Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Итак, что означают рассуждения о восстановительных потенциалах? Они одновременно и ограничивают спектр, и выявляют широкий диапазон условий, при которых во Вселенной могла возникнуть жизнь. Да, из-за подобных вещей ученые часто выглядят так, как будто они живут в изолированном мирке, потерявшись среди абстрактных размышлений. Может ли тот факт, что восстановительный потенциал водорода падает вместе с pH, приблизить нас к разрешению проблемы? Да. В условиях щелочных гидротермальных источников H₂ будет реагировать с CO₂ с образованием органических молекул. Почти в любых иных условиях этого не случится. Выше я успел отвергнуть почти все остальные среды, которые могли обеспечить происхождение жизни. Исходя из законов термодинамики, мы установили, что для того, чтобы построить живую клетку с нуля, требуется непрерывный поток активного углерода и химической энергии, проходящей над примитивными катализаторами в системе, которая ограничивает и направляет движение потока. Лишь гидротермальные источники могут обеспечить необходимые условия, и лишь единственная их разновидность – щелочные гидротермальные источники – обладает абсолютно всеми необходимыми свойствами. Но идея щелочных источников одновременно порождает серьезную проблему – и дает красивое ее решение. Серьезная проблема состоит в том, что хотя эти источники богаты водородом, водород не будет просто так вступать в реакцию с CO₂ с образованием органики. А красивое решение – это физическое строение щелочных источников: естественные протонные градиенты на тонких полупроводниковых стенках в теории могут инициировать образование органических веществ. А затем обеспечить их концентрирование. На мой взгляд, все это имеет смысл! Учтите при этом, что жизнь использует (до сих пор) трансмембранные протонные градиенты, чтобы обеспечивать энергией и углеродный, и энергетический метаболизм, и мне хочется стенать вместе с Джоном Арчибальдом Уилером: “О, могло ли быть иначе! Как мы все могли так долго оставаться слепы?!”

Рис. 14. Как получить органику из H₂ и CO₂.

А. Зависимость потенциала восстановления от водородного показателя (pH). Чем более отрицателен потенциал восстановления, тем выше вероятность, что вещество отдаст один или более своих электронов. Чем он положительнее, тем вероятней, что вещество примет электроны. Обратите внимание, что значения на шкале y становятся отрицательнее с увеличением высоты. При pH = 7 H₂ не способен отдавать электроны на CO₂ с образованием формальдегида (CH₂O). Реакция будет идти преимущественно в противоположном направлении. Однако если H₂ окажется в среде с pH = 10 (как в гидротермальных щелочных источниках), а CO₂ – при pH = 6 (как в древнем океане), теоретически возможно восстановление CO₂ до CH₂O.

Б. В пористом источнике жидкости с pH = 10 и pH = 6 могли находиться в соседних порах и отделяться друг от друга тонкой полупроницаемой стенкой, в составе которой имелся сульфид железа (FeS), ускоряющий реакцию восстановления CO₂ до CH₂O. FeS выступает в роли катализатора, как и в процессе нашего дыхания перемещая электроны H₂ к CO₂.

Но – давайте успокоимся. Восстановительный потенциал ограничивает и одновременно выявляет набор условий, при которых должна была возникнуть жизнь. Мы выяснили, что условия, которые в наибольшей мере способствовали бы возникновению жизни, реализуются в щелочных источниках… Что, и это все? Должны быть другие варианты! О’кей, может быть. В бесконечной Вселенной возможно все, но не все вероятно. Возникновение жизни в щелочных источниках вероятно. Такие источники формируются в результате химической реакции между водой и оливином – одним из самых распространенных минералов во Вселенной, главной составляющей космической пыли и аккреционных дисков, из которых формируются планеты, включая Землю. Серпентинизация оливина может происходить даже в космосе – при насыщении водой космической пыли. Согласно некоторым гипотезам, когда образовалась наша планета, вода при возрастании температуры и давления дала начало океанам. Как бы то ни было, оливин и вода – одни из самых широко распространенных веществ во Вселенной. Другой необходимый компонент – газ CO₂. Он входит в состав атмосферы большинства планет Солнечной системы и найден в атмосфере экзопланет.

Определенный минерал, вода и газ: вот список необходимого для жизни. Мы найдем все это почти на любой влажной каменистой планете. В соответствии с законами химии и геологии, эти вещества будут формировать теплые щелочные гидротермальные источники с протонными градиентами между тонкостенными каталитическими микропорами. Мы можем на это рассчитывать. Возможно, особенности их химии не всегда будут способствовать жизни. Этот эксперимент идет прямо сейчас на каждой из 40 млрд подобных Земле планет одного только Млечного Пути. Мы живем в чашке Петри вселенского масштаба. Как часто прекрасные условия дают начало жизни, зависит от того, что происходит дальше.

Глава 4 Появление первых клеток

“Я так думаю”, – в 1837 году записал Дарвин в дневнике. Эти слова нацарапаны рядом со схематическим рисунком, изображающим дерево жизни. Прошел всего год с момента, когда Дарвин вернулся из плавания на “Бигле”. Спустя 22 года этот (несколько более художественно выполненный) рисунок стал единственной иллюстрацией в “Происхождении видов”. Концепция дерева жизни оказала такое влияние на гипотезы Дарвина и даже на современную эволюционную биологию, что попытки заявить, что она неверна, кажутся кощунством. В 2009 году, спустя 150 лет после публикации “Происхождения видов”, именно такое заявление было крупно напечатано на обложке журнала “Нью сайентист”. Несмотря на провокационный заголовок (призванный привлечь читателей), статья была гораздо сдержанней и содержала вполне определенную мысль. В некотором смысле концепция дерева жизни действительно неверна. Но отсюда не следует, что важнейшая из гипотез Дарвина – эволюция путем естественного отбора – также неверна. Из этого