Каменные колыбели жизни: Мембраны, катализ и курильщики
Камни, морская, насыщенная солями вода и горячий щелочной поток, насыщенный пузырьками водорода. Гидротермальные подводные источники — знаменитые «черные курильщики» — в последнее время считаются самыми подходящими местами для зарождения жизни на древней Земле. Новые детали этой вероятной картины открыло исследование Ника Лейна (Nick Lane) и Билла Мартина (Bill Martin).
Работа посвящена эволюции ионных каналов — белков, проходящих сквозь клеточную мембрану и обеспечивающих контроль за прохождением заряженных ионов внутрь клетки и вывод их наружу. Без них трудно представить себе жизнь любой клетки. Именно градиент концентрации ионов между клеткой и наружной средой обеспечивает работу АТФ-синтаз, тоже ключевых белков, которые производят «универсальную энергетическую валюту» всего живого на Земле — молекулы АТФ. С другой стороны, чтобы произвести сами ионные каналы, энергия тоже необходима, причем в виде той же АТФ. Вопрос, что было раньше — курица, или яйцо, а верней, как появилась эта взаимозависимая система.
Лейн и Мартин считают, что нашли ответ. Ученые отмечают, что горячий раствор, изливающийся из подводных гидротермальных источников, имеет щелочное значение рН, а окружающая вода океана — слегка кислотное. Минералы у источника становятся естественным барьером, через который проходит градиент протонов, от щелочной среды к кислой. Протоны вступают в реакцию с углекислым газом, растворенным в морской воде, превращая его в простейшие органические соединения, которые затем могут реагировать уже между собой, с азот- и фосфорсодержащими солями, давая начало базовым молекулам жизни, нуклеотидам и аминокислотам.
Минералы, отложения которых громоздятся вокруг «черных курильщиков», насыщены железом, которое служит катализатором этих процессов, и серой, которая сама может включаться в них. Они изобилуют мельчайшими порами, полости которых могли служить чем-то вроде «протоклетки», естественной емкости, в которой развивались первые химические реакции будущей жизни. В них могли образовываться и накапливаться простые органические молекулы, чтобы затем прореагировать и дать белки и нуклеиновые кислоты.
Предполагается, что минеральные стенки этих «протоклеток» могли выстилаться двойным слоем липидных молекул, на котором и начали работу первые АТФазы. Впоследствии, когда жизнь покинула свой каменный кокон, он герметично замкнулся и стал основой настоящих клеточных мембран. Однако независимо плавающая далеко от гидротермального потока клетка, обретя свободу, должна была столкнуться с массой проблем. В частности, протоны все так же попадали бы внутрь, но наружу их ничто не перекачивало. Так содержание протонов по обе стороны мембраны должно быстро уравновеситься. Без протонного градиента остановилась бы вся жизнь.
Так, видимо, и происходило бессчетное множество раз, пока какая-то из «протоклеток» не обрела еще до своего высвобождения необходимые ионные каналы. Вырвавшись же на свободу, она сорвала джекпот: целый неосвоенный, свободный океан.
Предшественником таких ионных каналов, по мнению Лейна и Мартина, мог стать сравнительно простой белок, способный использовать входящий в клетку поток протонов для перекачивания наружу ионов натрия. Для этих ионов клеточная липидная мембрана практически непроницаема, а значит, между ее сторонами может поддерживаться градиент ионов натрия, который можно использовать для выработки энергии. Таким образом, «проблема курицы и яйца» снимается: градиент протонов позволил появиться первым ионным насосам, а уже те обеспечили «протоклеткам» переход на использование нового градиента, натриевого — и покинуть свою каменную колыбель у «черных курильщиков».
По публикации Nature News