"Я, монтмориллонит" или Ранняя эволюция и глинистые минералы

Возникновение жизни — вопрос непростой и довольно неблагодарный. Действительно, даже самые правдоподобные #гипотезы и убедительные эксперименты будут описывать “то, как это в принципе могло происходить”, а не “то, как именно это случилось”. За последнее столетие предложено большое количество возможных сценариев возникновения жизни — от примитивных представлений Опарина и Холдейна о первичном бульоне до экзотики вроде возникновения живого из белков-амилоидов или вирусов. [1]

Рис. 1. Поверхность пирита (сульфида железа-II) могла служить местом образования РНК и пептидов [4].

Долгое время исследователи абиогенеза (проблемы того, как неживое вдруг оказалось живым) считали, что какая-то часть клетки должна была появиться первой. Может, белки, или липидная оболочка, или нуклеиновые кислоты. Среди них особенно убедительной выглядит гипотеза Мира РНК. Действительно, #РНК это "#молекула на все руки" — она и генетическую информацию содержит, и химические реакции ускоряет. Однако в итоге оказалось, что три типа биомолекул все же слишком неустойчивы, капризны и по отдельности могут немногое.

Выходом из этого тупика может быть новый подход, согласно которому все эти биомолекулы так и возникли вместе, “в объятиях друг друга”. Другой подход более экзотический но, без сомнения, имеет в себе рациональное зерно. Он предполагает, что живому на самых ранних этапах эволюции помогали какие-то "минеральные помощники". Среди таких “неорганических костылей” рассматривают реакцию образования пирита, подводные гидротермальные источники, а также глинистые #минералы (Рис. 1). [1-4]

Рис. 2. Схематическое обозначение (слева направо) "генетической информации" глинистых минералов как свойств его чередующихся слоев; рост этих слоев; их "размножение". [6]

“Глиняная гипотеза” жизни

Глинистые минералы являются важным компонентом почв, и не только. Они образованы плоскими слоями алюмосиликатов, могут набухать и накапливать в себе ионы — скажем, “горячо любимый” многими белками-ферментами магний. [5] Эти свойства особенно выражены у монтмориллонита, который образуется, в частности, при выветривании вулканического туфа. Поэтому он наверняка был в изобилии на Земле четыре миллиарда лет назад (это предполагаемое время зарождения жизни).

А ещё монтмориллонит способен создавать копии своих слоев в зазорах между имеющимися, причем дочерние слои могут “наследовать” микроскопические дефекты “родительских” или, скажем, распределение ионов. Это навело шотландского химика Грэма Кернса-Смита на мысль о том, что глинистые минералы способны хранить "генетическую информацию", копировать ее с ошибками и благодаря этому постепенно эволюционировать (Рис. 2). Согласно его "глиняной гипотезе", первым живым существом стала сама глина, которая постепенно становилась сложнее и оказалась "колыбелью" для современных биомолекул. Те же развивались в тени глинистого минерала и в какой-то момент совершили "генетический переворот" и стали эволюционировать независимо. Эксперименты это не подтвердили: глинистые минералы приобретают признаков больше, чем "наследуют". [1,3,5-6]

Рис. 3. Образование липосомы из жирных кислот внутри глинистого минерала [7]

Лучший друг РНК.

В 1980-х годах биохимику Джеймсу Феррису удалось показать, что нуклеотиды охотно адсорбируются на поверхности монтмориллонита и безо всяких ферментов (неслыханно!) соединяются в РНК. Более того, растущая на нем РНК выбирает именно нужные нуклеотиды из двух "зеркальных" (хиральных) разновидностей. [3]. К тому же этот замечательный минерал многократно ускоряет образование липидных везикул, напоминающих клеточные мембраны (Рис. 3). Наверняка монтмориллонит или подобные ему глинистые минералы присутствовали в пресловутом "маленьком теплом прудике" Чарльз Дарвина, который считают самым вероятным местом зарождения жизни. [3,6-7] В этом случае со стороны возникающей жизни было бы странно не воспользоваться этим богатым минералами и защищенным от суровых условий на древней Земле прибежищем и формироваться просто в растворе над ним. К тому же уж слишком активно и специфично глинистые минералы взаимодействуют с биомолекулами — словно со старыми знакомыми.

Литература:

1. Abiogenesis / Wikipedia, the Free encyclopedia - (//en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis)
2. Никитин, М.А. Происхождение жизни. От туманности до клетки [Текст]: научно-популярное издание / Никитин, М.А. - М.: Альпина, 2021. - 538 с.
3. Marshall, Michael. The Genesis Quest [Text]: popular science / Marshall, Michael. - Chicago: University of Chicago Press. - 2020. -368 p.
4. Russell, M. First Life [Text] / Russell, M // American Scientist. - 2006 - Vol. 94, Issue 1.- P. 32.
5. Дронова Т.Я., Соколова Т.А., Толпешта И.И. Глинистые минералы в почвах. Учебное пособие. [Текст] / Дронова Т.Я. и др. // Тула: Гриф и К. - 2005 г. - 336 с.
6. Lambert, J.-F. Origins of life: From the mineral to the biochemical world [Text] / Lambert, J.-F. BIO Web of Conferences. -2015. -Vol. 4. - P. 12
7. Subramaniam, A. B., Wan, J., Gopinath, A., Stone, H. A. Semi-permeable vesicles composed of natural clay [Text] / Subramaniam, A. B. et al. // Soft Matter. - Vol. 7, Issue 6 - P. 2600

...