Моделирование гидротермальных источников превращает эти источники жизни из маловероятных в практически неизбежные

Моделирование гидротермальных источников превращает эти источники жизни из маловероятных в практически неизбежные

Я прибыл на второй день творения. Лори Барж [Laurie Barge] пригласила меня провести один день в её лаборатории моделирования источников жизни. Она – исследователь в Реактивной лаборатории НАСА в Пасадене, и работает с коллегой, геологом Майклом Расселом, членом Института астробиологии НАСА. Задачей было создать миниатюрный гидротермальный источник в условиях, моделировавших первобытный океан 4 млрд лет назад. Такие источники находятся в центре научной истории создания жизни, истории слишком контринтуитивной, чтобы быть правдой, и всё же настолько логичной, что она просто обязана подтвердиться.

На первый день Барж с учениками создали океаны. Они начали с дистиллированной воды, и прокачали через неё азот, замещающий кислород, которого не было на ранней Земле. Две ранние Земли в мензурках поставили на стальных постаментах внутри вытяжки. Затем мы добавили в океаны хлорид железа, придавший воде цвет пива без газа [flat beer]. В дно каждого из сосудов я вставил кончик пипетки и добавил туда сульфид натрия, эмулируя горячую жидкость, поднимающуюся через разломы земной коры. Натрий прореагировал с хлоридом и создал солёную воду, а сера объединилась с железом и образовала сульфид железа, выпавшего в осадок в виде пустотелой трубы. Сходные трубы появлялись у гидротермальных источников (ГИ) в позднем Катархее 4 млрд лет назад, и всё ещё формируются как в бездонных морях, так и в лаборатории Барж.

Подводный город: это отложение в виде улья сформировалось на боку другой структуры в Затерянном Городе, большом подводном скоплении минеральных трубок, некоторые из которых достигают размером зданий, испускающих щелочную жидкость.

Идея зарождения жизни в ГИ борется с более старой, всем известной научной историей сотворения жизни, " первичным бульоном". В письме к Джозефу Хукеру в 1871 году Чарльз Дарвин рассматривал идею того, что жизнь зародилась «в каком-нибудь небольшом, тёплом пруду, где находились всякие соли аммиака и фосфора, где были свет, тепло, электричество и т.п.», в результате чего «химически сформировалось белковое соединение, готовое к ещё более сложным изменениям». В 1924 году русский учёный Александр Опарин выдвинул теорию о возникновении жизни на Земле через превращение, в ходе постепенной химической эволюции, молекул, содержащих углерод, в «первичный бульон». В 1925 году он представил эту идею на суд англоязычной общественности. В 1929 британский учёный Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн опубликовал свою работу на тему зарождения жизни со схожими идеями. Он писал, как жизнь могла зародиться в древнем океане, обладавшем консистенцией «горячего, разбавленного супа». Так это название и прижилось.

В 1953 Стэнли Миллер, аспирант, обучавшийся у нобелевского лауреата Гарольда Юри, успешно создал суп в лаборатории. Он расставил колбы с предполагаемым первобытным океаном и атмосферой, подал искру при помощи искусственных молний и собрал полученные соединения. Он обнаружил множество очень любопытных, включая несколько аминокислот. Химия Миллера-Юри стала условным обозначением в поисках источника жизни, в то время как ученики Миллера сами плодились и размножались. В сегодняшнем исследовании источника жизни, «супом» обозначают модели, в которых жизнь начинается на поверхности океана или неподалёку от него благодаря химии Миллера-Юри, в то время как молнии или другие источники энергии постоянно объединяют молекулы в состояния со всё возрастающей сложностью, до тех пор, пока не начинается дарвиновская эволюция. [Plaxco, K.W. & Gross, M. Astrobiology: A Brief Introduction Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD (2006)]

Суп интуитивно привлекателен: из него можно вывести строительные кирпичики жизни. Но у него есть и фатальный недостаток: вне зависимости от того, что он производит, оно мертво. Молнии могут запускать биохимические реакции, но энергия быстро рассеивается и система возвращается к равновесию. Первичному бульону требуется эволюция, чтобы карабкаться вверх термодинамически, по направлению к увеличению порядка. Это похоже на гравитационные холмы, описаний которых полно в интернете, где машина будто сама катится в гору. От жары, камней и морской воды самозародились аминокислоты и нуклеотиды. Они организовались в ещё более упорядоченные молекулы, такие, как ферменты и белки. Из них эволюция построила первые клетки, и, в итоге, красное дерево и розы, пчёл и яблони, гиен и людей.

Но гравитационный холм – это обман перспективы. Строительный уровень раскрыл бы обман, но его редко увидишь в этих роликах с «волшебными» холмами. Законы физики никто не отменял. То же касается и зарождения жизни, как говорят специалисты по ГИ. Это только кажется, что эволюция движется к упорядочиванию; в общем и целом она всегда движется под гору. Модели ГИ говорят, что в начальных условиях появление жизни не было сродни чуду. Оно было неизбежно. [Martin, W. & Russell, M.J. On the origins of cells: A hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences 358, 59–83 (2003) / Russell, M.J. & Martin, W. The rocky roots of the acetyl-CoA pathway. Trends in Biochemical Sciences 29, 358–363 (2004) / Martin, W. & Russell, M.J. On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences 362, 1887–1925 (2007) / Martin, W., Baross, J., Kelley, D., & Russell, M.J. Hydrothermal vents and the origin of life. Nature Reviews Microbiology 6, 805–814 (2008)]

Подводный робот подробно изучает растущую в Затерянном Городе структуру

Океанографы впервые обнаружили ГИ в 1977 году в Галапагосской расселине на востоке Тихого океана. [Corliss, J.B., et al. Submarine thermal springs on the Galápagos rift. Science 203, 1073–1083 (1979)] Затем в 1979 году на гребне Восточно-Тихоокеанского поднятия на 21 градусе северной широты были обнаружены гигантские трубы, выплёвывающие черноватую и очень горячую кислоту в холодные тёмные глубины. Довольно точно, и чуть ли не поэтично, эти структуры были названы «чёрными курильщиками». Исследователи поразились тому, что пространство вблизи чёрных курильщиков кишело жизнью, начиная от рыб и заканчивая бессчётным количеством новых видов микробов. В 1981 году Джек Корлисс, один из океанографов экспедиции в Галапагосскую расселину, совместно с микробиологами Джоном Бароссом и Сарой Хоффман предположили, что подводные ГИ «предоставляют все необходимые условия для создания жизни на Земле». Не нужно было никакого света или молний. Не было никакого супа.

Последователи Миллера пошли в ответную атаку. ГИ были слишком горячи для поддержки жизни, писали Миллер и его прежний студент Джеффри Бада. Аминокислоты и нуклеиновые кислоты, даже если бы и появились, почти сразу разрушились бы. Сахара бы расплавились. Жизнь никак не могла начаться в таком враждебном окружении. Они писали: «источники были бы важным инструментом разрушения, а не синтеза органических компонентов в примитивных океанах». [Miller, S.L. & Bada, J.L. Submarine hot springs and the origin of life. Nature 334, 609–611 (1988)]

Рассел и его коллега Аллан Холл, сейчас работающий археологом в Университете в Глазго, подключились к спору. Они сказали, что Миллер, конечно, прав – чёрные курильщики слишком горячи и в них слишком много кислоты, чтобы там сформировалась жизнь. А вот рядом с ними, писали они, можно найти минеральные трубки, испускающие тепловатую щелочную жидкость. Это идеальные места для зарождения жизни. [Russell, M.J., Hall, A.J., & Turner, D. In vitro growth of iron sulfide chimneys: possible culture chambers for origin‐of‐life experiments. Terra Nova 1, 238–241 (1989)]

На камнях гидротермального поля Затерянного Города живёт широкий спектр глубоководных беспозвоночных, включая большое количество кораллов. Крабы также считают этот город своим домом.

И 4 декабря 2000 года, как предсказывал Рассел, такие трубки были найдены, пусть и случайно. Исследовательская команда под управлением Донны Блэкман из Института океанографии Скриппса, в которую входили Дебора Келли из Вашингтонского университета и Джеффри Карсон из Университета Дьюка, изучали Атлантический массив, 15-км возвышение, названное в честь мифического города, которое, если верить Платону, затонул на севере Атлантики после проигрыша Афинам. Ближе к концу месячной экспедиции подводный робот отклонился от назначенного курса, последовав за рыбой, будто бы специально кривлявшейся в камеру. Внезапно исследователи увидели на экране обширную систему жемчужно-белых структур, некоторые из которых были размером со здания: конусы, шпили, замёрзшие окна. Они не смогли удержаться оттого, чтобы назвать это место «Затерянным городом». [Earthguide: Mid-Atlantic Ridge, journal entry, Dec. 12, 2000]

При его изучении обнаружилось, что башни Затерянного Города испускают чистую, тёплую щелочную жидкость в немного кислый океан. Границы отделяли тёплую воду от холодной, концентрированную от разбавленной, низкий pH от высокого. Затерянный Город на ранней Земле появился бы в насыщенном углекислым газом, а, следовательно, кислотном океане. Его пористые стены из сульфидов и оксидов железа сделали бы первый Затерянный Город слабой, но огромной батареей. [Russell, M.J., Nitschke, W., & Branscomb, E. The inevitable journey to being. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences 368 (2013). Retrieved from doi:10.1098/rstb.2012.0254] Живые клетки тоже окружены мембраной, разделяющей щелочные внутренности от слегка кислотной окружающей среды. «Последний всеобщий предок» жизни, как говорит Барж, «питался градиентами электронов и протонов, как и сегодняшняя жизнь». Будь то животное, растение, гриб или бактерия, все организмы повторяют химию окисления и восстановления, обнаруженную в тёплых щелочных источниках. Маленькая частичка того древнего Затерянного Города живёт внутри каждой клетки.

Пока мы с Барж наблюдали эксперимент, трубы из сульфида железа начали формировать сложные структуры. Поднимающаяся жидкость построила свою выхлопную трубу. Кусочек кристалла блокировал поток; жидкость, поднимаясь, нашла новый путь; структура разветвилась. Результат удивительно напоминал растение. Древние алхимики создавали похожие «химические сады», а почти забытый биолог XIX века Стефан Лёдук [Stéphane Leduc] считал, что эти органические формы отражают принципы биологического роста. «Жизненная цепь, – писал Лёдук, – продолжается непрерывно, от минерала на одном конце до самого сложного организма на другом».

Современные модели ГИ предлагают объяснение создания этой цепи. Гигантская батарея раннего Затерянного Города поддерживает работу инструмента, порождающего сложные молекулы, в основном из углерода, водорода и кислорода. Сульфид железа, как и другие небольшие молекулы, встречающиеся в источниках, работают, как коферменты – каталитические нанодвигатели, продвигающие реакции, лежащие в самом сердце всего метаболизма. Трубы, проще говоря, обладают неким подобием метаболизма, получающего энергию от водорода, CO₂ и других молекул, и использующего её для построения более сложных молекул, в основном из углерода, водорода и кислорода. Самые древние пути метаболизма в биологии повторяют химию раннего Затерянного Города.

Больше всего нашей интуиции противоречит то, что сложные структуры могут лучше рассеивать энергию, чем простые. [Mac McClellan, J. What Is the Most Fuel Efficient Airplane? Flyingmag.com (2008)] Катализаторы помогают вам взбираться на энергетический холм, чтобы с другой стороны вы могли свалиться ещё ниже. Если рассмотреть всю биологическую эволюцию, то каждый организм представляет собой такой энергетический холм. Он формируется только если в термодинамически благоприятных условиях – если затаскивая энергию на холм, мы сможем выпустить ещё больше энергии. На создание ящерицы требуется больше энергии, чем на создание некоего количества кишечной палочки такой же массы, но он и потребляет энергию быстрее. В мире, где есть и ящерицы, и бактерии, энергетически более благоприятен, чем мир, где есть только бактерии. Мир, где есть ещё и теплокровные коровы, жующие траву и испускающие тепло, метан и удобрение – улучшенная версия энтропийного двигателя; мир с тиграми – ещё лучше. Энергетически выгодно иметь экосистему: Земля с буйной растительностью и кишащей жизнью потребляет больше тепла из горячего центра планеты и Солнца, выпуская его в холодный, тёмный космос, чем, допустим, Марс. Наша биосфера – это очень сложный пузырь со льдом для Солнца.

Гигантский инструмент рассеивания появился вместе с Homo sapiens. Вся история технологии – это разработка всё более эффективных методов извлечения энергии из Земли и Солнца: огонь, готовка, сельское хозяйство, добыча ископаемых, выплавка, лесозаготовка, паровые двигатели. Как у сбегающей с холма струйки воды, точный путь эволюции и культуры не определён – только общий тренд. Поэтому ни искусство, ни войны, ни NASCAR, ни смартфоны не были неизбежными – всё это можно рассматривать как работу двигателя человеческой энтропии. В таком свете наши тенденции рассеивания – не отклонение, но термодинамическая необходимость.

Миниатюрная трубка сульфида железа 5 см высотой растёт в симуляции моря в Реактивной лаборатории. Она воспроизводит более крупные структуры, связываемые с ГИ, в каких на древней Земле могла зародиться жизнь

Если бы мы с Барж достаточно долго наблюдали за лабораторной моделью, выработала бы она при помощи эволюции метаболический путь? Ферменты? Гены? Возможно. Барж делает первые шаги в этом направлении, хотя и небольшие. Вместо того, чтобы строить трубу, она размещает сульфид железа и другие минералы на пористом диске из инертного материала. Диск может работать мембраной между, допустим, положительно заряженной и отрицательно заряженной жидкостью. Барж измеряет напряжение и разницу в pH с двух сторон мембраны – потом электронов и протонов. Эти токи поддерживают химические реакции, фундаментальные для жизни. Следующий шаг – заставить химические реакции выдать более сложные молекулы. «Можно также устроить эксперименты, – говорит она, – для проверки появляющейся обратной связи органики с минералами». Простые катализаторы могли бы предпочитать реакции, чьим результатом становились бы более сложные катализаторы, которые могли бы производить ещё более сложные катализаторы, и эта петля обратной связи приводила бы в итоге – через продолжительное время – к белкам и ДНК.

В одном из двух моих миров труба получилась с тонким стеблем и тяжёлым утолщением на конце. «Эта, скорее всего, сломается», – говорит Барж. И она ломается: тупик эволюции. Но труба в другой колбе вырастила очень толстое основание и построила коническую гору с серией пиков, которые казались бы величественными для водяной блохи. Лори осмотрела её и похвалила.

Натаниэль Комфорт – член астробиологического собрания им. Баруха Блумберга в Библиотеке Конгресса/НАСА и профессор по истории медицины в Университете им. Джона Хопкинса. Его недавняя книга – «Наука совершенствования человека» [The Science of Human Perfection]. Твиттер @nccomfort.