Гипотеза внеземного абиогенеза по состоянию на 2024 год. Что новенького?

Автор уже не раз высказывал своё мнение относительно гипотезы о возможном занесении живых организмов на Землю вскоре после её формирования. В качестве примера можно привести публикации в альманахе "Эволюция" за 2013 год Гипотеза земного абиогенеза в свете данных палеонтологии, молекулярной биологии и анализа химического состава молекул РНК и статью на данном ресурсе "Возможные следы жизни в метеоритах", написанную за год до этого. Однако, за прошедшие более, чем 10 лет, появились новые факты, которые я и хочу обсудить в данной статье. Одним из ключевых аргументов в дискуссии о времени появления жизни может выступать оценка возраста последнего общего предка всех земных живых организмов (LUCA). На всякий случай, напомню, что возраст LUCA, это отнюдь не возраст жизни, так как LUCA, судя по многочисленным реконструкциям, уже представлял из себя живой организм, имеющий много общего с современными бактериями. Таким образом, от условного момента старта предбиологической эволюции до появления LUCA, жизнь должна была пройти достаточно много этапов развития, включая, в частности, "мир РНК".

Итак, каков же возраст LUCA? В настоящее время основным методом, который применяется для его оценки, является так называемый метод молекулярных часов, основанный на измерении степени расхождения ветвей эволюционного дерева за счёт закреплённых генетических мутаций. Автор уже приводил собственные грубые оценки возраста LUCA в своей статье, опубликованной в альманахе "Эволюция" (см. ссылку выше). Возраст LUCA, полученный в этой статье, оценивался в примерно в 4.9 млрд. лет назад, что ощутимо превышает возраст Земли. Однако, с тех пор, данная оценка на гораздо более высоком профессиональном уровне была выполнена различными авторами ещё несколько раз. При этом, нужно отметить, что метод молекулярных часов позволяет априори устанавливать граничные условия, ограничивающие максимальный возраст LUCA. В большинстве публикаций он был искусственно ограничен временем события столкновения молодой Земли с Тейей, надолго превратившего поверхность нашей планеты в океан магмы.

Итак, что мы имеем на сегодняшний день? В августе 2018-го года в Nature вышла статья "Integrated genomic and fossil evidence illuminates life’s early evolution and eukaryote origin". Не смотря на название, в ней оценивалось не только время появления эукариот, но и время появления LUCA. Авторы ограничили максимально возможный возраст LUCA событием столкновения Земли с Тейей, которое по современным оценкам произошло примерно 4.52 млрд. лет назад, и получили при этом значение его возраста, равное 4.47 млрд. лет. Учитывая, что от момента мегаимпакта до уменьшения температуры поверхности Земли до 100 градусов Цельсия, по оценкам, прошло не менее 20 млн. лет, на развитие жизни "с нуля", до уровня прокариотической клетки прошло всего 30 млн. лет что, на мой взгляд, выглядит малоправдоподобно. В другой работе 2023-го года, тоже опубликованной в Nature, ATP synthase evolution on a cross-braced dated tree of life, возраст LUCA определялся по последовательностям аминокислот в белках, входящих в состав комплекса, запасающего энергию в виде АТФ за счёт потока протонов или ионов натрия, проходящего через мембрану. Приняв максимально возможный возраст LUCA, равный тому же значению, что и в вышеупомянутой статье, авторы получили для него значение 4.42 или 4.48 млрд. лет в зависимости от того, какую именно разновидность метода ("напряжённые", или "расслабленные" часы) они применяли. Очевидно, что обе оценки дают примерно одну и ту же картину - на эволюцию неживой материи до уровня достаточно продвинутой прокариотической клетки остаётся катастрофически малый промежуток времени. По-видимому, близость обоих значений к заданному в виде граничных условий верхнему пределу, означает, что гауссиана распределения возраста LUCA просто упирается в него, как в стенку. Об этом же, по сути, пишут и некоторые исследователи, констатирующие, что оценка его возраста критически зависит от задания значения последней калибровочной точки, близкой в возрасту самой Земли, точнее к моменту события мегаимпакта. Стоит его увеличить, как за ним, как ослик за морковкой, потянется и возраст LUCA.    

Подобные соображения привели некоторых исследователей к мысли, что любопытно было бы посмотреть, что будет, если возраст LUCA не ограничивать искусственно возрастом Земли или событием мегаимпакта. Более логично либо вообще его не ограничивать, либо, ограничить хотя бы возрастом Вселенной. По этому пути пошли авторы опубликованной в 2019-м году работы Phylogenomics of 10,575 genomes reveals evolutionary proximity between domains Bacteria and Archaea, в которой максимально возможный возраст LUCA не ограничивался, а в качестве самой ранней калибровочной точки задавалось время появления кислородного фотосинтеза, равное 2.55 млрд. лет, так как именно такое значение было получено в другой работе - On the origins of oxygenic photosynthesis and aerobic respiration in Cyanobacteria. Однако, как выяснилось впоследствии, расчёты в этой работе были сделаны не совсем корректно, и оценка данного времени в указанной статье оказалась ощутимо заниженной. Например, у авторов более поздней статьи The Archean origin of oxygenic photosynthesis and extant cyanobacterial lineages оно оказалось равным 3.0 млрд. лет, а у авторов ещё более близкой к настоящему времени статьи Timing the evolution of antioxidant enzymes in cyanobacteria даже 3.45 млрд. лет. Что бы избежать этой ошибки, авторы исследования An estimate of the deepest branches of the tree of life from ancient vertically evolving genes используя те же данные, что и авторы указанной статьи, но не используя в качестве калибровочной точки время появления цианобактерий, пересчитали время появления LUCA несколькими разновидностями метода молекулярных часов. Почти во всех случаях, когда возраст LUCA не ограничивался катастрофическим событием, соответсвующим времени формирования Луны, у них получилась оценка его возраста, предшествующая данному событию. Лишь в одной из шести оценок, полученных разными методами, он получился наступившим немного позже мегаимпакта! Если, как это иногда принято делать при обработке данных, откинуть две крайние даты, то оценка возраста LUCA получится в районе 6 млрд. лет. С учётом оценки срока начала биологической эволюции в районе 9 -10 млрд. лет, полученного исходя из других соображений (конкретно - оценки роста длины генома в процессе эволюции, экстраполированного в прошлое), представляется, что 3-4 млрд. лет могли быть вполне достаточными для того, что бы жизнь могла проэволюционировать до уровня сложности LUCA. Иногда очень ранние сроки появления LUCA пытаются объяснить ускоренной эволюцией биоты на этом этапе за счёт того, что у LUCA был не ДНК, а РНК геном. Мне трудно с этим согласиться. Максимальная длина РНК генома у вирусов не превышает 30 тыс. пар нуклеиновых оснований, видимо, это тот предел длины генома РНК, при котором он ещё может реплицироваться с приемлемым для выживания уровнем мутаций. В то же время, исходя из того, что мы сейчас знаем о LUCA, его геном должен был быть минимум на порядок больше. Более того, несколько лет назад вышла статья The replication machinery of LUCA: common origin of DNA replication and tranion, доказывающая, что у LUCA был именно ДНК геном.

Итак, последние новости относительно возраста LUCA мы изложили, а есть ли что-то новое по поводу изучения органики в космических телах? Да, и здесь информация потихоньку накапливается. За прошедшее время самыми интересными экспериментами на рассматриваемом нами фронте, на мой взгляд, являются исследования состава аминокислот в пробах, взятых из астероидов Бенну и Рюгу, соответственно, американским и японским КА, а так же из метеорита Асука, найденного относительно недавно в Антарктиде.

Начнём, пожалуй, с метеоритов. Но, для начала, напомню, что белки всех земных организмов состоят из 20 "классических" аминокислот, причём все они, за исключением самой простой - глицина, обладают свойством хиральности, то есть могут существовать в виде "левого" и "правого" изомеров. Все хиральные аминокислоты, входящие в состав протеинов земных организмов, синтезированных при помощи рибосомы, имеют левую ориентацию. С другой стороны, все аминокислоты, синтезирующиеся в подходящих условиях абиогенно, имеют примерно равное количество "левых" и "правых" изомеров (так называемая рацематная смесь).

В последнее время стало модным искать метеориты во льдах Антарктики. Это удобно сразу по двум причинам. Во-первых, упавшие метеориты, особенно, интересующие нас больше всего, чёрные углистые хондриты, в Антарктиде на белом снегу очень удобно искать. Во-вторых, сам факт того, что они просто лежат на снегу или на льду, а не на земле, существенно уменьшает вероятность загрязнения. Так вот, недавно появилась статья об исследовании найденного там метеорита типа углистый хондрит Асука (официальное название А-12236), а так же, для сравнительного анализа, метеоритов Париж и Мурчисон. Как я уже писал в предыдущей статье, в знаменитом уже Мурчисоне ранее был детектирован некоторый избыток левого изомера различных аминокислот по сравнению с их правым изомером. Этот факт в своё время вызвал много шума, так как в живых организмах преобладают именно левые аминокислоты. Правда, в список аминокислот, у которых было зафиксировано некоторое преобладание левых изомеров, попал и изолейцин, который не входит в число синтезируемых на рибосоме аминокислот. Это тогда послужило весомым аргументом в пользу того, что большая доля левых изомеров объясняется какими-то другими причинами, а не биологическим происхождением найденных в веществе метеорита аминокислот. Более поздние исследования подтвердили небольшой избыток левого изолейцина в Мурчисоне, однако, при исследовании двух других метеоритов (Асука и Париж), которые, как считается, были подвергнуты на их родительских телах (астероидах) меньшим метаморфозам, в частности, воздействию существенных порций воды, и нагреванию, такого избытка как для изолейцина, так и для других не протеиновых аминокислот, не наблюдается. А вот что касается протеиновых аминокислот, то практически по всем исследованным аминокислотам, входящих в состав земных живых организмов (аспаргиновая кислота, глутаминовая кислота, серин, валин) наблюдается ощутимый перевес "левых" изомеров над правыми. В частности, по образцу метеорита Асука, считающемуся подвергнутым с момента образования его родительского тела наименьшим изменениям, по аспаргиновой кислоте превышение в два раза, по глутаминовой почти в три раза, по серину - более,чем в четыре раза, по валину - почти на 20%, и лишь по аланину оно составляет лишь 7% (см. Табл. 3 в обсуждаемой статье). Правда, по образцам метеоритов Париж и Мурчисон превышение и по аланину составляет уже порядка 25%. Но всё же, почему для аланина соотношение левых и правых изомеров меньше, чем для других аминокислот? Если всерьёз рассматривать былую биологическую активность на астероидах, в состав которых ранее входили рассматриваемые метеориты, то можно предложить любопытное объяснение. Дело в том, что нестандартный правый аланин входит в состав клеточных стенок бактерий, что может оказывать ощутимое влияние на соотношение оптических изомеров именно для этой аминокислоты, "смягчая" разрыв между концентрацией левых и правых молекул. Этот довод косвенно подтверждается и измерениями концентрации правых изомеров аминокислот в земной почве, где правый свободный аланин входит в число наиболее распространённых, часто его концентрация оказывается вполне сравнима с его левым зеркальным близнецом. Сами авторы статьи склоняются к тому, что превалирование левых аминокислот в исследованных метеоритах действительно является следствием такого превалирования на исходном космическом теле, от которого они произошли, но для окончательного вывода нужно будет провести изотопный анализ аминокислот в образцах. 

Описанные выше особенности распределения изомеров для протеиновых и не протеиновых аминокислот в углистых хондритах, на мой взгляд, являются ощутимым аргументом в пользу их биологического происхождения, однако, во многом, справедливо, могут быть заподозрены в следствии внешнего вмешательства, а именно, попадании части земной органики внутрь метеоритов, что может искажать результаты измерений. С этой точки зрения очень важны результаты исследования образцов вещества астероидов Бенну и Рюгу, загрязнение которых крайне маловероятно. И если анализ проб, взятых с Бенну, ещё только начинается, то изучение проб с Рюгу уже принесло весьма интересные и неожиданные для многих результаты. В статье Enantioselective three-dimensional high-performance liquid chromatographic determination of amino acids in the Hayabusa2 returned samples from the asteroid Ryugu авторы описывают выводы своих исследований состава и хиральности аминокислот, обнаруженных в доставленных образцах, добытых в двух разных местах изучаемого астероида. Удивительно, что и в этом случае для всех протеиновых аминокислот, обнаруженных в образцах породы данного астероида, исследованных в данной статье, наблюдается ощутимое превалирование левых изомеров, а для всех не протеиновых, опять видим фактически рацематное соотношение. Причём, даже для аланина, по которому, как и в случае с метеоритным веществом, по сравнению с другими протеиновыми аминокислотами соотношение изомеров минимально, оно, тем не менее, явно ощутимо. Любопытно, что авторы почти не комментируют, факт превалирования левых изомеров протеиновых аминокислот, за исключением аланина, для которого, как уже отмечалось, разница между концентрациями изомеров меньше, чем для других протеиновых аминокислот. По поводу аланина они пишут, что концентрация его левых и правых изомеров, вероятно, примерно одинакова. Однако, там же они сообщают, что концентрация аланина в контрольном образце была более, чем в 20 раз ниже, чем в образцах, доставленных с астероида. Даже если принять, что что она ниже всего в 20 раз (оценка снизу), и вычесть её из концентрации, измеренной для образцов из Рюгу, то всё равно выходит, что левых аланинов во всех пробах, взятых из астероида, больше, чем правых, а уж про остальные протеиновые аминокислоты и говорить нечего. На мой взгляд, представленные в статье результаты можно интерпретировать лишь двумя способами - либо имело место загрязнение материалов, во что поверить трудно, ибо на пороге XXI век, а данный эксперимент по взятию проб тщательно продумывался, и были предприняты все меры предосторожности, либо... сами знаете что. 

Опять же, возможно, ситуацию окончательно могло бы прояснить измерение изотопного состава углерода отдельно в левых и правых аминокислотах. Будем надеяться, что это будет сделано в одном из будущих исследований. И, конечно, будем с нетерпением ждать результатов анализа образцов с Бенну!