Происхождение жизни снова уперлось не только в органику, но и в железо, никель, кобальт и даже палладий. Группа исследователей в августовском выпуске Science Advances предложила сценарий, в котором ранние метаболические реакции запускались не ферментами, а восстановленными металлами рядом с геотермальными источниками. Для IT-аудитории это хорошее напоминание: даже самая сложная система часто начинается не с идеальной архитектуры, а с внешней инфраструктуры, без которой первый запуск невозможен.
Об исследовании сообщает Habr / Новости. Авторы статьи предлагают пересмотреть образ LUCA — последнего универсального общего предка всех современных организмов. В одной версии LUCA уже был чем-то близким к простой бактериальной клетке: с собственным обменом веществ, мембранами, ферментами и достаточной автономностью. В другой версии, которую поддерживают авторы новой работы, он был гораздо примитивнее и буквально зависел от химии среды: жил в геотермальном источнике или рядом с ним и не мог воспроизводить ключевые реакции без помощи внешних небиологических катализаторов.
Главная ставка сделана на геотермальные источники — подводные черные и белые курильщики, гейзеры, грязевые вулканы. В последние 10-15 лет именно такие среды часто рассматривают как наиболее правдоподобную площадку для ранней химической самоорганизации. Вода, выходящая из глубины, могла приносить водород, метан, соединения серы, азота и фосфора. На ранней Земле условия были более восстановительными, чем сейчас, а магма находилась ближе к поверхности. По расчетам, металлы в таких потоках могли встречаться в сильно восстановленном состоянии, вплоть до нулевой валентности. Это важно: такие металлы способны отдавать и принимать электроны, то есть работать как катализаторы.
Проблема в масштабе. По современным оценкам, для автономного существования LUCA требовалась метаболическая сеть минимум примерно из 400 взаимозависимых реакций. Версия, что все они одновременно появились на биологической основе, выглядит слишком удобной. Авторы предлагают более приземленный сценарий: часть реакций сначала шла на металлических поверхностях или с участием ионов металлов, а уже позже живые системы постепенно заменяли эту внешнюю химию собственными ферментами. В таком варианте ранняя жизнь не столько изобрела метаболизм с нуля, сколько научилась приватизировать уже работающие химические маршруты.
Отдельный узел гипотезы — энергия. Современные клетки активно используют фосфоангидридные связи, знакомые всем по ATP: они хранят запас свободной энергии и помогают проталкивать реакции в нужную сторону. Исследователи показали, что при умеренной температуре около 50 °C фосфит в присутствии полностью восстановленного палладия Pd0 может фосфорилировать серин и аденозинмонофосфат, AMP. AMP — близкий родственник ATP, поэтому этот результат дает возможный мостик между геохимией и первыми энергетическими циклами. Правда, мостик пока экспериментальный и с не самой дешевой опорой: палладий редок, и вопрос, хватало ли его в нужных концентрациях на ранней Земле, остается открытым.
Авторы также попытались восстановить вероятный порядок появления ключевых классов молекул. Они исходили из жесткого ограничения: продукт реакции не должен требоваться для собственного же появления. В стартовый набор попали простые вещества, которые могли присутствовать в геотермальной среде: водород, углекислый газ, аммиак, сероводород и восстановленные соединения фосфора. Модель показала такую последовательность: сначала возникают первые аминокислоты, затем простейшие органические кофакторы вроде PLP, известного как витамин B6, и только потом нуклеотиды. Для биологии это спор о начале жизни; для инженера — знакомая история про bootstrap, когда система собирает собственные инструменты по мере роста сложности.
Самый спорный вывод касается самого LUCA. Исследователи допускают, что свободноживущего предка, похожего на автономную бактериальную клетку, вообще не было. Вместо этого могла существовать связанная с геотермальной средой протожизнь, из которой затем независимо вышли две линии прокариот — бактерии и археи. Один из аргументов: как минимум пять фундаментальных реакций у бактерий и архей выполняются разными белковыми комплексами, не имеющими общего происхождения. Это может означать, что полноценная клеточная автономность возникала уже после расхождения линий. Но здесь есть и контраргументы: у бактерий и архей есть явно родственные сложные системы, включая рибосомы, ферредоксины и мембранные ATP-синтазы.
Для отрасли прямого прикладного вывода вроде нового препарата или готового биореактора тут нет, и это нормально. Ценность работы в другом: она уточняет, как могла появиться химическая инфраструктура жизни до ферментов, генов и клеточной автономии. Если гипотеза выдержит дальнейшие эксперименты, происхождение жизни придется описывать не как один момент включения биологии, а как долгую миграцию от геохимического катализа к наследуемым молекулярным машинам. Самый интересный вопрос теперь не в том, могли ли металлы помочь первым реакциям, а в том, как именно жизнь перестала от них зависеть.