Код жизни. Как случайность стала биологией

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.