Гипотеза о происхождении жизни из горячих источников поставлена под сомнение

Рис. 1. A. Карбонатные отложения по типу «дымохода» в «Затерянном городе». B. Микрофотография среза отложений, демонстрирующая сеть микроскопических взаимосвязанных пор с тонкими мембранами. Подобные структуры могли стать основой для «минеральных протоклеток» — предполагаемых предшественников живых клеток. Изображение из статьи D. S. KELLEY et al., 2007. The Lost City Hydrothermal Field Revisited

Канадский геохимик Бенджамин Тутоло опубликовал статью, в которой критически разобрал господствующую теорию происхождения жизни с геохимических позиций. В почти консенсусном сценарии появления первых протоклеток в горячих источниках он нашел сразу несколько изъянов: неправильные измерения pH, экстраполяция современных геологических условий на древнюю Землю и игнорирование условий протекания реакций. При последовательном применении корректировок теория распадается: протоклетки просто не формируются, протонный градиент оказывается чрезвычайно слабым, а для «железо-серного мира» не находится серы. Пока биологи думают, как тогда объяснить особенности живых организмов, Тутоло предлагает пересобрать теорию с нуля, обратив внимание на альтернативные сценарии.

В 2000 году океанографическое исследование Срединно-Атлантического хребта с помощью батискафа «Элвин» (Alvin, см. картинку дня Глубоководный «Элвин») и спускаемого аппарата «Арго» (Argo) явило миру причудливый ландшафт, получивший название «Затерянный город» (The Lost City, см. Lost City Hydrothermal Field). Морское дно было усеяно гидротермальными источниками, сформировавшими вокруг себя «башни» из минералов, выпадающих в осадок на границе раздела горячей и щелочной воды (из жерла источника) и прохладной океанской воды с более низким pH (рис. 1А). Казалось бы, обнаружение этого гидротермального поля поставило точку в давнем вопросе о происхождении жизни на Земле: это поле представляло собой образец той системы, где могла зародиться знакомая нам жизнь.

Прежде всего, живые организмы — это открытые неравновесные системы. Пока организм живет, он поддерживает состояние, отличающееся от термодинамического равновесия с окружающей средой. Так же «работает» каждая клетка: в частности, цитоплазма клетки отличается от окружающей среды или межклеточной жидкости не только концентрацией белков и ферментов, но и концентрацией ионов. Если взять «среднюю температуру по больнице» (то есть по всему живому миру), то обычно в цитоплазме клетки много ионов калия и мало ионов водорода (протонов). Цитоплазма как бы более щелочная по отношению к внешней среде. Правда, у животных клеток основную роль играет не градиент водород/калий, а градиент натрий/калий, но это уже частные эволюционные «странности» той ветви, из которой возникли мы. А вот у митохондрий в наших клетках — потомков древних бактерий — градиент вполне себе протонный, и именно из него генерируется энергия АТФ.

Такой же механизм генерации энергии используется растениями при фотосинтезе, а также бактериями и археями. Он на удивление постоянен в разных эволюционных ветвях. Более того, такой механизм реконструируется филогенетическими методами даже для LUCA — последнего общего предка всех современных клеточных организмов (см. Универсальные паралоги помогают составить «портрет» LUCA, «Элементы», 24.04.2026). Общий предок человека и кишечной палочки тоже получал энергию из протонного градиента на мембране.

Такой механизм генерации энергии, если задуматься, кажется абсолютно неочевидным. Но именно протонный градиент питает энергией практически весь живой мир (кроме организмов, получающих энергию исключительно за счет брожения). И именно «Затерянный город» показывает, откуда он мог взяться в процессе абиогенеза. В источниках этого гидротермального поля сталкивается щелочная вода из земных глубин и океанская вода, pH которой близок к нейтральному. На границе раздела образуется сложный трехмерный «узор» из выпадающих в осадок минералов, образующих тонкие перегородки (рис. 1B). Это практически готовые клетки с протонным градиентом: мало протонов внутри, много снаружи. Вдобавок они с самого начала были бы неравновесными системами: это отклонение от равновесия поддерживалось бы постоянным поступлением горячей щелочной воды.

Весь этот механизм поддерживается за счет процесса, называемого серпентинизацией (см. Serpentinization) — гидратацией магниевой горной породы оливина при высокой температуре с превращением его в серпентинит (рис. 2). Но в случае наличия в оливине примеси фаялита — железосодержащей горной породы — при серпентинизации также происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное с выделением водорода, высвобождаемого из воды. Это готовое «топливо» для процесса метаногенеза, за счет которого и нынче получают энергию метаногенные археи. Более того, даже у LUCA филогенетическими методами реконструируется способность окислять водород (см. LUCA стал древнее и при этом сложнее, «Элементы», 02.09.2024).

Рис. 2. Предполагаемый механизм происхождения жизни из минеральных протоклеток горячих источников. Гидротермальные поля, подобные «Затерянному городу», подпитываются тепловой энергией за счет процесса серпентинизации — гидратации оливина. Сопутствующее окисление железа приводит к выделению водорода, служащего субстратом для абиотического метаногенеза. Этот процесс протекает на железо-серных оболочках минеральных протоклеток с щелочной, богатой калием, средой внутри и кислой средой снаружи. Первые живые клетки наследуют ключевые особенности минеральных протоклеток: железо-серные катализаторы, метаногенез как источник энергии и протонный градиент. Иллюстрация Георгия Куракина

И наконец, океаны древней Земли до Кислородной катастрофы были насыщены железом (см. В конце архея океаны должны были быть зелеными из-за гидроксида железа, «Элементы», 10.03.2025). Предполагается, что при столкновении насыщенной сульфидами воды из жерла источника с океанической водой, богатой железом, образовывался осадок сульфидов железа. Эти сульфиды входили в состав стенок минеральных протоклеток и, по предположениям биологов, могли быть первыми катализаторами предбиологических реакций — в частности, катализовать ту самую реакцию метаногенеза (рис. 2). И какое совпадение: в активных центрах ферментов ключевых реакций клеточного дыхания работают железосерные кластеры — фактически, микроскопические кристаллики сульфидов железа.

Всё выглядит так, будто в живых клетках отпечатались состав и микроструктура «Затерянного города» — с поправкой на условия древней Земли. Это и привело исследователей к «глубоководной геотермальной гипотезе» — идее, что жизнь возникла в глубоководных геотермальных источниках и унаследовала их особенности. Эта гипотеза была подробно сформулирована известным британским биохимиком и писателем Ником Лейном, его соавтором биоинформатиком Уильямом Мартином и геохимиком Майклом Расселлом (Michael Russell) (см. Во тьме и в кипятке: Майкл Рассел и его гипотеза жизни, «ТрВ», 28.07.2026). Иногда ее так и называют — гипотеза Рассела — Мартина — Лейна (RML hypothesis, см. J. B Jackson, 2016. Natural pH Gradients in Hydrothermal Alkali Vents Were Unlikely to Have Played a Role in the Origin of Life). Во многом благодаря стараниям Лейна, написавшего большое количество книг для широкой аудитории по этой теме (в частности, «Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни»), эта концепция стала почти консенсусной в современной науке и самой распространенной.

Но достаточно ли она учитывает условия древней Земли? И не изменится ли эта модель драматически, если детально учесть в ней геохимию архейского эона, когда на Земле должна была зарождаться первая жизнь? Таким вопросом задался геохимик Бенджамин Тутоло (Benjamin Tutolo) из Университета Калгари, участник проекта «Кьюриосити» по исследованию Марса (см. Curiosity and the Mars Science Laboratory mission). В своей проблемной статье в PNAS он анализирует отличия в геологии и океанологии древней Земли, которые помешали бы этой модели пребиотической химии «работать» сразу на нескольких уровнях.

Прежде всего Тутоло обращает внимание на то, что на древней Земле могло не быть тех геологических условий, которые сформировали нынешний «Затерянный город». Это продукт современной тектоники плит, сформировавшей Срединно-Атлантический хребет. Формироваться он начал после раскола Пангеи — то есть в юрском периоде. «Затерянный город», скорее всего, ровесник динозавров, а вовсе не первых клеток. А в архейском эоне, когда, предположительно, возникла жизнь, геологические условия были другими. Ядро и мантия Земли были гораздо горячее, и подводные вулканы извергались в основном коматиитовыми лавами — чрезвычайно горячими (1,5–2 тыс. градусов) и очень жидкими, по консистенции напоминавшими жидкий сироп (см. Коматииты помогают понять, насколько горячей была мантия Земли в древности, «Элементы», 19.01.2023). Такая лава извергалась очень быстро, растекаясь по большой площади, а сами извержения были кратковременными. «Долгоиграющие» подводные вулканы, которые формируются из современных более прохладных (чуть более 1 тыс. градусов) и вязких лав, в ту эру отсутствовали. А для формирования горячего источника с минеральными порами важна долговременная и стабильная вулканическая активность — быстро такой «город» не построишь.

Рис. 3. Рисунок из обсуждаемой статьи, показывающий различия между современными условиями гидротермальных полей вроде «Затерянного города» (A) и океанским дном в архее (B). В древности еще не было «складок» коры, образующих срединно-океанические хребты, а извержения жидких коматиитовых лав были кратковременными. Вода была обогащена железом и кремнием, но обеднена серой — поэтому все химические реакции протекали в ней иначе, чем в условиях «Затерянного города»

Следующие замечания касаются деталей предполагаемой химии абиогенеза, которые, по мнению Тутоло, были учтены эволюционными биохимиками недостаточно. Самое главное из них — неправильное определение pH воды в жерле горячих источников. В литературе обычно приводят числа около 10,6 единиц pH — это сильнощелочная среда, которая могла бы создать протонный градиент с более нейтральной или слабокислой океанской водой. Но вся проблема в том, что шкала pH для разных температур различается: в основе расчета pH лежит константа диссоциации воды, которая меняется с ростом температуры. А все измерения pH проводятся на борту корабля или вообще на берегу, почти при нормальных условиях — что делает полученные значения нерелевантными условиям в самом горячем источнике с его температурой.

А что будет, если просто пересчитать измеренный pH на температуру вблизи жерла источника? Из сильнощелочного pH станет близким к нейтральному, приняв значение около 8,4. Разница pH, которая должна была бы стать двигателем первых мембранных АТФаз, снижается до 2,5 — и Тутоло сомневается, может ли такой небольшой протонный градиент запустить механизм жизни. В своем скепсисе относительно протонного градиента он совершенно не одинок. Биолог из Бирмингемского университета Джей Баз Джексон (J. Baz Jackson) еще в 2016 году опубликовал обзорную статью, в которой отмечены дополнительные сложности гипотезы Рассела — Мартина — Лейна в плане градиента pH (см. J. B. Jackson. Natural pH Gradients in Hydrothermal Alkali Vents Were Unlikely to Have Played a Role in the Origin of Life). В частности, стенки минеральных протоклеток слишком толстые для его работы, а многие реакции предбиологической химии могут идти и без него.

Помимо большого количества железа в древнем океане было также много кремния по сравнению с нынешней эпохой. И это тоже «ломает» механизм, показанный на рис. 2: высокие концентрации кремния в воде ингибировали бы окисление железа и, следовательно, выделение водорода. И главное «топливо» для реакции предбиологического метаногенеза оказывалось бы в дефиците. Вдобавок к этому Тутоло отмечает, что даже в современном «Затерянном городе» абиотического метаногенеза на железо-серных катализаторах не наблюдается: изотопный анализ показывает, что весь метан происходит не из минеральных ячеек горячего источника, а из глубин земной мантии. Реакция могла бы все-таки запуститься, если бы градиент pH был более резким, а концентрации реагентов выше — но как раз с этим возникает самая большая проблема.

«Потеря» метаногенеза означает потерю ключевой реакции, которая формирует протометаболизм (см. Proto-metabolism) и дает свою собственную (а не вулканическую) энергию первым клеткам в господствующей теории происхождения жизни. Поправки на реконструируемые для древней Земли условия убирают из теории как структуру (протоклетки, невозможные при быстрых извержениях жидких коматиитовых лав), так и реакцию (которая идет слишком медленно или не идет вообще при таких низких градиентах pH и концентрациях водорода). Но это еще не всё — из теории при достаточном внимании к деталям исчезает и катализатор.

Формирование уже упомянутых железо-серных минералов требует в качестве реагентов и серы (в виде сульфида), и железа. Но Тутоло замечает, что и горные породы, слагавшие архейскую океаническую кору, и сам океан были бедны соединениями серы. Даже сейчас сульфиды «Затерянного города» — биологического происхождения, абиогенных сульфидов там нет. В общем, сульфидам в горячих источниках взяться было неоткуда — следовательно, и железо-серным минералам тоже.

Для этой проблемы Тутоло предлагает возможное решение: предбиологичекские реакции могли катализоваться не железо-серными, а железо-никелевыми минеральными катализаторами, которые вполне могли образовываться в бедных серой условиях. Косвенным намеком на этот сценарий является то, что уже упомянутая способность LUCA окислять водород обеспечивается именно железо-никелевой гидрогеназой (см. LUCA стал древнее и при этом сложнее, «Элементы», 02.09.2024). Но если так — почему железо-никелевые кластеры впоследствии заменились железо-серными?

Статья вызывает и другие вопросы. Например, филогенетические реконструкции показывают, что LUCA был термофилом — то есть наш общий предок жил все-таки в какой-то горячей среде (см. В диких условиях: как жил последний всеобщий предок LUCA, «Биомолекула», 06.03.2017). Если не в горячем источнике, то где? И почему тогда все-таки все живые клетки так привязаны к протонному градиенту?

Здесь стоит подчеркнуть, что статья Тутоло — это только статья с авторским взглядом (perspective article), и она по определению не может одномоментно опровергнуть целую теорию. Однако Тутоло призывает не воспринимать эту теорию догматически и как минимум пересмотреть все ее ключевые детали. По его мнению, основная проблема гипотезы Рассела — Мартина — Лейна — это отношение к ней как к утвержденной при наличии нерешенных проблем. Он также призывает обратить внимание на другие места, перспективные для пребиотической химии, — например, пруды и лужи, где вода периодически испаряется (см. C. Cassella, 2026. A Scientist Says We've Been Wrong About Where Life on Earth Began). Такие локации могли бы объяснить те реакции, которые пока остаются «за скобками» гипотезы Рассела — Мартина — Лейна, — например, синтез белков без участия рибосом на высохшей поверхности минералов и некоторые сценарии возникновения генетического кода.

Более того, существует альтернативная гипотеза, где есть и горячие источники, порождающие неравновесные процессы, и высыхающие лужи — это «наземный» вариант гидротермальной гипотезы, где жизнь зарождается на наземных гидротермальных полях (такие поля сейчас встречаются на Камчатке, в Калифорнии и в Австралии). В России эту гипотезу развивает Армен Мулкиджанян (см. Инкубаторы жизни на Земле — геотермальные поля четыре миллиарда лет назад, PCR.News, 16.02.2022), в Австралии — Мартин ван Крадендонк (см. M. J. Van Kranendonk et al., 2017. Life on Earth Came from a Hot Volcanic Pool, Not the Sea, New Evidence Suggests). Возможно, пришла пора изучить этот сценарий глубже. Движение в этом направлении неизбежно породит новые вопросы. Но, видимо, в том и есть главная ценность статьи Тутоло — напомнить, что проблема происхождения жизни еще далека от своего разрешения.

Источник: Benjamin M. Tutolo. Rethinking the origin of life at seafloor hydrothermal vents // PNAS. August 28, 2026. V. 123. No. 36. P. e2613108123. https://doi.org/10.1073/pnas.2613108123.

Георгий Куракин