Kirjastuse Alpina Non-Fiction avaldatud raamatu "Elu päritolu: udust rakuni" autor Mihhail Nikitin rääkis Pööningule, kuidas savid, tsinksulfiidid ja natuke õnne aitasid loodusel ületada peenet piiri elu ja elu vahel.
Mis on elu?
- Kui võtate lapse positsiooni, kes näeb ainult loomi ja taimi, siis võime öelda, et elusorganismid on need, mis kas liiguvad või kasvavad. Tõsi, kui siia lisada mikroobid või mõned mereloomad, näiteks korallid, kes peaaegu ei liigu, siis on liikuvuse kriteerium juba vaieldav. Siis võime öelda, et kõik elusolendid peaksid paljunema, kuid ka siin leidub vastunäiteid: mõni soolakristall küllastunud lahuses kasvab ja isegi paljuneb (selle saab tükkideks jagada ja teistesse lahustesse tagasi panna), kuid see ei muuda kristalli elus.
Mingi täiesti ebaselge määratlus tuli välja
- Absoluutselt rangeid määratlusi leidub ainult matemaatikas ja kui pöördume reaalse maailma poole - kasvõi sama füüsika ja mitte tingimata bioloogia poole, muutub rangete määratluste andmine palju keerulisemaks ja see pole juhuslik.
Kui suudaksime jagada maailma selgelt elavaks ja elutuks, siis ei suudaks me kunagi vastata küsimusele, kuidas elu Maal üldse ilmuda võiks.
Me teame, et Universumil on algus, Suur Pauk, ja neis tingimustes ei saaks eksisteerida ühtegi meie omaga kaugel sarnast elu, kuid teame ka kindlalt, et nüüd on elu olemas. Kui elavate ja elutute vahel oleks ületamatu kuristik, siis oleks isegi miljardeid aastaid pärast Suurt Pauku seda võimatu järsu hüppega ületada.
Siiski otsivad astrobioloogid nüüd elu teistel planeetidel. Mida nad täpselt otsivad? Nad ei saa loota lapsepõlve aistingutele
Reklaamvideo:
- Jah, selleks on NASA astrobioloogilises programmis sõnastatud toimiv määratlus: elu on keemiline süsteem, mis on võimeline Darwini evolutsiooniks. "Keemiline" tähendab "koosneb aatomitest, molekulidest ja nende vaheliste reaktsioonide kasutamist". Ja "Darwini evolutsioon" jaguneb neljaks tingimuseks: (1) objektid peavad paljunema ehk looma oma koopiad; (2) koopiad ei tohi olla täiesti täpsed, seal peavad olema kopeerimisvead, mida nimetatakse mutatsioonideks; (3) mutatsioonid tuleb edastada järgmise põlvkonna koopiatele, see tähendab, et peab olema pärilikkus; (4) kopeerimisvead peaksid mõjutama edasise kopeerimise tõenäosust, see tähendab, et peaks olema valik.
Ja miks me usume, et elu peab tingimata arenema, arenema?
- Rangelt võttes võib elu areneda, kuid ei tohiks. Mõned meredes elavad tsüanobakterid on praegu peaaegu samad kui kaks miljardit aastat tagasi - nad ei muutu keerukamaks, kuid arenevad täielikult vastavalt nendele neljale tingimusele, mis, muide, pole maismaale omased ega ole üldjuhul bioloogilised. Darwini areng on pigem matemaatik: Nõukogude matemaatik, 100-aastane Darwini järel Aleksander Ljapunov näitas, et see on ainus protsess, mis võib luua põhimõtteliselt uut teavet ja samal ajal ei pea see olema seotud materiaalsete kehade ega mingisuguse keemiaga. On olemas näiteks evolutsiooniline programmeerimine, kus nullid ja ühed allutatakse Darwini valikule, kuid keemilisi reaktsioone pole ja seetõttu ei saa me NASA määratluse kohaselt pidada evolutsioonilisi programmeerimisprogramme eluks.
Noh, küsimus taandus veelgi abstraktsemaks: miks me usume, et elusolendite arenguprotsessis peaks ilmnema uus teave?
- Fakt on see, et kõik teadaolevad organismid Maal on "parasiit-peremees" suhtes. Loomadel, taimedel, seentel, bakteritel - vähemalt mõned viirused elavad alati mis tahes rakulisel elul ning parasiit-peremeespaaris algab alati võidurelvastumine, kui peremehed muutuvad mutatsioonide ja parasiitide toimel parasiitide suhtes vastupidavamaks. - võimekam uute organismide nakatamiseks.
See on nagu filmis "Alice läbi vaadatava klaasi" - "Siin tuleb paigas püsimiseks väga kiiresti joosta." See elusorganism, mis "peremehe-parasiidi" suhtes ei muutu, sureb varsti välja.
Sarnane võidurelvastumine otsimootorite ning igasuguste rämpspostitajate ja petjate seas: mu sõber, kes Internetis saite reklaamis, ütles, et peaaegu kõik leitud reklaamivahendid lakkavad töötamast kuue kuu jooksul, kuna Yandex ja Google muudavad oma algoritme pidevalt.
Tuleb välja, et asjaolu, et keegi ei ela vaakumis, paneb elu muutuma ja arenema?
- Oh, kindlasti. Ja see ei tööta ainult üksikute organismidega. Näiteks, kui šimpansi genoom sekveneeriti, tormasid kõik otsima, millised inimese ja ahvi geenid erinevad üksteisest kõige rohkem, mis tegelikult muudab inimese ahvist. Teadlased leidsid neid geene mitusada, hakkasid uurima, milliseid kudesid nad töötavad, ja selgus, et peaaegu kõik neist on aktiivsed sugunäärmetes - kas munandites või munasarjades ning nende geenide produktid asuvad kas spermatosoididel või munarakkudel, mis on ka omamoodi võidurelvastumine. Emased on huvitatud munaraku sisenemisest munarakkudesse mitte liiga kiiresti (muidu võivad neist mitu tungida korraga ja rakk sureb suure tõenäosusega) ning isased soovivad oma geneetilist materjali edastada kõige tõhusamal viisil.
Fossiilsed korallid sarnanevad pigem kividega kui elusolenditega
Milliste mineraalideta oleks üleminek elutult elamisele ja arenemisele võimatu?
- Esiteks on mõned mineraalid endiselt elusorganismides. Need on raua-väävli püriti klastrid, mineraalid, millel on iseloomulik kuldne valk, mida inglise keeles nimetatakse ka lollikullaks - lollikullaks. Püriidi nanoosakesi kasutatakse valgumolekulide sees juhtmete valmistamiseks, mille kaudu voolab elektrivool: nad osalevad keha sees olevates redoksreaktsioonides ja raua-väävli klastrite töö häired võivad muutuda isegi surmavaks. Lisaks on mõnel bakteril ka nikli-väävli klastrid ja taimedel on mangaani-hapniku klastrid. Need on mineraalid, ilma milleta elusorganismid ikka veel eksisteerida ei saa. Lisaks neile eeldatakse elu tekkimises osalemist mitmesugustes tsingi sulfiidsetes mineraalides ja kihilistes savimaterjalides, näiteks smektiidis.
Miks on tsinksulfiidid nii olulised?
- Elusrakud sisaldavad alati palju tsinki, see on tegelikult kõige tavalisem mikroelement. Sageli on seda isegi rohkem kui rauda ja nüüd pole teada ühtegi elusorganismi, kes saaks elada ilma tsinkita. See sisaldub paljudes valkudes, kus mõnikord pole sellel isegi biokeemilisi omadusi - see ei istu molekulide aktiivsetes keskustes, vaid stabiliseerib ainult valgu kolmemõõtmelist voltimist. Pealegi on tänapäevases magevees või muus maapealses keskkonnas tsinkil suur puudujääk ja kohutav raisk on seda sellistes kogustes kasutada. Seega tekkis Armen Mulkidzhanyani sõnastatud tsingimaailma hüpotees, mille kohaselt elusorganismid tekkisid ja arenesid tihedas kokkupuutes tsingil põhinevate mineraalidega - tsinksulfiidides.
Ja miks nendega suhelda? Kas see on lihtsalt õnnetus, mis on nüüd kinnistunud ebatavalises rakulises koosseisus?
- Ei, see pole õnnetus. Tsinkimaailma hüpoteesi teine eeldus on seotud tänapäevaste nanotehnoloogide tööga. Fakt on see, et tsinksulfiidil ja ka kaadmiumsulfiidil põhinevad kvantpunktid suhtlevad valgusega väga huvitavalt. Need võivad anda luminestsentsi, fosforestsentsi ja suudavad valguse abil läbi viia igasuguseid ebatavalisi reaktsioone, näiteks vähendada süsinikdioksiidi sipelga-, äädik- ja muudeks orgaanilisteks hapeteks. Lisaks pakuvad tsinksulfiidid head kaitset ultraviolettkiirguse eest ning iidse Maa tingimustes, kus puudub hapnik ja osoonikiht, on see väga tõsine pluss. Paljude kaasaegsete mikroobide jaoks saabub surmav annus selle päikese all mõne minuti pärast.
Nii et tsinksulfiidid võiksid anda esimestele prebioloogilistele eluvormidele nii katuse pea kohal kui ka taskukohase dieedi mineraalsete fotosünteesitoodetega - nii laua kui ka majaga.
Lisaks põhjustab tsinksulfiidide fotosüntees mineraalide hävitamise ja tsingi eraldumise lahusesse, väliskeskkonna väga ebanormaalse küllastumise tsingiga, mis on fikseeritud kõigis elusrakkudes. Kõik on üllatavalt ühesugune.
Kuhu on tsinksulfiidid nüüd kadunud? Miks pole neid Maal nii palju kui varem?
- Läksime merepõhja. Tsinksulfiidi hoiused tekivad seal, kus seda kannab Maa soolestikust üle 200-kraadise temperatuuriga vesi ja tänapäeva atmosfäärirõhul keeb vesi palju varem. Sellised tingimused tekivad nüüd mustades suitsetajates ainult mere põhjas: neist voolab välja isegi kuumem temperatuur, mille temperatuur on 350 kraadi, mis lisaks tsinksulfiididele sisaldab veelgi raskemini lahustuvaid raudsulfiide. Need on mustad mineraalid, nad moodustavad suitsetajate kohal mustad suitsusambad ja moodustavad nende "piibud" ning tsinksulfiidid on valged ja need katavad põhja suitsetajate ümber. Vana-Maal oli atmosfäär mitu korda tihedam kui praegu ja kuumaveeallikad võisid soovitud temperatuuri pakkuda otse Maa pinnal, sellistel maastikel nagu Kamtšatka või Islandi geisrite org. Sellest ajast alates on näiteks säilinudPürenee püriidivöönd Hispaanias on miljardeid aastaid tagasi kuumaveeallikatest moodustunud 300 km tsingi, mangaani ja rauasulfiidide massiiv.
Noh, tsinksulfiidid kaitsevad ultraviolettkiirguse eest ja pakuvad toitumist. Millist rolli mängisid smektid ja muud savid? Ma ei suuda isegi uskuda, et mingi mustus aitas elu tekkimist
- Inimese silma jaoks on savi lihtsalt mingi mustus ja segadus, samas kui mikroskoopilisel tasandil on see väga struktureeritud materjal: tavalised õhukesed ja pikad silikaatplaadid, mille vahel on umbes kahe veemolekuli paksused tühimikud, kuhu on ideaalselt paigutatud aminohapped või nukleotiidid … See kitsas keskkond juhib ideaalselt valgu- ja nukleiinhappeahelate kasvu.
Katsed näitavad, et kui smektiitidele lisatakse isegi väga lahjendatud lahus koos DNA või RNA ehitusplokkidega, siis mõne minuti pärast on peaaegu kõik neist sellises savi setetes lompi põhjas ja mõne aja pärast ühenduvad nad väikesteks nukleiinhapete ahelateks.
Ilma sellise savi telliva efektita oleks elu tekkimine võimatu.
Kes tuli mängu varem: tsinksulfiidid või smektiidid?
- Otsustades geoloogide uuringute põhjal, võivad iidsetes kuumaveeallikates olla tsinksulfiidid koos smektiitidega, nagu juhtub Kamtšatka mudapottides ikka veel: vees lahustunud silikaadid kondenseeruvad seal väga peeneteraliseks saviks, mis on ideaalne mitmesuguste orgaaniliste ainete kogunemiseks. aineid. Nii et suure tõenäosusega tulid mõlemad mineraalid mängu korraga. Sulfiidid olid ultraviolettkiirguse eest kaitstud ja neid söödeti mineraalsete fotosünteesiproduktidega, smektiidid aga loovad tingimused molekulide iseorganiseerumiseks ja organiseeritud ainevahetuseks, kuna need võivad katalüüsida paljusid reaktsioone.
Mineraalne sfaleriit, üks looduslikult esinevaid tsinksulfiide
Kujutagem ette, et kas Maal või mõnel teisel planeedil arenesid jälle täpselt samad tingimused, mis miljardeid aastaid tagasi - kas elu ilmub uuesti? Ja mis vormides see areneks?
- Aus vastus: ma ei tea ja keegi ei tea. Minu maitsele - 50/50, kas välja arenenud või mitte. Kuid samal ajal, kui see tõepoolest areneks, oleks see täpselt sama mis praegu või vähemalt väga sarnane: elu keemiline alus oleks sama. Sama nukleotiidid DNA-s ja RNA-s, samad 20 aminohapet valkudes, sama rakumembraanide struktuur, sama fotosüntees klorofüllil, samad mikroelemendid. Erinevused oleksid pigem ainult ajaloolised, ajaliste permutatsioonidega: suure tõenäosusega oleks tekkinud samad loomad, taimed, mikroobid, erinevad ökoloogilised rühmad, kuid nende omavaheline suhe oleks erinev.
Kus selline enesekindlus?
- Võin tuua väikese näite imetajate arengust erinevatel mandritel. Mesosooja ajastul domineerisid Maal dinosaurused ja kogu maa ühendati kõigepealt Pangea superkontinendiks ja seejärel kaheks superkontinentiks - Laurasia (Euraasia + Põhja-Ameerika) põhjas ja Gondwana (kõik lõunapoolsed mandrid) lõunas. Seetõttu oli dinosauruste ajal loomastik peaaegu kogu Maal sama ja lähemal dinosauruste väljasuremisajale Gondwana lõhenes ja sai isoleeritud mandrid. Ja erinevatel mandritel ilmusid välimuselt sarnased, kuid täiesti mitteseotud vormid iseseisvalt: Lõuna-Ameerikas olid antiloopide, hobuste, ninasarvikute, Austraalias ja Tasmaania analoogid - marsupiaalsed mõõkhammastega tiigrid. Siiani on säilinud vombatid - marmootide või küülikute marsupiaalsed analoogid - ja tuntud kängurud,hõivates kiirete rohusööjate samasuguse ökoloogilise niši nagu antiloopid ja gasellid. See tähendab, et evolutsioon kipub kordama samu otsuseid erinevates tingimustes.
Noh, mis siis oleks saanud takistada elu tekkimist ja arengut samades algtingimustes? Kust tuleb 50/50?
- Juhusliku ja loomuliku hindamine ühe sündmuse järgi on väga keeruline.
Kui elu sai usaldusväärselt alguse ainult ühelt maataoliselt planeedilt, siis on meil väga raske hinnata, kui palju see oli ette määratud, sest meie, vaatlejad, oleme definitsiooni järgi sellel väga asustatud planeedil ega oska kindlalt öelda, kui ainulaadne see on: meie juhtum on juhtum seitsmest kümnest reast või üks miljardist?
Vastamiseks peame lendama teistele planeetidele või vähemalt vaatama teleskoobi kaudu väga hästi välja, sest sellist elumärki nagu hapniku atmosfäär 5-10 aasta pärast võib juba eksoplaneetidel näha. Muidugi ei tähenda hapniku atmosfääri olemasolu automaatselt intelligentset elu ja kõrgelt arenenud loomi, kuid see räägib fotosünteesivate mikroobide ja taimede ilmnemisest sellel planeedil, kuna Maal tekkis hapniku atmosfäär ainult elu osalusel.
Geoloog Robert Hazen usub, et võlgneme elu ka Maa eluta aine mitmesuguste vormide mitmekesisusele. Kas olete selle arvamusega nõus? Kas bioloogiline evolutsioon võib vallandada mineraalide evolutsiooni?
- Robert Hazen ehitab oma arutluskäigu mineraalide näitel ja siin on kõik kaardid tema käes. Ta on kogu elu õppinud mineraloogiat ja kui ta kirjutab, et üle poole Maa mineraalidest võiks tekkida ainult hapnikukeskkonna osalusel, siis on tal tõenäoliselt õigus. Maal on tõepoolest teada palju rohkem mineraalide sorte, kui neid leidub kuukivimites, meteoriitides või muudes kosmilistes kehades ning paljud neist kivimitest poleks saanud ilmuda ilma elusorganismide osaluseta.
Üks roomav kivi Racetrack Playa saarel Death Valleys USA-s
Pilt: Vikipeedia
Kas elu on võimalik, mängides samade evolutsiooniseaduste järgi, kuid tuginedes erinevale keemiale?
- Nüüd on elu kohta erinevad alusetud hüpoteesid erineval materiaalsel alusel. Näiteks on kahtlus, et neutronitähtede pinnal võivad nende koletu raskusjõu ja ülitugevate magnetväljadega isekopeeruvad struktuurid eksisteerida mitte aatomitest, vaid erinevatest subatomaarsetest osakestest - neutronitest, prootonitest või eksootilisematest osakestest, mida Maal on võimalik saada ainult kiirendites. Siis on hüpoteesid räni elu kohta pigem ränipõhiste polümeeride kui süsiniku abil. Lõpuks on üldfüüsika instituudil hüpotees tolmuse plasma elu kohta. Nad näitasid, et kui plasmale lisatakse tolmuosakesed, siis võivad tekkida üsna keerukad struktuurid, mis sarnanevad näiteks DNA heeliksiga, kuid nüüd on siiski vaja näidata, et need võivad paljuneda, näidata varieeruvust ja pärilikkust.
Ja kuidas saaksime mateeriast aru saada, kas see on elus või mitte, kui see ei liigu, kasva ja seda kontrollib hoopis teine biokeemia? Kas suudame eksootilise elu ära tunda?
- Lisaks elu määratlustele leidub ka märke, mille abil saame, isegi kui meie käsutuses on vaid mõni kahtlase ohutusega laip, kindlalt kindlaks teha, et see oli kunagi elusolend. Esiteks erinevad kõik elusolendid elututest elementide isotoopkoostise poolest - elusolendites on need kergemad ja teiseks on kiraalne puhtus elusolenditele omane.
Miks eelistab loodus kergeid isotoope?
- Elusorganismi ainevahetus koosneb paljudest keemilistest reaktsioonidest, mida katalüüsivad suured valgumolekulid - ensüümid, ja reaktsioonisaadused lähevad ühest ensüümist teise eranditult molekulide termilise liikumise - difusiooni tõttu. Näiteks toimub fotosünteesis teel süsinikdioksiidist suhkruni üle tosina keemilise reaktsiooni ja mida kergemad molekulid neis osalevad, seda kiiremini toimub ainevahetus. Selle tagajärjel on elusas aines sisalduvat kerget süsinik-12 isotoopi peaaegu 100 korda rohkem kui raskes süsinik-13 isotoopis ja eluta looduses on proportsioonid veidi erinevad. Sellist elumärki võib märgata isegi õli koostises, mis kunagi oli elus mikroobid ja lagunes seejärel hapnikuvabas atmosfääris ja kõrgel temperatuuril. Sama peaks olema sama räni elu koosseisuga.
Ja elusaine kiraalne puhtus? Mida mõeldakse?
- looduses on molekule, millel võib olla kaks peegelduvat, mitte kokkulangevat vormi - objekti ja selle peegeldusena või parema ja vasaku käena; ükskõik, kuidas te seda ruumis keerutate, ei toimi kunagi nende omavahel kombineerimine. Selgub, et valkude aminohapped on ainult vasakpoolses vormis ja DNA nukleotiidid paremal ning see on elusolendi ainulaadne omadus, sest nende keemiliste omaduste poolest on parem- ja vasakpoolsed molekulid peaaegu identsed, nad erinevad vaid veidi füüsikaliste omaduste poolest (näiteks interaktsioon polariseeritud valgusega) ja biokeemiline (kiraalse valiku eest võivad vastutada just need smektiitide tühimikud, kuhu paigutati ainult vasak või parem molekul).
Nii et kui näeme ainetükki, mis koosneb ainult parempoolsetest või vasakukäelistest molekulidest - kiraalselt puhas, siis peame mõistma, et siin on tõenäoliselt töötanud elusorganismid, ükskõik kui mitu miljardit aastat on nende surmast möödas.
Seega, kui ehitame maavälise elu otsimiseks sonde mis tahes kummalisematel keemilistel alustel ja saadame need näiteks Titanisse, Pluutosse või Euroopasse, siis tuleb neid isotoop- ja kiraalse koostise anomaaliate otsimiseks väga hoolikalt häälestada.
Võib-olla siis selgub, et mõni silmapaistmatu, silmatorkamatu kivi on tegelikult üsna elus?
- Noh, kõigil maapealsetel mineraalidel pole neid elamise märke, kuid teoreetiliselt - miks mitte? Muide, lugu on kivide roomamisest California kõrbes - üsna tuntavad alla tonni kaaluvad munakivid, mis roomavad tänu sellele, et igal õhtul jäätub ühel küljel rohkem jääd kui teisel küljel. Siis see jää sulab, paisub ja surub seeläbi kivi mõne millimeetri murdosa võrra. Kui teete fotosid umbes aasta tagant, tulevad need kivide rännakud üsna märgatavad. Ma ise tean veel üht rändavate munakividega kohta - see on Valge meri. Juba ammu on tähele pandud, et kui seal tehakse sama intervalliga fotosid ka aastase vahega, siis osa kive kaob, osa ilmub: mõõnade ja mõõna koos jääga koosmõju muudab elutu aine elavaks …Vähemalt samal lapselikul tasemel.
Mihhail Nikitin, bioloog, Moskva Lomonosovi Riikliku Ülikooli A. N. Belozersky füüsikalise ja keemilise bioloogia uurimisinstituudi nooremteadur, raamatu "Elu tekkimine" autor. Udust rakkudeni ", Aleksander Beljajevi nimelise kirjandusauhinna laureaat.
Mihhail Petrov
