https://www.dia-m.ru/catalog/reactive/?utm_source=biomol&utm_campaign=up-baner#reactive-order
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

«Я, монтмориллонит», или Минеральные помощники первой жизни

«Я, монтмориллонит», или Минеральные помощники первой жизни

  • 201
  • 0,0
  • 0
  • 1
Добавить в избранное print
Обзор

Кадр из фильма «Голем, как он пришел в мир» (1920).

Рисунок в полном размере.

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Вопрос о том, откуда взялась заполонившая всю современную Землю жизнь, вызывает смешанные чувства. С одной стороны, он очень увлекательный и воодушевляет, а еще является прекрасным поводом увязать вместе такие разные науки, как биология, химия, физика, геология и даже астрономия. С другой стороны, это вопрос довольно неблагодарный: самые правдоподобные гипотезы и убедительные эксперименты всегда будут оставаться лишь нашими предположениями о событиях на молодой Земле, а не их точной реконструкцией. И все же вопрос абиогенеза (как неживое вдруг взяло и стало живым), вне всякого сомнения, очень полезен. Задаваясь им, мы лучше понимаем суть феномена жизни и спектр ее возможностей (что может пригодиться нам ни много ни мало при поиске внеземных вариантов живого). А еще зарождение первого организма — это точка отсчета истории биосферы, на которой сходятся все ее эволюционные тренды. Эта точка напоминает горизонт, который невозможно достичь, но который задает верное направление для движения. Вопрос о том, как поразительно сложное и неразрывное единство клетки возникло на пустом месте, вызывает много трудностей. Однако реконструировать эти древние события куда проще, если обратить внимание на нечто, что возникло на Земле еще раньше, имелось на ней в изобилии и обладало высокой устойчивостью. И потому вполне могло способствовать становлению первой живой клетки.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Победитель конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022Эта статья участвовала в конкурсе «Био/Мол/Текст»-2021/2022 в номинации «Свободная тема» и будет опубликована в журнале «Наука и жизнь».

SkyGen

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


BIOCAD

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.


«Диаэм»

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Жизнь и откуда она взялась

Обращаясь к возникновению жизни, первым делом мы неизбежно погружаемся в «первичный бульон». Действительно, гипотеза Опарина — Холдейна существует уже столетие — и почти столько же кочует по учебникам. Согласно ей, первые простые коллоидные частицы со свойствами живого самопроизвольно образовались из органики, в изобилии имевшейся в древнем «наваристом бульоне». Историческое значение этой гипотезы огромно, однако сейчас она выглядит очень наивно. Это неудивительно, если вспомнить, что ученые того времени (сюда можно отнести и связанный с этой гипотезой эксперимент Миллера — Юри) еще не знали о том, насколько в действительности сложно устроена клетка на ультраструктурном — и тем более молекулярном уровне. Немногое было известно и о далеком прошлом Земли.

Когда же во второй половине XX века на ученых валом посыпались все новые прорывные открытия (структура и механизм репликации ДНК, центральная догма молекулярной биологии, расшифровка генетического кода, новые данные об устройстве клеток и так далее), все это могло казаться непреодолимой для познания бездной. И вправду, жизнь — это нечто необычайно замысловатое и со сложной регуляцией, что имеет общее происхождение при потрясающем разнообразии. Представить все это возникшим во всем своем великолепии одним махом казалось непросто. Доступная элегантным джентльменам вроде Опарина и Холдейна приятная наивность суждений осталась в прошлом навсегда. И все же ученые собрались и начали действовать «понемногу».

Начиная с 1960-х гг., наступило время гипотез возникновения жизни на основе какого-то одного ее компонента. Рецепт для современной клетки включает несколько обязательных ингредиентов: нуклеиновые кислоты, белки и объединяющая их воедино липидная обертка. А еще все их обслуживает метаболизм, без которого эта конструкция мгновенно рухнет обесточенной.

Кто-то решил, что первыми собирать вокруг себя живую клетку начали белки. Это прежде всего харизматичный Сидни Фокс, который поддержал модную тенденцию, намеченную знаменитым опытом Миллера — Юри. Напомним, двое ученых в 1952 году успешно получили многие аминокислоты (в действительности намного больше, чем они сами думали) при помощи очень простой установки, в которой смесь воды и газов с восстановительными свойствами (метан, углекислота и водород) нагревали и подвергали действию электрических разрядов. Они просто «нагрели и посмотрели», а результат превзошел все ожидания [1].

Воодушевленный этим экспериментом, Сидни Фокс тоже «нагрел и посмотрел» — и в итоге из смеси аминокислот получил частицы с рядом интересных свойств, включая способность к катализу [2]. Это были так называемые протеиноиды и микросферы на их основе — отнюдь не белки, в которых аминокислоты соединены в строго определенном порядке пептидными связями. Фокс приготовил своего рода «запеканку» из аминокислот, случайным образом слипшихся в крупные и довольно устойчивые трехмерные агрегаты.

Нашлись также и сторонники идеи о том, что жизнь возникла «липидами вперед». Они аргументировали свою точку зрения тем, что липиды с легкостью образуются и собираются в мицеллы (сплошные капли) и липосомы (тонкостенные пузыри). Вторые очень похожи на клеточные мембраны. А еще липосомы способны к «росту» (за счет вбирания новых молекул) и даже «делению» при распаде тех из них, которые становятся слишком крупными. Любопытно, что липосомы тоже имеют каталитические возможности [3].

Однако самой жизнеспособной оказалась гипотеза о возникновении живого «нуклеиновыми кислотами вперед» — и прежде всего прославленный «Мир РНК». Эта популярная концепция вобрала в себя многие давно витавшие в воздухе идеи, которые, наконец, озвучил в своей обзорной статье для Nature Уолтер Гилберт в 1986 году (рис. 1) [4].

Рибозим под названием Twister

Рисунок 1. Рибозим под названием Twister. Рибозимы — РНК с каталитической активностью — стали своего рода ключом в Мир РНК, поскольку показали разнообразие возможностей этой молекулы.

РНК — это действительно очень хороший кандидат на роль первой самобытной жизни — в силу своей функциональной пластичности. Она и генетическую информацию может кодировать (как ДНК), и в виде рибозимов химические реакции специфически ускорять (как белки-ферменты) [5]. Казалось, проблема решена, и из шляпы фокусника показались солидные уши. За них долго тянули, но дело шло довольно туго.

Проблем с Миром РНК оказалось немало: ни получить нуклеотиды с помощью методологии «нагреть и посмотреть», ни склонить отдельную РНК к самокопированию все не получалось. Ко всему прочему, РНК едва ли могла самопроизвольно приобрести значительную концентрацию — представленная самой себе в растворе, РНК, как и другие биомолекулы, умеет главным образом распадаться... Элегантным аргументом в пользу (как казалось!) гипотезы Мира РНК стало то, что в основе «фабрик белков» — рибосом — оказалась именно РНК. Более того, РНК — это именно то, чем этот огромный молекулярный завод катализирует формирование пептидных связей: рибосома по своей сути — рибозим. Kто-то предполагал, что первые рибосомы могли вовсе обходиться без белка и представляли собой сплошную РНК. Но если в этом месте призадуматься, это доказательство «мира чистой РНК» окажется в высшей степени сомнительным. Зачем это древней РНКовой сущности нужны эти чисто РНКовые рибосомы, которые производят исключительно белки [3], [5]?

Словом, все эти однобокие теории здорово потеряли позиции. В результате наиболее убедительной сейчас выглядит гипотеза о «единстве с самого начала». Она предполагает, что первые биомолекулы возникли сообща, в одно и то же время и в одном и том же месте, и к тому же из одних и тех же «реагентов». Предполагают, что возникать таким образом для них было попросту проще, ведь происходившие по соседству реакции синтеза биомолекул помогали друг другу, взаимно катализируя образование своих соседей и стимулируя их хиральную чистоту [3].

Однако у проблемы несостоятельности первобытных биомолекул есть и другое возможное решение, куда более экзотическое.

Миры Элементов

Помимо триединства нуклеиновых кислот (олицетворяющих собой кодирование и копирование информации), белков (химической работы, структуры, движения и т.д.) и липидов (ограничивающих клетку и делающих ее неповторимой индивидуальностью) всякой живой клетке требуется еще кое-что. Вся эта замысловатая конструкция быстро развалится, если ее не будет поддерживать метаболизм. Без него невозможно ни питание, ни дыхание, ни копирование генетической информации — ведь все это не дается даром, а требует выполнения работы и стоит АТФ. Или чего-то вроде АТФ — скажем, неорганических полифосфатов [3], [5].

Возникновение метаболизма наводит на ассоциации с осознанным вмешательством со стороны и неким актом творения. Верно, речь о профессоре Франкенштейне, которому была необходима внешняя энергия в виде молнии, чтобы вдохнуть жизнь в структурно вполне готового монстра. И такая энергетическая (и не только) помощь жизни, считают некоторые, могла прийти со стороны. Со стороны чего-то, что существовало на Земле еще раньше — а именно географической оболочки нашей планеты.

Действительно, довольно странно представлять себе первую жизнь, такую хрупкую и сложную, возникающей сферически-идеализированной в «вакууме» (под которым будем иносказательно понимать однородный и разбавленный раствор, как сейчас принято считать, пресноводного водоема). Жизнь зародилась на Земле примерно 4 млрд лет назад, когда планета являла собой хаотическую кипящую массу вулканов, мест падений метеоритов и активно изменяющихся и вступающих в химические реакции минералов. Отчего бы не воспользоваться всей этой «хорошей энергетикой» [3]?

Одним из первых гипотезу о возникновении «очага прежде горшка над ним» (исходного метаболизма, которым могла пользоваться первая жизнь) высказал Гюнтер Вэхтерсхойзер. Этот импозантный немецкий химик по роду деятельности был патентным юристом, но след в науке оставил немалый. Неудивительна в этой связи его дружба с Карлом Поппером, специалистом по критериям научного и ненаучного. Вэхтерсхойзер признается, что ему не было дела до того, как возникла жизнь. Его больше интересовало, почему жизнь сделана из того, из чего сделана — из тех самых молекул, которым посвящен учебник биохимии. Вэхтерсхойзер обратил внимание на другие химические соединения и реакции — и остановился на пирите и его образовании [3].

Пирит — это минерал, в котором на Земле недостатка нет и, видимо, никогда не было. Пирит образован дисульфидом железа и также известен как серный колчедан или «золото дураков» (золото он действительно несколько напоминает), с легкостью образуется в результате различных химических реакций. И не просто с легкостью, а с высвобождением энергии. Что называется, «используй — не хочу». Этим объясняется его обилие на современной и, по-видимому, древней Земле [3], [6]. В итоге Вэхтерсхойзер пришел к мысли, что первые живые (или почти живые) существа представляли собой двумерные кристаллы пирита, которые использовали эту дармовую энергию для того, чтобы расти, «размножаться» (при распаде на части) и мало-помалу меняться в лучшую сторону. То есть в сторону большего КПД выполнения своей жизненной цели — см. выше. А уже этот богатый энергией и каталитическими свойствами диковинный «плацдарм» могли использовать привычные нам биомолекулы [3].

Пористый сульфид железа

Рисунок 2. Пористый сульфид железа с примесями никеля мог быть благодатной средой для образования первых органических молекул и мембран из них.

Идею Вэхтерсхойзера несколько напоминает гипотеза Майкла Рассела. Рассел по профессии геолог и суровый человек моря. Изначально он исследовал гидротермальные источники на дне океана, напоминающие знаменитых черных курильщиков, в свое время здорово потрясших биологию. Не каждый день зоологи описывают оазисы жизни в кипящей темноте на дне океана, полные существ вроде червеобразных, крупных (более метра), лишенных кишечника и рта погонофор. Эти огромные черви, да и вся их экосистема в целом живут за счет хемосинтезирующих бактерий. Получилось своего рода открытие «инопланетной жизни» на той же старой доброй Земле. Во всяком случае, уровень изоляции сравнимый: экосистема горячих источников живет сама по себе и совершенно не зависит от солнечных лучей и фотосинтеза. Однако идея Рассела — именно о зарождении в подобных источниках первой жизни. Скорее всего, не в тех самых черных курильщиках, совсем уж горячих и прорывающихся во тьму океанских глубин в рифтовой зоне посреди океана (как раз там, где находится зазор между расходящимися тектоническими плитами). Рассел считает, что колыбелью жизни стали источники «похолоднее» (всего-то 150 градусов Цельсия) и с щелочной водой, возникающие вследствие особых химических реакций, в том числе — образования серпентинита (рис. 2). Это так называемые «белые курильщики» — исходно их существование считали гипотетическим, однако недавно они все же были обнаружены [3].

Каким образом эти, скажем прямо, диковинные подводные конструкции могли помочь возникнуть первым клеткам? Дело в том, что контакт океанической воды и насыщенного щелочного раствора гидротерм может служить опять-таки дармовым подспорьем для метаболизма. А именно, предоставить клетке тот самый протонный градиент, без которого немыслим всякий метаболизм. К тому же это богатые энергией (горячие!) и химическими веществами из двух разных смешивающихся растворов и стабильные местообитания Они даже имеют небольшие изолированные камеры из минералов, напоминающие клетки [3].

Впрочем, концепциия Рассела в последнее время получила очень серьезные пробоины со стороны критиков и уже не выглядят так убедительно. Впечатляющих экспериментальных доказательств для нее добиться так и не удалось.

Еще один «элементный мир» уже в XXI веке предложил российский биофизик из МГУ Армен Мулкиджанян. Ученый использовал очень элегантный и очень биологический подход — своего рода эволюционно-биохимическую память клетки о собственном далеком прошлом. А точнее, былом химическом окружении. Живой организм, образовавшийся в среде с определенным составом, может постепенно приспосабливаться к химизму окружающей среды и его воспроизводить, «помнить». Так, ионный состав плазмы крови (и эквивалентного ей в этом отношении физраствора) соответствует воде, гораздо более соленой, чем современные пресные водоемы, и куда менее насыщенной солями, чем нынешний океан. Видимо, покидая водную среду жизни, наши предки «захватили» с собой комфортный для себя раствор, который теперь буквально «течет в их жилах» [3].

Мулкиджанян же обратил внимание, что работающие внутри современных клеток белки подозрительно сильно нуждаются в цинке — очень важном микроэлементе, который, к тому же, оказался необходим для работы самых общих и древних из ныне живущих белков — как их ферментативной активности, так и просто поддержания правильной структуры. В этом отношении цинк оказался даже важнее железа [3], [5]. Но цинк как элемент — на Земле порядочная редкость, это не железо с его почетным пятым местом по содержанию в земной коре [7]. Значит, что-то должно было поставлять этот важный элемент в колыбель первой жизни. Или служить обильным запасом этого элемента — а заодно необходимого многим ферментам магния, калия, которого так много внутри клеток и только там, а также фосфора, без которого не обойтись «молекулярным батарейкам» вроде АТФ, а также нуклеиновым кислотам [3], [5].

Однако помимо этих элементных миров, есть и другая закрученная сюжетная линия, связанная с «минеральными помощниками». В ней фигурируют совершенно другие действующие лица. Речь о чем-то, чего вокруг буквально как грязи, что наверняка было на Земле всегда и что при этом обладает некоторыми по-настоящему удивительными свойствами. В том числе свойствами, сближающими его с самой жизнью.

Непростые минералы и «глиняная» гипотеза

Глина — это целое множество минералов, основой которых являются неорганические соединения, которые при этом никак нельзя назвать простыми. Глина, а лучше сказать, глинистые минералы — это слоистые алюмосиликаты. Они представляют собой своего рода конструктор, который собран из слоев, каждый из которых образован 2 или 3 плоскими строительными блоками двух типов — из листов октаэдров (оксида алюминия) и листов тетраэдров (оксида кремния). Именно поэтому они и называются в «алюмосиликаты». Внутри отдельных листов возможны так называемые изоморфные замещения, при которых стандартные для такого минерала кремний или алюминий заменяют друг друга, либо на их месте оказывается магний, железо и так далее. Все это создает дополнительное разнообразие и без того хитроумной и все же фиксированной кристаллической структуре [8].

Заглянув в этот момент со стороны наук о жизни в область наук о Земле, отметим заодно, что земная кора образована как раз преимущественно кислородом, кремнием и алюминием — последние имеют, разумеется, форму оксидов и им подобных. Так что представляющие собой оксиды, алюмосиликаты на ней не редкость [7], [8].

Анатомия глинистых минералов

Рисунок 3. Анатомия глинистых минералов. Сверху: «строительные блоки» глины — тетраэдрические слои из оксида кремния (Т) и октаэдрические из оксида алюминия (О). Посередине: сочетание слоев О и Т в двухслойных и трехслойных минералах. Внизу: примеры минералов из трех разных групп (каолинита, монтмориллонита и иллита). Показано также воздействие с водой (голубые шарики обозначают связанные с ней катионы).

[9]

В зависимости от соотношения слоев разных типов, глинистые минералы разделили на несколько групп (рис. 3). Здесь важно то, насколько эти слои умеют расходиться и впускать внутрь воду и ионы — это так называемые абсорбционные свойства. Итак, выделяют, прежде всего, группу образованного чередующимися парами слоев каолинита. Такие глинистые минералы не умеют толком набухать и впускать что-то между слоев. Далее следует группа трехслойных слюд и иллитов, которые могут вбирать в себя (причем довольно селективно) отдельные ионы по краям, что определяет их поглощающие свойства и химическую активность. Сюда относится, например, биотит. Но самый большой интерес вызывают минералы группы монтмориллонита — также называемые смектиты (от греческого слова «мыло»). Название этого любопытного минерала происходит от французского города Монморийон. Смектиты, включая монтмориллонит, особенно хорошо набухают и могут содержать внутри себя ионы — скажем, горячо любимого многими ферментами магния. Поэтому говорят, что у него высокая ионообменная емкость. Набухание, то есть значительное увеличение объема, происходит как раз за счет проникновения воды между слоями минерала. Но самое удивительное, что в этом зазоре могут образоваться новые слои, сохраняющие свойства данного минерала [3], [8], [9].

Все эти необычные свойства глинистых минералов вдохновили химика из Шотландии Грэма Кернса-Смита на создание одной очень экзотической гипотезы. Согласно ней, глинистые минералы сами и стали первой формой жизни [10].

По мысли Кернса-Смита, некоторый очень древний глинистый минерал обладал определенными ценными и индивидуальными свойствами. Скажем, сильное набухание, определенный запас полезных ионов или выгодные особенности микроскопической структуры. В зазоре между его слоями, располагая этой благоприятной средой, возникает новых слой, который в каком-то смысле использует имеющиеся «родительские» в качестве матрицы. При это происходит копирование чего-то вроде минерального фенотипа — ионов, трещинок и т.д. Кернс-Смит считал это подобием наследственности и изменчивости, а стало быть, и эволюции путем естественного отбора. Более удачные «изваяния», способные лучше поддерживать свое постоянство, воспроизводить себя и катализировать нужные реакции, становятся все более многочисленными. И все более удачными. Далее в этой безопасной и каталитической «глиняной колыбели» возникли и развивались первые из знакомых нам биомолекул, которые позднее совершили «генетический переворот» и научились жить отдельно [3], [11].

Эта идея возникла у Кернса-Смита еще в 1960-х годах, и в последующие полвека он ее развивал и описывал, в частности, в своих научно-популярных трудах. Нетрудно догадаться, что глиняная гипотеза вызвала много критики и мало интереса. Разве что знаменитый Ричард Докинз не раз упоминал ее своих книгах [3]. Слишком много смелых предположений, почти нет доказательств. Вообще говоря, проверить эту гипотезу в эксперименте чрезвычайно сложно. А те опыты, что все же были проведены, показали: копии глинистых минералов приобретают куда больше новых свойств, чем наследуют. «Глиняная изменчивость» пересилила «глиняную наследственность» [3].

И все же упорный Кернс-Смит сделал нечто очень важное. Уходя в сторону от скрупулезных деталей, которые маленькими логичными шажками могут увести куда попало — и даже в пропасть — он поднял вопрос по существу. Кернс-Смит мыслил в отрыве от знакомой нам биохимической реализации жизни. В его теории жизнь — это нечто, что копирует себя само, допуская при этом ошибки, и потому эволюционирует. Отметим в скобках, что ошибки и неточности — это то, что природа охотно использует себе на пользу.

А еще он задумался, чем располагала возникающая жизнь вокруг себя на юной Земле — и это здоровая альтернатива представлениям о первом живом, дисциплинированно собирающем себя в толще однородного раствора. Мысль эта покажется особенно резонной, если вспомнить, что возникающим в свободном растворе биомолекулам пришлось бы делать это в потоке жесткого ультрафиолета (озонового слоя тогда не было и в помине), при нестабильности условий и в отсутствие готовых катализаторов. А к тому же биомолекулы вроде белков подозрительно «плохо держатся» в растворе сами по себе, без молекул-помощников, и без обслуживающего их метаболизма быстро разрушаются. Выходит, что вода им необходима, но не в виде разбавленного и обильного раствора. В современной клетке этой проблемы нет благодаря краудингу — молекулы очень «плотно толпятся» и значительных объемов воды между ними почти нет.

В силу всего этого со стороны возникающей жизни было бы довольно странно не воспользоваться доступными, стабильными и разнообразными на микроскопическом уровне минералами вроде глинистых [3], [5].

Лучший друг РНК

Кернса-Смита не то не заметили, не то забыли, но о глине вспомнили. Вспомнили начиная с 1980-х гг., когда «однобокие» гипотезы постепенно сталкивались со все бóльшими трудностями. Даже у прославленного Мира РНК их было немало: ученые никак не могли получить нуклеотиды из неорганики с помощью методологии «нагреть и посмотреть». Но самое главное — РНК никак не хотела копировать себя без участия ферментов. И вот в 1986 году американский биохимик Джеймс Феррис смог-таки «убедить» нуклеотиды самопроизвольно собираться из раствора в молекулу РНК длиной до 55 оснований. Для этого потребовалось перенести место действия на поверхность монтмориллонита, который выполнял работу катализатора отличным от ферментов образом: просто за счет того, что нуклеотиды охотно адсорбируются на его поверхности и потому чаще сближаются и быстрее реагируют между собой [3], [5].

На этом удивительные взаимодействия РНК и глины не кончаются. РНК-молекулы охотно адсорбируются на глине, но длинные молекулы РНК очень редко отделяются от нее полностью, зато могут медленно перемещаться по ее поверхности, «шагая» по ней то одним, то другим концом. В какой-то степени глина может обеспечить разделение молекул РНК на связанные взаимопомощью группы безо всяких мембран: она достаточно ограничивает подвижность РНК и нуклеотидов, чтобы могли появиться тесные группы взаимопомощи [5]. Может РНК и абсорбироваться между слоями того же монтмориллонита — предполагают, что для этого необходима кислая реакция среды (рис. 4.) [12].

Однако РНК дело не ограничилось. Оказалось, что липидные везикулы тоже гораздо быстрее формируются на поверхности того же монтмориллонита. А еще поверхность глины ускоряет полимеризацию аминокислот и образование пептидов [5], [12], [13].

Абсорбция РНК

Рисунок 4. Предполагают, что абсорбция (внедрение) одноцепочечной РНК между слоями монтмориллонита происходит при низких значениях pH. При нейтральных эта молекула на монтмориллоните только адсорбируется — оседает на внешней поверхности минерала.

Однако не монтмориллонитом единым. Есть и другие любопытные глинистые минералы, которые выглядят как неплохой «лягушатник» для первой хрупкой жизни. Некоторые исследователи обращают внимание на биотит и подобные не слишком набухающие минералы. Это уже другая группа глинистых минералов, группа слюд и иллитов. Мы уже говорили, что их активность сосредоточена на краях и стыках между стопками слоев. В то же время, ближе к середине такие минералы могут иметь сухие и, скажем так, «полусухие» области. А по краям та же слюда умеет вбирать в себя определенные ионы, к примеру, цезий. Это полезно учитывать в случае выбросов его радиоактивного изотопа [8].

Биотит, или «черная слюда», наряду с монтмориллонитом кажется хорошей колыбелью жизни, хотя и в несколько ином качестве. «Биологическое» название этого минерала на самом деле обманчиво: оно происходит от имени физика Био, фамилия которого, по обыкновению французов, оканчивается на беззвучное t — Biot. Итак, сближенные края длинных стопок этого минерала образуют множество наноразмерных «местообитаний» с разными условиями, где могли развиваться, в том числе сперва по отдельности, компоненты живого (рис. 5). Это напоминает крошечный глиняный замок, где у нуклеиновых кислот, белков и липидных агрегатов могли быть свои покои с их любимыми специфическими условиями. И какая-то глиняная «зала», где они могли сходится вместе, чтобы взаимодействовать и, может, в итоге благодаря этому образовать первые протоклетки. Условия в таком минерале действительно довольно специфичные — особый ионный состав, в том числе обилие калия (которого почему-то очень много внутри клетки и мало, в общем, почти везде), магния (в нем нуждаются многие ферменты), железа, стабильная по целому ряду параметров среда, которая при этом разнообразна в отдельных глиняных закоулках. Способен биотит, подобно монтмориллониту, катализировать полимеризацию биомолекул и сборку биомембран. Но, пожалуй, самая остроумная идея в том, что биотит представляет собой нескончаемой запас энергии для первого метаболизма и вообще всяческих химических процессов. И энергия эта имеет механическую природу — она связана с движением биотитовых стопок внутри минерала В результате этих перемещений слоев отдельные молекулы могут быть растянуты или раздавлены, липидные оболочки измельчены и перемешаны с чем попало, а химические реакции — ускорены [14].

Итак, в лице биотита и других слюд (обильных на современной Земле и наверняка имевшихся на ней в древности) мы видим еще один гипотетический источник энергии, альтернативный железо-серной химии, электричеству или ультрафиолету. Энергии, которую первая жизнь еще не умела производить, но в которой нуждалась с самого начала.

Гипотетическое возникновение первой жизни

Рисунок 5. Гипотетическое возникновение первой жизни на стыке «стопок» из отдельных слоев глинистого минерала биотита. Некоторые частицы оказываются захвачены, расплющены или сжаты под механическим воздействием движущихся слоев.

Глина и жизнь

Подводя итог этой очень любопытной и очень умозрительной истории о связи первой хрупкой жизни и уже существовавшей тогда глины хочется сказать, что в ней есть рациональное зерно. Согласно современным представлениям, живая клетка возникла, исходно имея все основные компоненты: нуклеиновые кислоты, белки и мембраны, а местом ее рождения стал небольшой водоем на суше, имевший высокую температуру [3]. Однако едва ли молекулы нескольких сортов, следуя какой-то хореографии, собрались в однородном и наверняка очень разбавленном растворе. Второй закон термодинамики, провозгласивший неуклонное нарастание хаоса, работал и 4 миллиарда лет назад. В этом свете жизни совсем не помешала бы помощь в лице доступного, устойчивого (все же неорганическое вещество!), динамичного на уровне микроскопической структуры минерала с обилием определенных ионов, разнообразием условий в разных своих частях, а также каталитической функцией. Может, заодно и хорошим запасом энергии. Можно предположить, что именно глина стала миром, где взаимодействующие — и при этом находящиеся в «личных» крошечных местообитаниях с разными условиями — биомолекулы смогли окрепнуть и воссоединиться.

В современном живом не уцелело никаких прямых свидетельств былой связи с глинистыми минералами, так что нам остается о ней только гадать. Но все же эти двое — жизнь и глина — имеют целый ряд особых общих свойств и подозрительно затейливо взаимодействую между собой. Словно старые знакомые.

Литература

  1. Stanley L. Miller. (1953). A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 117, 528-529;
  2. Sidney W. Fox, Kaoru Harada. (1958). Thermal Copolymerization of Amino Acids to a Product Resembling Protein. Science. 128, 1214-1214;
  3. Marshall M. The Genesis Quest: The Geniuses and Eccentrics on a Journey to Uncover the Origin of Life on Earth. Weidenfeld & Nicolson, 2020. — 278 p.;
  4. Walter Gilbert. (1986). Origin of life: The RNA world. Nature. 319, 618-618;
  5. Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. М.: «Альпина нон-фикшн», 2021. — 542 с.;
  6. Joana Thiel, James M. Byrne, Andreas Kappler, Bernhard Schink, Michael Pester. (2019). Pyrite formation from FeS and H2S is mediated through microbial redox activity. Proc Natl Acad Sci USA. 116, 6897-6902;
  7. Abdel Razek M.H. (2020). Composition of the earth crust. Ain Shams University. 5, 1–14;
  8. Дронова Т.Я., Соколова Т.А., Толпешта И.И. Глинистые минералы в почвах. Тула: «Гриф и К», 2005. — 336 с.;
  9. Christophe Tournassat, Ian C. Bourg, Carl I. Steefel, Faïza Bergaya. (2015). Surface Properties of Clay Minerals. Natural and Engineered Clay Barriers. 5-31;
  10. A.G. Cairns-Smith. (1966). The origin of life and the nature of the primitive gene. Journal of Theoretical Biology. 10, 53-88;
  11. Cairns-Smith A.G. Seven Clues to the Origin of Life: A Scientific Detective Story. Cambridge University Press, 1990. — 144 p.;
  12. Luís H. de Oliveira, Pollyana Trigueiro, Baptiste Rigaud, Edson C. da Silva-Filho, Josy A. Osajima, et. al.. (2021). When RNA meets montmorillonite: Influence of the pH and divalent cations. Applied Clay Science. 214, 106234;
  13. Anand Bala Subramaniam, Jiandi Wan, Arvind Gopinath, Howard A. Stone. (2011). Semi-permeable vesicles composed of natural clay. Soft Matter. 7, 2600;
  14. H. Greenwood Hansma Did Biology Emerge from Biotite in Micaceous Clay? — MDPI AG.

Комментарии