Category:

Жизнь началась благодаря металлам

Портал «Научная Россия» представляет беседу с академиком РАН, советником директора Геологического института РАН Михаилом Федонкиным.

– Михаил Александрович, знаю, вы увлекаетесь многими темами – от исследований Арктики до происхождения жизни. О чём сегодня поговорим?

– Мне бы хотелось рассказать сегодня о роли металлов в живой природе и об истории этих отношений. Дело в том, что, если мы сравним содержание некоторых металлов, скажем, железа, цинка, меди и молибдена в человеческой плазме или даже в клетках морских планктонных организмов, - и в морской воде, то мы увидим, что содержание этих металлов не в разы, а в тысячи раз больше внутри организмов, чем в морской воде.

– Что это означает?

– Это означает, что организмы накапливают и удерживают эти металлы внутри своих клеток, что существует крайняя биологическая необходимость в этих металлах, и что морская вода недонасыщена этими металлами, истощена. И причина, видимо, в том, что многие их этих металлов, особенно металлы относительно тяжелые, переходной группы, играют роль активаторов ферментов живой клетке. А ферменты – это в основном белковые молекулы, которые ускоряют биохимические реакции в миллионы раз по сравнению с тем, какими они могли быть и без ферментов, без энзимов. Благодаря этой высокой скорости биохимических реакций, когда в секунду какой-то фермент может катализировать тысячи или больше реакций, организм живет.

Так вот, внутри многих ферментов (а это большие, очень сложные белковые молекулы) находятся атомы железа, никеля, молибдена и так далее. Нередко это кластеры железа и серы. Такие молекулы называют металлопротеинами. Ионы  металлов внутри этих молекул координируются , азотом, кислородом или серой. И если из этих природных катализаторов, ферментов изъять атомы металлов, то их ферментативная способность резко падает.

– То есть, без них ничего не происходит?

– Этот факт, возможно, означает следующее: металлы внутри ферментов не просто так оказались, а скорее всего, древнейший реликт – жизнь началась именно с них. То есть в процессе происхождения жизни таких сложных белковых молекул еще не было. И первичными катализаторами, теми, которые запустили мотор жизни, были именно неорганические катализаторы в числе металлов или их простых соединений.

– А где зародилась жизнь?

– Все больше и больше фактов, говорящих в пользу гипотезы о том, что жизнь зародилась в первичном горячем океане или в океанических гидротермах.

Я недавно брала интервью у академика Наточина, который меня убеждал в том, что это произошло не океане, а в озерах, в болотах, где калиевая среда.

– Мне известна  эта гипотеза, у которой есть свои основания в части физиологического антагонизма разницы калия и натрия внутри клетки и вне ее.

Но у вас другая точка зрения?

– Да, другая, и она активно развивается. Дело ведь не только в калии и натрии, или в возможной роли глинистых минералов в синтезе исходных органических соединений, о чем говорит Юрий Викторович, а ещё и в скорости реакции, которой в гидротермах способствует высокая температура, обилие ионов тяжелых металлов-катализаторов, сульфидов, аммиака, углекислого газа и водорода.

А что значит высокая температура? Насколько высокая?

–  Сейчас в горячих источниках на дне океана, в геотермальных системах и в осадках, где горячие воды подходят снизу, живет огромное количество бактерий. Там в горячей воде преобладают хемоавтотрофы, то есть бактерии и археи, которые могут жить без солнечного света, без кислорода. Они анаэробы. Температура там поднимается выше ста градусов, но вода не кипит по причине высокого давления. На сегодня жизнь обнаружена в источниках, имеющих температуру 123 градуса. Это так называемый верхний температурный предел жизни, который недавно открыли. При такой температуре преобладают так называемые археи. Полагают, что они весьма и весьма примитивные, это одна из самых ранних групп на Земле, но филогенетически связанная с эукариотными клетками.

А вот академик Розанов вообще говорит, что жизнь зародилась на суше.

– Академик Розанов, насколько я знаю, – сторонник гипотезы космической панспермии. Я с ней также знаком и считаю, что если мы импортируем жизнь из космоса, то мы экспортируем проблему происхождения, но ее не решаем. Это шутка, а если всерьез говорить, то организм и среда – это одна система. Наша наука разделяет на живое и неживое, но не всегда это правильно.

– То есть, на самом деле грань очень тонка? Или её нет?

– Её нет. Это система, потому что жизнь поддерживается обменом веществ между средой и клеткой, средой и организмом. И те же ферменты, подлинные движители жизни, - они весьма специфичны, их взаимодействие с субстратом подобно системе ключ-замок. И жизнь, импортируемая откуда-то, как замочная скважина без ключа. Сложно найти взаимодействие с этой новой средой. Да, есть спящие поры, которые могут, наверно, переноситься в космосе, это не проблема. Проблема понять: в какой же среде эта жизнь произошла. Это вопрос экологический и геоисторический. Вот так я отношусь к панспермии.

Давайте вернемся на землю и продолжим разговор о роли металлов в нашей жизни. Выходит, мы все железные люди?

– Да, в общем-то, железо – главный металл, на Земле самый обильный. Но если сейчас мы посмотрим на химический состав современного океана, то увидим, что в растворенном, биологически доступном виде соединений железа гораздо меньше, чем других металлов.

– Почему?

Дело в том, что железо присутствует во всех клетках без исключения, и это говорит о том, что, скорее всего, это самый древний металл в истории жизни. Видимо, он стал самым первым активатором процессов жизнедеятельности. И он настолько всем нужен, что его из вод океана «высасывают» клетки, забирают себе, а потом передают другим организмам по пищевым цепям или, отмирая, выводят железо в осадок. Многие клетки того же планктона имеют специальные молекулы, так называемые сидерофоры, которые способны извлекать атомы железа из других соединений, переводя железо в растворимую форму, связывать его и способствовать поглощению клеткой. Цель – ввести его внутрь своей клетки и инкорпорировать в нужное место, в нужную молекулу. Вот какая идет борьба за железо в океане.

– Клетки гибнут за металл.

– Скорее, бьются за него, и это удивительно. Есть такое понятие – «голубые воды», когда в средней части океана они настолько чистые, что кажутся безжизненными, потому что все нутриенты (удобрения), такие как азот, фосфор, нитраты, фосфаты и так далее, – изъяты фитопланктоном. Планктон отмирает, и вода очищается. И вот провели эксперименты, когда с самолета и с кораблей рассеивали некие соединения железа в жидком виде, иногда в виде пыли. Они показали, как в присутствии железа всё меняется, как на глазах начинает цвести эта площадь океана, которая была реально недонасыщена самым обильным металлом на Земле. После этого эксперимента кто-то из участников проекта сказал: дайте мне танкер железа, и я вам устрою ледниковый период! Подразумевалось, что обильно размножающийся фитопланктон будет поглощать углекислый газ и снизит парниковый эффект современной атмосферы. Но реальность много сложнее.

– А нам железа тоже не хватает?

– Мы его потребляем с едой, в том числе морской. Есть также препараты на основе железа, которые употребляют при дефиците этого элемента. Если его не хватает, могут развиваться достаточно тяжелые заболевания. Чаще всего мы говорим о железодефицитной анемии, о снижении гемоглобина крови, ответственного за перенос кислорода в крови. По сути, за этот процесс отвечает так называемый гемм — порфириновое кольцо, в центре которого находится атом железа. Но есть и другие белковые молекулы – например, ферредоксины, содержащие железо-серные кластеры, которые выполняют очень разные функции, связанные с переносом электронов.

То есть вы хотите сказать, что ничего важнее железа для нас не существует?

– Нет, не совсем так. Нужен комплекс разных металлов, ведь у каждого из них своя роль в живой клетке и своя история в эволюции жизни. Так вот, если мы посмотрим на геологическую историю, то увидим следующее: на древней земле сначала царил вулканизм, некоторые предполагают океаны лавы, но планета остывала, конденсация пара в атмосфере и вывод воды из недр дали начало первичной гидросфере. Вода поступала на Землю из космоса с помощью малых комет, ледяных космических тел. Постепенно возникал океан, и он был горячим, пока не остыла планета. Он не был таким голубым и прозрачным. И в отсутствии кислорода многие металлы в воде были подвижны и биологически доступны. Другие, наоборот, соединялись с серой и выпадали в осадок. Этот древний океан просуществовал до тех пор, пока жизнь, возникшая на той ранней, совсем чужой для нас планете, не научилась расщеплять воду в процессе оксигенного фотосинтеза.

То есть сначала возникли глубоководные организмы, которым не требовался кислород?

– Они, может быть, не глубоководные: океан, вероятно, был тогда очень мелким, горячим и непрозрачным, совсем не таким как сейчас. Он был насыщен солями и ионами тяжелых металлов. Откуда мы это знаем? Дело в том, что древние руды обогащены магнием, вольфрамом, другими металлами и, конечно, железом. Где-то около двух миллиардов лет назад (сейчас мы датируем эти времена с помощью палеонтологии и изотопной геохронологии) появилась кислородная атмосфера. Мы видим явные её следы.

– На рубеже двух миллиардов лет?

– Примерно так. Фотосинтез, возможно, возник и раньше, но когда живые организмы научились использовать солнечный свет и расщеплять воду, выводить кислород вне клетки, он стал, прежде всего, окислять те металлы, которые находятся в воде. Следы этой работы сейчас представлены крупнейшими месторождениями железных руд – это и уран, и многие другие металлы. Это период так называемой кислородной революции, на который ушли огромные объемы кислорода, оседавшие в виде окислов в относительно мелководных морях, покрывавших  древние континенты.

Но континенты, как вы знаете, сходились и расходились, земная кора по своей площади нарастала, история Земли – весьма сложна. Наш институт и многие другие – и в России и за рубежом – как раз сейчас эту историю восстанавливают. Это имеет очень серьезный научный интерес, и, конечно, большое прикладное значение. Мы реконструируем, как двигались части континентов, когда они собирались в суперконтиненты, когда раскалывались снова. Это были циклы формирования крупных континентов и их дезинтеграции. Мы восстанавливаем эти процессы, и результаты – палеогеографические и палеотектонические модели,- становятся основой для прогноза и поисков полезных ископаемых.

– А что случилось с железом на фоне кислородной революции?

– По причине этой революции такие металлы, как железо, становились все менее и менее доступными для живых организмов, которые и сейчас в них нуждаются, а тогда тем более. На этом пути жизнь научилась замещать «древние» металлы, такие как никель, вольфрам, железо, в некоторых молекулах на другие, более доступные в условиях кислородной среды. Ими оказались медь, цинк, молибден и другие металлы. Цинк, например, сейчас в океанской воде присутствует в большей концентрации, чем железо.

– Какую роль во всех этих процессах играли газы, входящие в состав атмосферы?

– Дегазация недр и глубинные флюиды формировали раннюю атмосферу, состоявшую из углекислого газа, метана, сероводорода и водорода. Я придерживаюсь точки зрения, что у истоков жизни стоял водородный обмен веществ. Как и сейчас, огромному большинству бактерий, архей, свойственен водородный метаболизм. Скажем, генерирующие метан  бактерии и археи живут на водороде, углекислом газе и окиси углерода. И в этих реакциях вовлечение водорода в жизнь самых примитивных групп, которые жили на протяжении четырех миллиардов лет до нас с вами, фактически означает, что они должны были конкурировать за водород в среде более поздних эпох. Он для них как некий универсальный субстрат. Водород для них – своего рода энергетическая валюта. Это, вероятно, первичный субстрат, с которого начиналась жизнь. Но его становилось меньше и меньше, в том числе и по причине появления кислорода. И сейчас, если мы увидим точки, где потоки водорода весьма интенсивны, то заметим это население,  характерное для ранней Земли.

– Что же это за точки?

– Это довольно крупные зоны, которые называются зонами серпентинизации. В них происходит процесс формирования серпентинитов – горной породы, которая образуется в результате взаимодействия воды и ультраосновных горных пород. Породы эти вулканического происхождения, они насыщены железом. И когда морская вода, проникая, скажем, в трещины, достигает глубоких зон, где температура 200-250 градусов и выше, начинается  процесс серпентинизации. Реакции эти идут с преобразованием таких ферромагнезиальных минералов, как оливин и пироксен в ряд вторичных минералов, включая магнетит, с выделением водорода. И вот этот водород легко проникает в верхние слои земной коры вместе с флюидами. В той зоне, где температура около ста градусов или чуть выше, начинается активное биотическое потребление водорода. И там, как правило, живут различные бактерии, и те, которые производят метан и те, для кого метан – основа жизни.

В выше лежащих толщах есть несколько уровней с разным составом микробного населения, или так называемые бактериальные газовые фильтры. Они преобразуют простые соединения водорода и производят органическое вещество, биомассу, которая, возможно, является материалом для формирования углеводородов. Речь не только о природных газах, но и более сложных углеводородах, которые преобразуются со временем в то, что мы называем нефтью.

Претенденты на эти процессы – также срединные океанические хребты, где благодаря конвекции идет раздвижение океанической коры, лава и горячие породы подходит близко к поверхности дна. Также в зонах субдукции, где океаническая плита погружается под континентальную, вместе с ней уходит и вода, в том числе в составе минералов. Там, над зоной субдукции, вулканические и гидротермальные процессы тоже довольно активно происходят.

Процесс серпентизации невозможно воспроизвести искусственно, чтобы получать нефть в лабораторных условиях?

– В лабораторных экспериментах воспроизводились процессы серпентинизации, которые ведут к формированию водорода. Но превратить это в практический метод синтеза нефти  – очень дорого будет, вы потратите больше энергии, чем получите.

– Всё это возможно только в присутствии жидкости?

– Да, нужна вода. Но на суше это тоже возможно. Там, где были древние океаны и где происходили процессы вулканизма и субдукции, если эти породы погружены достаточно глубоко и туда есть доступ воде, то и при достаточно высокой температуре процессы серпентинизации с выделением водорода могут идти в пределах континентов. В этой области  исследований есть интересные прикладные перспективы. Но надо сказать, что эти реакции с участием бактерий не происходили бы даже в присутствии водорода, если бы рядом не было металлов-активаторов, которые способствуют этому. И, прежде всего, это железо и никель, а также в значительной степени вольфрам, роль которого сейчас раскрывается полнее. Все темноцветные вулканические породы как раз насыщены этими металлами. И когда они в растворенном виде появляются, то, естественно, бактерии их используют. Эта сторона очень важна.

Но мы знаем, что количество металлов уменьшается, ресурсы истощаются, не ждет ли нас всех в связи с этим конец света?

– Кислородная атмосфера уменьшила биологическую доступность многих металлов в океане, но другие стали более доступны. Тут многое определяется растворимостью сульфидов и гидроокислов металлов. Однако сейчас человек играет роль противоположную тому вектору, в котором развивается природа. Миллиарды лет металлы выводились из океана в осадок в виде минералов, рудных залежей и так далее, захоронялись на континентах, вводились и в другие, более глубокие области земной коры. Сейчас мы их извлекаем из земли, потребляем…

– Причем всё больше и больше.  

– Совершенно верно, в итоге это всё уходит в океан. По некоторым металлам человек уже опередил природу. Континент размывается реками, реки разрушают горные породы, растворяют вещества и выносят их в океан, в том числе и металлы. Но человек добывает руду, потом производит металл, а затем то, что окисляется, ржавеет, переходит в растворимые соединения, насыщает и уходит в океан. И сейчас по некоторым металлам мы выбрасываем больше, чем это происходит ходе естественных процессов выветривания. Мы агрессивно вмешались в этот цикл.

Какие в связи с этим могут быть прогнозы, что может произойти?

–  Прогноз можно делать тогда, когда есть адекватное понимание происходящего, когда это можно посчитать и оценить последствия. А сейчас есть необходимость пересматривать подход к экологическим и климатическим моделям. В этой сфере главное внимание уделено макроэлементам, это сера, углерод, водород, азот, кислород, фосфор и ряд других, но главный – углерод. Эти элементы абсолютно доминируют в живой клетке и в биогеохимических циклах нашей планеты. Но динамика жизни клетки и глобальных циклов биофильных элементов определяется микроэлементами, в том числе и металлами-активаторами ферментов. Микроэлементы составляют ничтожные доли процента в живом веществе. Я вам рассказывал о том, как они активизируют жизнь. Если по нашей вине их будет больше в биосфере, чем сейчас, то могут существенно измениться многие циклы элементов в биосфере. И я не знаю, в какую сторону это будет происходить.

Расскажу один исторический пример, который описан для периода около двух миллиардов лет. Вулканические системы, в том числе гидротермальные, на ранней Земле выносили из недр огромное количество растворенного минерального вещества, включая железо. Оно окислялось разными путями – железобактериями, ультрафиолетовым излучением Солнца, свободным кислородом цианобактерий, и выпадало в осадок. Этот процесс длился более миллиарда лет в архее и протерозое. Формировались рудные отложения, слоистые железистые формации. И в этих рудах постепенно падала концентрация никеля. А никель является одним из важнейших металлов-активаторов тех ферментов, которые помогают микробам из водорода получать метан, это метан-генерирующие археи. Метан, поступающий в атмосферу благодаря деятельности метаногенов, как и сейчас, – это очень опасный фактор, потому что метан в разы более мощный парниковый газ, чем углекислый газ. Ввиду того, что воды из гидротермальных систем становились всё менее богаты никелем, а его концентрация в морской воде падала, это негативно повлияло на деятельность метаногенов. В результате уровень метана на Земле стал сокращаться. И, таким образом, где-то в районе двух миллиардов трехсот миллионов лет назад уровень парниковых газов достиг такого низкого значения, что стали возможны первые крупные оледенения, следы которых мы находим на разных континентах.

Это лишь один пример по поводу одного из металлов. Но деятельность человека, мне кажется, сейчас сравнима с природными процессами, особенно по ряду микроэлементов, о которых мы мало знаем, как они ведут себя в процессах жизнедеятельности. Это касается и некоторых металлов.

– Если говорить о деятельности человека, вы могли бы дать какие-то рекомендации, как надо себя вести, чтобы избежать рисков или минимизировать их?

Я думаю, что ответ простой: эти процессы, которые сейчас открываются, надо изучать и в лаборатории, и в экспедиции, и в океане, и на суше до такой степени, чтобы можно было их каким-то образом моделировать, обсчитывать. И тогда мы приблизимся к возможности прогноза. Это первое. И второе: надо внимательно исследовать  геологическое прошлое. Ведь за эти миллиарды лет чего только не видела наша планета, –колоссальные изменения климата, ландшафтов, массовые вымирания, периоды перемагничивания полюсов и много чего ещё. К этим интервалам требуется особое внимание, надо понять природу и роль факторов, которые спровоцировали те или иные изменения в биосфере, включая вымирание или изменение климата. То есть, нужны изучение современности и обязательно прошлого опыта нашей планеты.

– Важна ли для геолога интуиция?

– Интуиция важна для каждого человека. Я очень люблю стихотворение Максимилиана Волошина, которое как раз является примером такого провидения. Образ нашего предка, сохранившего в себе древний океан, удивительно глубок. В свете этого образа можно было бы рассматривать, например, органеллы наших клеток, которые сохранили в себе фрагменты древнейшей, архейской биохимии. Однако в стихах он сделал это как нельзя лучше.

В начале был единый Океан,
Дымившийся на раскалённом ложе.
И в этом жарком лоне завязался
Неразрешимый узел жизни: плоть,
Пронзённая дыханьем и биеньем.
Планета стыла.
Жизни разгорались.
Наш пращур, что из охлаждённых вод
Свой рыбий остов выволок на землю,
В себе унёс весь древний Океан
С дыханием приливов и отливов,
С первичной теплотой и солью вод –
Живую кровь, струящуюся в жилах.

Беседовала Наталия ЛЕСКОВА.

promo goodspb september 8, 2017 17:46 770
Buy for 200 tokens
Вот поэтому Путин – не ваш, а мой президент. Потому что я – русская. А вы – не русские. Моя статья «Я русская! Я устала извиняться!» привлекла такое количество троллей разного вида и происхождения, что сумела набрать 2400 комментариев. Кем меня только не…

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic

Your reply will be screened