14.06.2009

Жизнь зародилась в слюдяном окошке

Жизнь на Земле могла зародиться между слоями слюды у побережья древних океанов. По крайней мере, те биомолекулы, что составляют основу жизни, выглядят так, будто их синтезировали именно на cлюдяной «матрице». Энергию реакциям дали Солнце, ветер и вода.

Жизнь на Земле могла возникнуть в межслоевом пространстве широко распространенных слюдяных минералов, омываемых водами древних океанов. Такую гипотезу предложила Хелен Хансма, исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Она выступила с докладом на 47-ом ежегодном совещании Американского общества клеточной биологии во вторник, 4-го декабря.

Гипотеза Хансмы гласит, что относительно узкие и ограниченные объемы между слоями атомов, образующих слюдяные алюмосиликаты, могли создать условия, необходимые для появления первых биологических молекул. Кроме того, слоистая структура минералов могла на заре формирования жизни функционировать в качестве клеточной мембраны, охраняющей неустойчивые органические конструкции от безжалостных воздействий окружающей среды.

Хансма отмечает, что в межслоевом пространстве слюд могли образоваться даже такие крупные молекулы, как РНК или белки. Именно они, по представлениям многих учёных, были первыми молекулярными структурами, ознаменовавшими начало развития живых систем.

Свою теорию Хансма подкрепляет рядом любопытных фактов. Например, известно, что РНК – одна из переносчиц наследственной информации – построена из азотистых оснований, молекул углевода рибозы и фосфатных мостиков, их соединяющих. Фосфатные мостики, иначе анионы ортофосфорной кислоты [НРО₄]^2-, несут на себе отрицательный заряд. Молекулы белков также представляют собой цепочки чередующихся положительных и отрицательных зарядов.

Интересным является тот факт, что расстояние между зарядами в рибонуклеиновой кислоте – половина нанометра – идентично расстоянию между отрицательно заряженными группами [AlSi₃O₁₀], составляющими слои в структуре слюд.

По всей видимости, фосфатные группы подвергались определенному пространственному упорядочению в промежутках между заряженными кластерами [AlSi₃O₁₀].

Кроме того, Хансма обратила внимание на то, что слои в слюдяных минералах соединяются между собой положительно заряженными катионами калия, и калий же в виде анионов содержится в больших количествах в составе биологических объектов, причем в концентрации, близкой к концентрации калия в слюдах. Еще одно совпадение – океанические воды, омывавшие слюдяные минералы миллионы лет назад, и по сей день богаты натрием так же, как и кровь животных и человека.

Энергию для образования и разрушения связей в новых биологических молекулах поставляли Солнце и океанские волны. Солнце грело алюмосиликаты, которые передавали тепловую энергию фрагментам биологических молекул. Кроме того, периодическое нагревание и остывание слюдяных пород приводило к такому же периодическому изменению межслоевого расстояния, определявшему протекание тех или иных химических механизмов. Расстояние между заряженными кластерами, составляющими структуру слюд, могло оказывать сильное влияние на геометрическую конформацию биологических молекул.

Поэтому изменение расстояния между слоями неизбежно приводило к изменению геометрии молекул, а следственно, и определяло круг химических превращений, в которые могла вступать биологическая макромолекула. Кроме того, волнение океанических вод также, несомненно, приводило к колебаниям в расстоянии между слоями атомов структуры слюд.

Таким образом, слюды создали среду, благоприятную для существования биологических макро молекул, осуществили их защиту от внешних воздействий в доклеточную эпоху, а также обеспечили энергией, необходимой для образования и разрушения химических связей.

Характерные особенности слюд, такие как высокие концентрации ионов калия в биологических системах или расстояния между заряженными атомами, возможно, и не играли критической роли для появления жизни на Земле.

Вполне вероятно, что, появившись в других условиях, современные биологические молекулы и комплексные биологические системы выглядели бы иначе.

Например, если бы расстояние между отрицательно заряженными кластерами в слюдяных минералах было меньше, то на месте фосфатных групп в молекуле РНК и ДНК в наши дни могла вполне оказаться серная кислота.

И, например, кока-колу разбавляли бы не фосфатным буферным раствором на основе ортофосфорной кислоты и её солей, а серным – на основе серной кислоты. Однако именно ортофосфорная кислота не токсична для человеческого организма и в наши дни входит в состав большого количества пищевых продуктов. Развивалась бы жизнь иначе в ходе эволюции в случае замены фосфорной кислоты на серную, или все равно пришла бы к Homo Sapiens и кока-коле – вряд ли когда-либо удастся узнать.

По мнению Хансмы, её теория более чётко описывает процесс появления жизни на Земле, чем кочующая из одного учебника в другой теория доисторического «пребиотического супа». Напомним, что согласно представлениям этой модели, биологические молекулы образовались в виде сгустков и агломераций в свободных жидких фазах. Эта теория не в состоянии описать, каким образом вновь образованным молекулам удалось устоять под действием жесткой солнечной радиации, выдержать сильные перепады температур, образовать клеточные структуры в среде, совершенно для этого не пригодной, и так далее.

Оказалась поверженной и другая теория, также носящая пищевое название – «доисторической пиццы».

Согласно ей, первые биологические молекулы были образованы на поверхности природных калий – содержащих минералов каолинов, связанных с глинами. Однако эта теория до сих пор не может объяснить, как и откуда доисторические биомолекулы брали воду для образования длинных полимерных цепочек.

Опыт научной работы Хелен Хансмы составляет около тридцати лет, однако к своей теории происхождения жизни она пришла в большой степени случайно. Как биофизик она начинала в конце 80-х, изучая макромолекулы биополимеров с помощью метода атомно-силовой микроскопии. В качестве подложки для молекул её научная группа всегда использовала природную слюду. Поверхность этого материала может быть практически лишена дефектов и неровностей, благодаря слоистой структуре. Объемный слюдяной материал можно расщепить на сверх-гладкие слои даже без помощи специальных методик.

Биополимеры на поверхности такого материала очень хорошо видны в АСМ. Биофизики все же предпочитают разделять слюду на пластины с помощью специального микроскопа, показывающего положение отдельных слоев. Однажды при разделении слюды на пластинки Ханма обнаружила, что они покрыты органическими молекулами. В процессе изучения этих органических сгустков Хансму и посетила мысль о формировании первых органических биомолекул.

Хансма считает, что между появлением первых белковых молекул и РНК и формированием цитоплазматической мембраны и клеточной оболочки должно было пройти не менее миллиарда лет. Только после этого жизнь смогла вылезти из своего каменного убежища и отправиться колонизировать безжизненную планету.

Алексей Петров

Источники:

1. Газета.Ru