Недавно мы с Дарьей Дибровой (НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ) и Андреем Бычковым (геологический факультет МГУ) доделали статью “Origin of the RNA World in Cold Hadean Geothermal Fields Enriched in Zinc and Potassium: Abiogenesis as a Positive Fallout from the Moon-Forming Impact?” [1]. Статья вышла и доступна на портале MDPI1 (машинные переводчики с английского в помощь!). По объему материала это, по сути, небольшая книга; чтобы как-то ужать основной текст, мы вынесли вводные материалы в дополнительный файл, так что читать лучше начинать с него. В статье реконструируются эволюционные события начиная с образования Луны и до появления протоклеток в РНК-мире; последующие этапы уже никак не вмещались, мы их опубликуем отдельно.
Нет особого смысла повторять здесь то, что напечатано и всем доступно. Поэтому я попробую набросать более общую картину, включающую и еще не опубликованные части работы.
Очевидно, что правдоподобность сценариев происхождения жизни зависит не только от соответствия законам природы, но и от их способности объяснить целый ряд парадоксальных свойств, общих для всех живых организмов, и поэтому древних. Нам, в частности, было важно понять, почему внутри всех активных клеток больше калия, чем натрия, в то время как снаружи всё наоборот; почему самые древние белки как помощники-кофакторы используют — из переходных металлов — именно цинк, хотя в природе его мало, в тысячу раз меньше, чем железа. Мы предположили ранее, что первые организмы обитали в среде, очень богатой цинком и калием [2–4], но природа такой среды оставалась невыясненной. Теперь мы смогли реконструировать геохимию богатых цинком и калием геотермальных полей и раннюю эволюцию жизни в них. Любопытно, что при реконструкции важным оказалось такое свойство вещества, как летучесть; различия в летучести играют важную роль на нескольких стадиях реконструкции.
В частности, Луна, схожая с Землей по составу нелетучих, так называемых рефракторных элементов, обеднена умеренно летучими металлами; лунные породы содержат в сто раз меньше цинка и в десять раз меньше калия, чем земная кора. Считается, что образование Луны — в результате столкновения (импакта) Протоземли с некой малой планетой — шло внутри состоявшего в основном из кремния постимпактного диска (рис. 1), исходно очень горячего (5000–10000 °C). Бедность Луны летучими металлами объясняется тем, что они были всё еще в газообразном состоянии, когда диск при остывании настолько «съежился», что молодая Луна осталась снаружи, как показано на рис. 1 [5, 6]. В итоге по мере дальнейшего охлаждения диска летучим элементам ничего другого не оставалось, как выпасть на затвердевшую к тому времени земную протокору [7]. Цинк — это самый летучий металл; поэтому кремниево-цинковый дождь шел последним, сразу после калийного. Так что обогащение земной поверхности цинком и калием после образования Луны было, по сути, неизбежным. Вдобавок наше термодинамическое моделирование показало, что цинк (которого могло «накапать» до 1019 кг) должен был быть в металлическом состоянии [1]. Металлический цинк Zn0 — это сильнейший восстановитель, способный превращать углекислоту (СО2) в органические молекулы с выходом до 80%. Тем самым наш сценарий впервые ввел в оборот Zn0 как мощнейший восстановитель при абиогенезе. Необходимость такого восстановителя для возникновения жизни всеми признавалась, но с его природой не было ясности.
![Рис. 1. Формирование Луны (синяя сфера) из окружавшего Землю горячего постимпактного диска в Хадейском периоде, 4,5–4,1 млрд лет назад (по [1, 5, 6]). Показаны поочередное осаждение умеренно летучих элементов (которое должно было сопровождаться остаточным осаждением кремнезема SiO2) на затвердевшую земную протокору и возникновение вулканов](https://www.trv-science.ru/uploads/426-0000.png)
Земная кора в принципе более окислена, чем мантия и ядро. Образование Луны, однако, должно было привести к редокс-инверсии — богатая Zn0 сухая протокора должна была быть более восстановленной, чем подстилающая ее расплавленная после импакта мантия. Эта мантия постепенно затвердевала, высвобождая флюид (по простому — горячий рассол), несущий углекислоту, сероводород, азотистые и фосфорные соединения, растворенные в перегретой до 300–400 °C воде. Флюид, будучи легче окружающей породы, вырывался, кипя, на поверхность в районах вулканической активности (рис. 2). Прохождение такого флюида через сверхвосстановленную — благодаря Zn0 — протокору должно было сопровождаться синтезом самых разных органических молекул из углекислоты и азотистых соединений. При этом Zn0 окислялся с высвобождением ионов Zn2+, выносимых на поверхность геотермальным паром вместе с органическими молекулами. Они могли накапливаться в прудах холодного парового конденсата и взаимодействовать друг с другом. При исходно низком атмосферном давлении и под нежарким солнцем Хадея шел естественный отбор малолетучих, устойчивых к ультрафиолетовому и радиоактивному излучениям, богатых азотом и способных к ассоциации молекул, к каковым относятся как природные нуклеотиды, так и многие другие биомолекулы. Такие молекулы могли образовывать РНК-подобные полимеры, а их консорциумы могли самособираться, самовоспроизводиться, обзаводиться оболочками и синтезировать белки.
![Рис. 2. Происхождение жизни в холодных, обогащенных цинком и калием геотермальных полях Хадея согласно [1]. Энергия солнечного излучения в Хадее составляла ~70% от современной, так что средние температуры на поверхности должны были быть порядка –50 ÷ –25 °C [8, 9]. Изображено геотермальное поле между двумя заснеженными вулканами. Горячие источники, геотермальные пруды и террасеты показаны в соответствии с реконструкцией геотермальной системы возрастом 3,48 млрд лет, остатки которой были найдены в Австралии [10, 11]. Справа показаны различные реакции СО2, в том числе приводящие к образованию органических соединений, детали см. в [1]. Магма, помимо периодических извержений через жерло вулкана, могла также взаимодействовать с тающим снегом и льдом через трещины породы с образованием горячего пара с t° до > 900 °C, выбрасываемого фумаролами. Помимо этого к поверхности поднимался геотермальный флюид, вымывая из протокоры различные химические вещества и вынося их на поверхность. Из-за снижения давления вышележащих пород флюид по мере приближения к поверхности начинал кипеть. Насыщенные горячим паром подстилающие геотермальные поля слои породы образовывали пародоминирующие зоны с t° 300–400 °C, выполнявшие роль мощных химических реакторов; детали см. в [1, 4].Вставки: (A) Вулканические фумаролы, изображение с сайта nps.gov 2, (B) Схематическое поперечное сечение горячего источника, перерисовано с изменениями из [12]. (C) Новозеландские белые террасы как пример вулканических террасет (нарисованы Чарлзом Блумфилдом в 1884 году, за два года до их погребения под водами озера Ротомахана после извержения вулкана Таравера 3). (D) Взаимопревращения нитрилов, амидов и аммонийных солей органических кислот, представленных их простейшими представителями, в присутствии неорганических катализаторов и ультрафиолета; каждое из показанных азотсодержащих соединений могло быть субстратом дальнейших синтетических реакций, ведущих к образованию рибонуклеотидов, их полимеров и пептидов, детали см. в [1]](https://www.trv-science.ru/uploads/426-0001.png)
Вставки: (A) Вулканические фумаролы, изображение с сайта nps.gov 2, (B) Схематическое поперечное сечение горячего источника, перерисовано с изменениями из [12].
(C) Новозеландские белые террасы как пример вулканических террасет (нарисованы Чарлзом Блумфилдом в 1884 году, за два года до их погребения под водами озера Ротомахана после извержения вулкана Таравера 3). (D) Взаимопревращения нитрилов, амидов и аммонийных солей органических кислот, представленных их простейшими представителями, в присутствии неорганических катализаторов и ультрафиолета; каждое из показанных азотсодержащих соединений могло быть субстратом дальнейших синтетических реакций, ведущих к образованию рибонуклеотидов, их полимеров и пептидов, детали см. в [1]
Но по мере окисления протокоры мантийным флюидом генерация органики должна была постепенно затухать. Древним микроорганизмам, однако, хватило времени на то, чтобы научиться собирать из разных белков комплексы, способные восстанавливать СО2 и молекулярный азот (N2) до органических молекул без участия Zn0. Эти комплексы, гораздо более сложные, чем преобразующие органические молекулы ферменты, сделали возможным самостоятельное, автотрофное существование. Задействованные в автотрофии белковые комплексы обычно используют многочисленные железосодержащие кофакторы. Эта особенность позволяет оценить, когда возникла автотрофия. Геномным анализом было показано, что массовое рекрутирование железосодержащих кофакторов произошло через 100–200 млн лет после появления первых белков [13].
С началом тектоники плит остатки богатой цинком постимпактной протокоры должны были быть затянуты в мантию и переплавлены. Так что с металлическим цинком живые организмы встретились вновь только много лет спустя, когда Homo sapiens научился выплавлять цинк и использовать его в хозяйстве, в частности, при изготовлении первых электрических элементов (батарей), где металлический цинк служил источником электронов.
Кстати, о батарейках: можно сказать, что энергия импакта зарядила земную протокору как гигантскую цинковую батарею и что ток электронов от Zn0 к компонентам геотермального флюида (т. е. разрядка этой батареи) способствовал возникновению жизни.
Рассуждая об абиогенезе, Дарвин был весьма краток: «…Но если бы (и какое большое „если“!) мы могли понять, как в некоем теплом маленьком пруду с всевозможными аммиачными и фосфорными солями, светом, теплом, электричеством и т. д. могло химически образоваться первое живое соединение, готовое к дальнейшим еще более сложным превращениям…» ([14], перевод на русский автора). Надо, однако, отметить, что во времена Дарвина не было электрических сетей, и всё известное ему «электричество» получали от батарей, а они тогда были только цинковыми [15]. Как ни удивительно, но известным Дарвину источником «электричества» был как раз Zn0. Таким образом, наша эволюционная реконструкция [1] согласуется с представлениями Дарвина во всех отношениях.
Переход от «халявы» Цинкового Мира к суровому Миру Железа, где надо было самим заботиться о пропитании, должен был иметь катастрофические последствия для молодой биосферы и сопровождаться гибелью тех форм жизни, которые не смогли приспособиться к изменениям. Это было обусловлено неизбежным окислением постимпактной протокоры, и вины самой биосферы в этом не было.
Следующая же глобальная катастрофа была уже спровоцирована самой биосферой, когда способные к фотосинтезу бактерии научились использовать свет для получения сильных восстановителей за счет разложения воды на кислород и протоны.
После появления кислорода в атмосфере бо́льшая часть биосферы должна была погибнуть или, точнее, сгореть — взаимодействие органики с кислородом и есть горение. Выжили только микробы, научившиеся дышать, т. е. быстро восстанавливать кислород обратно до воды прямо на своей внешней оболочке, не допуская его внутрь, а также обитатели немногих оставшихся бескислородных экологических ниш.
Восстановление кислорода до воды сопровождалось выделением большого количества энергии, которую со временем удалось использовать, функционально связав уже существовавшие железосодержащие белковые комплексы в дыхательные цепи. За счет этой дополнительной энергии стало возможным поддерживать более сложные эукариотические клетки и образуемые ими многоклеточные организмы.
То есть чем дальше жизнь удалялась во времени от родного для нее «цинкового рая», тем неблагоприятнее становились внешние условия; организмам приходилось становиться сложней, чтобы выживать.
Думается, что этот тренд, которому более четырех миллиардов лет, сохранится. Земля рискует стать непригодной для человеческой жизни. Это может произойти постепенно, а может случиться и внезапно в результате природной или рукотворной катастрофы. Поэтому размышления о жизни на других планетах и подготовка к ней — это отнюдь не причуды писателей-фантастов, а необходимость. Если человечество научится выживать на Марсе, оно сможет выжить и на Земле после природной катастрофы. А если нет — так нет… Поэтому весьма осмысленно инвестировать в создание «запасных аэродромов» на тот случай, если подведет природа или сами носители разума. Хорошо бы иметь запасную Землю, а еще лучше несколько.
Армен Мулкиджанян, докт. биол. наук,
науч. сотр. Оснабрюкского университета (Германия), профессор факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ
1. Mulkidjanian A.Y., Dibrova D.V., Bychkov A. Y. Origin of the RNA World in Cold Hadean Geothermal Fields Enriched in Zinc and Potassium: Abiogenesis as a Positive Fallout from the Moon-Forming Impact? Life (Basel) 2025, 15, doi: 10.3390/life15030399.
2. Mulkidjanian A. Y. On the origin of life in the Zinc World: 1. Photosynthesizing, porous edifices built of hydrothermally precipitated zinc sulfide as cradles of life on Earth. Biol Direct 2009, 4, 26, doi: 10.1186/1745-6150-4-26.
3. Mulkidjanian A.Y., Galperin M. Y. On the origin of life in the Zinc World. 2. Validation of the hypothesis on the photosynthesizing zinc sulfide edifices as cradles of life on Earth. Biol Direct 2009, 4, 27, doi: 10.1186/1745-6150-4-27.
4. Mulkidjanian A.Y., Bychkov A.Y., Dibrova D.V., Galperin M.Y.; Koonin E. V. Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. Proc Natl Acad Sci U S A 2012, 109, E821–830, doi: 10.1073/pnas.1117774109.
5. Lock S.J., Stewart S.T., Petaev M.I., Leinhardt Z., Mace M.T., Jacobsen S.B., Cuk,M. The origin of the Moon within a terrestrial synestia. Journal of Geophysical Research: Planets 2018, 123, 910–951.
6. Canup M.C., Righter K., Dauphas N., Pahlevan K., Cuk M., Lock S.J., Stewart S.T., Salmon J., Rufu R., Nakajima M., et al. Origin of the Moon. Reviews in Mineralogy and Geochemistry (New Views of the Moon II) 2023, 89, 53–102.
7. Zahnle K., Arndt N., Cockell C., Halliday A., Nisbet E., Selsis F., Sleep N. H. Emergence of a habitable planet. Space Sci. Rev. 2007, 129, 35–78.
8. Sagan C., Mullen G. Earth and Mars: evolution of atmospheres and surface temperatures. Science 1972, 177, 52–56, doi: 10.1126/science.177.4043.52.
9. Mukhin L.M., Moroz V. I. Early evolution of the terrestrial atmosphere and hydrosphere. Soviet Astronomy Letters 1977, 3, 39–41.
10. Djokic T., Van Kranendonk M.J., Campbell K.A., Walter M.R., Ward C. R. Earliest signs of life on land preserved in ca. 3.5 Ga hot spring deposits. Nat Commun 2017, 8, 15263, doi: 10.1038/ncomms15263.
11. Van Kranendonk M.J., Baumgartner R., Djokic T., Ota T., Steller L., Garbe U., Nakamura E. Elements for the Origin of Life on Land: A Deep-Time Perspective from the Pilbara Craton of Western Australia. Astrobiology 2021, 21, 39–59, doi: 10.1089/ast.2019.2107.
12. Campbell K.A., Guido D.M., Gautret P., Foucher F., Ramboz C., Westall F. Geyserite in hot-spring siliceous sinter: Window on Earth’s hottest terrestrial (paleo) environment and its extreme life. Earth-Science Reviews 2015, 148, 44–64.
13. David L.A., Alm E. J. Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion. Nature 2011, 469, 93–96, doi: 10.1038/nature09649.
14. Darwin C. The life and letters of Charles Darwin, including an autobiographical chapter; John Murray: London, 1887; Vol. 3.
15. Heth C. L. Energy on demand: A brief history of the development of the battery. Substantia 2019, 3, 77–86.
2 home.nps.gov/articles/000/fumaroles.htm
3 collections.tepapa.govt.nz/object/42254
(6 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...