0Все без исключения живые клетки нуждаются в аденозинтрифосфате (АТФ) — веществе, молекулы которого служат главной «энергетической валютой» современной жизни. Однако АТФ — молекула довольно сложная, и маловероятно, что эволюция энергетических механизмов древнейшей жизни началась прямо с нее. Группа биохимиков во главе с известным английским ученым Ником Лейном считает, что на заре жизни главной «энергетической валютой» мог служить ацетилфосфат, молекула которого, устроенная гораздо проще, подходит на эту роль по ряду свойств.
В XX веке дискуссии о происхождении жизни были в основном чисто теоретическими. Знаменитый эксперимент Миллера — Юри, доказавший возможность самопроизвольного синтеза компонентов белков из простых молекул, так и остался блестящим, но по большому счету единичным достижением; других же источников новых данных на протяжении многих десятилетий просто не было (разве что исследования химического состава углистых метеоритов, но они тогда по разным причинам «не делали погоды» в науке). Оставалось только рассуждать. И одним из любимых предметов рассуждений в ту пору стал вопрос: были ли самые первые живые существа автотрофными или гетеротрофными?
Как известно, гетеротрофными называются организмы, которым для выживания необходимы готовые органические вещества (например, сахара, аминокислоты или спирты). Автотрофныe же организмы могут совершенно самостоятельно синтезировать органические вещества из очень простых молекул — как правило, из углекислого газа. Вопрос в том, какой из этих двух типов обмена веществ появился первым.
В XX веке преобладало мнение, что первые живые существа были гетеротрофами. Предполагалось, что они питались так называемым «первичным бульоном» — растворенной в воде органикой, которая в избытке образовалась на древней Земле в результате процессов, частично смоделированных в том самом знаменитом эксперименте Миллера. И только потом появились автотрофы, освоившие достаточно сложную «технологию» самостоятельного синтеза органики из углекислоты. Правда, в противовес этому иногда рассматривалась идея, что автотрофный и гетеротрофный способы жизни должны были возникнуть строго одновременно, потому что иначе не удалось бы замкнуть глобальный круговорот углерода (см. К. Ю. Еськов, 2000. «История Земли и жизни на ней»). Ведь на современной Земле концентрация углекислоты остается относительно постоянной именно благодаря одновременному существованию автотрофов и гетеротрофов: первые расходуют углекислый газ на строительство сложных молекул, зато вторые — выдыхают его, возвращая в атмосферу.
В XXI веке все эти общие рассуждения отошли на второй план. И неудивительно: ведь в начале нашего века наука о происхождении жизни буквально пережила второе рождение. На страницы научных журналов — так и хочется добавить: «на глазах у изумленной публики» — хлынул поток совершенно новых фактов, открытых частью в ходе химических экспериментов (см., например: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009), а частью в результате чтения геномов разных современных живых существ (см., например: Расширение белковой вселенной продолжается, «Элементы», 24.05.2010). Тем самым на многие (хотя, конечно, и не на все) важные вопросы стало возможно получать чисто документальные ответы. Уже отмечалось, что совокупность геномов ныне живущих организмов обладает свойствами самой настоящей летописи, хранящей множество следов исторических событий внутри некой упорядоченной многослойной структуры (см. Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных, «Элементы», 11.07.2016). Причем глубина этой «летописи» измеряется миллиардами лет — а значит, в ней в принципе можно найти ответы и на вопросы, касающиеся происхождения жизни. Надо только, чтобы эти вопросы задавались грамотно.
Вот пример такого грамотного вопроса: какой тип обмена веществ был у общего предка всех современных живых клеток — у безусловно реально существовавшего организма, который в современной научной литературе обычно называется LUCA? Это сокращение расшифровывают двумя способами: Last universal common ancestor (последний универсальный общий предок) или Last cellular common ancestor (последний клеточный общий предок); второй вариант точнее, но употребляется почему-то реже. Так или иначе, прямо «от Луки» все клеточные организмы разделились на два гигантских эволюционных ствола, которые называются бактериями и археями (рис. 2). В дальнейшем союз между представителями этих стволов породил еще и эукариот, но то было довольно позднее эволюционное событие, уже не имевшее к происхождению жизни прямого отношения.
Рис. 2. Место «Луки» на эволюционном древе. Иллюстрация из статьи: M. Weiss et al., 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor
«Лука» же, напротив, для любой теории происхождения жизни крайне важен. Правда, надо иметь в виду, что появление «Луки» было не началом процесса возникновения жизни, а скорее уж наоборот — его концом. Но предыдущие этапы биогенеза не оставили четких генетических следов, поэтому разобраться в них намного сложнее (о том, что на эту тему все-таки известно, подробно рассказывается в книге Михаила Никитина «Происхождение жизни»). А вот от генома «Луки» осталось достаточно много, и у нас есть возможность получить о нем кое-какие точные данные.
Итак, что мы знаем о «Луке»? Прежде всего, у него совершенно точно был аппарат трансляции, примерно такой же, как и у всех без исключения современных живых клеток. Трансляция — это процесс синтеза белка по заданной нуклеотидной последовательности, для которого нужны рибосомы, транспортные РНК и несколько десятков специальных белков. Уже довольно давно известно, что у «Луки» всё это было. Именно поэтому у всех современных живых организмов аппарат трансляции однотипен: он унаследован от общего предка.
А вот какой у «Луки» был обмен веществ? Был он гетеротрофом или автотрофом? Иными словами, питался ли он готовой органикой, или в качестве источника углерода ему хватало простой углекислоты?
В 2016 году вышла весьма интересная статья, авторы которой попытались ответить на этот вопрос, основываясь на «генетической летописи» (M. Weiss et al., 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor). В списке авторов этой статьи на последнем месте, которое в современных публикациях традиционно отводится главному теоретику и вдохновителю всего исследования, стоит имя Уильяма Мартина (William Martin), биолога, известного своими смелыми, но серьезно обоснованными идеями о ранней эволюции жизни.
Работа Мартина и его сотрудников была довольно сложной. Казалось бы, в наше время задача реконструкции общего предка свелась к чистой технике: количество полностью прочитанных геномов разных организмов сейчас измеряется уже тысячами (см., например: Полностью прочитанных геномов животных уже больше двухсот, «Элементы», 30.12.2015), всего-то и остается взять как можно больше геномов как архей, так и бактерий и сравнить их, воспользовавшись давно разработанными алгоритмами выравнивания. Гены, которые окажутся у архей и бактерий общими, должны быть унаследованы от их общего предка, то есть от того самого «Луки».
К сожалению, на самом деле всё далеко не так просто. Фундаментальная проблема, крайне усложняющая подобные исследования, связана с процессом, который называется горизонтальным переносом генов (ГПГ). И бактерии, и археи вполне могут передавать друг другу отдельные гены не «по вертикали», то есть от родителей к детям, а «вбок» — просто от соседа к соседу. Есть несколько механизмов такого переноса, и хорошо известно, что он возможен даже между самыми далекими родственниками. Поэтому даже если некий ген найден одновременно у бактерий и у архей — вполне возможно, что на самом-то деле он возник только в одной из этих групп, а вторая получила его путем ГПГ. И тогда «Лука» вообще ни при чем: у него этого гена не было.
Чтобы минимизировать эту вероятность, группа Мартина приняла решение учитывать только те гены, которые есть одновременно не менее чем в двух разных группах бактерий и не менее чем в двух разных группах архей. Стопроцентной гарантии, что горизонтальный перенос не внес помех, это не дает, но надежность результатов все-таки повышает. Применив этот подход, исследователям удалось выделить 355 белков (и соответствующих им генов), которые, вероятно, были у «Луки». О чем же они свидетельствуют?
Прежде всего, некоторые выявленные гены (около 30 штук) связаны с механизмом трансляции, который был унаследован от «Луки» всеми живыми клетками без принципиальных изменений. Это — вполне ожидаемый результат, который работа группы Мартина только подтвердила. В данном случае ученых больше интересовали другие гены — те, что имеют отношение к обмену веществ, или, говоря одним словом, к метаболизму.
Обзор этих генов позволил сделать несколько важных выводов. Прежде всего, нет никаких свидетельств, что у «Луки» были ферменты, нужные для гетеротрофного питания. Это означает, что — вопреки всем рассуждениям на эту тему — гетеротрофом «Лука» не был.
А вот ферменты для автотрофного питания (точнее, кодирующие их гены) в реконструированном геноме «Луки» есть! Правда, это совсем не та автотрофность, которую мы обычно видим вокруг себя. Главные автотрофы в привычном человеку мире — зеленые растения, которые захватывают из атмосферы углекислый газ и с помощью энергии света синтезируют из него сахар. Такой способ питания называется фотоавтотрофным. «Лука» им не владел. Он был хемоавтотрофом — организмом, способным синтезировать из углекислоты сложные молекулы с помощью энергии неорганических химических реакций (свет тут не нужен). В наше время хемоавтотрофным способом питаются многие бактерии и археи, причем их химические источники энергии довольно разнообразны. Каким же из них пользовался «Лука»?
Уильям Мартин и его коллеги считают вероятным, что «Лука» был или метаногеном, или ацетогеном. Это два близких друг к другу типа метаболизма, которые сохраняются и у некоторых современных микробов (первый — у метаногенных архей, второй — у клостридий). И метаногены, и ацетогены используют в качестве источника питания углекислый газ (CO2), из которого они с помощью водорода (H2) получают или метан (CH4), или уксусную кислоту (CH3COOH). В ходе эволюции один из этих типов обмена веществ мог легко превратиться в другой, потому что ключевые реакции в них общие. Ферменты, обеспечивающие эти ключевые реакции, как раз и были у «Луки».
Захват живыми организмами небольших молекул (в первую очередь многократно упомянутого углекислого газа) с целью включения их в обмен веществ принято называть фиксацией. Например, зеленые растения постоянно фиксируют углекислоту, используя ее для синтеза сахаров и других сложных молекул. На самом деле существует несколько разных биохимических механизмов фиксации углекислоты, самый древний из которых называется путем Вуда — Льюнгдаля. Это единственный способ фиксации углекислоты, который есть и у бактерий, и у архей. Именно на пути Вуда — Льюнгдаля основан метаболизм как метаногенов, так и ацетогенов. Неудивительно, что ферменты, обеспечивающие этот биохимический путь, отлично представлены в реконструированном геноме «Луки». Можно уверенно предположить, что этим механизмом фиксации углекислого газа пользовался общий предок всех современных живых клеток.
Путь Вуда — Льюнгдаля заканчивается образованием химического соединения, которое называется ацетилкофермент А, или просто ацетил-КоА (рис. 1). Эта довольно сложная на первый взгляд молекула, по сути, представляет собой просто-напросто двухуглеродный остаток уксусной кислоты (CH3–CO–), посаженный на органический переносчик. В свою очередь, из ацетил-КоА можно относительно легко получить различные карбоновые кислоты — очень нужные живым организмам вещества (они, в частности, формируют важнейшую цепочку биохимических реакций, которая называется циклом Кребса).
Могла ли подобная система реакций — тогда еще не биохимических, а просто химических, — послужить основой древнейшей преджизни? Это совсем не исключено. Известно, например, что многие белки, задействованные в процессе превращения углекислого газа и водорода в ацетил-КоА, содержат железосерные (или никель-железосерные) кластеры — наночастицы минералов, причем именно тех, которые, по некоторым гипотезам, должны были накапливаться в подходящих для зарождения первой жизни геотермальных источниках. Вряд ли это чисто случайное совпадение.
Тут, однако, сразу намечается ряд проблем. Начнем с «позитивного» вывода: упомянутые выше карбоновые кислоты могут служить исходным материалом для синтеза биологически активных соединений, причем очень разнообразных — аминокислот, нуклеотидов, углеводов, липидов. Ну а из аминокислот и нуклеотидов, в свою очередь, можно «собрать» белки и нуклеиновые кислоты — сложные молекулы, без которых немыслима живая клетка. Получается цепочка: углекислый газ и водород — путь Вуда — Льюнгдаля — ацетил-КоА — цикл Кребса — карбоновые кислоты — нуклеотиды и аминокислоты — нуклеиновые кислоты и белки. Когда развивающаяся преджизнь освоила всю эту последовательность, она превратилась в настоящую жизнь, не так уж и сильно отличающуюся от современной.
Проблема же состоит в том, что эта цепочка — химическая. Все переходы между ее звеньями соответствуют химическим реакциям, которые должны были где-то и как-то запуститься. Надо помнить, что в химии это обставлено строгими условиями. Каждая реакция (а их тут на самом деле гораздо больше, чем можно подумать по нашему краткому перечислению) в некотором смысле подобна мостику, по которому надо перейти, чтобы стало возможным всё дальнейшее.
Этап, где химический «мостик» проваливается, — это переход от конечных продуктов цикла Кребса (карбоновые кислоты) к более сложным биогенным молекулам (нуклеотиды, аминокислоты, углеводы, липиды). Дело в том, что карбоновые кислоты — вещества с биохимической точки зрения относительно пассивные. В те реакции, которые нужны для образования аминокислот и прочего, они вступают неохотно. У живых клеток есть способ решения этой проблемы: они предварительно активируют карбоновую кислоту, превращая ее или в эфир фосфорной кислоты, или в тиоэфир — эти соединения гораздо более реакционноспособны, и из них легче получить «целевой продукт». Но современные клетки осуществляют такие превращения с помощью ферментов — сложных белков, для синтеза которых нужен уже существующий геном и рибосомы. А вот у древней преджизни ничего этого не было.
Есть серьезные основания полагать, что древняя преджизнь вообще синтезировала сложные молекулы (такие, как нуклеотиды) принципиально иными путями, не имевшими с вышеописанной цепочкой ничего общего. В начале XXI века химики-синтетики стали получать по этой теме поразительные данные — причем это отнюдь не «кабинетные спекуляции», а результаты воспроизводимых экспериментов (см., например: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009). Оказалось, что с чисто химической точки зрения синтез нуклеотидов вполне может идти самопроизвольно на основе очень простых молекул — цианида (HC≡N), цианамида (NH2–C≡N), цианоацетилена (HC≡C–C≡N), формамида (HCO–NH2) и некоторых других. Нужно только, чтобы на компоненты реакций действовало ультрафиолетовое излучение, но уж с этим на древней Земле проблем точно не было.
Однако английского биохимика Ника Лейна (Nick Lane) и его коллег не вполне устраивает такое объяснение. Отдавая должное блистательным достижениям химиков-синтетиков, они тем не менее подчеркивают, что современная земная жизнь никогда не использует цианид как источник углерода или азота. Это означает, что предполагаемые древние биохимические пути, основанные на цианиде, и реальные современные биохимические пути, основанные на ацетил-КоА, разделены пропастью, которая пока ничем не перекрыта. И, таким образом, «возникновение биохимии из геохимии остается нерешенной проблемой» (цитата из обсуждаемой статьи Лейна с соавторами).
Лейн и его коллеги считают более вероятным, что древнейшая жизнь с самого начала использовала в качестве источника углерода не цианид, а углекислый газ (которого было предостаточно в атмосфере Земли). Это хорошо согласуется с современными данными о метаболизме «Луки» и о железосерных кластерах в белках. Но, как мы видели, на пути этой версии возникают кое-какие химические препятствия. Чтобы понять, как зарождающаяся жизнь могла бы их обойти, стоит еще раз взглянуть на картину в целом.
Обмен веществ всех без исключения современных живых организмов строится вокруг двух очень важных соединений. Одно из них — это аденозинтрифосфат (АТФ), молекула, служащая универсальным внутриклеточным источником энергии. Второе — уже упоминавшийся ацетил-КоА. Надо сказать, что и АТФ, и ацетил-КоА — это довольно-таки сложные молекулы, для «сборки» которых живым клеткам требуется набор ферментов, то есть белков, кодируемых специальными генами. Молекула АТФ состоит из пяти химических компонентов (аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты), а в молекуле ацетил-КоА компонентов, по такому же счету, целых восемь. В общем, вряд ли именно эти молекулы послужили химической основой древней преджизни.
При этом нет сомнений, что жизненно важные функции как АТФ (перенос энергии), так и ацетил-КоА (перенос остатка уксусной кислоты, в котором всего-то два углеродных атома) вполне могли бы быть выполнены и молекулами, устроенными гораздо проще. И, конечно, возникает огромный соблазн попытаться угадать, что за молекулы могли раньше делать эту работу.
Ник Лейн и его коллеги предлагают присмотреться к ацетилфосфату. Это соединение считается одним из вероятных участников древнейших «протометаболических циклов», которые предшествовали становлению полноценной жизни (см., например: J. E. Goldford et al., 2017. Remnants of an ancient metabolism without phosphate). Молекула ацетилфосфата содержит всего лишь два атома углерода. Состоит она из остатков уксусной и фосфорной кислот, соединенных хорошо знакомой химикам сложноэфирной связью. Ацетилфосфат присутствует в обмене веществ современных организмов (и бактерий, и архей). Расщепляясь до уксусной и фосфорной кислот, его молекула выделяет энергию примерно так же, как молекула АТФ. Отсюда — один шаг до предположения, что когда-то эти молекулы были взаимозаменяемы. Ацетилфосфат достаточно прост (с точки зрения химии) и в то же время достаточно функционален (с точки зрения биологии), чтобы послужить промежуточным звеном между гео- и биохимией.
Против этой гипотезы часто возражают, указывая на то, что молекула ацетилфосфата недостаточно устойчива. На этом возражении интересно остановиться: дело в том, что Ник Лейн считает его неверным чисто методологически. Как уже говорилось, в старину (то есть в XX веке) среди биологов господствовала «гетеротрофная» теория происхождения жизни — предполагалось, что органические молекулы век за веком накапливались в первичном бульоне до тех пор, пока в результате перебора более или менее случайных комбинаций из них не сложилось что-то качественно более сложное. Для такой модели долговременная устойчивость органических молекул действительно важна. Если же принять «автотрофную» теорию, всё начинает выглядеть иначе (см., например: P. Schonheit et al., 2015. On the origin of heterotrophy). «Автотрофная» теория рассматривает среду древней преджизни как своего рода химический вихрь, в котором одни молекулы непрерывно превращаются в другие. Тогда устойчивость потенциальных участников метаболизма должна быть не максимальной, а оптимальной: они должны быть достаточно устойчивы, чтобы существовать какое-то заметное время, и в то же время достаточно лабильны, чтобы без особого промедления вступить в очередную реакцию, поддерживая протометаболический цикл. Вот с точки зрения этого баланса между устойчивостью и лабильностью ацетилфосфат вполне мог бы оказаться соединением, идеально подходящим для переноса энергии (как оказался им АТФ, например).
В наше время гипотезы, касающиеся предбиологической химической эволюции, ничего не стоят без экспериментальной проверки. Лейн и его коллеги эту проверку провели, выяснив в результате следующее:
Ацетилфосфат легко самопроизвольно синтезируется из еще более простых предшественников (тиоацетата и фосфорной кислоты) в условиях, предположительно соответствующих обстановке зарождения первой жизни. Это теплая вода (20–50°C) с реакцией от нейтральной до щелочной.
Молекула ацетилфосфата в таких же условиях сохраняет стабильность часами. Это означает, что ее устойчивость действительно оптимальна для промежуточного продукта метаболизма (или протометаболизма).
Ацетилфосфат способен участвовать в синтезе нуклеотидов. Расщепляясь и отдавая остаток фосфорной кислоты, он превращает рибозу в рибозо-5-фосфат, а аденозин — в аденозинмонофосфат (АМФ); первое — важная составная часть нуклеотида, второе — уже целый нуклеотид.
Кроме этих положительных результатов, были получены и отрицательные: вопреки надеждам исследователей, оказалось, что ацетилфосфат не способствует полимеризации аминокислот и нуклеотидов, то есть их «сшиванию» в белки и нуклеиновые кислоты. Добавим, что и в синтезе самих нуклеотидов ацетилфосфат на самом деле участвует лишь ограниченно: ускорить-то он его ускоряет, но, судя по изложенным данным, — только в том случае, если главные составные части нуклеотидов уже есть в растворе в готовом виде. А вот на роль молекулы, снабжавшей первую жизнь энергией, ацетилфосфат действительно подходит.
Лейн и его сотрудники подбирали условия эксперимента, исходя из излюбленной ими теории возникновения жизни в щелочных гидротермальных источниках (см. Н. Лейн, 2018. «Вопрос жизни»). Проблема в том, что эта теория — очень спорная. Альтернативы ей подробно обсуждаются в опубликованной на «Элементах» статье Михаила Никитина «Разные ответы на вопрос жизни», здесь же приведем только один контрдовод: РНК — ключевая для ранней жизни сложная молекула — неустойчива в характерной для источников упомянутого типа щелочной среде, а устойчива, совсем наоборот, в слабокислой (H. S. Bernhardt, W. P. Tate, 2012. Primordial soup or vinaigrette: did the RNA world evolve at acidic pH?). К счастью, обсуждаемая работа — возможно, вопреки первоначальному намерению авторов — показывает, что проблема щелочных источников и проблема ацетилфосфата вовсе не обязательно связаны друг с другом. Из приводимых данных видно, что в слабокислых и нейтральных условиях ацетилфосфат образуется даже лучше, чем в слабощелочных, а в сильнощелочных он не образуется вообще. Всё это позволяет допустить, что щелочные гидротермальные источники тут на самом деле ни при чем. Ацетилфосфат в любом случае является серьезным кандидатом на роль первичного переносчика энергии.
Соблазнительно, конечно, предположить, что «за компанию» он мог бы выполнять в древней жизни еще какие-нибудь функции — ну, хотя бы переносить остаток уксусной кислоты, служа аналогом не только АТФ, но и ацетил-КоА. Намеки на это в обсуждаемой работе Лейна и его сотрудников есть, но их теоретическая оценка сведена к минимуму (рис. 3). Показано, что ацетилфосфат охотно «делится» не только своей фосфатной частью, но и остатком уксусной кислоты, который в результате присоединяется к сахарам или аминокислотам (эта реакция называется ацетилированием). Так, при ацетилировании аминокислоты глицина получается N-ацетилглицин (HOOC–CH2–NH–CO–CH3). Интересно, что эта относительно маленькая молекула включает в себя группу, идентичную важнейшей для белков пептидной группе (–NH–CO–). Имеет ли всё это хоть какое-то значение для истории происхождения жизни — покажет будущее.
Рис. 3. Ацетилирование глицина ацетилфосфатом. Картинка представляет собой набор спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод исследования основан на том, что ядра определенных атомов (в данном случае — ядра атомов водорода, то есть протоны), будучи помещены в магнитное поле и подвергнуты электромагнитному излучению, резонируют и дают ответное излучение, частота которого для одного и того же атома меняется в зависимости от того, с чем он связан. Атомы водорода, дающие резонанс, на картинке выделены красным (H). Смещение сигнала, зависящее от химической структуры вещества, называется химическим сдвигом — на картинке оно отложено по горизонтали. Нижний спектр, имеющий два пика, относится к раствору, где из ацетилфосфата и глицина образовался N-ацетилглицин. Выше для сравнения помещены спектры растворов нескольких других веществ (чистого ацетилфосфата, чистого глицина, уксусной кислоты, диглицина и дикетопиперазина). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Origins of life and evolution of biospheres
В целом обсуждаемая работа оставляет впечатление, что тема ацетилфосфата, вероятно, и вправду перспективна, но раскрыта пока не до конца. Характерен такой момент. Констатируя бесполезность ацетилфосфата для «сшивания» аминокислот и нуклеотидов в полимеры, авторы честно пишут: «Наше исследование было ограничено тем, что мы не рассматривали полимеризацию на минеральной поверхности или при низкой активности воды — только в водном растворе». Возникает вопрос: а зачем, собственно, надо было так ограничивать исследование? Ведь многие современные гипотезы, касающиеся происхождения жизни, как раз и предполагают, что ключевые процессы шли «на минеральной поверхности или при низкой активности воды». Правда, это не относится к любимой Лейном гипотезе возникновения жизни в щелочных геотермальных источниках: согласно ей, главные события происходили глубоко в море. Между тем было бы интересно посмотреть, что получится, если — ну, хотя бы на всякий случай — повторить те же самые опыты в условиях с низкой или переменной влажностью. Исследователям происхождения жизни (и не только научным сторонникам Лейна) стоит взять ацетилфосфат на заметку, чтобы или подтвердить, или опровергнуть его участие в нашей наидревнейшей истории.
