Органические молекулы, необходимые для энергетического метаболизма, можно получить в ходе неорганических реакций.

Молекулы, из которых состоят живые организмы – нуклеиновые кислоты, белки, липиды – это очень, очень большие молекулы. И даже если мы разберём их на запчасти – а в нуклеиновых кислотах, белках и липидах можно выделить отдельные строительные блоки – то и «запчасти» всё равно окажутся довольно крупными и сложными молекулами. И если мы говорим о происхождении жизни на Земле, то должны объяснить, как они возникли. Сейчас, когда биомолекулы синтезируются в клетках, их делают ферменты, то есть те же белки. Но в очень давние времена никаких ферментов ещё не было.

Чёрные курильщики древнего океана вполне могли стать колыбелью всей жизни на Земле. (Фото: Penn State / Flickr.com) 

И всё же сложные молекулы могли возникнуть из очень простых: не так давно химикам удалось показать, что «кирпичи» для рибонуклеиновых кислот вполне можно получить из очень простых исходных веществ: цианистого водорода (HCN) и сероводорода (H₂S); и что для того, чтобы необходимые реакции произошли, нужны ультрафиолетовое излучение и определенные катализаторы, которые вполне могли быть на тогдашней Земле. Более того, исследователям удалось показать, что из того же цианистого водорода и сероводорода можно получить молекулы-предшественники для синтеза аминокислот (а значит, и белков) и липидов. (В некоторых рецептах вместо сероводорода предлагают оксид серы.)

Но жизнь – это не просто молекулы, это ещё и процессы, в которых они участвуют. Молекулы взаимодействуют друг с другом, вступают в реакции, синтезируют новые молекулы, расщепляют старые, и не просто так, а имея в виду воспроизвестись в следующем поколении. Без наследственности, без передачи информации из поколения в поколение никакой жизни не будет. Чтобы всё это происходило, нужна энергия и строительный материал. Возможно, то и другое молекулы-предки брали от самих себя. А возможно, они воспользовались, как сейчас говорят, готовыми решениями – в смысле, уже имеющимися геохимическими реакциями.

Когда жизнь только зарождалась, органики в окружающей среде было очень и очень мало – вряд ли те реакции, которые шли с сероводородом и цианистым водородом, могли доверху заполнить древний океан органическими молекулами. И жизни, как бы она ни выглядела в то время, нужно было научиться самой делать органические вещества из неорганических. Сейчас это умеют некоторые микробы, создающие органические молекулы из углекислого газа и водорода: они забирают электроны от Н₂ и с их помощью монтируют из СО₂ сложные конструкции в ходе особой цепи реакций, которая называется путём Вуда – Льюнгдаля. Важно, что путь Вуда – Льюнгдаля позволяет одновременно превращать углекислый газ в органику и получать энергию. Считается, что гены, которые нужны для таких реакций, были у самого древнего общего предка, от которого в конечном счёте произошли все остальные живые организмы. Но путь Вуда – Льюнгдаля у современных микробов идёт не сам по себе – его обслуживают целых одиннадцать белков.

Однако некоторое время назад удалось показать, что некоторые молекулы, которые получаются в результате подобных процессов, можно получить с помощью металлов – железа, никеля и кобальта. Металлы в природе встречаются обычно в составе минералов, а минералы с никелем и железом в нужной химической форме в изобилии попадаются около гидротермальных источников на дне морей. Гидротермальные источники выбрасывают из земной коры много железа, серы, никеля и т. д., и водород в том числе.

Исследователи из Дюссельдорфского университета вместе с коллегами из других научных центров поставили эксперименты с минералами магнетитом и грейгитом, богатых железом, и минералом аваруитом содержащим железо и никель; и магнетит, и грейгит, и аваруит, как можно догадаться, есть у гидротермальных источников. В статье в Nature Ecology & Evolution говорится, что под давлением, примерно в 25,5 раз превышающем атмосферное, при температуре в 100 °С все три минерала катализируют реакции, в которых из водорода и углекислого газа получается смесь органических молекул, среди которых есть пируват, ацетат и формиат (то есть остатки пировиноградной кислоты, уксусной кислоты и муравьиной кислоты).

Пируват, ацетат и формиат – главные молекулы любого обмена веществ, они находятся в узлах разнообразных метаболических путей, с их помощью происходят превращения энергии, её добыча из окружающей среды и запасание в удобной для жизни форме. То, что эти важнейшие метаболические посредники получились в «неживых» условиях, ещё раз говорит о том, что переход от «неживой» химии к биологической эволюции, от нежизни к жизни был вполне возможен.

Гидротермальных источников в древнем океане было немного больше, чем сейчас, и они могли не только влиять на информационный отбор РНК, но и обеспечивать поначалу метаболическими полуфабрикатами зарождающуюся жизнь. Возможно, первые молекулы, которые учились размножаться и эволюционировать, пользовались продуктами геохимических реакций до тех пор, пока первые протоклетки не обустроили в себе необходимые энергетические процессы.