Энергетические истоки жизни

В новой перспективной статье в Science Уильям Мартин, Филипа Соуза и Ник Лейн выдвигают идею, что энергетические системы древних микробов могли возникнуть как миниатюрная версия крупномасштабных геохимических процессов того времени.

Ключевая гипотеза: Первые энергетические процессы жизни могли быть запущены естественными ионными градиентами в щелочных гидротермальных источниках, подобных современной экосистеме "Затерянный город" в Атлантике. Речь идет не об "мире РНК", а о происхождении энергетического метаболизма у ацетогенов и метаногенов.

Примитивный путь: Эти микроорганизмы синтезируют АТФ, используя электроны от H+ для восстановления CO₂ с образованием ацетата или метана. Их общий фундамент — путь ацетил-кофермента А, древнейший известный путь фиксации CO₂, считающийся "центром метаболизма".

От метаногенов к эукариотам: Авторы развивают "водородную гипотезу" Мартина. Она предполагает, что будущие митохондрии были факультативно анаэробными эубактериями, которые вступили в симбиоз не с эукариотом, а с прокариотическим, зависимым от водорода метаногеном. Ключевое предсказание: митохондрии создали ядро, перенеся большую часть своего генетического материала в хозяина, что привело к образованию хромосом и сложного цикла деления.

Геохимический прототип: В 2012 году Мартин и Лейн предположили, что геохимические процессы у гидротермальных источников позже были ускорены, компактизированы и оптимизированы внутри клеток. Один из таких процессов — серпентинизация:

• Морская вода, просачиваясь через океаническую кору, экзотермически окисляет Fe²⁺ до Fe³⁺.
• Выделяется H₂ и энергия.
• Среда становится сильно восстановительной (способной восстанавливать CO₂) и щелочной (pH ~10).
• Спонтанно возникают естественные протонные градиенты той же величины и ориентации, что и в современных автотрофных клетках.

Первый "насос": Эти источники по своей природе хемоосмотичны. Если примитивная АТФ-аза использовала эти градиенты, первым шагом мог быть простой H+/Na+ антипортер. Это устройство могло преобразовать исходный градиент в градиент Na+, который используют современные ацетогены и метаногены. Эти комплексы до сих пор используют кластеры железо-сера и метильные группы в качестве субстратов.

Незавершенная картина: Современное понимание хемоосмоса, особенно "протондвижущей силы", связывающей перенос протонов и электронов, остается неполным. Поток электронов через белки и мембраны — одна из самых захватывающих областей исследований как происхождения жизни, так и позднее эволюционировавших организмов.