Первый элемент

Какую роль в формировании мира, в котором мы живем, сыграл водород? Насколько он важен для появления жизни? Что вообще такое жизнь и можно ли ее воссоздать? Что для этого потребуется? Может ли существовать жизнь в других условиях, чем на нашей планете? Об этом рассуждает академик Михаил Федонкин, советник директора Геологического института Российской академии наук, руководитель секции геологии, геофизики, геохимии и горных наук отделения наук о Земле РАН, член президиума РАН.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Тема водорода меня волнует давно. Этот химический элемент, первый по времени рождения и по количеству атомов во Вселенной, стал предтечей всего остального в космосе и на Земле, включая жизнь. Водород, состоящий из протона и электрона, обеспечивает энергетику жизни: протонные градиенты как одну из форм накопления энергии в живой клетке, перенос электрона вдоль транспортных цепей ее макромолекул, мягкие водородные связи и многое другое. Водород входит в состав воды (до 60% массы клетки) и большинства органических соединений. Водород — лучший источник энергии для бактерий и архей ввиду его универсальной доступности, высокого выхода энергии при аэробном или анаэробном дыхании, а главное — он требует «минимального оснащения» клетки, необходимого для его использования. Анион водорода H- известен как «энергетическая валюта» клетки (эквивалент двух электронов). А молекулярный водород H2 как ключевой промежуточный продукт реакций анаэробного метаболизма играет универсальную роль трофической (энергетической) связи между микроорганизмами, живущими на разных субстратах. Это важнейшая системообразующая особенность со времен возникновения жизни. Я убедил вас в его первородстве?

Металлическая биология

— Да! А как вы проводите эти исследования?

— В отличие от моих геологических и палеонтологических изысканий, требующих экспедиционных работ и лабораторного изучения древнего каменного материала, водородная тема входит в теоретические разработки проблемы зарождения и ранней эволюции жизни. Здесь требуется сбор и синтез данных из весьма разных областей науки: микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, биогеохимии, минералогии, геохронологии и, конечно, палеонтологии в широком смысле. Каждое из перечисленных направлений науки создает свою картину мира, а природа едина.

Поэтому требуется сверка данных и историй, выявление связей и противоречий. И чем дальше в прошлое мы уходим, тем сложнее восстанавливать условия, в которых могли формироваться и развиваться первые живые системы. Здесь мы привлекаем данные молекулярной биологии, в частности, молекулярную филогенетику, которая восстанавливает последовательность развития разных типов физиологии тех же бактерий.

— И вы поняли в какой-то момент, что без водорода все это было бы невозможно?

— Да. И второй момент: меня интересовало то, какие ферменты катализируют биохимические процессы в клетке с участием водорода. Это прежде всего гидрогеназы, дегидрогеназы. Интересный факт: все эти крупные белковые молекулы содержат в себе активаторы, кофакторы, включающие атомы металлов, прежде всего — железа и никеля, а также вольфрама, более тяжелого элемента. Моя исследовательская задача состояла в изучении процессов, которые способствовали биологической доступности этих металлов на ранней Земле и по мере эволюции биосферы. Здесь данные геологии и геохимии имеют критическое значение. Вот откуда интерес к водороду.

Недавно вышел указ, что в общероссийский классификатор полезных ископаемых включен водород природный. Это решение серьезное, оно требует соответствующего законодательства, разработки технологических норм, научных методик прогноза, поисков и разведки месторождений этого всюду проникающего газа. Названные меры необходимы потому, что в нашей стране принято к исполнению высокотехнологичное направление «Водородная энергетика». Действует оно до 2030 года. Это направление, которое имеет свою «дорожную карту», стадии развития, включает поиски природного водорода.

«Методом дикой кошки»

— Вы говорите, что нынешняя история с водородной энергетикой напоминает вам «золотую лихорадку». Почему?

— Скорее она напоминает мне историю с первыми поисками нефти. Это было в 1850–1860-х годах в США. Уже научились делать оборудование для скважин и бурить их, но не было геологических знаний и опыта, где и как искать месторождения нефти. Бурили, по выражению тех времен, «методом дикой кошки», то есть наудачу. Резонов научных не было, где надо закладывать скважину, не знали. Но по мере накопления опыта это пришло, и сейчас выбору места бурения скважины предшествуют очень серьезные и дорогие научные исследования.

— С водородом сейчас примерно так же? Никаких знаний, никакого опыта пока нет?

— Практический опыт формируется по ходу дела. Экономически это дело чрезвычайно рискованно. Ведь когда начинали бурение на нефть, масса людей разорилась, потому что был высокий шанс неудачи. Выиграли те, кто не бурил, а покупал нефть и делал из нее, допустим, бензин. Сейчас ситуация очень похожая. Более 30 стран мира, включая КНР, США, Японию, Австралию, теперь и Россию, объявили свои национальные стратегии в области развития водородной энергетики.

Но дело в том, что основу этой энергетики сейчас и в ближайшем будущем будет составлять водород, который получают искусственным путем: допустим, разлагают воду на водород и кислород с помощью электролиза, подвергают конверсии метан и так далее. Таких методов довольно много. А природный водород — тот, который находится в недрах.

— Так ли необходимо его добывать? Может быть, проще получать искусственно?

— Так и делают. Но это экономически дорого, а иногда экологически вредно. Для получения водорода используют энергию, но тратят ее больше, чем дал бы полученный водород. Это иногда в полтора-два раза дороже.

— А методов извлечения природного водорода пока не существует?

— Это непростой процесс. Водород очень реактивный и взрывоопасный газ. Здесь нужны особые металлы, сплавы, другие вещества и технологии, обеспечивающие безопасность добычи, транспортировки, хранения. И получается огромный комплекс новых задач, включая формирование рынка.

— Не может быть ситуации, что добыча водорода приведет к его исчерпанию, а ведь это элемент, абсолютно необходимый для существования всего живого на Земле?

— Все живое употребляет его прежде всего в виде воды. Он входит в состав живых клеток в виде водородных связей большинства органических молекул. Но вопрос ваш интересен тем, что мы пока точно не знаем, с чем имеем дело,— с месторождениями, залежами или с постоянной генерацией водорода в недрах и его миграцией к поверхности Земли. Хорошо известны процессы, которые нам точно говорят о том, что в недрах Земли идут реакции с выделением водорода, например, радиолиз воды под воздействием ионизирующего излучения радиоактивных элементов или серпентинизация — реакция воды с минералами, богатыми железом. Эти процессы всегда протекали на Земле, и, вероятно, более интенсивно на молодой планете: обстоятельство, имеющее отношение к происхождению жизни.

— Что такое серпентинизация?

— Это глобальный процесс. Ультраосновные вулканические породы, слагающие ложе океана и кристаллический фундамент континентов, при температуре150–300 градусов в контакте с водой интенсивно выделяют водород, поскольку кислород воды окисляет железо. Этот процесс происходит постоянно там, где есть богатые железом вулканические породы, вода и нужная температура. По расчетам российских и зарубежных геологов, этот природный процесс генерации водорода и его простых органических соединений многократно (на порядки) превышает известные запасы углеводородов на нашей планете.

Вопрос в том, где и как он может скапливаться, образовывать крупные залежи? Примеры есть. Самый известный, который стал триггером, спусковым крючком «золотой лихорадки» в отношении водорода,— это скважина, которую бурили для воды в Мали (Африка) в 2015 году. Скважину пробурили — воды нет. Она была всего 110 м глубиной. Бригада уехала, а местные жители обнаружили, что из этой скважины «дует ветер». Через некоторое время приехала бригада, чтобы эту скважину закрыть, и человека с сигаретой обожгло взрывом. Жив он остался, но чудом.

Анализ состава газа показал, что из скважины идет поток почти чистого водорода, 97%. Это редчайший случай. Подобные скважины известны в Австралии на полуострове Йорк и на острове Кенгуру. Но там меньший процент — около 70.

— А у нас в стране такого не обнаруживали?

— Эмиссия водорода — довольно обычное явление, но, как правило, на пути из недр водород реагирует и смешивается с другими газами, активно поглощается микроорганизмами, и потому его процент очень невысок. По выходе из недр он уходит в атмосферу и покидает Землю. А задача — искать такие месторождения, где бы его запасы и концентрация были высокими. На территории России ни одного такого месторождения пока не зарегистрировано. Но в ряде скважин в составе природного газа документировался водород до 20% и даже до 45%.

Химия «колыбели жизни»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Это все важные практические вещи. Но давайте поговорим о том, каким образом на Земле произошла жизнь с участием водорода. Вам эта картина понятна или остается загадочной?

— Современные модели происхождения жизни в основном ориентируются на процессы абиогенного синтеза макромолекул — предшественников биоорганических соединений, но не предлагают механизмов генерирования энергии, которая инициировала и поддерживала процессы обмена веществ. Большинство исследователей этой проблемы обсуждают, какие молекулы могли синтезироваться в различных условиях ранней Земли, что было первичными кирпичиками жизни. При этом забывают, что в живой клетке стабильность главных биомолекул — кинетическая.

И здесь, даже если синтезировать все нужные молекулы и поместить их в питательную среду, эксперимент не даст живого организма. В основе изначально должны были присутствовать градиенты физических и химических параметров, формирующие потоки энергии и вещества, упорядоченность. Наглядный пример: устойчивые воронки круговоротов на глади текущей реки — это энергия реки. Или смерч — он существует как структура, только пока дует ветер. В отношении живых организмов и происхождения жизни — то же самое.

Конечно, чрезвычайную роль в абиогенезе играла химия «колыбели жизни». Изучение глобального разнообразия минералов на Земле (по их составу, структуре, условиям формирования) показало, что около 90% из 4700 известных минеральных видов не присутствовало на Земле до возникновения жизни. Это примерно 4 млрд лет назад. Только представьте: 582 из 790 минералов железа не формировались в тех условиях! Подобная картина с минералами урана, марганца меди, никеля. Этот факт объясняется тем, что львиная доля минералов формировалась позднее благодаря воде и кислороду, который «надышали» фотосинтезирующие цианобактерии.

— Значит, все эти металлы присутствовали в среде зарождения жизни?

— Как и водород! Биологически важные металлы в процессах внутриклеточной жизни служат донором электронов, осуществляют их перенос, поглощение и конверсию солнечной энергии, ферментативный катализ, обмен электрическими импульсами между клетками и множество других функций. Я назвал те, что прямо связаны с энергетикой жизни.

Водород — надежный источник энергии для бактерий и архей ввиду его универсальной доступности и при крайне малой, и при высокой концентрации в среде обитания. Очень важен высокий выход энергии при аэробном или анаэробном дыхании микроорганизмов, и это при минимальных клеточных ресурсах, необходимых для его использования. Он «прост в общении» — протон и электрон, оба работают в живой клетке. Многие группы прокариот используют H2 в качестве донора электрона, их ферменты осуществляют перенос H+ катиона (протона), градиент которого используется клеткой в процессе синтеза АТФ (аденозинтрифосфат — молекулярная «батарейка» для всех процессов накопления и использования энергии в клетках).

Обилие водорода на ранней Земле играло ключевую роль в становлении метаболических систем клетки. Этому способствовали низкая энергия активации водорода, его восстановительные свойства, формирование протонов и электронов при контакте молекулярного водорода с металлами, высокая диффузионная подвижность.

— И все-таки каким образом на фоне всех этих химических процессов появилась жизнь?

— Здесь очень важно вот что: биохимические реакции с участием водорода в качестве субстрата или продукта этих реакций катализируются ферментами — гидрогеназами. В недрах этих больших молекул располагаются Fe-S-кластеры или Fe-Ni-S. Их молекулярная структура напоминает кристаллические решетки некоторых сульфидных минералов. Гидрогеназы катализируют множество реакций с участием водорода. Простейшая из этих реакций — обратимое восстановление водорода из протонов и электронов. Вполне возможно, именно с этой реакции и начался поток энергии жизни, который радикально преобразил планету. Этот процесс продолжается до сих пор.

Если изъять атомы металлов из активных центров фермента, он теряет или ослабляет свои каталитические качества. Это характерно не только для гидрогеназ, но и для других металлопротеинов. И это намек на то, что в начале жизни больших белковых молекул могло и не быть. Они появились позже для тонкой настройки катализа и сохранения металлов. А первыми катализаторами, вероятно, были простые неорганические молекулы, формирующие минералы, и прежде всего сульфиды.

— Получается, что жизнь на древней Земле возникла только благодаря металлам и водороду?

— Не только. Другие древнейшие минералы Земли наряду с сульфидами металлов могли внести свой вклад в процесс становления жизни — как матрица и катализатор для синтеза органических макромолекул, ионный и молекулярный фильтр, агент сортировки молекул по симметрии, защита молекул от разрушения и, возможно, фактор становления спиральной симметрии макромолекул.

Я разделяю эту концепцию. Она вызревает вот уже несколько десятилетий на основе синтеза данных, полученных в недрах очень разных научных дисциплин — геологии и геохимии, микробиологии и биохимии, молекулярной биологии и биофизики.

Архаика с большим радиусом

— Где все это началось? Уже на нашей планете или в космосе? Ведь там тоже есть молекулярные облака, полно органики, металлы, водород… Может быть, жизнь оттуда пришла к нам в своей первоначальной форме?

— В космосе вода присутствует в виде льда, а для жизни нужна вода в жидком состоянии. Она имеет критическое значение как растворитель и внутриклеточная среда транспорта и синтеза веществ, молекул и ионов, как электролит. Низкая температура космоса также не способствует химическому разнообразию. Именно поэтому космос так беден веществами в сравнении с Землей. Для жизни нужна активная планета.

— А что по поводу переноса микроорганизмов с помощью небесных тел?

— Гипотеза панспермии имеет длительную историю, чуть ли не с античных времен. Интерес к ней оживился, я думаю, ввиду двух обстоятельств.

Первое — это откровение непостижимой сложности и совершенства живых систем.

Второе — это некоторая растерянность перед сложностью проблемы происхождения жизни. Растущее множество гипотез говорит об отсутствии приемлемой для большинства ученых «путеводной звезды», парадигмы исследования. Периодически гипотезу панспермии пытаются проверять экспериментально как в лабораториях, так и в открытом космосе, подвергая экстремофильных микробов разнообразным физико-химическим воздействиям с целью изучения пределов факторного пространства выживания.

Но есть только один проект идеального космического корабля: надо свернуть биосферу в трубу, закрыть торцы, и можно отправляться в полет. Длительное путешествие в космосе с гарантией выживания требует не только своей биосферы, но и всей системной памяти живого. Сдержанное отношение научного сообщества к идее панспермии, возможно, связано еще с тем, что, «импортируя» жизнь из космоса, мы «экспортируем» проблему, а такая капитуляция не в традициях фундаментальной науки.

— А что за концепцию про элементы с большим атомным радиусом вы предложили?

— Дело в том, что на заре жизни таких сложных молекул, как сейчас, еще не было. Вместе с моим голландским коллегой профессором Робертом Хенгевельдом мы высказали такое предположение: на пути от геохимии к биохимии в формировании жизни могли участвовать элементы с большим атомным радиусом. По этой причине они не образовывали очень прочных соединений, которые требовали бы ферментов для их расщепления. Макроэлементы, которые составляют жизнь — сера, углерод, фосфор, водород и кислород,— образуют довольно прочные соединения, и, чтобы их диссоциировать, нужна энергия. Нужны ферменты. Поэтому не исключено, что на ранней стадии жизни или на пути к ней принимали участие именно химические элементы с большим ионным радиусом.

— Какие именно?

— Не исключено, что вместо серы, которая принимает активное участие в биомолекулах, участвовал селен. Он и сейчас нередко входит в некоторые соединения вместо серы. Мышьяк ядовит для нас, но он мог участвовать в формировании жизни, а потом был замещен фосфором. Недавно появились статьи о том, что ряд бактерий использует мышьяк и кадмий. Не исключено, что эти элементы, ядовитые для большинства организмов, это архаика времен происхождения жизни.

— Допустим, мы выяснили все факторы, необходимые для формирования жизни. Можем ли мы их соединить в пробирке плюс энергия и получить жизнь?

— Сомневаюсь.

— Может быть, нам не хватает времени? Вдруг через миллион лет в пробирке что-то зародится?

— Природе потребовались миллиарды лет истории от Большого взрыва к происхождению легких элементов, формированию звезд и синтезу более тяжелых элементов в их недрах, а далее — медленное усложнение вещества в космосе в виде очень простых и более сложных органических соединений, туманности, протопланетные диски и, наконец, планеты с их бурной и такой разной судьбой. На одной из них — жизнь. Все это — одна вселенская история, и она мне не кажется случайной.

Другое измерение жизни

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— А если подключить суперкомпьютеры, которые могут быстро перебирать разные варианты?

— Есть такое успешное научное направление, имеющее колоссальное прикладное значение для развития разных областей — от фармацевтики до пищевой и химической промышленности. Это молекулярная инженерия. Я бы поставил перед ними обратную задачу: не создавать жизнь, ведь она уже есть, а учиться у жизни на множестве примеров — от молекулярного уровня до биосферного. Она потрясающе изобретательна, эффективна и мудра.

— Однако люди уже искусственно синтезируют вирусы. Может быть, это и есть первый шаг к тому, чтобы создать жизнь? Ведь вирус — это нечто переходное между живым и неживым.

— Вирус не совсем вписывается в представление о живом. Он не может жить автономно, не обладает собственным обменом веществ. Он не размножается, ему для этого нужно внедриться в клетку, которая фактически начинает его «штамповать». Это вообще удивительная форма существования. Вирусы иногда называют «сбежавшей ДНК». От кого-то она когда-то ускользнула. Здесь тоже много загадок.

— Мы ведь вообще не знаем, что такое жизнь.

— Есть более сотни научных определений жизни, опубликованных в разные годы, и ни одно не является исчерпывающим. Раздаются голоса о том, что такое определение не имеет смысла. Есть хорошее выражение: «Жизнь — это не существительное, а глагол». Это процесс, и важно об этом помнить. А что касается знаний и понимания сложности этого процесса, то современная физика представляет все больше доказательств, что явления жизни во многом определяются квантовыми эффектами. Это выход в другое измерение и огромное поле для исследований и открытий.

— Как вы думаете, на других планетах, где есть вода, атмосфера и те же элементы, о которых мы говорим, возможна жизнь?

— Это совсем не исключено. Вопрос в том, возможна ли она только в такой форме, как у нас, или в других тоже? Малейшие отличия в параметрах и факторах среды могут иметь последствия, которые трудно представить. Вы посмотрите, как разительно меняется мир живого на нашей планете, когда мы переходим от одних ландшафтов к другим, когда сравниваем разные местообитания и их население.

Одно из самых серьезных открытий последних десятилетий в этом направлении — это глубинная биосфера. Она простирается на глубину более 5 км на континентах и более 10 км в осадках и горных породах ложа океана. Подозрения о том, что жизнь существует в условиях таких больших глубин, где нет солнечного света и кислорода, высокая температура, существовали давно. Но серьезные научные доказательства появились только тогда, когда научились надежно отличать живущих в глубине бактерий и архей от тех, что могли попасть в пробы с поверхности Земли. По объему глубинная биосфера превышает двойной объем Мирового океана! Оценки глобальной биомассы, плотности населения и биоразнообразия очень сильно разнятся, поскольку эти параметры во многом определяются региональными геологическими условиями.

— И там тоже главенствует водород?

— Без сомнений! В основе энергетики этой во многом еще неизведанной экосистемы — водород, первый элемент Вселенной. Правда, его немного ввиду острой конкуренции микробных потребителей. Поэтому первое, чем бы я поинтересовался в отношении жизни на другой планете,— это наличие водорода и металлов.

Беседовала Наталия Лескова