Белковая жизнь может существовать только в жидкой воде, а вне её невозможна. Правда, вода в которой происходят жизненно важные химические процессы, может быть помещена в обширный водоём, а может в своего рода аквариум. Любое живое существо на нашей планете является таким аквариумом, удерживающим водный раствор.
Обитающие в воздухе и грунте бактерии – это очень маленькие и сравнительно простые аквариумы. Мы с вами – аквариумы большие и сложно устроенные. Каждая отдельная клетка – маленький аквариум, встроенный в большой. Обитающие в пустыне ящерицы и скорпионы – тоже ходячие аквариумы, с ещё более высоким уровнем защиты от пересыхания.
Впрочем, никогда не покидавшая водную среду одноклеточная водоросль – тоже маленький аквариум, ведь ей нужно поддерживать более-менее постоянный химический состав водного раствора внутри себя. Этот вот постоянный химический состав, который нужно поддерживать, очень много может рассказать о том, где и как зарождалась жизнь.
Нам часто приходилось слышать, что первые живые существа появились в море, но если как следует проанализировать состав жидкостей в нашем теле, то картина получается несколько более сложная.
Все знают, что наша кровь солёная на вкус. По своему химическому составу плазма крови близка к морской воде. Как и в море, там очень много хлористого натрия. Это – свидетельство того, что многоклеточные организмы формировались в морской воде, и кровь имитирует среду, в которой обитали исходные одноклеточные. У примитивных морских животных концентрация хлористого натрия практически совпадает с окружающей средой. На этом этапе, они ещё просто не умеют регулировать соляной состав своего тела, у них нет таких органов как почки.
При выходе на сушу животные попытались от избытка соли избавиться, но это им не вполне удалось. Концентрация NaCl в плазме наземного млекопитающего в несколько раз меньше чем в океанической воде, но всё равно очень высокая. К тому времени как наши предки решились покинуть моря, слишком много тонких механизмов было настроено на определённый химический состав, например, передача сигнала нейронами. Что-либо менять радикально было уже поздно. И вот, по суше расползлись ходячие аквариумы с солёной водой. Когда они отползли далеко от берега, то стали страдать от недостатка соли и искать её повсюду. Вот почему олени бегают на солонцы, а люди добавляют соль во все блюда и обожают всякие соленья. Мудрая сказочная принцесса говорила, что любит отца-короля как соль, чумаки отправлялись в далёкий путь к морскому берегу, чтобы привезти соль в глубь материка, а повышение цен на соль в царствование Алексея Михайловича привело к кровавому бунту. Вкус соли для нас приятен, потому что нам её не хватает.
Пока всё ложится на концепцию моря, как колыбели жизни. Но плазма крови не единственный вид жидкости в нашем теле, у цитоплазмы (внутриклеточной жидкости) состав совершенно другой. Натрия там совсем мало, даже меньше, чем в озёрной воде, которую мы привыкли считать пресной. Зато там много калия, которого в морской воде и плазме крови совсем чуть-чуть. Очень многие внутриклеточные механизмы завязаны на него. Кроме того, в цитоплазме повышена концентрация четырёх тяжёлых металлов: железа, цинка, меди, марганца. Наконец, в клетке полно фосфора. Его там в тысячи раз больше, чем обычно бывает в морской воде. Чтобы поддерживать у себя внутри всю эту экзотику, плавающему в толще морской воды одноклеточному нужна плотная мембрана и сложная система транспортных белков, которые как насосы закачивают внутрь железо, медь, цинк, марганец, калий, фосфор и выводят наружу натрий. И как же такое могло получиться?
Напрашивается вывод, что собиралось всё это в совершенно другой среде, близкой по химическому составу к цитоплазме. Именно там возникли первые одноклеточные. Потом их смыло в море, от чего они в большинстве своём, конечно же, погибли, но самые упрямые и удачливые
успели обзавестись плотной мембраной и системой транспортных белков. Их потомки заселили океан, и спустя сотни миллионов лет из них получились многоклеточные животные. Таким образом, наша кровь хранит память о море, а цитоплазма о ещё более древней прародине.
Но где она была, эта загадочная прародина? Где в природе можно найти столь необычный химический коктейль? Мысли учёных обратились было к «чёрным курильщикам». Химия там и впрямь богатая, но всё-таки подходит не совсем. С четырьмя тяжёлыми металлами всё в порядке. Чёрный «дым» и белый налёт на башнях «курильщиков» как раз и составляют частички сульфида железа, меди, цинка и марганца. Но натрия там многовато, плюс температуру 200-300 градусов никакие термофилы не выдержат. При таком жаре белковые молекулы разрушаются. И, в довершение всего, мало фосфора, а, как мы помним, живой клетке его нужно очень много.
Вопрос о фосфоре вообще давно занимает учёных. Дефицит этого элемента в пригодных для усваивания живыми организмами состояниях вообще является одним из важнейших лимитирующих факторов развития земной биосферы. Когда-то он привёл к одному из крупнейших в истории Земли вымираний. Обычно элемент P встречается в связанном виде в составе горных пород апатитов, которые растворяются ну ооочень плохо. Чтобы превратить апатиты в фосфорные удобрения на фабриках делают совершенно страшные вещи, малодоступные матушке-природе. Современные дикорастущие растения и животные обычно берут фосфор из других организмов. А вот откуда его брали самые первые живые клетки?
Совсем недавно по этой теме вышла интересная научная работа. Американские ученые Джонатан Тонер (Jonathan Toner) и Дэвид Кэтлинг (David Catling) из Вашингтонского университета в Сиэтле, рассматривают в качестве потенциальной «колыбели жизни» бессточные содовые озера. В жарком климате высокая скорость испарения приводит к тому, что воды этих озер становятся сильнощелочными. Авторы изучили богатые карбонатами озера: Моно и Серлс в Калифорнии, Лонар в Индии, Магади в Кении и одноименное озеро в Танзании. Оказалось, что в этих водоемах уровень фосфора в 50 000 раз выше, чем в реках, морской воде, а также в озерах других типов.
Лабораторные тесты показали, что кальций в содовых озерах связывается с карбонат-ионом раньше, чем с фосфат-ионом, оставляя фосфат в свободном доступе в воде. Обычно же фосфор осаждается в виде нерастворимых фосфатов кальция еще до осаждения карбоната кальция. При этом, чем выше содержание в водах растворенного неорганического углерода, тем больше в них остается свободного фосфора. Натрий в такой ситуации связывается и осаждается раньше фосфора.
Авторы считают, что 4 млрд лет назад на Земле были все условия для формирования таких озер и зарождения в них жизни. Свежие вулканические породы при контакте с насыщенной углекислым газом атмосферой подвергались интенсивному кислотному выветриванию и высвобождающийся при этом из пород фосфор вместе с кальцием попадали в водоемы, где фосфор включался в состав строительных блоков для создания РНК, белков и жиров.
Поскольку кушать фосфор тогда было ещё особо некому, он должен был накапливаться в еще более высоких концентрациях, чем в современных озерах. И для этого не требовалась такая высокощелочная среда, как сейчас. Из-за повышенного содержания СО2 в атмосфере насыщенные фосфатом рассолы на ранней Земле могли быть нейтральными или даже слабокислыми.
Ранее эти же авторы показали, что условия содовых озер позволяют формированию высоких концентраций цианидов — солей синильной кислоты, участвующих в синтезе аминокислот, нуклеотидов и предшественников липидов.
Однако, на роль колыбели жизни претендует ещё один кандидат. Это грязевые вулканические котлы. Такую научную гипотезу активно продвигают известный российский биофизик Армен Мулкиджанян и геохимик Андрей Бычков.
Грязевые котлы возникают, когда геотермальное поле расположено на суше, но в местности со сравнительно холодным и влажным климатом. Тогда случается, что дождевая вода, заливая огнедышащие трещины, частично испаряется, а частично вытекает откуда-нибудь сбоку горячим ключом. Получается своего рода перегонный куб, где происходит разделение веществ. Хлорид натрия остаётся в воде, а вот соли калия, цинка и марганца и соединения фосфора летят с паром, который затем может где-нибудь конденсироваться. Кроме того, с паром ещё летят силикаты, которые при удачном стечении обстоятельств образуют зернистую грязь. Так возникает грязевой котёл.
Что особенно приятно, там присутствует оксид фосфора в виде газа. Он очень хорошо реагирует с водой, и получаются полифосфаты – фосфорные цепочки. А ведь это важнейший элемент живой клетки! В биохимических процессах источником энергии является расщепление полифосфатной цепочки.
С медью и железом в грязевых котлах, правда, несколько хуже, но они и не столь критичны. Медь так вообще нужна только при кислородном метаболизме, а его на ранних этапах существования жизни быть не могло.
Есть и другие аргументы в пользу грязевых вулканов – наличие каолинитов, той самой зернистой грязи. Надо сказать, что море, как кандидат на место возникновение одноклеточных, не слишком нравилось учёным ещё и из-за своей обширности. В клетке налажен изумительный механизм сложнейших молекул, и чтобы научиться такому слаженному взаимодействию, они должны были собраться в одном месте и остаться в близком соседстве надолго. Это очень трудно представить себе на морских просторах, где любая тесная компания в любой момент может быть разбавлена. Молекулы современной клетки удерживает от разброда и шатания оболочка, но ведь когда-то её не было! Скорее всего, дружное сообщество молекул возникло в каком то ограниченном пространстве, вероятно очень небольшом.
Теперь вернёмся к каолинитам грязевых вулканов. Одной из замечательных особенностей этих минералов является их высокая пористость. Представьте себе пористый материал, пропитанный жидкостью, которая конденсировалась из пара в грязевом котле. Там полным-полно калия, совсем мало натрия, имеется цинк и марганец, в изобилии полифосфаты. Всё это собрано в мелкие капельки, ограниченные минеральными стенками. Ничего не напоминает?
Добавьте к этому довольно стабильную температуру (зимой вода не замерзает) и некоторую склонность к пересыханию. Последнее приводит к тому, что время от времени концентрация растворов может резко возрастать, и все реакции ускоряются. В общем, очень похоже на то, что в таких вот пористых глинах все необходимые живой клетке комплексы молекул впервые и собрались.
Но в грязевых ли котлах или в содовых озёрах, всё ведёт к тому, что жизнь зародилась на суше, хот и в водной среде. Потом особо настырные её представители освоили море, где за миллиарды лет эволюционировали в животных и отправились на повторное завоевание континентов.
