Щелочные источники океанских глубин – колыбель жизни?

На дне Атлантического океана существует тип гидротермальных источников, отличающийся от «черных» и «белых курильщиков» температурой и химическим составом извергаемой минеральной воды. Пока обнаружено только одно место, где расположены эти источники –  в Атлантическом океане, в 15 км от Cрединно-Атлантического хребта в так называемом «Затерянном Городе», представляющим собой склон с башнеподобными белыми или зеленоватыми серпентинит-известняковыми образованиями высотой до 60м. Из этих башен выходят струи прозрачной воды с температурой около 200 гр.С насыщенные соединениями натрия, калия, кальция, магния, железа, марганца и кремния с кислородом, водородом и серой, а также обогащенные чистым элементарным водородом и углекислым газом. Башни Затерянного города состоят большей частью из известняка и серпентинита – сложнейшей метаморфической горной породы в состав которой входят до 70 минералов: минералы группы серпентина (соединения металлов с оксидом кремния и группами ОН), также кальцит, доломит, магнетит, хромит, макинавит и многие другие.

Серпентинитовые башни микропористы. Полости пор близки по размерам биологическим клеткам. Вот этим порам и приписывается роль инкубаторов, где химические процессы привели к возникновению живой субстанции, впоследствии вышедшей наружу в виде бактерий. Стенки пор очень тонкие и полупроницаемые, что весьма подходит для зарождения жизни в результате химических реакций при смешивании геотермальных вод с океанической водой.

Интересно, что такие щелочные источники были предсказаны Майком Расселом в 80-х годах после изучения им в Ирландии пузырчатых пород возрастом 350 млн. лет. Рассматривая в микроскоп сеть полостей породы, образованной древними щелочными источниками, Рассел пришел к идее о том, что минеральная химия в какой-то мере повторяет биохимические процессы, а может и наоборот. Интересно, что некоторые важные комплексы внутри бактерий идентичны некоторым минералам серпентинитовых башен по химическому составу и имеют очень близкое сходство по пространственному расположению атомов.

Рассел считал, что для инкубаторов жизни подходили бы источники с температурой не намного выше 100 гр.С и выделяющие свободный водород в насыщенной соединениями углерода водной среде. Такие условия, похоже, были в океане в архейское время 4-3 млрд лет назад. Океан, вероятно, был кислым из-за высокой концентрации углекислого газа в атмосфере, который растворялся в океане. На перегородках пор серпентинит-кальцитовых пород, слагающих башни щелочных источников, должны были образовываться градиенты концентраций веществ, что является одним из ключевых условий функционирования организмов. Большинство клеток организмов тратят большую часть своей энергии именно на поддержание подобных градиентов, для чего ими используются белки. По мнению Рассела – белки являются вторичной адаптацией организмов вышедших за пределы своих минералогических инкубаторов.

Однако щелочные источники никто прежде не наблюдал. Были известны только чёрные курильщики с температурой выше 400 гр.С. И вот в 2000 году американская экспедиция корабля «Атлантис» обнаружил именно такие щелочные источники в Атлантическом океане несколько в стороне от осевого рифта Срединно-Атлантического хребта.

Эти источники образуются не за счет вулканической энергии, а за счет выделения тепла при серпентинизации – метаморфического превращения базальтовых пород в серпентинит. Серпентинизация заключается в присоединении щелочных и щелочноземельных металлов и молекул воды к минералам базальта с выделением элементарного водорода. Это один из самых распространенных, если не самый распространенный геохимический процесс на Земле.

Жизнь в Затерянном городе идет за счет реакции свободного водорода с углекислым газом, которая проходит там прямо, тогда как на Земле эти реакции почти всегда осуществляются опосредованно через фотосинтез, что позволяет сначала отсоединить водород от воды.

Внутри пористых пород башен Затерянного города, открытого «Атлантисом», живут и процветают бактерии и археи. Археи – это, как и бактерии, одноклеточные безъядерные организмы, которые, однако имеют столько отличий от бактерий, что биологи склонны относить архей к отдельному царству.

Мартин и Рассел выяснили, что механизмы синтеза белка у бактерий и архей весьма близки, а механизмы репликации ДНК отличаются радикально. Это можно было бы объяснить сильным эволюционным расхождением, но тогда становится не понятным, почему другие механизмы (например, транскрипция и трансляция) не стали столь же несхожими. В 2003 году Мартин, Рассел и другой биохимик Евгений Кунин выдвинули гипотезу: общий предок бактерий и архей не был свободноживущим организмом, а был репликатором, живущим в минерале в неорганических клетках и жизнь из минеральных клеток выходила на свободу дважды –  сначала в виде бактерии, а затем в виде архей. К такому выводу подталкивает и совершенно разные клеточные мембраны и стенки у бактерий и архей.

Башни Затерянного города действуют уже сорок тысяч лет – однако ожидать, что там продолжается абиогенное возникновение жизни (живое из неживого), пожалуй, не стоит. Химический состав океана сейчас уже далеко не тот, что был миллиарды лет назад – не хватает растворенного железа и, наверняка, еще каких-нибудь ингредиентов. 

Но как жизнь вырвалась на свободу из башен гидротермальных источников? Рассел и другой американский ученый – Питер Митчелл предположили, что путь возникновения настоящих биологических клеток в виде бактерий лежал через формирование механизма хемиосмоса – биохимического механизма, с помощью которого осуществляется превращение энергии электротранспортной цепи в энергию аденозинтрифосфата. Аденозинтрифосфат (АТФ) выполняет важнейшую роль в обмене энергии и веществ в организмах и является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов. Хемиосмотическая гипотеза Митчелла гласит, что электронпереносящие цепи митохондрий, хлоропластов и бактерий сопряжены с системой синтеза АТФ через разность электрохимических потенциалов протонов на сопрягающих мембранах.

Биохимический принцип это одно, а вот как физически образовалось клетка бактерии с ее мембраной не ясно.

Кроме того, совершенно не ясно, как безъядерные клетки бактерий и архей, то есть прокариоты, приобрели ядра, тем самым превратившись около 2 млрд лет назад в эукариоты – организмы, состоящие из ядерных клеток. Напомню, что грибы, растения и мы, животные, являемся эукариотами. Наличие или отсутствие ядра в клетке являет собой эволюционную пропасть. Преодоление этой пропасти вызывает столько споров в науке, что приходит мысль о сверхъестественном творении ядерной клетки. Был ли возможен эволюционный переход от прокариотов к эукариотам? Версий много, но отсутствуют данные могущие подтвердить или опровергнуть гипотезы.

Эволюционное древо показывает нам, что одноклеточные, а затем многоклеточные эукариоты  возникли только однажды в промежутке, примерно, от 2 млрд до 1 млрд лет назад. Сложные формы жизни не эволюционировали из бактерий многократно и разновременно (растения от одних бактерий, животные – от вторых, грибы – от третьих). Ядерная клетка возникла из бактериальной только один раз.

Есть гипотеза о появлении некоего симбиоза бактерии и археи в результате чего возникла эукариотическая клетка. Но в течение минимум  одного миллиарда лет эволюции такие симбиозы должны были неизбежно возникать многократно, если даже многие ранние эукариотные организмы и вымирали – ведь бактерии и археи здравствуют и доныне. 

Это в полной мере относится и к появлению бактерий и архей. Жизнь вышла из щелочных источников океана только дважды в виде бактерий и архей? И это за 1,5 миллиарда лет существования архейского океана с подходящим химическим составом?

Создается впечатление, что был, а может и существует до настоящего времени внешний контроль над появлением жизни и ее эволюцией. Учитывая, что наука так и не смогла создать искусственный организм и, похоже, никогда и не создаст, приходишь к выводу: да – возможно жизнь и появилась в щелочных источниках океана, однако не самопроизвольно. 

Известняково-серпентинитовая башня в Затерянном городе. Фото с "Элвина"