Код жизни. Как случайность стала биологией

Нам пришлось пережить колоссальный понятийный переворот и переключиться со сложности современной живой материи на простоту первоначальной живой материи, единственным биологическим полимером которой была РНК. Но это оставляет нас лицом к лицу с немаловажным вопросом о том, как мы перешли от беспорядочной смеси химических веществ на поверхности молодой Земли к организованной структуре первой живой клетки. Неочевидно даже, имеет ли эта задача решение. Кто-то, вероятно, скажет, что это не вполне законная тема для научных изысканий, ведь мы не можем вернуться в прошлое и посмотреть, что произошло на самом деле, а следовательно, не сумеем по-настоящему проверить никакие гипотезы. Однако такие возражения излишне пессимистичны, поскольку мы, безусловно, в силах разработать гипотетические сценарии, которые будут фальсифицируемыми[18], в том смысле, что предлагаемые пути должны быть реалистичными с химической точки зрения, проходить в геологически разумных условиях и быть самодостаточными – то есть пошагово вести нас от запасов распространенных исходных материалов и источников энергии к более сложным химическим веществам, необходимым для создания простой клетки. Пути и процессы, которые приводят к распаду исходных материалов на смесь из миллионов соединений или к созданию бесполезных устойчивых полимеров (вроде керогена или смолы), можно исключить, и если мы их обнаружим, нам следует переключиться на что-то другое. Учитывая относительную сложность химических структур и реакций, нам придется привести несколько химических схем, которые, надеемся, помогут читателю наглядно представить себе соответствующие молекулярные перестановки и процессы. В конце главы мы добавили Приложение, в котором поясняем, как читать эти схемы.

Главный вопрос – удастся ли нам проследить ход продуктивных процессов от простых исходных материалов к главным химическим соединениям биологии. Прежде всего, нам надо выявить необходимые источники веществ и энергии, однако при этом мы должны знать, к чему стремимся, то есть что нам нужно, чтобы начались биологические процессы. Главные химические компоненты живой материи на Земле состоят по большей части из углерода, азота, кислорода и водорода с небольшими добавлениями фосфора и серы. Поскольку водород распространен во вселенной и в химии повсеместно, в дальнейшем нам не придется особенно беспокоиться о том, где его взять (на иллюстрациях, изображающих химические структуры, мы даже не всегда указываем атомы водорода, подробнее см. в Приложении). Чтобы построить молекулы РНК, которая, как мы уже обсуждали, необходима для первых клеток, нам нужно создать ее строительный материал, нуклеотиды, которые и сами по себе – довольно сложные химические соединения. Нуклеотиды состоят из трех частей – азотистого основания (химического соединения, несущего информацию), сахара (в случае РНК это рибоза) и фосфатной группы (которая связывает нуклеотиды в цепочку).

Нуклеотид 5'-АМФ. Справа – азотистое основание аденин, в центре – сахар рибоза, слева – фосфат.

В РНК четыре азотистых основания, обозначенных сокращениями (первыми буквами названий) – А, Г, Ц и У, и они состоят из углерода, азота и кислорода (как мы видели, Т в ДНК замещается У в РНК). Сахар состоит из углерода и кислорода, а фосфатная группа – из фосфора и кислорода. Чтобы создать азотистые основания, идеальным был бы исходный материал с содержанием и углерода, и азота. И в самом деле, более полувека назад стало ясно, что аденин (азотистое основание, обозначенное буквой А), – это всего-навсего пять молекул необычайно ядовитого и горючего цианида водорода (химическая формула HCN), соединенные друг с другом крайне специфическим образом. В 1959–1962 годах Жоан Оро-и-Флоренса, биохимик из Хьюстонского университета, провел серию классических экспериментов: он кипятил раствор HCN (очень осторожно!) – и, помимо прочих соединений, получил и аденин.

Структура аденина изображена на рисунке выше. Пары атомов углерода и азота обведены овалами, и каждая такая пара соответствует одной молекуле цианида водорода. Эти эксперименты пробудили оптимизм и надежду, что вскоре удастся найти простые пути ко всем оставшимся азотистым основаниям и соответствующим нуклеотидам. Увы, этого не произошло. Эксперименты, целью которых было получить и А, и Г (так называемые пуриновые основания), дали всего лишь следы Г, а также много других родственных веществ, которые не входят в структуру РНК. Оставшиеся азотистые основания Ц и У, казалось, не должны были вызвать особых сложностей, особенно если учесть, что У можно получить из Ц реакцией с водой. Примечательно, что азотистое основание Ц можно получить реакцией двух более простых соединений, и оба они могли, по-видимому, присутствовать в достаточно высоких концентрациях в средах молодой Земли. Первое из этих соединений – мочевина, распространенный метаболит в современной биологии, вещество, знаменитое тем, что это было первое органическое соединение, созданное в лаборатории. Вспомним, что в конце двадцатых годов XIX века немецкий химик Фридрих Вёлер получил мочевину, нагревая цианат аммония (а это тоже, в свою очередь, производное цианида). Любопытно, что еще мочевина – это продукт реакции с водой другого производного цианида, так называемого цианамида, который, в свою очередь, можно получить самыми разными способами. Например, цианамид возникает в восстановительных атмосферах, лишенных кислорода и других окисляющих газов, зато богатых водородом и подверженных влиянию ультрафиолетового излучения. (Это вещество обнаружено в атмосфере Титана, спутника Сатурна, где, как мы увидим в главе 8, тоже ищут внеземную жизнь.) Еще в качестве исходного материала для создания Ц нужно соединение, носящее более сложное название цианацетальдегид (или 3-оксопропаннитрил), продукт реакции цианацетилена (органического вещества, также обнаруженного в атмосфере Титана) с водой. При соответствующих лабораторных условиях очень концентрированная мочевина и цианацетальдегид охотно реагируют и образуют азотистое основание Ц, как показали Лесли Орджел и Стэнли Миллер в семидесятые годы прошлого века[19] (хотя эти ученые сами участвовали в жарких дебатах о правдоподобии такого синтеза).

В этот момент сложилось впечатление, что картину происхождения жизни, вероятно, удастся нарисовать, поскольку выяснилось, что главные биологические азотистые основания можно (относительно) легко получить в предбиологической среде. Увы, более подробное изучение следующих шагов выявило непредвиденные трудности. Главным камнем преткновения стало то, что одних азотистых оснований недостаточно, поскольку, чтобы получилась РНК, они должны соединяться с сахаром рибозой, а эту реакцию запустить никак не удавалось. В современной живой материи ее катализируют ферменты, и процесс задействует рибозу с подсоединенными к ней в определенных местах фосфатными группами. По-видимому, выполнить эти требования в рамках известной нам предбиологической химии было нельзя. Причем, к вящей досаде ученых, сложнейшей проблемой оказалось даже создать саму рибозу.

Поначалу сложилось впечатление, будто получить рибозу нетрудно, ведь для этого достаточно подогреть в воде простое органическое соединение формальдегид (CH₂O, которого, как считалось, было в изобилии в атмосфере молодой Земли), добавив немного гидроксида кальция (всем известной гашеной извести).

Рибоза в виде пяти соединенных остатков формальдегида.

Этот процесс приводит к сложной череде реакций, получившей название формозной реакции (реакция Бутлерова). В сущности, это превращение ядовитого формальдегида в сладкие сахара. Любопытно, что рибоза, подобно аденину, состоящему из пяти молекул циановодорода, состоит из пяти остатков формальдегида, сцепленных в кольцо. На схеме выше каждый овал – это пара связанных атомов углерода и кислорода, полученных из одной молекулы формальдегида. Казалось бы, перспективно – но беда в том, что рибоза, необходимая для создания ДНК, составляет, как правило, менее процента в той сложной смеси сахаров, которые получаются в результате этих реакций. Более того, дальнейшие реакции создают массу отходов, которые в итоге превращают все в никому не нужную смолу. Тем не менее, благодаря своей простоте, а особенно – благодаря способности к автокатализу (то есть реакция катализируется одним из своих же продуктов), формозная реакция продолжает изучаться как простой способ создавать сахара из обильных запасов исходных материалов. Ученые рассмотрели целый ряд приемов в попытке «укротить» формозную реакцию – например, проводили ее в присутствии боратов (солей борной кислоты). Бораты – распространенные минералы в некоторых геологических формациях, однако их роль в предбиологических сценариях остается неясной. Кроме того, хотя борат и правда упрощает перечень продуктов формозной реакции, последовательности реакций остаются сложными, и все равно производится очень много разных сахаров. Недавно был предложен интересный подход – ученые экспериментируют с формозной реакцией в присутствии других молекул, которых, скорее всего, было в изобилии на молодой Земле, например молекул циановодорода и цианамида. Однако эти исследования только начались. Поэтому пока отложим разговор о формозной реакции, но будем иметь в виду, что она может служить альтернативным источником сахаров.

Как мы уже несколько раз видели в других контекстах, решение сложных проблем нуклеотидного синтеза требует понятийной революции. В этом случае революций потребовалось несколько. Главным психологическим препятствием на пути прогресса стало наше интуитивное представление о химической структуре нуклеотидов. Возникает сильный соблазн мысленно поделить его структуру на три части: азотистое основание (углерод и азот), сахар (углерод и кислород) и фосфат (фосфор и кислород). Именно поэтому для химиков было естественно представить себе, что эти компоненты возникают по отдельности, а потом пошагово сцепляются: сначала получается нуклеозид (азотистое основание плюс сахар), а потом уже нуклеотид (с добавлением фосфата на конце). На практике проведение реакции с участием цианида в присутствии формальдегида немедленно приводит к синтезу продукта, который называется гликолонитрил (он формируется быстрой реакцией циановодорода с формальдегидом; более точные названия – формальдегидциангидрин или 2-оксиэтанитрил). Довольно долго гликолонитрил считался бесполезным тупиковым продуктом. Сочетание неверных интуитивных представлений и правильных, но никуда не ведущих химических реакций десятилетиями блокировало дальнейший прогресс.

Первая попытка преодолеть это препятствие была совершенно нестандартной, хотя поначалу и не казалась особенно перспективной. Основная мысль состояла в том, чтобы отойти от идеи создать азотистое основание и сахар по отдельности (а потом сложить из них нуклеозид). Вместо этого предлагалось создать промежуточное соединение, которое впоследствии можно будет превратить в вожделенный нуклеозид. Первый робкий шажок в этом направлении предпринял Орджел, показав, что рибоза отлично реагирует с цианамидом, близким родичем циановодорода, с которым мы уже знакомы как с потенциальным предшественником азотистого основания цитозина, он же Ц. Примечательно, что реакция цианамида с рибозой дает красивое кристаллическое соединение с несколько неудобоваримым названием рибоаминооксазолин, сокращенно РАО. Поскольку РАО кристаллизуется из реакционной смеси, у этого подхода есть большое преимущество: можно представить себе резервуар, где РАО постепенно накапливается, а побочные продукты вымываются, что обеспечивает естественное очищение. Такая схема – накопление чистого промежуточного соединения – позволяет обойти упомянутое мнимое препятствие (необходимость производить сложное соединение вроде нуклеотида, которое требует последовательности реакций в строгом порядке). Как мы вскоре увидим, такого типа процессы в предбиологической химии встречались сплошь и рядом, и такая концепция стала одним из главных доводов, подтверждающих, что в предбиологических условиях был возможен синтез строительного материала для живой материи.

Оставим в стороне вопрос о проблематичности изготовления РАО из рибозы и займемся тем, как получить из РАО желанный нуклеозид. Как выяснилось, есть две простые реакции, которые приближают нас к нуклеозиду Ц, однако остается некоторая загвоздка, поскольку тот вариант Ц, который при этом получается, отличается от варианта, который используется в живой материи. В типе Ц, который мы получаем из РАО, азотистое основание Ц направлено от сахара не вверх, а вниз. Выражаясь научным языком, биологический вариант – это β-аномер (тип изомера, те же атомы, но другая структура), а вариант, полученный из РАО, – α-аномер. Как же обойти эту дополнительную помеху? Воздействие ультрафиолета помогает превратить α-аномер в желанную биологическую форму Ц, но доля «правильного» Ц при этом оказывается до обидного мала, всего около 4 %. На этом этапе мы видим как минимум два крупных препятствия на гипотетическом пути к созданию Ц: во-первых, нереалистично начинать синтез РАО из чистой рибозы, если нет способа очищать и хранить этот нестабильный сахар, а во-вторых, мы получаем не тот аномер Ц и не знаем, как превратить α-аномер в нужный нам β-аномер. Вопрос оставался без ответа лет двадцать, пока в начале девяностых годов прошлого века британский химик Джон Сазерленд не решил пересмотреть процесс синтеза нуклеотидов как таковой.

В цикле статей, публиковавшихся на протяжении пятнадцати лет, Сазерленд и его рабочая группа постепенно, шаг за шагом приближались к решению, а кульминацией трудов стала их статья 2009 года, ознаменовавшая настоящий перелом в исследованиях предбиологической химии.

Во-первых, Сазерленд начал синтез с другой точки, чтобы можно было использовать исходные материалы проще сахара рибозы. Соответственно, на первом этапе своего процесса Сазерленд с коллегами провели реакцию самого простого из возможных сахаров (гликольальдегида), в котором всего два атома углерода, с цианамидом (тем самым родственным циановодороду соединением, которое уже применялось, чтобы создать РАО). Эти два соединения, реагируя друг с другом, создают простую кольцевидную молекулу 2-аминооксазол, сокращенно 2АО. Преимущество такой реакции в том, что сразу создается новая связь углерод—азот, и это именно та связь, которая в конце синтеза соединит сахар с азотистым основанием (и создаст желанный кирпичик нуклеозид). Большое преимущество такой схемы синтеза в том, что та самая связь C-N, которая раньше никак не создавалась в ходе прямой реакции сахара с азотистым основанием, теперь появляется в самом начале пути, где она создается легко и просто.

Отношения между 2АО (слева) и нуклеозидом Ц (справа). Атомы 2АО, входящие в состав рибозы Ц, заключены в пунктирные овалы. Атомы 2АО, входящие в состав азотистого основания Ц, заключены в сплошные овалы.

На самом деле, соединение 2AO уже было хорошо известно, поэтому интересно разобраться, почему никто раньше не подумал, что это хороший промежуточный этап на пути к созданию азотистого основания Ц. Ответ – в исторических традициях органической химии, где реакции принято рассматривать в изоляции (точнее, было принято, поскольку времена заметно изменились). Если смешать простой сахар гликольальдегид с цианамидом и дать им прореагировать друг с другом в изоляции, получится совсем мало 2AO, а основным продуктом реакции окажется смола. Однако Сазерленд, рассмотрев детали механизма реакции, заключил, что эту проблему может решить присутствие буфера, который удержит кислотность реакции в более или менее постоянных рамках, а также какого-нибудь распространенного катализатора, проще говоря, молекулы, которая поможет тасовать ионы водорода. Примечательно, что и то и другое прекрасно делает фосфат. А главное, нам уже известно, что фосфат должен был быть доступен для всей этой предбиологической химии, поскольку он входит в структуру РНК и нуклеотидов. Поэтому Сазерленд с коллегами добавили фосфат в смесь для реакции – и, представьте себе, реакция, которая раньше давала лишь следы желаемого продукта, стала вдруг узкоспециальной и необычайно производительной. Этот простой шаг – добавление к реакции еще одного компонента, хотя его и нет в конечном продукте, – стал ярким примером системной химии[20], подхода, при котором используются материалы, наверняка находящиеся рядом (как, например, фосфат, который обязательно должен был присутствовать, так как входит в нуклеотиды и в РНК). Лишний раз подчеркнем, что это был вовсе не очевидный шаг, ведь ученые привыкли к мысли, что на ранней Земле фосфат был доступен лишь в следовых количествах, так как в присутствии ионов кальция он осаждается в виде минерала апатита. Применение фосфата в высокой концентрации само по себе было отчаянным шагом, который высветил другую проблему – так называемую проблему фосфатов. Но даже без нее нам приходится иметь дело с тем, что 2AO – молекула очень маленькая и простая, достаточно далекая на первый взгляд от нуклеотида Ц, который остается целью наших исследований.

Как выяснилось, переход от первого промежуточного вещества, 2AO, к следующему промежуточному продукту, РАО, с одной стороны, прост, но с другой – чреват трудностями. Хорошая новость состоит в том, что 2AO быстро реагирует с трехуглеродным сахаром (глицеральдегидом) и дает РАО, а это вещество, как мы помним, кристаллизуется из смеси реагентов, обеспечивая совершенно естественный процесс очистки. При этом генерируется главный побочный продукт, называемый арабиноаминооксазолин, сокращенно ААО, который остается в растворе. Однако для этого этапа потребовался второй отчаянный шаг, поскольку он породил новую проблему синтеза трехуглеродного сахара как такового и еще более сложную проблему, как применять на первом этапе двухуглеродный сахар (и только его), а на втором – трехуглеродный (и только его). Хуже того, подходящий трехуглеродный сахар нестабилен и довольно быстро переходит в конфигурацию атомов (изомер), из которой РАО уже не получить. И, наконец, мы снова застреваем на этапе РАО, из которого, как мы уже знаем, получается не та (небиологическая) форма Ц.

Так что же, мы снова в тупике? Не совсем, поскольку у Сазерленда был припрятан еще один козырь: ученый сместил фокус на другой продукт реакции 2AO с глицеральдегидом – на тот самый побочный продукт ААО. В прошлом этим продуктом пренебрегали, поскольку в него входит сахар, который хотя и состоит в близком родстве с рибозой, все же отличается от нее настолько, что не может создать генетический полимер наподобие РНК. Этот сахар, арабиноза, отличается от рибозы только тем, что атом кислорода, связанный с 2'-углеродом, находится не под сахарным кольцом, как в рибозе, а над ним. Почему же Сазерленд все равно решил обратиться не к РАО, а к ААО? Интересно, что на помощь снова пришел фосфат. После реакции ААО с цианацетиленом (на этом этапе создается азотистое основание Ц) Сазерленд сумел связать фосфат с сахаром так, что фосфат мог атаковать соседний атом углерода и в один едва ли не магический шаг создать нужный нуклеозид Ц (схема этой реакции приведена в разделе 6 Приложения к этой главе). Принцип, стоящий за этим важнейшим шагом, называется принципом внутримолекулярной реакционной способности – и это пышное название означает всего-навсего, что две химические группы с большей вероятностью реагируют друг с другом, если их разместили по соседству, в одной молекуле.

Вот почему так восхитительно, что в революционной статье Сазерленда и его коллег, опубликованной в 2009 году, мы видим в действии три важнейшие концепции: это системная химия (в применении фосфата для создания 2AO), внутримолекулярная реакционная способность (в том, что фосфат атакует соседний атом), а также, что, пожалуй, не менее важно, умение благоразумно откладывать нерешенные проблемы на потом (например, вопрос источника глицеральдегида и времени его добавления). А теперь вернемся к довольно длинному списку отложенных проблем и увидим, как путь к созданию основного строительного материала для РНК постепенно упрощался после появления революционной статьи Сазерленда. При этом постепенно проступит общая реалистичная картина того, каким образом эта сложная сеть химических реакций могла идти на молодой Земле.

От лаборатории к природе

Главная проблема, стоявшая уже тогда и до сих пор стоящая перед учеными, – это проблема превращения последовательности химических реакций из лабораторного опыта во что-то, соответствующее условиям на молодой Земле. В лаборатории химические реакции обычно исследуют по одной, а промежуточные продукты очищаются перед переходом к следующему этапу. Есть много хитроумных способов очищения химических соединений в лаборатории, однако вопрос в том, существует ли что-то аналогичное в природе. К счастью, стоит немного задуматься, и станет понятно, что да, конечно, существует: осаждение или кристаллизация чистых минералов сплошь и рядом встречается в геологии – можно сказать, это универсальное явление. В любом естественно-научном музее мы увидим красивые кристаллы чего угодно – от самого обычного кварца до редких экзотических минералов. Однако кристаллы органических соединений на современной Земле встречаются исключительно редко. Отчасти причина в том, что органические соединения служат пищей для микроорганизмов, и обычно их быстро съедают бактерии или грибы. Вдобавок природная химия современного мира сильно отличается от того, что было на ранней Земле: вспомним хотя бы нашу атмосферу, богатую кислородом, и сравним с бескислородной средой на нашей планете в ее молодости. А следовательно, можем ли мы размышлять о том, как осаждались (то есть откладывались в твердой форме) или кристаллизовались определенные ключевые компоненты? Можем ли мы представить себе, как создавались запасы материалов, которые накапливались со временем и даже очищались, когда сквозь кристаллическую массу просачивались грунтовые воды, вымывая все вкрапления? И в самом деле, есть несколько очень интересных соединений, которые потенциально могут вести себя именно так. Давайте их обсудим – от самого простого (циановодорода) до самого сложного (РАО).

Раз циановодород давно считался одним из самых вероятных исходных материалов для предбиологического синтеза биомолекул, посмотрим, как циановодород может создаваться и как он затем хранится в концентрированной форме, подходящей для реакций синтеза. Среди особенностей, которые делают циановодород таким мощным реагентом, – большое количество энергии, запасаемой в тройной связи между его атомами углерода и азота. Это означает, что циановодород в каком-то смысле настроен на реакции с другими молекулами, и эти превращения могут происходить самопроизвольно, с уменьшением свободной энергии. Таким образом мы избегаем трудностей, связанных с необходимостью добавлять в систему дополнительную энергию, чтобы поддерживать нужные реакции. Однако то же самое свойство создает и проблему: циановодород реагирует с водой, пусть и медленно. Так называемая реакция гидролиза (химический распад соединений под воздействием воды) разлагает наш драгоценный циановодород и превращает его в менее реакционноспособное вещество формамид, само по себе небезынтересное (при умеренных температурах формамид жидкий и прекрасно растворяет некоторые молекулы, практически не растворимые в воде), однако менее подходящее как строительный материал для синтеза. Более того, формамид тоже медленно реагирует с водой, образуя аммиак и муравьиную кислоту. Возникает вопрос, как уберечь циановодород от неизбежного на первый взгляд уничтожения водой. Это и правда головоломная задача, так как формировался циановодород, скорее всего, в атмосфере, и там его концентрация должна была быть довольно низкой. Затем атмосферный циановодород попадал на поверхность, растворенный в дождевых каплях, – то есть снова в очень сильно разбавленном виде. Много лет считалось, что это тупиковый путь, так как растворенный циановодород неизбежно подвергнется гидролизу.

Гексацианоферрат (II) – пример цианидного комплекса железа.

Как часто случается, решение проблемы циановодорода лежало на поверхности – все химики прекрасно его знали, но никому не пришло в голову применить эти знания для решения этой важнейшей задачи в предбиологической химии. Выход из мнимого тупика с концентрацией циановодорода – невероятно сильные и быстрые реакции растворенного циановодорода с некоторыми ионами металлов. Наиболее примечательно в этом отношении то, что растворенное двухвалентное железо (атом железа, утративший два электрона с самыми слабыми связями) реагирует с циановодородом и дает комплекс, состоящий из одного атома железа, окруженного шестью цианогруппами. Этот комплекс, так называемый ферроцианид (или гексацианоферрат (II)), довольно стабилен, а главное – способен при различных условиях осаждаться из раствора. Например, близкородственное ему вещество под названием берлинская лазурь (гексацианоферрат железа) – это крайне малорастворимый комплекс из железа и цианида, который легко формируется и легко выпадает в осадок. Мало того, другие гексацианоферраты тоже осаждаются, если, например, раствор из-за испарения становится концентрированным. Подробные расчеты планетологов Джонатана Тонера и Дэвида Кэтлинга из Вашингтонского университета показывают, что гексацианоферраты могут накапливаться и осаждаться в содовых озерах, похожих на определенный класс озер, которые можно найти и на современной Земле, например озеро Моно в Калифорнии или озеро Ласт Ченс в Канаде. Источник растворенного железа тоже перестал быть загадкой. В вулканических регионах или вокруг мест падения метеоритов горячая вода циркулирует сквозь растрескавшиеся породы земной коры и вымывает из нее ионы металлов, в том числе железа. Когда грунтовые воды подогреваются, скажем, от залегающей под ними раскаленной магмы, они поднимаются на поверхность и приносят ионы металлов в пруды и озера. Там железо из земной коры связывается с циановодородом из земной атмосферы и образует цианидные комплексы железа, которые затем могут накапливаться тысячелетиями. При превышении определенной концентрации гексацианоферраты начинают осаждаться – либо, наоборот, мелкие озера пересыхают. Оба процесса оставляют после себя залежи осадков, смешанных с гексацианоферратами. Таким образом в геотермально активных регионах, которых было достаточно много на поверхности молодой Земли, могли накапливаться большие запасы цианидных комплексов железа.

Однако нам нужно еще понять, как толстый слой высохшего ферроцианида, смешанного с грязью, превращался в концентрированное рагу из реакционноспособных химических веществ, которое требуется, чтобы начать синтез строительного материала для живой материи. Опять же, ответ очевиден: нам поможет стандартный геологический процесс – превращение веществ при высоких давлении и температуре. Именно такая метаморфоза превращает, например, мягкие меловые осадки карбоната кальция в красивую породу, которую так любят скульпторы, – в мрамор. Какие же процессы могут превратить наши запасы инертного ферроцианида в требуемое реакционноспособное сырье? Есть два варианта: потоки лавы, которые практически неизбежны в регионах с вулканической активностью, и падения астероидов, которые, опять же, на молодой Земле случались с регулярностью. Лава, заливавшая обогащенные ферроцианидом породы, отпаривала их, запекала и поджаривала, отчего ценный циановодород высвобождался из железной хватки комплексов и частично превращался в родственное реакционноспособное вещество, например цианамид. Подобным же образом падение астероида умеренных размеров обеспечивало температуру и давление, необходимые для тех же химических трансформаций. Пикантная подробность: бо́льшая часть научной литературы о превращениях гексацианоферратов под воздействием высоких температур была опубликована больше ста лет назад! Так что не знали мы только одного – какова потенциальная важность ферроцианида для предбиологической химии. А в дальнейшем, когда горячая лава остывала и твердела, грунтовые воды медленно фильтровались сквозь осадочные породы, залегавшие под ней, и вымывали оттуда высококонцентрированную смесь циановодорода с цианамидом и другими его производными.

Чтобы четче очертить сложившуюся картину, подытожим, как все происходило поэтапно. Сначала разбавленный раствор циановодорода проливался из атмосферы с дождем. Затем железо, вынесенное на поверхность с водой, которая циркулировала по трещинам в горных породах, улавливало циановодород, и он сохранялся в виде ферроцианида. Ферроцианид накапливался в осадочных породах. Затем эти богатые цианидом отложения подвергались воздействию высоких температур из-за потоков лавы или падения метеоритов и циркулирующие грунтовые воды вымывали и разносили концентрированную смесь из реакционноспособных цианидных молекул (служащих сырьем для предбиологического синтеза) с остатками ферроцианида.

Да будет свет и сера

Чтобы понять, что было дальше, нам придется вернуться к тому, какой была обстановка на планете, где происходили все эти предбиологические химические реакции. Поднимаясь на поверхность из подземной тьмы, грунтовые воды несли груз реакционноспособных углерод-азотистых соединений в реки и ручьи, а те впадали в мелкие озера и пруды – и там на эти соединения впервые падал солнечный свет. Ультрафиолетовое излучение служило щедрым источником энергии, мощности которого хватало на самый широкий ассортимент химических превращений. Реакции были разные – простые и сложные, созидательные и деструктивные. Откуда мы знаем, каким будет воздействие ультрафиолетового света, полезным или вредным? Что оно запустит, плодотворный синтез или реакцию, которая уничтожит все полезное? Понять это – непростая задача, и для ее решения необходимо сочетание тщательных экспериментальных измерений с подробным теоретическим моделированием. Неудивительно, что эти исследования еще продолжаются и в них участвует много ученых. Однако даже по неполным результатам мы можем заметить некоторые важные тенденции и усвоить несколько уроков. Пожалуй, самое важное для нас свойство ультрафиолетовых фотонов – их энергия. Высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение (коротковолновое, близкое к рентгеновскому) обычно самое разрушительное: каждый фотон несет достаточно энергии, чтобы разбить молекулы на фрагменты. Напротив, фотоны ультрафиолетового света с меньшей энергией (с большей длиной волны, ближе к видимому свету) не в состоянии разбить химические связи, поэтому они в меньшей степени влияют на ход химических реакций. А вот в промежуточном диапазоне все становится интереснее, поскольку фотоны среднего ультрафиолетового диапазона разбивают некоторые химические связи, но не все. В итоге одни соединения разрушатся, другие изменятся, а третьи сохранятся в прежнем виде, и эти процессы будут сложными и нередко непредсказуемыми, так как все зависит от конкретного спектра ультрафиолетовых фотонов, от интенсивности излучения, от деталей химической среды. С учетом всех этих оговорок нам следует тщательно изучить, как интенсивность ультрафиолетового облучения влияла на синтез полезных соединений на молодой Земле (и влияла ли вообще).

Среди самых простых и самых продуктивных следствий ультрафиолетового облучения значится и хорошо изученный процесс поглощения ультрафиолетового фотона комплексом ферроцианида: атом железа в комплексе приходит в возбужденное состояние и один из его электронов отделяется. Сначала он улетает на большой скорости, но затем, столкнувшись с несколькими молекулами воды, замедляется. В конце концов (в реальности через несколько наносекунд, а одна наносекунда – это одна миллиардная доля секунды) его окружает оболочка из молекул воды. Такой «гидратированный электрон» относительно стабилен – в том смысле, что обычно проходит несколько миллионных долей секунды, прежде чем его поглотит какая-нибудь другая молекула. Если вода содержит растворенный циановодород, электрон может присоединиться к нему и запустить последовательность реакций, которая в конце концов превратит циановодород в формальдегид и аммиак. Вероятно, вы заметили одно любопытное обстоятельство: по не вполне понятным причинам в предбиологических реакциях участвуют в основном вещества, которые мы сегодня считаем вредными и ядовитыми. Формальдегид, вырабатываемый в результате первоначального фотохимического процесса, очень быстро реагирует с ближайшей молекулой циановодорода, и получается простой циангидрин (гликолонитрил). Десятилетиями эту молекулу считали бесполезным тупиковым продуктом, поскольку она относительно стабильна и нереакционноспособна. В результате стали считать, что ее формирования следует избегать любой ценой, чтобы не расходовать ценный циановодород, превращая его в непродуктивный мусор.

Группа Сазерленда и здесь совершила понятийный прорыв, показав, что цианогруппа молекулы гликолонитрила тоже может поглощать гидратированный электрон. Затем происходит аналогичная последовательность реакций, и на этот раз получается простейший сахар – уже знакомый нам гликольальдегид с двумя атомами углерода: мы встречались с ним, когда пытались получить 2AO. Выходит, мы только что получили двухуглеродный сахар из формальдегида, знаменитого своей токсичностью, то есть из простейшего альдегида с одним атомом углерода (альдегиды – это органические соединения, в которых углерод связан двойной связью с кислородом). Этот простой сахар сам по себе служит полезным исходным материалом для построения более сложных молекул, в том числе более крупных сахаров. А затем та же череда реакций, которая превратила формальдегид в двухуглеродный сахар, может повториться, и тогда двухуглеродный сахар, прореагировав с другой молекулой циановодорода, превратится в трехуглеродный сахар глицеральдегид, который недавно помог нам превратить 2AO в РАО.

Только не пугайтесь сложных названий химических веществ. Суть в том, что реакции, которые мы описали, – потрясающее научное открытие, причем по целому ряду причин. Прежде всего, трехуглеродный сахар – важнейший метаболит в современной живой материи, одна из главных молекул на пути распада глюкозы на мелкие фрагменты. При этом вырабатывается энергия, обеспечивающая клеточные процессы. Далее глицеральдегид (трехуглеродный) и его маленький предшественник гликольальдегид (двухуглеродный) – это исходные материалы, которые нужны нам, чтобы приступить к созданию нуклеотидов с их пятиуглеродным сахаром рибозой.

Интересно, что этот процесс превращения циановодорода в простые сахара становится еще производительнее, если призвать на помощь своего рода «переработку вторсырья». Когда цианидный комплекс железа возбуждается под воздействием ультрафиолетового излучения и испускает электрон, он превращается в окисленную форму, так называемый феррицианид (т. е. гексацианоферрат (III)). Если этот феррицианид не превратится обратно в ферроцианид, производство гидратированных электронов застопорится, когда ферроцианид израсходуется. Однако сернистый газ SO₂ (диоксид серы) растворяется в воде и дает сульфит и бисульфит, способные переработать феррицианид обратно в ферроцианид. Откуда берется SO₂? Этот вопрос заставляет нас вспомнить, как важно учитывать геологическое окружение, в котором идут все эти реакции. Если мы учтем, что в этом окружении, скорее всего, шла вулканическая активность, нам сразу станет понятно, что испускаемые вулканические газы вполне могут содержать большое количество диоксида серы. Извержение газов, растворенных в расплавленной породе под высоким давлением, может проходить весьма зрелищно, когда магма подходит к поверхности и давление снижается. Вспомним извержение вулкана Пинатубо в 1991 году, когда сернистого газа выделилось так много, что из-за помутнения атмосферы на всей Земле два года регистрировалось похолодание. Как выяснилось, без участия серосодержащих химических соединений невозможно было бы превращать циановодород в простые сахара в ходе предбиологических реакций. Сегодня весь этот процесс называют цианосульфидной окислительно-восстановительной фотохимией, и это название подчеркивает, как важна в нем синергия циановодорода, серы и ультрафиолетового света.

Построение нуклеотидов

Однако при более пристальном рассмотрении становится виден целый ряд сложностей, которые необходимо преодолеть, прежде чем мы сможем заключить, что нашли реалистичный путь к созданию нуклеотидов. Чтобы показать, какого рода эти сложности, рассмотрим для примера две из них. Во-первых, эти двухуглеродные и трехуглеродные сахара реакционноспособны, а особенно сложно бывает с глицеральдегидом, так как он претерпевает спонтанную перегруппировку (так называемую реакцию изомеризации) из альдегида (где группа C=O находится на конце углеродной цепочки) в кетон (где C=O расположена в середине молекулы). У такой перегруппировки есть один неприятный результат: если предоставить раствор глицеральдегида самому себе, более 99,9 % этого сахара превратится в кетон, который не станет принимать участия в синтезе нашего драгоценного кристаллического промежуточного продукта РАО. А значит, исследователям нужно было открыть какой-то способ стабилизировать эти двух- и трехуглеродные сахара, чтобы они могли накапливаться в больших концентрациях, не образуя нежелательные побочные продукты.

К счастью, оказалось, что таких способов существует по крайней мере два. Первый невероятно прост. Атмосферный SO₂ растворяется в воде, особенно слабощелочной, образуя бисульфит, который приходит на помощь, реагируя с альдегидами (в том числе и с нашими простыми сахарами), в результате чего получаются стабильные комплексы. Более того, эта реакция обратима, то есть добавочные бисульфитные продукты могут накапливаться, однако свободный сахар может медленно выделяться, обеспечивая протекание желаемых реакций.

Любопытно, что есть и второй, пусть и более сложный, способ стабилизировать сахара, чтобы они образовывали устойчивые запасы. Этот метод был открыт в лаборатории химика Мэтью Паунера в Университетском колледже в Лондоне и тоже задействует серосодержащие реагенты. В этом случае главная молекула – серосодержащий аналог 2AO (предшественника нуклеотидов), который мы будем называть 2АТ. Оказалось, что 2АТ реагирует с нашими простыми сахарами, создавая стабильные комплексы, причем, что восхитительно, кристаллические. В смеси сахаров 2АТ реагирует быстрее всего с двухуглеродным сахаром гликольальдегидом, так что из раствора осаждается слой кристаллов продукта реакции. Затем 2АТ реагирует с глицеральдегидом и создает второй слой кристаллов. 2АТ возвращает в строй даже нежелательный кетоновый изомер глицеральдегида, так как этот изомер медленно превращается обратно в глицеральдегид, который после этого выводится из раствора под воздействием кристаллического 2АТ. Который из этих двух способов кристаллизовать сахара – «настоящий»? Что на самом деле происходило на молодой Земле? У каждого из них свои преимущества: процесс с участием бисульфита проще, зато процесс с участием 2АТ приносит дополнительную пользу, физически разделяя запасы двухуглеродного и трехуглеродного сахаров. Насколько необходимо такое разделение, еще предстоит выяснить.

Итак, мы придумали, как удерживать наши сахара, двухуглеродный и трехуглеродный, в стабильной форме, либо в растворе, либо в кристаллических запасах. Теперь встает вопрос, что происходило дальше. Как мы уже обсудили, гликольальдегид реагирует с азотсодержащим соединением цианамидом, что дает относительно стабильный промежуточный продукт, который мы назвали 2AO. 2AO реагирует либо с другой молекулой гликольальдегида, либо с молекулой глицеральдегида. Эти реакции порождают некоторый беспорядок, поскольку реакция со вторым гликольальдегидом дает два продукта, а реакция с глицеральдегидом – целых четыре, и только один из них – наш любимый промежуточный продукт РАО. Из этих шести продуктов только РАО кристаллизуется из раствора, поэтому остальные пять побочных продуктов вымываются и остается запас чистого РАО. Отметим, что история о кристаллизации РАО интересна и по другой причине: в ней есть неожиданный поворот (почти буквальный), так как эти кристаллы особым образом формируются на магнитной поверхности, и это даже может объяснить, почему только одна из двух (левой и правой) зеркальных форм нуклеотидов подходит для создания живой материи в известном нам виде.

Сейчас наша главная забота – понять, как запасы чистого кристаллического РАО могли превратиться в сырье, необходимое для зарождения жизни – в нуклеотиды, строительный материал РНК. Как мы уже знаем, РАО хорошо реагирует с очень реакционноспособным соединением цианацетиленом, которое, в сущности, представляет собой молекулу ацетилена, связанную с молекулой циановодорода. Продукт такой реакции – нуклеозид, предшественник Ц, до обидного близкий к тому Ц, который присутствует в РНК, но не совсем такой, как надо. К этому препятствию мы еще вернемся, однако первый вопрос состоит в том, откуда возьмется цианацетилен. Ответ состоит в том, что это вещество может образовываться в восстановительной атмосфере, богатой метаном, водородом и аммиаком, а также циановодородом. (Кстати, цианацетилена много в атмосфере Титана, спутника Сатурна.) Однако сама реакционная способность цианацетилена всегда ставила под некоторое сомнение возможность его реакции с РАО, так как не было окончательно понятно, как в нужном месте в нужное время может накопиться достаточно цианацетилена для запуска синтеза нуклеотидов.

Недавно ученые из лаборатории Сазерленда нашли выход и из этого положения – там, где не ждали, а именно в химических особенностях самого циановодорода. Концентрированный раствор циановодорода, в формамиде, продукте собственного гидролиза, и слегка нагретый, дает неожиданно много аденина (сокращенно А). Как мы уже отмечали, аденин, один из канонических кирпичиков, из которых состоит РНК и ДНК, – это всего-навсего пять молекул циановодорода, соединенных нужным образом. Однако аденин – не единственный продукт этого синтеза. Другой доминирующий продукт – молекула, состоящая из четырех молекул циановодорода, соединенных так, что получается плоское кольцевидное ядро с двумя торчащими из него цианидными группами (-CN), условно называемая DCI (дицианоимидазол). Все это – обходной путь, который приведет нас к решению проблемы цианацетилена. Исследователи из лаборатории Сазерленда, к своему удивлению, обнаружили, что DCI быстро реагирует с цианацетиленом и образует стабильное соединение, которое мы для простоты будем называть CV-DCI (циановинил-дицианоимидазол). Это любопытное вещество, кристаллизующееся из смеси реагентов в виде красивых плоских кристаллов – опять же чудесный стабильный запас главного реакционноспособного соединения. Но главное – CV-DCI не настолько стабилен, чтобы его драгоценный груз, цианацетилен, оказался заперт в нем на веки вечные в инертной форме. На самом деле CV-DCI медленно выделяет цианацетилен в раствор, где он может реагировать с РАО и давать «не совсем тот» предшественник Ц.

В этот момент сложилось впечатление, будто удалось решить сразу несколько трудных проблем, но все же рано вздыхать с облегчением, поскольку сам Ц мы так и не получили – только его дегидратированную (обезвоженную) форму, так называемый ангидронуклеозид. Хуже того, у этого ангидро-Ц азотистое основание находится ниже сахарного кольца (это так называемый α-аномер), а не выше, как в β-аномере, который мы повсеместно встречаем в живой материи, поэтому реакция с водой дает лишь α-аномер Ц. Вот оно, то самое препятствие, которое встало на пути прогресса еще 60 лет назад. Именно тогда химик Лесли Орджел и его коллеги обнаружили, что ультрафиолетовое излучение все-таки превращает очень небольшую долю формы α в вожделенную форму β. Этот результат вызвал столько же досады, сколько и радости, так как, по-видимому, не существовало способа спасти РАО от тупикового превращения в α-рибоЦ.

Решение задачи о том, как использовать склонность РАО к самоочищению посредством кристаллизации, пришло в очередной раз из размышлений над тем, в какой геологической обстановке шли предбиологические химические реакции.

Мы уже обсудили потенциальные роли одного серосодержащего вулканического газа – SO₂, – но существует и другой серосодержащий газ, который трудно не заметить везде, где идет вулканическая активность. Это сероводород – сульфид водорода, H₂S. Именно этим газом пахнут тухлые яйца, а еще это один из самых узнаваемых и опасных газов, выделяющихся из вулканической лавы и подземной магмы. Один из авторов (Шостак) как-то раз поехал отдохнуть на карибский остров Доминику и попытался посетить знаменитое «кипящее озеро» в активном вулкане. Однако резкая вонь H₂S стала невыносимой задолго до того, как озеро показалось вдали, и ученому пришлось повернуть назад. Хотите верьте, хотите нет, но очень похожий случай произошел со вторым автором (Ливио) на острове Вулькано близ Сицилии. Подобно своему более богатому кислородом родичу SO₂, H₂S тоже растворяется в воде, особенно если она немного щелочная. Таким образом, вода, циркулирующая в земной коре и контактирующая с газами, выделяемыми из магмы, накапливает сероводород, который способен делать много всего интересного. Например, сероводород реагирует с ионами металлов, в том числе с двухвалентным железом, и осаждает их в виде сульфида соответствующего металла. В случае железа это минерал пирит, напоминающий золото. Однако, если сульфид отчасти остается в поверхностных водах, происходят еще более интересные реакции, что возвращает нас к загадке РАО.

Как уже отмечалось, РАО реагирует с цианацетиленом (который понемногу поступает из резервуара CV-DCI) и формирует почти правильную (но не совсем) «ангидро-форму» Ц, и проблема только в том, что кольцо Ц смотрит вниз от сахарного кольца, а не вверх, как в биологической форме Ц. Когда ангидро-Ц гидролизуется водой, у нас получается так называемый α-аномер Ц, и мы не располагаем никакими удобными способами преобразовать его в желаемую форму β, перевернув конструкцию так, чтобы кольцо Ц смотрело наверх. Так вот, ученые обнаружили, что сульфид может атаковать и такой ангидро-предшественник. В продукте этой реакции один из атомов кислорода в азотистом основании замещается атомом серы. Казалось бы, это шаг назад, ведь теперь перед нами две проблемы: кольцо по-прежнему находится в неправильном положении и к тому же модифицировано атомом серы. Однако, как это ни невероятно, именно атом серы приходит на выручку, поскольку теперь умеренное ультрафиолетовое облучение возбуждает молекулу и, в сущности, переворачивает кольцо в нужное положение – когда оно обращено наверх. Дальнейшее облучение ультрафиолетовым светом в слабощелочных условиях приводит к удалению атома серы из продукта, после чего остается та самая, природная форма рибонуклеозида Ц. Более того, то же дополнительное облучение ультрафиолетом в щелочной среде превращает Ц в У – урацил – что дает нам два из четырех канонических кирпичиков, из которых состоит РНК!

Подведем краткие итоги. Мы видели, как циановодород можно преобразовать в простые двухуглеродные и трехуглеродные сахара, которые затем стабилизируются реакцией либо с бисульфитом (из вулканического SO₂), либо с 2АТ. Затем цианамид реагирует с этими сахарами и формирует сложную смесь продуктов, из которых один изомер – РАО – спонтанно кристаллизуется из раствора и тем самым образует запас чистого вещества. Далее РАО реагирует сначала с цианацетиленом (полученным из другого кристаллического запаса, CV-DCI), а затем с сероводородом и дает серосодержащий нуклеозид, который преобразуется в нужную форму (аномер) под воздействием ультрафиолетового света. Наконец, дальнейшее ультрафиолетовое облучение в щелочной воде создает смесь биологически релевантных нуклеозидов Ц и У. Общая последовательность схематично изображена на иллюстрации.

Пожалуй, важнейшая особенность такой последовательности экспериментально продемонстрированных реакций состоит в том, что передовые исследования заставляют отказаться от концепции «первичного бульона» в пользу поэтапного процесса, в ходе которого промежуточные продукты стабилизируются в растворе и очищаются кристаллизацией. Эти кристаллические промежуточные продукты, в сущности, органические минералы, могут накапливаться со временем и либо уничтожаются, либо вступают в реакцию на следующем этапе пути.

Возникает очевидный вопрос: какова вероятность, что при правильных условиях все эти реакции произойдут в природе в правильном порядке и дадут окончательный результат – биологический строительный материал? Ответить на этот вопрос, опираясь только на химию, трудно, если вообще возможно. И в самом деле, есть вероятность, что самый трудный, то есть самый медленный, этап зарождения жизни – это и есть производство и накопление запасов нужных компонентов, которые затем должны прореагировать в нужном порядке, чтобы получились биологически релевантные продукты. Внести ясность отчасти помогут астрономические поиски внеземной жизни, если, например, окажется, что жизнь в нашей Галактике – явление нередкое.

Создать два из четырех нуклеозидов РНК, мягко говоря, недостаточно, чтобы сконструировать живую протоклетку. Сам по себе успех создания Ц и У (пиримидиновых нуклеозидов) вызывает вопрос: как же быть с остальными, пуриновыми нуклеозидами А и Г? Было исследовано много новых идей, но ясного ответа пока не видно. Другой важный вопрос – как подсоединить к нуклеозидам фосфат, чтобы получить нуклеотиды, то есть настоящие звенья цепочки РНК. Это другая область, где предстоит еще многого достигнуть. Сложность в том, как прикрепить фосфат к нуклеозиду в нужном месте (это называется фосфорилирование): на сахаре-рибозе три гидроксильные группы (-OH), и в принципе любая из них может быть подвергнута фосфорилированию. Большинство методов, позволяющих добиться нужного фосфорилирования, довольно грубы и неспецифичны, то есть фосфаты добавляются к любой группе или ко всем трем, что дает смесь веществ. В живой материи у нуклеотидов, составляющих РНК и ДНК, фосфат всегда крепится к конкретной – OH группе (торчащей вверх и в сторону от остальной молекулы сахара), но, как ни досадно, с химической точки зрения, по-видимому, проще прицепить фосфаты к двум другим гидроксильным группам, что также приводит к возможности циклизации (образованию циклического рибозофосфата, а именно 2’-3’-цикло-рибозофосфата). Любопытно, что это тот же самый продукт, который образуется при гидролизе РНК. Возможно, такие нуклеотиды или короткие цепочки нуклеотидов с концевым циклическим фосфатом и есть настоящие первичные «кирпичики» РНК, а то фосфорилирование, которое мы наблюдаем в современной биологии, – это более позднее «изобретение» эволюции. Такая идея соответствует тому, что подобные короткие цепочки могут собираться на матрице (когда одна цепочка служит «формой» для другой), чтобы давать более длинные цепочки-продукты.

С другой стороны, низкая скорость и продуктивность таких реакций сборки могут быть с тем же успехом послужить доказательством того, что этот процесс не может участвовать в синтезе РНК. Да, матричное копирование нуклеотидами (или короткими цепочками) с активированным фосфатом в нужной позиции идет гораздо быстрее и продуктивнее. Одна из первых попыток нацелить фосфорилирование на нужную позицию предполагала присутствие бората (соли борной кислоты), которая создает комплексы с остальными двумя гидроксильными группами и не позволяет им подвергнуться фосфорилированию. Это и правда помогает, но недоступность достаточных количеств бората на ранней Земле, где создавались нуклеотиды, делает такую гипотезу очень спорной. Можно ли найти какой-то другой способ произвести фосфорилирование мягче и прицельнее, пока неясно, но поиски такого способа, безусловно, входят в число неотложных задач в рассматриваемой области.

Как мы видели, получение строительного материала для РНК в лаборатории сопряжено с множеством трудностей. Тем не менее дотошность и творческий подход в сочетании с обширной экспериментальной работой позволили преодолеть многие из этих трудностей (но не все). Но это только начало. Прежде чем мы сможем сказать, что поняли, как возникла жизнь, нам нужно получить в ходе экспериментов еще много других компонентов живой клетки.