ранее уже выдвигалось, но команда не уделила ему тогда достаточного внимания).
 
Проведенные другими учеными эксперименты привели к таким же обескураживающим результатам. Так, Лори Барж из NASA проводила эксперименты в имитирующей щелочной источник смеси и смогла получить одну из аминокислот, исходя из пирувата. Это, безусловно, неплохо, однако десятилетия спустя после опытов Миллера получение горстки биологических молекул уже не впечатляет. Особенное разочарование связано с тем, что щелочные гидротермальные источники активны всего около ста лет, чего может быть недостаточно для полного цикла формирования клетки.
 
Специализирующиеся на возникновении жизни химики не скрывают своего пренебрежительного отношения к этой гипотезе. Джон Сазерленд написал как-то, что “ей, подобно самим глубоководным источникам, следует оставаться погребенной на дне океана”. Критики дружно упрекали Рассела и его сотоварищей в том, что ни у кого из них нет химического образования. Вновь и вновь скептики подчеркивали, что РНК и другие биологические молекулы нестабильные в растворе, поскольку вода вызывает их разрушение. Однако сторонники Рассела утверждали: необычные условия в гидротермальных источниках в сочетании с постоянным поступлением новых соединений через морское дно способны решить эту проблему. Необходимо заметить, что данное предположение не получило экспериментальных подтверждений. Но не было оно и опровергнуто: экспериментов проведено слишком мало.
 
И все же самая значительная трудность, касающаяся гипотезы щелочных гидротермальных источников, связана с тем, что как раз и делает ее уникальной и (на первый взгляд) убедительной. Речь идет о возможности начала метаболизма на основе естественного протонного градиента. Эта интуитивная догадка, приведшая к гениальному прорыву, не получила подтверждения в эксперименте. Да, все живое действительно использует протонные градиенты, но все живое также имеет рибосомы, однако ведь никто не предполагает, что они имелись уже у первых организмов.
 
У этой проблемы есть два аспекта. Во-первых, нам не известно, формируется ли резкий градиент протонов в щелочных источниках вроде Затерянного города. Может быть, вместо этого щелочи медленно смешиваются с кислотой по всей длине трубки – в этом случае образуется слишком плавный протонный градиент, недостаточный для получения полезной энергии. Во-вторых, используемые жизнью ферменты, в том числе синтезирующие АТФ, это крупные и сложно устроенные молекулы. Пока не удалось отыскать их более простые версии, которые бы легко образовывались и при этом могли выполнять свои функции. Эта острая проблема вполне сравнима с проблемой Мира РНК, касающейся отсутствия самокопирующихся РНК.
 
Совсем недавно Рассел попытался разобраться с этим затруднением. По-видимому, первые организмы не использовали именно АТФ, поскольку аденозин в его составе является слишком сложной структурой. Однако суть АТФ скорее в цепочке фосфатов, а подобные им “полифосфаты” могут с легкостью образоваться сами по себе. Действительно, как отметил в 1992 году Гарольд Моровиц, многие микроорганизмы создают полифосфаты и используют их для хранения химической энергии. И теперь Рассел предполагает, что первые живые клетки содержали в себе самые простые молекулы полифосфатов, а именно – пирофосфат, в котором фосфатов всего два.
 
Чтобы встроить пирофосфат в созданную им схему, Расселу пришлось отказаться от идеи пузырьков и сульфида железа. “Многим они нравились, потому что напоминают клетки”, – отмечает он. Сейчас же Рассел считает, что поры в образующих гидротермальные источники породах были покрыты множеством тонких слоев “зеленой ржавчины”. Вы, наверное, замечали ржавчину зеленого цвета на, скажем, долго пробывших в морской воде старых стальных кораблях. Подобная ржавчина, образованная железом, водородом, кислородом и рядом других компонентов, нередко возникала при проведении экспериментов, в которых имитировали условия гидротермальных источников. Рассел полагает, что такие слои зеленой ржавчины в порах камней могли стать первыми “клеточными мембранами”.
 
Это дополнительное пояснение может показаться странным. Разве есть сомнения в том, что поры и сами по себе могли стать подходящим контейнером для преджизни? Однако Рассел считает, что именно зеленая ржавчина сделала возможным использование жизнью протонных градиентов для получения пирофосфата – в отсутствие нужных ферментов. Он полагает, что формирующийся на мембране из зеленой ржавчины градиент втягивал фосфаты и протоны в маленькие зазоры между ее кристаллами. Здесь они могли соединяться, превращаясь в пирофосфат. А тот, в свою очередь, уже оказывался в полостях между отдельными слоями ржавчины, где участвовал в реакциях с образованием различных биологических молекул. Это гениальная идея, которую Рассел в настоящее время пытается проверить на деле. “Если за три года мы не сможем показать, как это работает, нас ждут большие сложности”, – говорит ученый.
 
Но Рассел столкнулся и с другой проблемой: в 2019 году он лишился должности в Лаборатории реактивного движения NASA, где проработал много лет. В итоге ему пришлось перебраться в Италию, и он пытается проводить нужные ему эксперименты в европейских университетах.
 
Тем временем одно очень весомое доказательство в пользу гипотезы щелочных гидротермальных источников нашли генетики. В 2016 году команда Мартина опубликовала подробную родословную последнего универсального общего предка (LUCA), от которого произошли все современные живые существа. Для этого исследователи изучили гены 1930 разных микробов, отыскивая таких, которые встречались бы у всех, – а значит, могли быть и у LUCA. Дело оказалось непростым, поскольку микроорганизмы способны иногда встраивать в себя гены из неродственных им микробов – это называется горизонтальный перенос генов. В результате тот или иной ген может показаться древним и общим для многих микроорганизмов, хотя в действительности он является недавним изобретением эволюции, распространившимся за счет горизонтального переноса. После тщательного отбора имевшихся данных ученые получили список из 355 генов, которые были уже у LUCA. Из списка следует, что он жил в горячем месте, – то есть теоретически это может означать и щелочной гидротермальный источник (хотя и не обязательно). А еще оказалось, что LUCA, как и предполагал Мартин, использовал для получения биологических молекул метаболический путь Вуда – Льюнгдаля. Более того: похоже, что LUCA имел машинерию для использования протонного градиента, но сам его генерировать не умел. Это подтверждает идею об использовании им имевшихся естественных протонных градиентов гидротермальных источников. Последнее известие особенно поразительно, но все же к нему следует относиться с известной долей скепсиса, помня о горизонтальном переносе генов.
 
Гипотеза щелочных гидротермальных источников изящна, подробна и хорошо вяжется с микробиологией. Однако все это еще не означает ее правильности. Множество красивых и казавшихся правдоподобными идей на поверку оказались ошибочными, и пока не до конца понятно, сможет ли данная гипотеза преодолеть множество встающих перед ней препятствий.
 
И все же некоторые ее аспекты выглядят настолько убедительно, что окончательно верная теория непременно должна или включить их в себя, или найти другие ответы на те же вопросы. Очевидно, что решающую роль играет источник химической энергии, но, по-видимому, не менее важна и способность использовать или даже создавать протонный градиент.
 
Подводя итог сказанному, нельзя не упомянуть одно удивительное свойство этой гипотезы: попытку одновременно объяснить появление сразу двух компонентов живого – и метаболических циклов, и компартментализации. Такой подход представляется куда более целостным, чем стремление собрать “все и сразу” на основе только РНК или только белков. Рассел рассматривает формирование чего-то, что гораздо больше напоминает полноценную клетку, и уже одно это делает его гипотезу лидером среди тех, что объясняют возникновение жизни на нашей планете. В XXI веке многие ученые, вдохновившись примером Рассела, отказываются от попыток добиться “всего и сразу” на основе молекул одного типа. Вместо этого они ищут способы получить все компоненты жизни одновременно. И даже если гипотеза Рассела окажется ошибочной, его работы, несомненно, уже легли в основу этого нового подхода.

«Наука движется вперед пропорционально массе знаний, унаследованных ею от предшествующего поколения, следовательно, при самых обыкновенных условиях она … растет, растет в геометрической прогрессии»

Фридрих Энгельс

Научный подход на Google Play

Файлы

Бог как иллюзия

Происхождение альтруизма и добродетели

Конституция свободы

КЭД – странная теория света и вещества