Минеральный состав поверхностей гидротермальных впадин

Гидротермальные разломы и их жизненные формы, которые способны выживать в экстремальных условиях, включая многочисленных любителей горячих вод — архей, все еще рассматривают как наиболее вероятное место появления первичной жизни. И в отличие от ранних океанов и атмосферы, химия гидротермальных впадин сильно «восстанавливающая». Впадины выбрасывают химические соединения, вполне подходящие для эволюции жизни, — например, сероводород, метан, аммиак, — и много горячей воды. Химический состав впадин очень отличается от состава атмосферы, а значит, развитие жизни могло происходить независимо от атмосферного влияния. Это снимает проблему непригодности древней атмосферы Земли для существования жизни. Однако теория «разломного происхождения» имеет свои проблемы. Как могла РНК, такая крайне нестабильная молекула, сформироваться в разломах с их-то высокими температурами и давлением?[68] Давайте рассмотрим интересную новую теорию происхождения жизни немецкого ученого Гюнтера Вехтерсхойзера — химика и патентоведа.

Первая жизнь могла сформироваться на поверхностях минералов, содержащих сульфид железа, — так, по крайней мере, утверждает уважаемый Гюнтер Вехтерсхойзер. Он назвал свою теорию «миром железа и серы»[69]. Гипотеза состоит в том, что первая жизнь («организм-первооткрыватель» Вехтерсхойзера) зародилась под высоким давлением в глубине горячих вод гидротермального источника, образованного вулканической деятельностью в море. Вулкан выбросил в морскую воду поток горячих, насыщенных минералами пузырей вдоль морских трещин протяженностью в тысячи километров. Жизнь возникла при температурах, которые на поверхности Земли привели бы к закипанию воды (100 °C). Под давлением, однако, вода так, как на поверхности, не закипает, а вода из разлома была насыщена разнообразными элементами и минералами. Однако для появления какой-либо органики было необходимо, чтобы потоки, вырывающиеся из разлома, сдержали угарный газ, углекислый газ и сероводород, углерод и сера из которых могли бы участвовать в образовании аминокислот, а в дальнейшем — нуклеиновых кислот, белков и жиров.

Наросты минералов, содержащих железо, серу и никель, омываемые горячими потоками вулканического происхождения, образовывали небольшие области, которые улавливали из раствора углеродсодержащие молекулы и химически высвобождали свободные атомы углерода, которые потом объединялись. Когда с атомами железа из различных минералов вступал в реакцию газ сероводород, образовывался минерал серный колчедан («золото дураков»), В результате этой реакции возникали молекулы, содержащие энергию, но очень незначительную. Вехтерсхойзер сообразил, что необходим еще один газ — угарный, который бы служил топливом. Это горючее было чрезвычайно важным элементом того, что происходило потом: медленное накопление и сцепление молекул в частицы, которые в своей итоговой форме станут чем-то принципиально новым и отличным от простой суммы сложенных вместе химических веществ.

Мысль, что минеральные поверхности могут стать исходным материалом для формирования жизни, не нова. Поверхность глины или кристаллы кремниевых минералов, колчедана могли быть теми микроскопическими областями, где накапливались первичные органические молекулы. Эта модель предполагает следующую последовательность: от отдельных кристаллов глины к большим образованиям, а затем — «органическое завоевание»: полностью неорганические молекулы замещаются молекулами на основе углерода, что приводит к формированию органических макромолекул, а потом — к образованию ДНК и клеток. Как полагал Р. Кернс, первичная жизнь, вероятно, имела несколько характеристик: могла эволюционировать, была примитивной, с малым количеством генов (участки ДНК, отвечающие за производство определенных белков) и имела малую биологическую специализацию, была сформирована из геохимических веществ, появляющихся в результате реакции конденсации на твердых поверхностях колчедана (сульфида железа).

Угарный газ и сероводород известны как убийцы живого, на их счету много человеческих жертв, причем смерти были вызваны как умышленными преступлениями, так и непреднамеренно. И тем не менее, если мысль Вехтерсхойзера верна, то получается, что путь жизни проложили два ядовитых газа и «золото дураков». Эту идею сам Вехтерсхойзер выразил так: «Самым первым предком всего живого была не отдельная живая клетка, а лабиринт минеральных ячеек, объединенных с катализирующими реакцию железом, серой и никелем и заряженных энергией протонного градиента. Эта первая жизнь, таким образом, была пористой горной породой, которая производила молекулы и энергию — вплоть до создания белков и самой ДНК»[70].

Несколько иной вариант теории Вехтерсхойзера опубликовали в 2003 году Уильям Мартин и Майкл Рассел[71]. Они развили идею зарождения жизни в геотермальных впадинах, утверждая, что такая природная среда могла произвести не только все необходимые минеральные вещества и запас энергии, но и ключевой аспект жизни — клетку. Их идея заключается в том, что жизнь появилась на основе чрезвычайно высокоструктурированного вещества — сернистого железа (сульфид железа). Место, где предположительно сформировалась жизнь, находилось где-то между адом (очень горячо) и глубоким синим морем (очень холодно), иначе говоря, где-то географически между богатым сульфидами (и очень горячим!) гидротермальным потоком, порожденным вулканами, и морской водой, насыщенной железом. И это не просто теоретическое предположение. Вокруг разломов и подземных источников действительно есть трехмерные решетчатые образования — их можно принять за первичные стенки клеток. Процессы, непосредственно предшествующие синтезу органических молекул, происходили внутри микроскопических ячеек, формируемых возле впадин и источников. Химические события, благодаря которым возник «мир РНК», происходили в стен(к)ах этих минеральных ячеек.

К началу нашего нового века было рассмотрено множество вариантов и догадок относительно места возникновения первой жизни. Древнейшие формы жизни, безусловно, любили горячую среду — такую, которую до сих пор можно найти в геотермальных разломах. Там можно обнаружить все необходимые элементы процесса: химические вещества и достаточную энергию. И наконец, разломы предоставляли своего рода убежище от жестокостей внешнего мира на поверхности Земли, особенно они были хороши как бомбоубежище в течение первого земного миллиарда лет. Но существует и одно серьезное возражение против этой теории. РНК и, в меньшей степени, ДНК очень нестабильны при высоких температурах, которые присутствуют в геотермальных источниках. После формирования РНК скачок от нее к ДНК был бы непосредственным, РНК служит моделью-основой для ДНК. Но переход от простых химических соединений к весьма усложненным молекулам все еще остается загадкой.

Биолог Карл Вёзе предлагал еще один возможный путь возникновения жизни[72] — жизнь могла появиться и до окончания полного формирования планеты и разделения земных слоев на ядро, мантию и кору. Так, в те времена на поверхности будущей Земли было много крупных образований самородного железа, которое вступало в реакции с паром и некоторым количеством жидкой воды, при этом атмосфера была насыщена водородом и углекислым газом. Водород-то как раз и интересен, поскольку он является сильным стимулятором химических реакций, но из-за своего незначительного веса быстро улетучивается в космос с планет вроде маленькой Земли, Марса или Венеры (газовые гиганты настолько массивны, что могут удерживать водород). В тот период Земля подвергалась частым столкновениям с космическим мусором, большими и малыми телами, и это приводило к тому, что планета постоянно пребывала в клубах пыли и водяных паров. Образовывались высокие облака водяного пара, и их маленькие капельки могли служить как протоклетки — крошечные объекты со стенками. Солнечный свет мог быть источником энергии, а пыль, поднимавшаяся высоко над поверхностью, несла в себе, помимо прочих элементов, и органические молекулы — было много материала для формирования жизни. С учетом насыщенности атмосферы водородом первые живые организмы могли начать развитие, выделяя метан и используя углекислый газ как источник углерода. Микроорганизмы, которые сегодня ведут сходную жизнедеятельность, называются «метанопродуценты». Земля охлаждалась, сформировались океаны, а жизнь пролилась дождем с небес и заселила эти океаны.