Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Лейн Ник

Я не могу рассматривать организм вне среды его обитания… Формально организм и среду обитания можно рассматривать как две равнозначные фазы, динамический контакт между которыми поддерживается мембранами, разграничивающими и связывающими их.

Эти рассуждения имеют более философский характер, чем выросшая из них хемиосмотическая гипотеза, но я считаю, что они заслуживают не меньшего внимания. Сейчас, сосредоточившись на молекулярной биологии, мы позабыли об идее, которой был одержим Митчелл: о мембране как посреднике между внешней и внутренней средами, о том, что Митчелл называл “векторной химией”, где направление в пространстве имеет решающее значение. Эта химия совсем не похожа на происходящее в пробирке, где все компоненты смешаны в растворе. Почти все формы жизни используют окислительно-восстановительные реакции для создания протонного градиента на мембране. Но с какой стати все устроено так? Если сейчас эти идеи не кажутся такими бредовыми, как казались в 60-х годах, то лишь потому, что мы привыкли к ним. Они успели покрыться благородной пылью и прочно обосновались в учебниках, так что никому не приходит в голову снова подвергнуть их сомнению. Сейчас мы знаем, что эти идеи оказались верны, но почему они верны? Этот вопрос сводится к двум пунктам: почему все живые клетки в качестве

источника свободной энергии используют окислительно-восстановительные реакции, и – почему все клетки запасают эту энергию в форме протонных градиентов на мембране? Или: почему они используют для этого электроны с протонами?

Электроны и жизнь

Почему все живое на планете использует окислительно-восстановительные процессы? Этот вопрос, наверное, из самых простых. Все известные живые организмы сложены в основном из углерода, причем в частично восстановленной форме. В первом, очень грубом приближении (без учета относительно небольших количеств азота, фосфора и других элементов) “формулу” жизни можно записать так: CH₂O. Предположим, что углерод исходно пребывает в форме двуокиси. В этом случае живой организм должен осуществлять перенос электронов и протонов на CO₂ от водорода (H₂) или от подобного ему вещества. В целом не имеет значения, где брать эти электроны: их источником может послужить вода (H₂O), сероводород (H₂S) или даже ионы железа (Fe²⁺). Важно, что электроны в итоге переходят на CO₂. Подобные переходы и составляют предмет окислительно-восстановительной химии. Кстати, термин “частично восстановленная форма” означает, что углерод в ней восстановлен в меньшей степени, чем в метане.

Возможно ли существование неуглеродных форм жизни? Вообразить их возможно. Всем известно о роботах из металла или кремния, так что особенного в углероде? На самом деле – довольно много чего. Каждый атом углерода может образовать четыре прочные связи – они гораздо прочнее, чем у кремния, химического аналога углерода. Такие связи делают возможным существование множества длинноцепочечных молекул, самые важные из которых – белки, липиды, сахара и ДНК. Кремний не способен обеспечить такое химическое разнообразие. К тому же, в отличие от углерода, он не образует газообразные оксиды. Мне нравится представлять CO₂ в виде кирпичика “Лего”. Его можно извлечь из воздуха и присоединить с его помощью один атом углерода к какой-нибудь молекуле. А если попробовать вместо этого оксиды кремния… Это как пытаться строить из песка. Мы, существа с высоким интеллектом, научились подчинять своим нуждам кремний и другие элементы, но трудно представить, как из кремния сама по себе могла бы появиться жизнь. Я не говорю, что существование кремниевых форм жизни в бесконечной Вселенной вовсе невозможно – кто знает! Но в плане вероятности и предсказуемости (а моя книга посвящена именно таким материям) это не слишком вероятно. Кроме того, что углерод гораздо лучше подходит по свойствам, его во Вселенной еще и гораздо больше. Таким образом, в первом приближении жизнь должна быть углеродной.

Но потребность в частично восстановленном углероде – лишь небольшая часть ответа на поставленный вопрос. У большинства современных организмов метаболизм углерода и энергетический метаболизм в значительной степени разделены. Объединяет их лишь АТФ и несколько других общих реакционноспособных интермедиатов, таких как тиоэфиры (из них наиболее важен ацетил-кофермент А). Однако эти интермедиаты не являются обязательными продуктами окислительно-восстановительных реакций: не все организмы их используют. Некоторые организмы существуют за счет брожения, хотя этот способ не является ни древним, ни энергетически выгодным. Впрочем, есть множество остроумных предположений, какой была в химическом отношении начальная точка развития жизни. Одна из самых популярных (и сомнительных) версий предлагает цианид, который мог образоваться из азота и метана под воздействием ультрафиолетового излучения. Можно ли считать это возможным? В предыдущей главе я упоминал, что кристаллы цирконов не содержат ни намека на то, что в древней атмосфере было много метана. Впрочем, на какой-либо другой планете такой сценарий вполне мог реализоваться. Но если развитие жизни из цианида возможно, то почему это не происходит сейчас? К этому вопросу мы обратимся ниже. (Я думаю, это маловероятно по другим причинам.)

Взглянем на проблему под другим углом: чем хороша окислительно-восстановительная химия дыхания? Похоже, у нее много положительных качеств. Рассмотрим процесс дыхания в более широком смысле, не ограничиваясь тем типом, которым пользуемся мы. Мы отрываем электроны от пищи и прогоняем их по дыхательным цепям к кислороду, но очень важно отметить, что и источники, и конечные акцепторы электронов бывают разными. Сжигание пищи в кислороде позволяет получить большой энергетический выход, но принцип, лежащий в основе дыхания, гораздо шире. Например, необязательно употреблять в пищу именно органику. И водород, и сероводород, и двухвалентное железо также могут выступать донорами электронов. Они способны отдавать свои электроны в дыхательную цепь при условии, что акцептор на другом ее конце будет окислителем достаточно сильным для того, чтобы обеспечить движение этих электронов. Это означает, что бактерии могут “поедать” скалы, минералы и нефтепродукты, используя, по сути, ту же белковую машинерию, которой при дыхании пользуемся мы. В следующий раз, когда увидите на бетонной стене цветное пятно, которым колония бактерий обозначила свое присутствие, – вспомните на секунду о том, что, какими бы странными ни казались эти существа, они живут, пользуясь теми же базовыми механизмами, что и мы.

На кислороде свет клином не сошелся. Многие другие окислители могут выполнять его функцию почти столь же хорошо – например нитрат или нитрит, сульфат или сульфит (список можно продолжить). Все эти окислители (они называются так потому, что, как и кислород, окисляют вещества) способны притягивать электроны из пищи или других источников. В каждом из этих случаев при переносе электронов от донора к акцептору выделяется энергия, которая затем запасается в связях АТФ. Перечисление всех известных пар доноров и акцепторов электронов – окислительно-восстановительных пар, которые используют бактерии и археи, заняло бы несколько страниц. Бактерии умеют не только “питаться” камнями, но еще и “дышать” ими. Эукариотические клетки в сравнении с ними выглядят довольно жалко. Одна-единственная бактерия по метаболическому многообразию не

уступает всем эукариотам вместе взятым, включая растения, животных, водоросли, грибы и протисты.

Такая универсальность в использовании доноров и акцепторов обусловлена невысокой реакционноспособностью большинства из них. Ранее мы отметили, что все биохимические реакции происходят самопроизвольно и всегда должны осуществляться в активной среде. Однако если среда чересчур активна, реакции в ней будут идти неконтролируемо и свободной энергии для обеспечения биологических процессов не останется. Так, атмосфера не может содержать фтор – он бы немедленно прореагировал со всем, чем можно, и исчез бы. Но многие вещества могут накапливаться до концентраций, значительно превышающих термодинамически равновесные, потому что они очень медленно вступают в реакции. Кислород, лишь дай ему волю, бурно реагировал бы с органической материей, сжигая все на планете. Однако, к счастью, его молекулы стабильны, и это не дает реализоваться его разрушительному потенциалу: он мирно сосуществует с органикой. Метан и водород реагируют с кислородом еще более бурно (вспомните катастрофу дирижабля “Гинденбург”), но, опять же, наличие у этой реакции кинетического барьера означает, что эти газы могут очень долго сосуществовать в воздухе, находясь при этом в далеком от равновесия состоянии. Это относится и ко многим другим веществам – от сероводорода до нитрата. Их можно вынудить реагировать друг с другом (при этом будет выделяться огромное количество энергии, которая может быть использована живыми клетками), но без подходящего катализатора реакция не пойдет. Жизнь эксплуатирует эти энергетические барьеры и служит более мощным источником энтропии, чем другие процессы. На этом даже основаны некоторые определения, согласно которым жизнь – это генератор энтропии. Хотя жизнь существует именно благодаря наличию кинетических барьеров, ее суть в том, чтобы их преодолевать. Жизнь – это лазейка в энергетическом барьере.

Многие доноры и акцепторы электронов стабильны и растворимы, так что могут входить в клетку и выходить из нее, не причиняя ей вреда. Поэтому активную среду, необходимую в термодинамическом плане, можно безопасно поместить внутрь клетки, прямо под ее мембраны, на которых и осуществляются процессы дыхания. Поэтому окислительно-восстановительные процессы в качестве источника энергии гораздо удобнее, чем тепло, механической энергия, ультрафиолетовое излучение или электрические разряды. Минздрав подтверждает.

Те же самые процессы послужили основой фотосинтеза. Напомню, существует несколько его разновидностей. Во всех случаях [25] энергия солнечного света (в форме фотонов) поглощается пигментом (обычно хлорофиллом), после чего его возбужденный электрон следует по цепи окислительно-восстановительных центров к акцептору (в данном случае это диоксид углерода). Пигмент, лишившийся электрона, благодарно принимает взамен утраченного другой, от ближайшего донора. Таким донором может выступать вода, сероводород или двухвалентный ион железа. Как и при дыхании, здесь не имеет значения, каким именно будет донор электронов. В “аноксигенных” формах фотосинтеза донорами выступают сероводород или железо, а в качестве побочных продуктов образуются отложения серы или ржавчина [26] . При оксигенном фотосинтезе донор гораздо упрямее – это вода, а в виде отходов выделяется кислород. Но важно вот что: фотосинтез всех этих типов, очевидно, произошел от дыхания. И при дыхании, и при фотосинтезе используются одни и те же дыхательные белки, окислительно-восстановительные центры одних типов, один и тот же протонный градиент на мембране, все та же АТФ-синтаза [27] . Единственное значительное отличие – приобретение пигмента хлорофилла, который тем не менее является близким аналогом гема, входящего в состав многих древних дыхательных белков. Энергия солнечного света изменила мир, но на молекулярном уровне она лишь заставляла электроны бежать быстрее по дыхательным цепям.

25

У галоархей, населяющих соленые лагуны, радикально иной тип фотосинтеза. Вместо хлорофилла свет поглощает ретиналь (как у нас в глазах), а электрон-транспортные цепи не используются. – Прим. науч. ред.

26

Это один из недостатков аноксигенного фотосинтеза: в итоге клетки оказываются погребены под собственными отходами. Иногда отложения железа бывают пронизаны множеством дырочек размером с бактерию. (Скорее всего, это как раз тот случай.) Поэтому кислород, несмотря на свою токсичность, – гораздо более приемлемый побочный продукт: будучи газообразным, он тут же улетучивается.

27

Нет уверенности в том, что фотосинтез произошел от дыхания, а не наоборот. Дыхание присуще всем живым организмам, а фотосинтез присущ лишь нескольким группам бактерий. Если Всеобщий предок был способен к фотосинтезу, то большая доля бактерий и все археи должны были утратить это ценное свойство. Это, мягко говоря, неэкономно!

Огромное преимущество дыхания состоит в его универсальности. По сути, с помощью любой окислительно-восстановительной пары (донор и акцептор электронов) можно обеспечить движение электронов по дыхательной цепи. Специальные белки, которые отбирают электроны у аммония, немного отличаются от тех, что отбирают их у сероводорода: очень близкие вариации. Белки, передающие электроны на нитрат или нитрит, пусть и отличаются от тех белков, которые восстанавливают кислород, но также родственны им. Они настолько похожи, что один такой белок можно заменить другим, и все будет работать. Эти белки образуют общую “операционную” систему, и из них можно формировать разные наборы в соответствии со стоящими перед организмом задачами. И это не просто теоретические рассуждения: в природе такое встречается сплошь и рядом. В последние десятилетия выяснилось, что горизонтальный перенос генов (одна клетка передает другой гены в составе маленьких фрагментов ДНК – будто подкидывает подруге немного мелочи) широко распространен у бактерий и архей. Гены, кодирующие дыхательные белки, – из наиболее частых объектов горизонтального переноса. Вместе эти гены составляют, по выражению биохимика Вольфганга Ничке, “белковый окислительно-восстановительный конструктор”. Вы переселились в среду, где сероводород и кислород распространены одинаково широко – в какую-нибудь впадину на дне морском? Нет проблем. Просто обзаведитесь соответствующими генами, и они будут превосходно работать, сэр. Закончился кислород? Попробуйте нитрит, мадам! Не беспокойтесь: стоит вставить себе ген нитрит-редуктазы, и все будет в порядке!