На протяжении 80 лет многие считали, что ранняя жизнь зародилась в "первичном бульоне" органических молекул перед эволюцией в океанах миллионы лет спустя. Знакомая всем по школьным учебникам "теория бульона" опровергнута в новаторском исследовании, обнародованном в BioEssays, где утверждается, что начало ранней жизни дала химическая энергия Земли из гидротермальных источников на дне океана.
«Учебники утверждают, что жизнь возникла из органического «бульона», и что первые клетки стали результатом брожения этих органических веществ, давших энергию в форме АТФ-синтазы. Мы же предлагаем новый взгляд и убеждены, что старый подход не работает во всех ситуациях», — сказал руководитель исследовательской группы доктор Ник Лейн из Университетского колледжа в Лондоне.
«Мы представляем альтернативу, по которой жизнь возникла из газов (H2, CO2, N2, H2S), а энергия для первой жизни пришла из использования геохимических градиентов, созданных Матерью-Землей в особого рода глубоководном гидротермальном источнике (жерле) — в лишь одном, который был пронизан крошечными взаимосвязанными отсеками или порами», — заявил ученый.
«Теория бульона» («первичный бульон» — термин А.И.Опарина) была предложена еще в 1929 году, когда профессор Дж. Б. С. Холдейн (J. B. S. Haldane) опубликовал свое, оказавшее влияние на многих эссе о происхождении жизни, где он утверждал, что УФ-излучение обеспечило энергию для преобразования метана, аммиака и воды в первые органические соединения в океанах ранней Земли.
Однако критики теории «бульона» указали на то, что не существовало никакой движущей силы, чтобы заставить что-либо реагировать; а без источника энергии, жизнь, как мы знаем, существовать не может.
«Несмотря на биоэнергетические и термодинамические недостатки, 81-летняя концепция «первичного бульона» остается «мейнстримной» гипотезой происхождения жизни, — сказал главный автор исследования, Уильям Мартин — эволюционный биолог из Института ботаники III (Insitute of Botany III) в Дюссельдорфе (Германия). — Однако «бульон» не имеет потенциала для производства витальной энергии для жизни».
Отвергая «теорию бульона» исследователи обратились к химии Земли с целью определить источник энергии, который мог питать первых примитивных предшественников живых организмов: геохимические градиенты через соты микроскопических естественных пещер в гидротермальных источниках. Эти каталитические клетки производили липиды, белки и нуклеотиды, которые, возможно, и привели к первым «настоящим» клеткам, пишет «МК».
Команда сосредоточилась на идеях, инициированных геохимиком Майклом Дж. Расселом, точнее — на глубоководных щелочных жерлах в море, которые производят химические градиенты, очень похожие на те, что имеются практически во всех организмах, живущих в наши дни — трансмембранный протонный градиент.
Ранние организмы, вероятно, использовали эти градиенты с помощью процесса, называемого хемиосмосом, в котором протонный градиент используется для синтеза универсальной энергетической «валюты», АТФ, или простых аналогов. Позже клетки эволюционировали для создания своего собственного протонного градиента путем переноса электрона от донора к акцептору. Ученые-авторы утверждают, что первым донором был водород, а первым акцептором — СО2.
«Современные живые клетки унаследовали одинаковый размер протонного градиента, и, самое главное, ту же ориентацию — внутри клетки — минус, снаружи — плюс — что и у неорганических пузырьков, из которых они возникли», говорит соавтор, Джон Аллен, биохимик из Лондонского университета Королевы Марии.
«Термодинамические ограничения означают, что хемиосмос является строго необходимым для углеродного и энергетического метаболизма у всех организмов, которые растут из простых химических ингредиентов (автотрофии) в наши дни, и, предположительно у первых свободно живущих клеток, — сказал Лейн. — Мы рассмотрели то, как ранние клетки могли использовать геохимически созданную «силу», а затем научились производить и свою собственную».
Это была витальная транзиция (переход), поскольку хемиосмос является единственным механизмом, с помощью которого организмы могут вырваться из источников. «Причина того, что все сегодняшние организмы «хемиосмотичны» заключается в том, что они унаследовали хемиосмос от того времени и места, когда развились первые клетки — а развиться без него они не могли», — сказал Мартин.
«Не так уж и сложно понять, что активизировать раннюю жизнь было практически невозможно без хемиосмоса, — заключил Лейн. — Время сбросить оковы брожения в некоем первичном «бульоне», таком, как «жизнь без кислорода» — идея, которая относится к тому времени, когда кто-либо в биологии имел хоть какое-нибудь понимание того, как появилась АТФ-синтаза».
