Происхождение жизни возникло из биоэнергетики клеточной мембраны

Впервые прослежен связный путь, который начинается не более чем с камней, воды и углекислого газа и ведет к появлению странных биоэнергетических свойств живых клеток. Это изложено в крупной гипотезе, опубликованной на этой неделе в журнале Cell.

В начале жизни первым протоклеткам требовалось огромное количество энергии для обеспечения своего метаболизма и репликации, поскольку ферменты, катализирующие очень специфические реакции, еще не эволюционировали. Большая часть потока энергии, вероятно, просто рассеивалась впустую.

Так откуда же вся эта энергия взялась на ранней Земле и как она была направлена на обеспечение органической химии, необходимой для жизни?

Ответ кроется в химии глубоководных гидротермальных источников. В своей статье Ник Лейн (UCL, Genetics, Evolution and Environment) и Билл Мартин (Университет Дюссельдорфа) рассматривают вопрос о том, откуда взялась вся эта энергия, и почему вся известная нам жизнь запасает энергию в своеобразной форме ионных градиентов через мембраны.

«Жизнь, по сути, является побочной реакцией реакции, улавливающей энергию. Живым организмам требуется огромное количество энергии, чтобы продолжать жить», — сказал Ник Лейн.

Люди потребляют более килограмма (более 700 литров) кислорода каждый день, выдыхая его в виде углекислого газа. Самые простые клетки, растущие в результате реакции водорода с углекислым газом, производят примерно в 40 раз больше отходов от своего дыхания (по массе), чем органического углерода. Во всех этих случаях энергия, полученная от дыхания, запасается в форме ионных градиентов через мембраны.

Эта странная черта так же универсальна для жизни, как и сам генетический код. Лейн и Мартин показывают, что бактерии, способные расти лишь на водороде и углекислом газе, удивительно похожи в деталях своего углеродного и энергетического метаболизма на далекую от равновесия химию, происходящую в особом типе глубоководных гидротермальных источников, известных как щелочные гидротермальные источники.

Основываясь на измеренных значениях, они рассчитывают, что естественные протонные градиенты, действующие через тонкие полупроводящие стенки из железо-серных минералов, могли бы управлять ассимиляцией органического углерода, приводя к возникновению протоклеток внутри микропористого лабиринта этих источников.

Далее они демонстрируют, что такие протоклетки были ограничены собственной проницаемостью, что в конечном итоге вынудило их преобразовывать естественные протонные градиенты в биохимические натриевые градиенты без чистых энергетических затрат, используя простой транспортер Na+/H+. Их гипотеза предсказывает основной набор белков, необходимых для раннего сохранения энергии, и объясняет загадочную «всеядность» дыхательных белков как к протонам, так и к ионам натрия.

Эти соображения также могут объяснить глубокое расхождение между бактериями и археями (одноклеточными микроорганизмами). Впервые, говорит Лейн, «можно проследить связный путь, ведущий не более чем от камней, воды и углекислого газа к странным биоэнергетическим свойствам всех клеток, живущих сегодня».