Член-корреспондент РАН М. А. Федонкин,
Палеонтологический институт РАН, Москва
«Химия и жизнь» №6, 2003
- Живое из камня и металла?
- Обеднение биосферы
- Рост биологической сложности
- Происхождение эукариот: мнение палеонтологов...
- ...и молекулярных биологов
- Скрытая эволюция и взрыв жизни
Живое из камня и металла?
Важнейшую роль в происхождении жизни, вероятно, играли минералы, активно организующие пространство химических реакций (об этом, в частности, говорится в работах академика Н. П. Юшкина). Шаблонами или сортировщиками при синтезе сложных молекул могли служить некоторые минералы, например апатит или кальцит, — показано, что левые и правые молекулы аминокислот «предпочитают» разные грани кристалла кальцита. Многие минералы, возможно, действовали как катализаторы, например магнетит, вызывающий рекомбинацию атомов азота и водорода с образованием аммиака — важного соединения, из которого легче извлекается биологически необходимый азот. Глинистые минералы известны тем, что их слоистые кристаллические решетки могут улавливать в межслоевых пространствах короткие молекулы аминокислот, подолгу удерживать эти молекулы и способствовать их реакциям с образованием более сложных соединений. Минералам группы цеолитов с их своеобразной кристаллической решеткой отводится роль химических фильтров, способных пропускать мелкие и задерживать крупные атомы и молекулы. Большое значение в первичных биологических реакциях придают пириту, который содержит железо и серу, — эти элементы формируют активный центр многих ферментов. Пирит также мог быть источником свободных электронов.
Самая существенная особенность, благодаря которой жизнь и выделилась из минерального царства, — высокая скорость биохимических реакций. Эти реакции управляются и ускоряются ферментами. В активном центре большинства известных ферментов (более 70%) находятся атомы металлов. Не исключено, что именно металлы были катализаторами и источниками электронов в начальной (возможно, доорганической) фазе становления жизни. Рибонуклеиновые кислоты, способные совмещать каталитические функции ферментов и генетические функции (благодаря этому их полагают родоначальниками жизни — см. работы академика А. С. Спирина), а уж тем более ДНК и другие органические молекулы появились несколько позже.
Однако в современном океане эти металлы находятся в чрезвычайно низкой концентрации. Содержание многих металлов в человеческой плазме во много раз выше, чем в морской воде (для железа соотношение составляет 22300/0,5–20; для цинка 17200/80; для меди 16500/10; у молибдена 10000/100; у хрома 55/4; у ванадия 200/40; у марганца 110/0,7; у никеля 44/5 наномолей на литр). Эти соотношения — результат двух исторических процессов, протекавших параллельно. Один из них — химическое обеднение водной среды обитания. Второй — формирование биологических механизмов накопления и удержания металлов внутри клетки и в экосистеме. Поэтическая метафора Максимилиана Волошина о том, что мы несем в себе древний океан, верна, но это океан архея, непохожий на нынешний!
Не исключено, что древние ферменты могли работать на основе большего разнообразия тяжелых металлов, чем ныне. Относительно недавно стало известно, какую важную роль в ферментах прокариот играют никель и вольфрам — элементы, которые, казалось бы, принадлежат только неорганическому миру. Особенно интересен пример вольфрама: он обнаружен в активном центре ферментов физиологически разных прокариот, однако полностью от него зависят только архебактерии-гипертермофилы (прокариоты, обитающие в горячих источниках на дне океана может быть, самая древняя группа ныне живущих организмов). Видимо, это следует рассматривать как пример «ископаемой биохимии» — реликт раннеархейской биосферы (4 млрд лет назад). Можно предположить, что список тяжелых металлов, входящих в состав ферментов, будет еще увеличиваться.
