Происхождение жизни. От туманности до клетки. Михаил Никитин.
Хадкорный науч-поп о биохимических гипотезах возникновения жизни. Книжка обеспечивает читателю приключения духа, поскольку заставляет переваливать через сложные моменты, за поворотом которых открываются поражающие воображение виды. В отзывах ноют, что непонятно кому такая книга нужна – обычные читатели не поймут, потому что почти учебник, а специалисты и так все знают. Ну уж нет, это как раз научно-популярный труд для энтузиастов жанра. Он требует от читателя некоторой концентрации внимания, зато и отдачу дает. Бонус-трек: преодоление трудностей дарит радость познания.
Я вдохновилась на чтение после “Сотворения Земли” Андрея Журавлева, вместе эти книги составляют команду мечты. Журавлев больше пишет о всепроникающей преобразующей силе жизни – как бактерии, водоросли, растения и прочие создали привычную для нас атмосферу, тысячи разных минералов, изменили рельеф континентов, состав океанской воды и сделали Землю – Землей, а не Марсом. Никитин же детально описывает, как именно самая-самая первая жизнь могла появиться с учетом всех обстоятельств, включая астрономические.
Обычно же как пишут: вот был океан, густой доисторический бульон, и там ээээ… ну молекулы разные органические, и под влиянием ультрафиолетового излучения, а то и просто так эти молекулы все как-то усложнялись, пока не появились белковые цепочки, способные воспродить себя, а там и до настоящей жизни уже не далеко. Дорисуйте остальную сову!
Меня эта идея – описанная с большей или меньшей степенью лиричности – всегда казалась дико надуманой. Как, ну как органические молекулы могут собраться в какие-то аппаратики, копирующие базовую цепочку? Автор объясняет, как. Готовьтесь к сотням страниц детальнейших рассуждений.
Во-первых, место зарождения прото-жизни. Вероятно, это был не собственно океан, а окрестности термальных источников и геотермальных полей: там вода обогащена калием, фосфором и микроэлементами, есть постоянный источник тепла, есть пористые минеральный осадки в микроотсеках которых могут прятаться доклеточные формы жизни – крошечные поры в каком-то смысле заменяли им клеточные оболочки, есть солнце и есть защита от ультрафиолета, есть возможность испарения лужиц, что обеспечивает концентрацию солей.
Дальше сложно, но прям запределельно увлекательно. Совершенно абиогенно (без жизни) появляются четыре азотистых основания – на поверхности глины или оксидов железа/оксидов титана при ультрафиолетовом облучении. Как из них сложились молекулярные “машины копирования”? Прочитайте – останетесь с очень смутным, но просветляющим представлением. Там миллион формул, но это ерунда, потому что формулы тоже не демоны для пыток грешников придумали, они довольно наглядные.
Отдельный небольшой подсюжет посвящен исследованию хиральной чистоты живого вещества. Все белки живых тел состоят из левых аминокислот, а ДНК и РНК построены на правой рибозе. Правые аминокислоты – точно такие же, как левые, но в зеркальном отражении. Ничем не хуже, с точки зрения химии. В абиогенном синтезе левые и правые изомеры сложных органических молекул образуются в разных пропорциях. Но сделать подходящие для жизни белки можно только из изомеров одинаковой ориентации – они тогда чисто геометрически будут сворачиваться в двойную спираль и принимать устойчивую форму. Чтобы жизнь могла возникнуть, нужен механизм деления совершенно одинаковых для неживой природы “левых” и “правых” молекул. “Левое” как-то должно всерьез отличаться от “Правого”. Как оно так? Возможно, так получилось, потому что наш сектор космоса облучался поляризованным ультрафиолетом, а поляризоваться он мог при прохождении пылевого облака в сильном магнитном поле. Поляризованный ультрафиолет избирательно сильнее уничтожает “левые” или “правые” изомеры, как повезет. Возможно, дело в том, что слабое взаимодействие тоже несимметрично, и это влияет на химические реакции и процессы кристаллизации с аминокислотами, у которых есть в составе тяжелые металлы. В любом случае, в нашей части мира “левого” и “правого” оказалось не поровну, а дальше смещение баланса раскачало само себя. Было бы “поровну”, ничего бы не получилось.
А вот LUCA – последний универсальный общий предок всего живого. Возможно, это даже не организм-клетка был, а сообщество генетических элементов, населяющих микронного размера поры в сульфидных отложениях горячих источников. Может, даже без мембраны. Или с мембраной, которая покрывала плоские скопления белков. Там шло кодирование рибосом, самовоспроизведение какое-то, обмен веществ осуществлялся. Еще не бактерия, не архея и не вирус, и, тем более, не эукариот, но уже и не натюрморт.
Что поразительно, LUCA наш появился до поздней метеоритной бомбардировки. Это астрономическое событие произошло где-то 3,9 миллиардов лет тому назад, на планеты земной группы обрушлось большое количество астероидов – судя по кратерам на Луне, Марсе и Меркурии, размер астероидов достигал 50 км, может, 200 км. Энергии столкновения с такими телами достаточно, чтобы испарить океаны и основательно простерилизовать Землю (Нил Стивенсон что-то такое, только в меньшем масштабе придумал для своего последнего на нынешний день романа). А вот и не простерилизовало, ветви жизни бактерий и архей разошлись до того, и как-то они выжили. Вроде бы удар даже самого огромного метеорита прокаляет только одно полушарие Земли, а на другом просто становится очень жарко, но термофильные микробы выживают. Или удары астероидов выбили из планеты осколки, которые могли выйти на околосолнечную орбиту, и до 30% осколков возвращаются в ближайшие 5000 назад. За 100 000 эти осколки добираются до Марса, а за 300 000 – до Юпитера и его лун. Может быть, и долетело что-то потенциально живое.
Происхождение “настоящих” живых клеток с ядром – эукариотов. Вот есть бактерии и археи, они отличаются между собой биохимией и устройством мембраны, а, в общем – мешочек с жидкостью, в которой плавают молекулярные машины. Эукариот совсем другое дело. Это одноклеточный, но очень сложный зверь. Клетка эукариота здоровенная, раз в десять больше бактерии. У нее есть ядро, отделяющее геном от всего остального, там у нее есть множество органелл, внутренний “скелет” из тонких белковых нитей – если в мембране бактерии сделать дырочку, из нее все вытечет, а эукариот переживет, у него все ценное прикреплено к цитоскелету. Ого-го, сложная штука. От бактерии или археи к эукариоту – как от мопеда до самолета практически.
Как оно так получилось? Очень поразительно. Скорее всего, наши с вами живые клетки – еще те химеры. О том, что митохондрии – это потомки бактерий-симбионтов, и у них даже своя отдельная генетическая система, довольно общеизвестно. Но это еще не все. Конструкция может выглядеть примерно так: архея-хозяин, альфа-протеобактерия превратилась в митохондрии, хлоропласты – от цианобактерий (это только растениям досталось и водорослям). Белки, которые обеспечивают взаимодействие между компонентами клетки больше похожи на белки, которые работают в бактериальных сообществах. Что-то такое – архею, близкую к эукариотам, удалось найти в геотермальном поле Замок Локи в Северной Атлантике.
От архей в эукариотах взят синтез белков, зачатки цитоскелета, зачатки систем управления мембранами. От бактерий – ферменты обмена сахаров и липидов, защиты от кислорода. И митохондрии же. Их история особенно прекрасна:
Фагоцитирующий предок эукариот сначала поглащал их как добычу, потом стал откладывать их переваривание и сначала подращивать на своих продуктах брожения, а потом симбионты стали отдавать хозяину АТФ и были оставлены в живых окончательно. Эти события чем-то похожи на переход древних людей от охоты к скотоводству.
И ядро. А ядро вполне может происходить от крупного ДНК-вируса, заразившего древнюю архею. Вирус мог перейти к умеренной эксплуатации хозяина (также, как архея перешла к экспулатации бактерий-митохондрий). Постепенно вирус взял клетку хозяина под полный контроль, и вот они, мы. Химеры из археи, бактерии и вируса. Дальние потомки биоматов. Летим на огромном куске слипшихся хондр. И сделаны из пыли погасших звезд.
Мне хочется, чтобы как можнобольше людей купили и прочитали эту книгу. Она потрясающая on so many levels. Там есть большие куски, понятные семилетнему ребенку, я своему сыну зачитывала, и мы вместе поражались, как же оно все потрясающе устроено. Есть сложные части, но их можно пропускать, вы не обязаны вычитывать все формулы. И главное, что дает книга – острое ощущение “в этом мире есть большие звезды, в этом мире есть моря и горы”. Оно знаете, как бывает – засидишься в своей минеральной микропоре на геотермальном поле, и кажется, что все оно как-то бедно и жалко в жизни устроено. На самом же деле – упоительно.
Каждый год в нашей Галактике формируется семь новых звезд.