Михаил Никитин - Происхождение жизни. От туманности до клетки
Об истории серы и сульфатов можно много узнать по особенностям их изотопного состава в древних породах. Природная сера состоит из основного изотопа 32S и двух тяжелых, 33S и 34S. Как и в случае углерода, биологические процессы обычно приводят к сортировке изотопов серы: сера, прошедшая через клетки, обедняется тяжелыми изотопами и обогащается легкими. Сортировка эта масс-зависима: недостача 34S вдвое больше, чем 33S. В диспропорционировании серы, когда образуется сразу два продукта (сульфат и H2S), сероводород обедняется тяжелыми изотопами, а сульфат, наоборот, обогащается. В фотолизе сернистого газа сортировка изотопов происходит по-другому: они разделяются не столько по массе, сколько по ядерному спину, и изменяется содержание нечетного 33S относительно четных 32S и 34S. Сера, образуемая при фотолизе SO2, обогащена 33S, а серная кислота им обеднена (рис. 17.15). В противовес масс-зависимому фракционированию серы этот называется масс-независимым фракционированием, потому что не зависит от массы изотопов.
Исследования архейских баритов (Philippot et al., 2007) показали, что сульфат в них обеднен 33S и не имеет отклонений в содержании 34S, т. е. появился в процессе фотолиза сернистого газа. В этих же баритах содержатся включения пирита и других сульфидных минералов, и сера в них сильно обогащена 33S и немного обеднена 34S. Это означает, что сульфидные включения образовались каким-то способом из серы, которая происходит из сернистого газа путем фотолиза. Сниженное содержание 34S в сульфидах сначала было принято за следы микробного диспропорционирования серы. Однако в следующей работе тех же авторов (Philippot et al, 2012) с более точным моделированием фотолиза SO2 в атмосфере делается вывод, что убедительных следов жизнедеятельности микробов в изотопном составе соединений серы архейского периода нет.
Иначе говоря, для эпохи 3,4–3,5 млрд лет назад у нас есть свидетельства абиогенного образования серы и сульфатов из SO2, но нет четких следов микробного метаболизма серы. Эти геологические следы, однако, на 500–600 млн лет моложе, чем живший еще до поздней бомбардировки общий предок бактерий и архей. В его время доля SO2 в вулканических газах могла быть меньше, а H2S – больше. Как шла изотопная сортировка серы в таких условиях, мы не знаем, а значит, неясно, какие изотопные следы надо искать.
Для соединений азота ситуация немного понятнее, чем для серы. Нитриты были на Земле с древнейших времен, но в очень малых количествах. В наше время большая часть нитратов и нитритов образуется бактериями в процессе нитрификации – окисления аммиака кислородом для получения энергии. Кроме того, во время разрядов молний при огромных температурах азот реагирует с кислородом, образуя оксид азота, NO. Затем NO уже при обычных температурах окисляется кислородом до NO2 и реагирует с водой, образуя азотную кислоту, которая содержится в малых количествах в дождевых каплях во время грозы. До появления кислородного фотосинтеза эти реакции происходить не могли, но, как оказалось, кислород не обязателен для образования NO в молниях. В экспериментах с электрическими разрядами в смеси углекислого газа и азота, имитировавшей архейскую атмосферу, оказалось, что в ней оксид азота образуется с той же эффективностью, если доля углекислого газа в смеси выше 80 % (Navarro-González et al., 2001). Это подтверждается и анализами атмосферы Венеры, где тоже много углекислого газа, есть азот и гремят грозы, – в ней обнаружено около 0,0001 % NO.
В отсутствие кислорода NO растворялся в воде, давая азотистую кислоту (HNO2). Количество оксида азота, образующегося при разряде молний, и тогда, и сейчас не очень велико – около 1 млн т ежегодно на всю Землю. Если этот оксид азота равномерно распределялся по планете, то соответствующая концентрация азотистой кислоты в водоемах получается слишком малой, чтобы ее можно было использовать для дыхания. Однако она может быть значима как азотное удобрение, а возможно, и как яд: ферменты метаногенов к ней очень чувствительны, она губительна для них.
Если разнообразие и доступность окислителей на древней Земле были ниже, чем сейчас, то с восстановителями дело обстояло гораздо лучше. Как мы помним из главы 6, взаимодействие воды с горячими базальтами (серпентинизация) приводит к выделению водорода, метана и муравьиной кислоты, которые по трещинам выходят из горных пород на поверхность. В испарениях геотермальных полей даже в нашу кислородную эпоху присутствуют угарный газ и восстановленные формы фосфора – фосфиты и гипофосфиты. В древности их должно было быть значительно больше. Эти же испарения и геотермальные воды несли сероводород, а в морской воде было растворено много двухвалентного железа. Все эти восстановители можно было использовать – имелся бы только подходящий окислитель. В условиях дефицита окислителей особую ценность приобретают сильные восстановители, позволяющие получать энергию за счет выделения водорода: муравьиная кислота, угарный газ и фосфит.
Энергетика LUCA, первых бактерий и архей
Вооружившись информацией о доступности разных окислителей и восстановителей на древней Земле и об эволюции компонентов биоэнергетических систем, мы можем попробовать оценить, какие источники энергии могли использоваться LUCA и его ближайшими потомками – первыми бактериями и археями.
Как мы помним, в геотермальных водоемах, где шла эволюция от первых биологических молекулярных систем до LUCA, были уникальные источники химической энергии, ныне в основном исчезнувшие. Например, с конденсацией геотермального пара туда поступали оксиды фосфора, которые, растворяясь в воде, давали пирофосфат – источник энергии, аналогичный АТФ. Отложения сульфида цинка в этих водоемах на свету производили органические кислоты из CO2 и фосфорилировали разные органические вещества за счет окисления фосфита. Флавиновые коферменты могли обеспечивать примитивный фотосинтез, производя АТФ за счет энергии света, еще до появления мембран. Все это было доступно и общему предку бактерий и архей, уже имевшему мембраны и более 1000 генов.
Разделение линий бактерий и архей произошло при освоении новых местообитаний. Судя по образу жизни современных бактерий и архей, предки бактерий расселялись по поверхности суши и океана, используя фотосинтез, а предки архей ушли в трещины и пустоты земной коры, используя химические источники энергии. Скорее всего, мембрана LUCA еще не могла держать электрический потенциал, характерный для современных мембран, и мембранной энергетики в современном смысле у него не было. Однако у LUCA существовали предшественники многих ее компонентов: система секреции белков (предок роторной АТФазы), гемы (как минимум сирогем) и, вероятно, менахинон и трансмембранный цитохром b для проведения электронов через мембрану. Также у него было некоторое разнообразие окислительно-восстановительных ферментов, включая молибденовую формат-дегидрогеназу и никелевую CO-дегидрогеназу, сирогем-содержащие ферменты окисления серы и несколько гидрогеназ, в том числе мембранная гидрогеназа четвертого типа.
На основе этого набора деталей для предка архей, уходящего в подземные местообитания, можно предположить обмен веществ, основанный на окислении муравьиной кислоты, угарного газа и, возможно, фосфитов:
HCOOH → CO2 + H2CO + H2O → CO2 + H2
В качестве продуктов обмена выделялись углекислый газ и водород, мембранный потенциал создавали гидрогеназы четвертого типа, родственные комплексу I. Высокая концентрация водорода в среде угнетает такой метаболизм, и, чтобы решить эту проблему, предки архей могли начать утилизировать выделяющийся водород, превращая его в метан:
4HCOOH → 3CO2 + CH4 + 2H2O
4CO + 2H2O → 3CO2 + CH4
Такой примитивный метаногенез (форматотрофный и карбоксидотрофный) позволил им получать энергию и при избытке водорода вокруг. В условиях перебоев в поступлении угарного газа и муравьиной кислоты отбор поддерживал изменения обмена веществ, позволяющие использовать более доступный водород. В классическом (гидрогенотрофном) метаногенезе:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
труднее всего происходит первая стадия: восстановление CO2 до HCOOH. Для этой реакции клетка вынуждена тратить энергию, чтобы потом получить обратно на следующих стадиях. Поэтому на переходном этапе эволюции метаногенеза археи могли одновременно использовать муравьиную кислоту и водород:
HCOOH + 3H2 → CH4 + 2 H2O,
чтобы получать в два-три раза больше энергии из имеющегося количества HCOOH. Отбор поддерживал все более полное использование химической энергии, и в результате метаногенные археи научились обходиться вообще только водородом и CO2. Для этого им пришлось создать массу уникальных приспособлений: коферменты В и M, метанофуран, метаноптерин (замена фолиевой кислоты в пути восстановления С1-групп) и новые переносчики электронов – деазафлавин F420 и никель-порфирин F430.
