Хороший геккелист - все равно геккелист, или Обещанный пост о новой книге (часть 1)
Легкомысленно пообещав (почти все обещания несут оттенок легкомыслия) написать отзыв о новой книге на тему, которую я в этом журнале в шутку называю геккелизмом, я вынужден хотя бы частично это обещание исполнить. Для понимания моего отношения к геккелизму, т.е. к попытками научного анализа проблемы возникновения жизни, которые неизменно приводят к тем же ответам, которыми уже поделился с публикой знаменитый естествоиспытатель 19 века Э. Геккель, известный всем открытием монер (написано правильно, не мАнер, а мОнер*), предлагаю пробежать некоторые мои заметки на эту тему: тюк (это ссылка на первую часть из пяти, можно найти все, нажимая на "продолжение следует" в конце каждой части), тюк, тюк, тюк, разгорелся наш утюг.
Книга, о которой идет речь - “Происхождение жизни. От туманности до клетки”, написанная М. Никитиным. Забегая вперед, скажу, что книга в целом неплохо рассказывает читателю о состоянии исследований в этой области. В ней более откровенно, чем во многих подобных работах, говорится о существующих проблемах, хотя каждый из таких рассказов все равно завершается извлечением белого кролика из помятой шляпы геккелиста. Но это тоже понятно - иначе нельзя рассказать широкой публике об исследованиях происхождения жизни естественным путем, если желаешь оставаться на правильной стороне истории и прогресса.
Обложка книги
К недостаткам книги следует отнести то, что ссылки на научные работы, о которых идет речь, даются не всегда. Это в принципе допустимо для популярной книги, но делает крайне неудобным проверку утверждений автора. Поэтому создается впечатление (и, возможно, верное), что такой подход выбран сознательно.
Паки забегая вперед, скажу, что на примере нескольких критических глав я постараюсь показать, что (а) извлеченный из шляпы кролик оказывается не решением проблемы, как это объявляется, а обычной иллюзией, используемой фокусниками, и (б) многие утверждения, якобы описывающие экспериментальные факты, не являются истинными. Два эти обстоятельства делают большую часть выводов автора несостоятельными.
Белый кролик из шляпы. А истинный ли это кролик!
По ходу этой заметки я иногда буду довольно много пересказывать. Хотя пересказ нередко бывает скучен, без этого невозможно высказывать несогласие с точкой зрения автора. Поэтому прошу вас набраться терпения.
Итак, структура книги вполне соответствует классической схеме книг подобного рода, что в целом положительно. Первые главы книги посвящены Солнечной системе, ее происхождению, геологии планет земной группы, а также эволюции и современному состоянию их атмосфер. Действительно, эти вопросы имеют прямое отношение к обсуждаемой проблеме.
Из интересного в этих главах стоит отметить рассказ о возрасте Земли и первых геологических свидетельствах жизни (графит со смещенным изотопным составом, полосчатые отложения железа), в главе 3, посвященной геологии планет земной группы. Возраст первых следов жизни датируется 4,3-3,8 млрд лет назад. Возраст древнейших зерн циркона (т.е. древнейших твердых тел на Земле) принимается равным 4,1-4,4 млрд лет, фрагментов континентальной коры - 4 млрд лет, осадочных пород - 3,8 млрд лет. Соотношение изотопов кислорода используется как аргумент о наличии воды 4,4 млрд лет назад. Из этих дат можно сделать вывод, что жизнь на Земле возникает практически одновременно с появлением земной коры и жидкой воды.
На это обстоятельство стоит обратить внимание, поскольку такое стремительное по геологическим масштабам возникновение жизни на Земле, с одной стороны, поддерживает идеи неизбежности возникновения жизни, а с другой не оставляет времени для того огромного числа бросков «молекулярных костей», о котором так часто говорят геккелисты.
В главе 5 дается очерк истории идеи происхождения жизни, что тоже находится вполне в русле классических книг по этой проблеме. Кратко пересказываются пионерские идеи Опарина и Холдейна, дается даже обзор идей панспермии. Рассказывается о первых опытах Миллера и Юри по абиогенному синтезу органики и честно перечисляются нерешенные проблемы: отсутствие хиральности (оптической асимметрии) синтезированной органики, отличающее эти продукты от биологических молекул; отсутствие органических продуктов в опытах с углекислотной газовой смесью, реалистично моделирующей вулканическую атмосферу ранней Земли и т.д.
Глава 6 начинается с критики идеи возникновения жизни в «первичном бульоне», т.е. в гомогенном водном растворе. Главная из перечисленных проблем состоит в том, что биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты) в воде преимущественно расщепляются на составные кирпичики в процессе с участием молекул воды (гидролиз), а отнюдь не синтезируются из этих кирпичиков. Для того, чтобы шел синтез, а не распад полимеров, требуется получить их активированные предшественники. В клетке для этого существует сложная ферментативная система, а в опытах по абиогенному синтезу, если они моделируют «первичный бульон», активированные аминокислоты и нуклеозиды (кирпичики белков и нуклеиновых кислот) не образуются.
В качестве решения проблемы автором предлагается синтез предшественников биомакромолекул в гетерогенных системах, в качестве каковых могут выступать либо минеральные поверхности (например, глина), либо предшествующие возникновению макромолекул липидные пузырьки, в целом похожие на мембраны ныне существующих клеток.
Все это является адекватным изложением существующих идей в области учения о происхождении жизни естественным путем. И именно поэтому следует всегда внимательно следить за руками фокусника. Не отвлекайтесь на отражения в зеркалах и клубы дыма, исходящие из магического фонаря.
Цитата: “Эксперименты показали, что запекание сухих смесей нуклеотидов при температуре 120°C приводит к образованию коротких цепочек РНК из 3-10 нуклеотидов. Для соединения аминокислот в белки эти условия слишком жесткие, они приводят к разложению самих аминокислот. Однако, как выяснилось, полного высыхания и не требуется: достаточно, чтобы в растворе не было «химически свободной» воды. В крепком рассоле (100 и более граммов NaCl на литр, как в Мертвом море) все молекулы воды прочно связаны с ионами натрия и хлора и не являются химически свободными. Поэтому в рассоле при температурах 60-80°C равновесие смещено в сторону образования связей, и аминокислоты соединяются в короткие цепочки (эта реакция называется «солевой пептидный синтез» и будет подробнее описана в следующих главах).”
Крепкий рассол бывает полезен не только для абиогеннного синтеза пептидов
На самом деле эта реакция не будет описана в этой книге подробно и тому есть причины. Именно поэтому подробнее ее рассмотрим мы. Но прежде, чем перейти к этому, я замечу, что запекание аминокислот при температурах выше 100°C отнюдь не приводит к их полному разложению, а дает совсем неплохой выход белковоподобного полимера - протеиноида. Было время, когда этот подход считался очень перспективным, а микросферы - надмолекулярные структуры, образуемые протеиноидами в растворе, народные энтузиасты-геккелисты считали живыми.** Однако у протеиноидов как предшественников белков слишком много проблем, и поэтому они давно вышли из моды. Но давайте посмотрим, что нового нам предлагает «солевой синтез», предложенный Rode и соавторами, о котором пишет автор книги.
Длительная инкубация аминокислот при очень высокой их концентрации в присутствии очень высокой же концентрации солей меди (работает в этой реакции катализатором) в крепком солевом растворе при температуре, близкой к температуре кипения, приводит к превращению нескольких процентов аминокислоты в дипептид (цепочку из двух аминокислот) и появлению трипептидов в следовых количествах. Стоит еще упомянуть, что образование пептидов в этой реакции идет только в очень сильно кислой среде (pH2); даже небольшое понижение кислотности (т.е увеличение pH до значения 3 и более) подавляет эту реакцию.
Вариантом «солевого синтеза» является также мягкая форма «запекания». В таких экспериментах раствор аминокислоты в крепком рассоле подвергают нагреванию до 85°C пока он не высохнет, а сухой осадок растворяют и снова упаривают при 85°C. В результате таких циклов высыхания и растворения образуется не только дипептид, но и измеряемое количество трипептида и следовые количества цепочек из четырех и пяти аминокислот. Заметим при этом, что типичный бактериальный белок это цепочка длиной около двух сотен аминокислот. Вот это и есть тот самый солевой синтез, о котором нам сообщают пОходя как о возможном решении проблемы абиогенного образования пептидов. В реальности мы имеем дело с процессом, протекающим в геохимически маловероятных условиях, который не приводит к образованию сколько-нибудь значительного количества пептида, не говоря уж о том, что пептиды длиной больше трех звеньев в этих условиях практически не образуются.
Понятно, что стиль научно-популярных книг изобилует неточными утверждениями. Но в книгах о происхождении жизни такие неточности играют большую и важную роль - они создают впечатление доказанности и в целом тривиальности некоторых утверждений, которые фактами не являются. Оброни в тексте такую «неточность» несколько раз, и вот уже появляется основа, на которой легче строить дальнейшие турусы на колесах аргументы.
Но вернемся к проблемам идеи первичного бульона, как их (совершенно справедливо) видит автор, который отмечает и вторую серьезную проблему - в первичном бульоне «нет границ». Синтезируемые протобелки и протонуклеиновые кислоты и прочие необходимые протоклетке молекулы разбавляются в мировом океане, в то время, как они должны накапливаться в одном месте, где между ними будут возникать разные полезные взаимодействия. Идея концентрации предбиологических молекул на минералах или в липидных пузырьках предлагается и для решения этой проблемы.
В качестве важного факта автор знакомит нас затем с подводными геотермальными источниками, т.н. «черными курильщиками» и «белыми курильщиками»***, выбрасывающими в океан перегретую глубинную воду, из которой при охлаждения выпадают сульфиды разных металлов, имеющие либо черный, либо белый цвет. Эти осадочные минералы образуются из очень маленьких частиц и пронизаны множеством пор. При этом нам сообщают два важных факта: (а) сульфидные минералы являются катализаторами многих химических реакций, (б) градиент температуры может концентрировать вещества в растворе, если они находятся внутри капилляра, а поры сульфидных минералов есть не что иное, как капилляры. Подробный рассказ о втором факте откладывается в этой главе «на потом». Но мы о нем не забудем, потому что это - еще одна шляпа, из которой нам обещают вытащить упитанного белого кролика.
А есть ли кролик вообще?
Несмотря на то, что автор представляет сульфиды в качестве вероятных предбиологических катализаторов, подводным геотермальным источникам в этой книге отказано в звании наиболее вероятного места возникновения жизни, каковым, по мнению многих, в том числе и автора книги, являются наземные геотермальные поля. Самый подходящим для этого типом наземных геотермальных источников признаются грязевые котлы (mudpot). Пар, поднимающийся от магматического очага через этот котел, по элементному составу напоминает цитоплазму клеток. Конденсация этого пара в присутствии минералов с огромной поверхностью, на которой находятся неорганические катализаторы, является по мнению автора книги прекрасной средой для абиогенного образования органики и возникновения макромолекул, а затем и жизни.
Булькающее содержимое грязевого котла
Глава 7 посвящена абиогенному синтезу нуклеотидов (кирпичиков нуклеиновых кислот) в ходе фотохимических реакций в атмосфере. Поскольку по мысли автора основным сырьем для этих реакций является метан, то прежде всего он описывает круговорот метана на древней Земле, который начинается на морском дне. Рассказ начинается с геотермальной структуры неподалеку от Срединно-Атлантического хребта под названием «Затерянный Город» (Lost City). Там из осадочных пород в форме колонн сочится горячая вода, разогреваемая на этот раз не магмой, а химическими реакциями в толще твердых донных пород. Растворенный в воде углекислый газ в этих реакциях восстанавливается до метана и муравьиной кислоты.
На древней Земле образовавшийся в геотермальных источниках метан выходил из океана в атмосферу и вступал под действием солнечных лучей в реакции с азотом, углекислым газом и водой, образуя целый ряд соединений, которые могут являться исходными веществами для абиогенного синтеза более сложных молекул, например, синильная кислота, цианамид и формальдегид. Эти молекулы выпадают на поверхность Земли с дождями и могут накапливаться при высыхании луж. Таким образом, с основным сырьем для получения нуклеотидов на древней Земле проблем, по мнению автора, не было.
Затерянный на дне Атлантики город...
... не имеющий никакого отношения к Атлантиде
Далее речь заходит об их синтезе. Напомню, что нуклеотид состоит из азотистого основания (в ДНК их четыре вида, именно их названия образуют «буквы в тексте ДНК»), пятиуглеродного сахара (рибозы в РНК и дезоксирибозы в ДНК) и фосфата. Нуклеотид минус фосфат называется нуклеозидом. Автор честно признается, что с этим синтезом были проблемы. Давно известная реакция Бутлерова теоретически позволяет получить из формальдегида все сахара, но практически получается сложная смесь сахаров, да к тому же еще и сильно карамелизованная. Для выделения рибозы надо добавлять к смеси разные соли или минералы.
Азотистые основания тоже образуются, хотя сказать честно, не все там так радужно, как это выглядит в книге. Но не в этом дело, поскольку решить проблему образования нуклеозидной связи между основанием и рибозой в модельных предбиологических условиях так и не удалось. Поэтому автор, следуя текущей моде, представляет нам в качестве решения этой проблемы синтез нуклеотидов из простых соединений, в котором не требуется получать сначала основание и сахар, а затем соединять их. Это не преувеличение, работы Сазерленда и его группы ценятся сейчас необычайно высоко и считаются решительной демонстрацией возможности синтеза компонентов «мира РНК», о котором еще пойдет речь, в условиях ранней Земли.
Однако решением они являются только при существенном изменении подхода исследователей абиогенеза к стандартам доказательства. Сазерленд и коллеги предлагают в качестве такового пошаговые реакции, которые могут проходить в условиях, сходных с теми, которые могли существовать на ранней Землю, с участием простой органики. Цепочки таких реакций, соединяющие без разрывов исходные соединения и компоненты нуклеиновых кислот, и принимаются за решение проблемы. Как мы видим, здесь происходит полный отход от принципа исходных экспериментов в этой области, когда образование молекул, имеющих значение для возникновения клетки, ожидалось непосредственно в смеси исходных веществ.
Раньше и вода мокрее была, и абиогенные синтезы более весомые
Является ли пошаговый подход в корне неверным? Так сказать нельзя, поскольку знания о потенциальных предбиологических реакциях он все же предоставляет. Но дать ответа на вопрос - могли ли эти реакции на самом деле происходить, приводя к ожидаемому продукту, он не может. Более того, в этом есть очень серьезные сомнения. Несмотря на то, что исходные продукты этого синтеза могли присутствовать на древней Земле, присутствие на ней лаборанта-химика крайне маловероятно, особенно по мнению энтузиастов геккелизма. А он, несомненно, требуется для такого синтеза. Например, синтез в работе, описанной в статье Powner, Gerland & Sutherland, 2009, начинается с реакции довольно простых органических соединений - гликольальдегида и цианамида - при 60°C в течение 3 часов. После этого к смеси добавляли глицеральдегид, понижали температуру до 40°C и инкубировали смесь еще 16 часов. При этом образуются промежуточные для этого синтеза соединения. Дальше цепочка доказательств идет так - возьмем чистые продукты этой реакции, растворим их и обработаем цианоацетиленом. В результате получаются исходные продукты для следующей стадии. Это вещества, в свою очередь, берутся в чистом виде и добавляются в следующую реакцию, и т.д.
Возможность, что такой синтез может происходить без участия химика, разумеется, никогда не была показана, потому что синтез этот требует добавления реагентов в определенное время, изменения условий реакции для оптимизации индивидуальных шагов, получения промежуточных продуктов в чистом виде и т.д. Более того, есть еще простая, но неразрешимая проблема концентраций реагентов. В этот синтез исходные простые органические вещества добавляются в очень высоких концентрациях. Насколько такие концентрации мыслимы в природных условиях авторы не обсуждают.
Чтобы сомнения в реалистичности моделирования в работах Сазерленда не показались вам пристрастными, приведу окончание статьи, которую я процитировал выше. «Наши результаты позволяют предположить, что условия ранней Земли могут рассматриваться предрасположенными к предбиологическому синтезу активированных пиримидиновых нуклеотидов. Хотя проблема необходимости раздельного добавления гликольальдегида и глицеральдегида остается нерешенной, события, при которых нагрев и высушивание могли сменяться охлаждением, растворением и ультрафиолетовым облучением, вполне могли происходить. Хотя сравнительный анализ таких моделей выходит за рамки этого исследования, мы надеемся, что описанная в нашей работе цепь реакций внесет свой вклад в этот анализ.»
Существует еще одна проблема с этим конкретным синтезом. В нем в качестве исходных веществ используются гликольальдегид и глицеральдегид, а их эффективное образование в предполагаемых условиях ранней Земли показано не было. Выше упоминалась реакция Бутлерова, которая теоретически позволяет получить из формальдегида разнообразные соединения углеводной природы, в том числе и эти альдегиды, но практически это совсем непросто. Поэтому группа Сазерленда предложила схему процесса абиогенного синтеза этих альдегидов, основанную на фотохимической реакции восстановления цианида с участием цианида меди как катализатора. В эту схему реакций вовлечен и формальдегид, а гликольальдегид и глицеральдегид являются одними из ее продуктов. Но и здесь они образуются одновременно и вместе находятся в довольно сложной смеси, так что проблему их раздельного добавления в реакцию синтеза нуклеотидов предложенный механизм не решает. Разумеется, не позволяет этот механизм и получить гликольальдегид и глицеральдегид в чистом виде, к тому же выход глицеральдегида в этой реакции совсем невелик - менее 5%.
Таким образом, все , что предложенные схемы позволяют сделать, это соединить исходные простые вещества с искомыми продуктами цепочкой написанных на бумаге формул химических реакций. Никаких доказательств того, что эта цепочка реакций может самопроизвольно протекать в природных условиях, приводя к образованию нуклеотидов со значительным выходом, в обсуждаемых выше работах не было предоставлено. Мы этого не знаем точно так же, как и до их публикации.
Заяц, извлекание которого из шляпы было анонсировано как загадочный трюк великого фокусника, оказался на поверку плюшевой игрушкой. Однако это не останавливает автора книги перед описанием появления нуклеотидов на ранней Земле. Не буду пересказывать в подробностях, это можно прочитать в книге Никитина, но подскажу, что вулканы с их способностью высушивать озера, а затем прокаливать их содержимое, как всегда, играют в этой схеме главную роль.
Лучшее из доступных мне изображений вулканов на ранней Земле
Стоит заметить, что во всех этих выкладках высокие концентрации синильной кислоты (цианистоводородной кислоты, цианистого водорода) на ранней Земле являются необходимым условием и не подвергаются сомнению. Однако, синильная кислота в воде быстро гидролизуется до формамида, особенно при высокой температуре. В нейтральной водной среде при 100°C половина синильной кислоты будет гидролизована за несколько часов. В этих условиях половина формамида будет гидролизована до муравьиной кислоты за несколько дней. По оценке С. Миллера (Miyakawa, Cleaves, & Miller, 2002) концентрация синильной кислоты и формамида (упоминаю о последнем, поскольку он участвует во многих предложенных схемах абиогенных реакций) в первичном океане были ничтожно малы. Миллер предложил потенциальной путь естественной концентрации синильной кислоты и формамида, который по мнению его группы заключается в вымораживании их из водных растворов. В общем, одно из двух должно сработать - или вымораживание, или выпаривание и прокаливание.
...или одно из двух. Ничего не понимаю!
И в заключении первой части заметки вернусь к одному малозаметному карточному фокусу, который был нам показан автором книги по ходу рассказа. Речь шла о геотермальной структуре «Затерянный Город», где растворенный в воде углекислый газ восстанавливается до метана и муравьиной кислоты. Абсолютное большинство читателей пропустит как нечто тривиальное утверждение автора, которое следует за словами о метане и муравьиной кислоте. Цитата: «Если в воде был растворен углекислый газ, то он в этих условиях восстанавливается до метана (CH4) и муравьиной кислоты (HCOOH). В горячей воде Lost City растворено до 30 мг/л метана и водорода, до 7 мг/л муравьиной и до 1 мг/л уксусной кислоты; изотопный состав углерода в них точно такой же, как в углекислом газе, т. е. метан и кислоты образуются абиогенно, без участия микробов (Lang et al., 2010).” Эти слова создают впечатление очевидности того, что при подходящих условиях абиогенный синтез органических кислот идет с неотвратимостью.
Однако, если заглянуть в цитируемую статью, то оказывается, что (а) в книге приведены максимальные концентрации муравьиной и уксусной кислоты в полученных пробах, хотя во многих пробах они вообще не были обнаружены, (в) авторы статьи считают вероятным абиогенное происхождение только муравьиной кислоты, а уксусная кислота в воде Затерянного Города, по их мнению, имеет биологическое происхождение. Более того, поскольку некоторые энтузиасты считали чуть ли не всю органику Затерянного Города абиогенной, Lang и соавторы в последующей статье (Lang et al., 2013) проанализировали аминокислотный состав проб и пришли к выводу, что аминокислоты, действительно присутствующие в воде из Затерянного Города, являются биологическими продуктами.
Казалось бы, это всего лишь мелкая неточность или неполнота изложения, но эта неточность создает впечатление тривиальности факта абиогенного синтеза органических соединений. А мы заметим, что мы это заметили: даже простая молекула уксусной кислоты и та не синтезируется абиогенно в наивероятнейшем для подобных синтезов месте на современной Земле.
На этом месте я сделаю перерыв. Если резюмировать эту часть вкратце, то книга написана хорошо, автор старается рассматривать ключевые вопросы всесторонне и достаточно точно указывает на тупики и нерешенные проблемы. Однако написание научно-популярной книги по этой теме не позволяет избежать существенных преувеличений, значительных неточностей и логических искажений. Но в этом личной вины автора нет. Как говорилось в старом советском анекдоте: «Колебался. Но вместе с линией партии!» Так что и здесь все эти искажения и преувеличения являются не плодом творчества автора, а стандартом, принятым в этой особой области исследований.
Книга слишком длинна, чтобы рассказать о ней кратко. В следующем выпуске мы поговорим о «мире РНК» как он описан в книге Никитина.
* Просматривается интересная параллель с Мане и Моне. Надо подумать.
И еще одно замечание, сделанное «между прочим»; в 19 веке были и манеры, и монеры, а сейчас нет ни того, ни другого. Вот они - загадки природы и общества.
** Сам некогда читал это на каком-то афейском сайте, где публика ликовала о том, что наука изрядно посрамила мракобесов.
*** Как бы за проявление расизма не пришлось оправдываться.
Книга, о которой идет речь - “Происхождение жизни. От туманности до клетки”, написанная М. Никитиным. Забегая вперед, скажу, что книга в целом неплохо рассказывает читателю о состоянии исследований в этой области. В ней более откровенно, чем во многих подобных работах, говорится о существующих проблемах, хотя каждый из таких рассказов все равно завершается извлечением белого кролика из помятой шляпы геккелиста. Но это тоже понятно - иначе нельзя рассказать широкой публике об исследованиях происхождения жизни естественным путем, если желаешь оставаться на правильной стороне истории и прогресса.
Обложка книги
К недостаткам книги следует отнести то, что ссылки на научные работы, о которых идет речь, даются не всегда. Это в принципе допустимо для популярной книги, но делает крайне неудобным проверку утверждений автора. Поэтому создается впечатление (и, возможно, верное), что такой подход выбран сознательно.
Паки забегая вперед, скажу, что на примере нескольких критических глав я постараюсь показать, что (а) извлеченный из шляпы кролик оказывается не решением проблемы, как это объявляется, а обычной иллюзией, используемой фокусниками, и (б) многие утверждения, якобы описывающие экспериментальные факты, не являются истинными. Два эти обстоятельства делают большую часть выводов автора несостоятельными.
Белый кролик из шляпы. А истинный ли это кролик!
По ходу этой заметки я иногда буду довольно много пересказывать. Хотя пересказ нередко бывает скучен, без этого невозможно высказывать несогласие с точкой зрения автора. Поэтому прошу вас набраться терпения.
Итак, структура книги вполне соответствует классической схеме книг подобного рода, что в целом положительно. Первые главы книги посвящены Солнечной системе, ее происхождению, геологии планет земной группы, а также эволюции и современному состоянию их атмосфер. Действительно, эти вопросы имеют прямое отношение к обсуждаемой проблеме.
Из интересного в этих главах стоит отметить рассказ о возрасте Земли и первых геологических свидетельствах жизни (графит со смещенным изотопным составом, полосчатые отложения железа), в главе 3, посвященной геологии планет земной группы. Возраст первых следов жизни датируется 4,3-3,8 млрд лет назад. Возраст древнейших зерн циркона (т.е. древнейших твердых тел на Земле) принимается равным 4,1-4,4 млрд лет, фрагментов континентальной коры - 4 млрд лет, осадочных пород - 3,8 млрд лет. Соотношение изотопов кислорода используется как аргумент о наличии воды 4,4 млрд лет назад. Из этих дат можно сделать вывод, что жизнь на Земле возникает практически одновременно с появлением земной коры и жидкой воды.
На это обстоятельство стоит обратить внимание, поскольку такое стремительное по геологическим масштабам возникновение жизни на Земле, с одной стороны, поддерживает идеи неизбежности возникновения жизни, а с другой не оставляет времени для того огромного числа бросков «молекулярных костей», о котором так часто говорят геккелисты.
В главе 5 дается очерк истории идеи происхождения жизни, что тоже находится вполне в русле классических книг по этой проблеме. Кратко пересказываются пионерские идеи Опарина и Холдейна, дается даже обзор идей панспермии. Рассказывается о первых опытах Миллера и Юри по абиогенному синтезу органики и честно перечисляются нерешенные проблемы: отсутствие хиральности (оптической асимметрии) синтезированной органики, отличающее эти продукты от биологических молекул; отсутствие органических продуктов в опытах с углекислотной газовой смесью, реалистично моделирующей вулканическую атмосферу ранней Земли и т.д.
Глава 6 начинается с критики идеи возникновения жизни в «первичном бульоне», т.е. в гомогенном водном растворе. Главная из перечисленных проблем состоит в том, что биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты) в воде преимущественно расщепляются на составные кирпичики в процессе с участием молекул воды (гидролиз), а отнюдь не синтезируются из этих кирпичиков. Для того, чтобы шел синтез, а не распад полимеров, требуется получить их активированные предшественники. В клетке для этого существует сложная ферментативная система, а в опытах по абиогенному синтезу, если они моделируют «первичный бульон», активированные аминокислоты и нуклеозиды (кирпичики белков и нуклеиновых кислот) не образуются.
В качестве решения проблемы автором предлагается синтез предшественников биомакромолекул в гетерогенных системах, в качестве каковых могут выступать либо минеральные поверхности (например, глина), либо предшествующие возникновению макромолекул липидные пузырьки, в целом похожие на мембраны ныне существующих клеток.
Все это является адекватным изложением существующих идей в области учения о происхождении жизни естественным путем. И именно поэтому следует всегда внимательно следить за руками фокусника. Не отвлекайтесь на отражения в зеркалах и клубы дыма, исходящие из магического фонаря.
Цитата: “Эксперименты показали, что запекание сухих смесей нуклеотидов при температуре 120°C приводит к образованию коротких цепочек РНК из 3-10 нуклеотидов. Для соединения аминокислот в белки эти условия слишком жесткие, они приводят к разложению самих аминокислот. Однако, как выяснилось, полного высыхания и не требуется: достаточно, чтобы в растворе не было «химически свободной» воды. В крепком рассоле (100 и более граммов NaCl на литр, как в Мертвом море) все молекулы воды прочно связаны с ионами натрия и хлора и не являются химически свободными. Поэтому в рассоле при температурах 60-80°C равновесие смещено в сторону образования связей, и аминокислоты соединяются в короткие цепочки (эта реакция называется «солевой пептидный синтез» и будет подробнее описана в следующих главах).”
Крепкий рассол бывает полезен не только для абиогеннного синтеза пептидов
На самом деле эта реакция не будет описана в этой книге подробно и тому есть причины. Именно поэтому подробнее ее рассмотрим мы. Но прежде, чем перейти к этому, я замечу, что запекание аминокислот при температурах выше 100°C отнюдь не приводит к их полному разложению, а дает совсем неплохой выход белковоподобного полимера - протеиноида. Было время, когда этот подход считался очень перспективным, а микросферы - надмолекулярные структуры, образуемые протеиноидами в растворе, народные энтузиасты-геккелисты считали живыми.** Однако у протеиноидов как предшественников белков слишком много проблем, и поэтому они давно вышли из моды. Но давайте посмотрим, что нового нам предлагает «солевой синтез», предложенный Rode и соавторами, о котором пишет автор книги.
Длительная инкубация аминокислот при очень высокой их концентрации в присутствии очень высокой же концентрации солей меди (работает в этой реакции катализатором) в крепком солевом растворе при температуре, близкой к температуре кипения, приводит к превращению нескольких процентов аминокислоты в дипептид (цепочку из двух аминокислот) и появлению трипептидов в следовых количествах. Стоит еще упомянуть, что образование пептидов в этой реакции идет только в очень сильно кислой среде (pH2); даже небольшое понижение кислотности (т.е увеличение pH до значения 3 и более) подавляет эту реакцию.
Вариантом «солевого синтеза» является также мягкая форма «запекания». В таких экспериментах раствор аминокислоты в крепком рассоле подвергают нагреванию до 85°C пока он не высохнет, а сухой осадок растворяют и снова упаривают при 85°C. В результате таких циклов высыхания и растворения образуется не только дипептид, но и измеряемое количество трипептида и следовые количества цепочек из четырех и пяти аминокислот. Заметим при этом, что типичный бактериальный белок это цепочка длиной около двух сотен аминокислот. Вот это и есть тот самый солевой синтез, о котором нам сообщают пОходя как о возможном решении проблемы абиогенного образования пептидов. В реальности мы имеем дело с процессом, протекающим в геохимически маловероятных условиях, который не приводит к образованию сколько-нибудь значительного количества пептида, не говоря уж о том, что пептиды длиной больше трех звеньев в этих условиях практически не образуются.
Понятно, что стиль научно-популярных книг изобилует неточными утверждениями. Но в книгах о происхождении жизни такие неточности играют большую и важную роль - они создают впечатление доказанности и в целом тривиальности некоторых утверждений, которые фактами не являются. Оброни в тексте такую «неточность» несколько раз, и вот уже появляется основа, на которой легче строить дальнейшие турусы на колесах аргументы.
Но вернемся к проблемам идеи первичного бульона, как их (совершенно справедливо) видит автор, который отмечает и вторую серьезную проблему - в первичном бульоне «нет границ». Синтезируемые протобелки и протонуклеиновые кислоты и прочие необходимые протоклетке молекулы разбавляются в мировом океане, в то время, как они должны накапливаться в одном месте, где между ними будут возникать разные полезные взаимодействия. Идея концентрации предбиологических молекул на минералах или в липидных пузырьках предлагается и для решения этой проблемы.
В качестве важного факта автор знакомит нас затем с подводными геотермальными источниками, т.н. «черными курильщиками» и «белыми курильщиками»***, выбрасывающими в океан перегретую глубинную воду, из которой при охлаждения выпадают сульфиды разных металлов, имеющие либо черный, либо белый цвет. Эти осадочные минералы образуются из очень маленьких частиц и пронизаны множеством пор. При этом нам сообщают два важных факта: (а) сульфидные минералы являются катализаторами многих химических реакций, (б) градиент температуры может концентрировать вещества в растворе, если они находятся внутри капилляра, а поры сульфидных минералов есть не что иное, как капилляры. Подробный рассказ о втором факте откладывается в этой главе «на потом». Но мы о нем не забудем, потому что это - еще одна шляпа, из которой нам обещают вытащить упитанного белого кролика.
А есть ли кролик вообще?
Несмотря на то, что автор представляет сульфиды в качестве вероятных предбиологических катализаторов, подводным геотермальным источникам в этой книге отказано в звании наиболее вероятного места возникновения жизни, каковым, по мнению многих, в том числе и автора книги, являются наземные геотермальные поля. Самый подходящим для этого типом наземных геотермальных источников признаются грязевые котлы (mudpot). Пар, поднимающийся от магматического очага через этот котел, по элементному составу напоминает цитоплазму клеток. Конденсация этого пара в присутствии минералов с огромной поверхностью, на которой находятся неорганические катализаторы, является по мнению автора книги прекрасной средой для абиогенного образования органики и возникновения макромолекул, а затем и жизни.
Булькающее содержимое грязевого котла
Глава 7 посвящена абиогенному синтезу нуклеотидов (кирпичиков нуклеиновых кислот) в ходе фотохимических реакций в атмосфере. Поскольку по мысли автора основным сырьем для этих реакций является метан, то прежде всего он описывает круговорот метана на древней Земле, который начинается на морском дне. Рассказ начинается с геотермальной структуры неподалеку от Срединно-Атлантического хребта под названием «Затерянный Город» (Lost City). Там из осадочных пород в форме колонн сочится горячая вода, разогреваемая на этот раз не магмой, а химическими реакциями в толще твердых донных пород. Растворенный в воде углекислый газ в этих реакциях восстанавливается до метана и муравьиной кислоты.
На древней Земле образовавшийся в геотермальных источниках метан выходил из океана в атмосферу и вступал под действием солнечных лучей в реакции с азотом, углекислым газом и водой, образуя целый ряд соединений, которые могут являться исходными веществами для абиогенного синтеза более сложных молекул, например, синильная кислота, цианамид и формальдегид. Эти молекулы выпадают на поверхность Земли с дождями и могут накапливаться при высыхании луж. Таким образом, с основным сырьем для получения нуклеотидов на древней Земле проблем, по мнению автора, не было.
Затерянный на дне Атлантики город...
... не имеющий никакого отношения к Атлантиде
Далее речь заходит об их синтезе. Напомню, что нуклеотид состоит из азотистого основания (в ДНК их четыре вида, именно их названия образуют «буквы в тексте ДНК»), пятиуглеродного сахара (рибозы в РНК и дезоксирибозы в ДНК) и фосфата. Нуклеотид минус фосфат называется нуклеозидом. Автор честно признается, что с этим синтезом были проблемы. Давно известная реакция Бутлерова теоретически позволяет получить из формальдегида все сахара, но практически получается сложная смесь сахаров, да к тому же еще и сильно карамелизованная. Для выделения рибозы надо добавлять к смеси разные соли или минералы.
Азотистые основания тоже образуются, хотя сказать честно, не все там так радужно, как это выглядит в книге. Но не в этом дело, поскольку решить проблему образования нуклеозидной связи между основанием и рибозой в модельных предбиологических условиях так и не удалось. Поэтому автор, следуя текущей моде, представляет нам в качестве решения этой проблемы синтез нуклеотидов из простых соединений, в котором не требуется получать сначала основание и сахар, а затем соединять их. Это не преувеличение, работы Сазерленда и его группы ценятся сейчас необычайно высоко и считаются решительной демонстрацией возможности синтеза компонентов «мира РНК», о котором еще пойдет речь, в условиях ранней Земли.
Однако решением они являются только при существенном изменении подхода исследователей абиогенеза к стандартам доказательства. Сазерленд и коллеги предлагают в качестве такового пошаговые реакции, которые могут проходить в условиях, сходных с теми, которые могли существовать на ранней Землю, с участием простой органики. Цепочки таких реакций, соединяющие без разрывов исходные соединения и компоненты нуклеиновых кислот, и принимаются за решение проблемы. Как мы видим, здесь происходит полный отход от принципа исходных экспериментов в этой области, когда образование молекул, имеющих значение для возникновения клетки, ожидалось непосредственно в смеси исходных веществ.
Раньше и вода мокрее была, и абиогенные синтезы более весомые
Является ли пошаговый подход в корне неверным? Так сказать нельзя, поскольку знания о потенциальных предбиологических реакциях он все же предоставляет. Но дать ответа на вопрос - могли ли эти реакции на самом деле происходить, приводя к ожидаемому продукту, он не может. Более того, в этом есть очень серьезные сомнения. Несмотря на то, что исходные продукты этого синтеза могли присутствовать на древней Земле, присутствие на ней лаборанта-химика крайне маловероятно, особенно по мнению энтузиастов геккелизма. А он, несомненно, требуется для такого синтеза. Например, синтез в работе, описанной в статье Powner, Gerland & Sutherland, 2009, начинается с реакции довольно простых органических соединений - гликольальдегида и цианамида - при 60°C в течение 3 часов. После этого к смеси добавляли глицеральдегид, понижали температуру до 40°C и инкубировали смесь еще 16 часов. При этом образуются промежуточные для этого синтеза соединения. Дальше цепочка доказательств идет так - возьмем чистые продукты этой реакции, растворим их и обработаем цианоацетиленом. В результате получаются исходные продукты для следующей стадии. Это вещества, в свою очередь, берутся в чистом виде и добавляются в следующую реакцию, и т.д.
Возможность, что такой синтез может происходить без участия химика, разумеется, никогда не была показана, потому что синтез этот требует добавления реагентов в определенное время, изменения условий реакции для оптимизации индивидуальных шагов, получения промежуточных продуктов в чистом виде и т.д. Более того, есть еще простая, но неразрешимая проблема концентраций реагентов. В этот синтез исходные простые органические вещества добавляются в очень высоких концентрациях. Насколько такие концентрации мыслимы в природных условиях авторы не обсуждают.
Чтобы сомнения в реалистичности моделирования в работах Сазерленда не показались вам пристрастными, приведу окончание статьи, которую я процитировал выше. «Наши результаты позволяют предположить, что условия ранней Земли могут рассматриваться предрасположенными к предбиологическому синтезу активированных пиримидиновых нуклеотидов. Хотя проблема необходимости раздельного добавления гликольальдегида и глицеральдегида остается нерешенной, события, при которых нагрев и высушивание могли сменяться охлаждением, растворением и ультрафиолетовым облучением, вполне могли происходить. Хотя сравнительный анализ таких моделей выходит за рамки этого исследования, мы надеемся, что описанная в нашей работе цепь реакций внесет свой вклад в этот анализ.»
Существует еще одна проблема с этим конкретным синтезом. В нем в качестве исходных веществ используются гликольальдегид и глицеральдегид, а их эффективное образование в предполагаемых условиях ранней Земли показано не было. Выше упоминалась реакция Бутлерова, которая теоретически позволяет получить из формальдегида разнообразные соединения углеводной природы, в том числе и эти альдегиды, но практически это совсем непросто. Поэтому группа Сазерленда предложила схему процесса абиогенного синтеза этих альдегидов, основанную на фотохимической реакции восстановления цианида с участием цианида меди как катализатора. В эту схему реакций вовлечен и формальдегид, а гликольальдегид и глицеральдегид являются одними из ее продуктов. Но и здесь они образуются одновременно и вместе находятся в довольно сложной смеси, так что проблему их раздельного добавления в реакцию синтеза нуклеотидов предложенный механизм не решает. Разумеется, не позволяет этот механизм и получить гликольальдегид и глицеральдегид в чистом виде, к тому же выход глицеральдегида в этой реакции совсем невелик - менее 5%.
Таким образом, все , что предложенные схемы позволяют сделать, это соединить исходные простые вещества с искомыми продуктами цепочкой написанных на бумаге формул химических реакций. Никаких доказательств того, что эта цепочка реакций может самопроизвольно протекать в природных условиях, приводя к образованию нуклеотидов со значительным выходом, в обсуждаемых выше работах не было предоставлено. Мы этого не знаем точно так же, как и до их публикации.
Заяц, извлекание которого из шляпы было анонсировано как загадочный трюк великого фокусника, оказался на поверку плюшевой игрушкой. Однако это не останавливает автора книги перед описанием появления нуклеотидов на ранней Земле. Не буду пересказывать в подробностях, это можно прочитать в книге Никитина, но подскажу, что вулканы с их способностью высушивать озера, а затем прокаливать их содержимое, как всегда, играют в этой схеме главную роль.
Лучшее из доступных мне изображений вулканов на ранней Земле
Стоит заметить, что во всех этих выкладках высокие концентрации синильной кислоты (цианистоводородной кислоты, цианистого водорода) на ранней Земле являются необходимым условием и не подвергаются сомнению. Однако, синильная кислота в воде быстро гидролизуется до формамида, особенно при высокой температуре. В нейтральной водной среде при 100°C половина синильной кислоты будет гидролизована за несколько часов. В этих условиях половина формамида будет гидролизована до муравьиной кислоты за несколько дней. По оценке С. Миллера (Miyakawa, Cleaves, & Miller, 2002) концентрация синильной кислоты и формамида (упоминаю о последнем, поскольку он участвует во многих предложенных схемах абиогенных реакций) в первичном океане были ничтожно малы. Миллер предложил потенциальной путь естественной концентрации синильной кислоты и формамида, который по мнению его группы заключается в вымораживании их из водных растворов. В общем, одно из двух должно сработать - или вымораживание, или выпаривание и прокаливание.
...или одно из двух. Ничего не понимаю!
И в заключении первой части заметки вернусь к одному малозаметному карточному фокусу, который был нам показан автором книги по ходу рассказа. Речь шла о геотермальной структуре «Затерянный Город», где растворенный в воде углекислый газ восстанавливается до метана и муравьиной кислоты. Абсолютное большинство читателей пропустит как нечто тривиальное утверждение автора, которое следует за словами о метане и муравьиной кислоте. Цитата: «Если в воде был растворен углекислый газ, то он в этих условиях восстанавливается до метана (CH4) и муравьиной кислоты (HCOOH). В горячей воде Lost City растворено до 30 мг/л метана и водорода, до 7 мг/л муравьиной и до 1 мг/л уксусной кислоты; изотопный состав углерода в них точно такой же, как в углекислом газе, т. е. метан и кислоты образуются абиогенно, без участия микробов (Lang et al., 2010).” Эти слова создают впечатление очевидности того, что при подходящих условиях абиогенный синтез органических кислот идет с неотвратимостью.
Однако, если заглянуть в цитируемую статью, то оказывается, что (а) в книге приведены максимальные концентрации муравьиной и уксусной кислоты в полученных пробах, хотя во многих пробах они вообще не были обнаружены, (в) авторы статьи считают вероятным абиогенное происхождение только муравьиной кислоты, а уксусная кислота в воде Затерянного Города, по их мнению, имеет биологическое происхождение. Более того, поскольку некоторые энтузиасты считали чуть ли не всю органику Затерянного Города абиогенной, Lang и соавторы в последующей статье (Lang et al., 2013) проанализировали аминокислотный состав проб и пришли к выводу, что аминокислоты, действительно присутствующие в воде из Затерянного Города, являются биологическими продуктами.
Казалось бы, это всего лишь мелкая неточность или неполнота изложения, но эта неточность создает впечатление тривиальности факта абиогенного синтеза органических соединений. А мы заметим, что мы это заметили: даже простая молекула уксусной кислоты и та не синтезируется абиогенно в наивероятнейшем для подобных синтезов месте на современной Земле.
На этом месте я сделаю перерыв. Если резюмировать эту часть вкратце, то книга написана хорошо, автор старается рассматривать ключевые вопросы всесторонне и достаточно точно указывает на тупики и нерешенные проблемы. Однако написание научно-популярной книги по этой теме не позволяет избежать существенных преувеличений, значительных неточностей и логических искажений. Но в этом личной вины автора нет. Как говорилось в старом советском анекдоте: «Колебался. Но вместе с линией партии!» Так что и здесь все эти искажения и преувеличения являются не плодом творчества автора, а стандартом, принятым в этой особой области исследований.
Книга слишком длинна, чтобы рассказать о ней кратко. В следующем выпуске мы поговорим о «мире РНК» как он описан в книге Никитина.
* Просматривается интересная параллель с Мане и Моне. Надо подумать.
И еще одно замечание, сделанное «между прочим»; в 19 веке были и манеры, и монеры, а сейчас нет ни того, ни другого. Вот они - загадки природы и общества.
** Сам некогда читал это на каком-то афейском сайте, где публика ликовала о том, что наука изрядно посрамила мракобесов.
*** Как бы за проявление расизма не пришлось оправдываться.