Теория Ника Лейна о том, как эволюционировали первые клетки: Его основной аргумент заключается в том, что жизнь непрерывна с геохимией планеты. То есть многие основные характеристики клеток - мембраны, ферменты, энергия через протонные градиенты - происходят из спонтанных процессов на Земле. Но эти характеристики не могут эволюционировать по частям в разных местах. Нужна одна локация, которая объединяет все процессы, которые затем могут привести к возникновению первой клетки. Важно отметить, что вся жизнь происходит от одного общего предка - LUCA (последнего универсального общего предка). Итак, какая среда могла бы привести к LUCA? Она должна обладать двумя основными характеристиками: - Непрерывный поток углерода и энергии (в некотором смысле, вся жизнь - это поток углерода и энергии, но вам нужна какая-то геохимия, чтобы поддерживать это неравновесие, прежде чем первые клетки смогут его использовать). - Что-то, что концентрирует и катализирует реакции, ведущие к органическим веществам (то есть неорганические эквиваленты клеток и ферментов). Это исключает множество старых теорий: теплый пруд с аммиаком и солями и случайная молния не создают непрерывный поток, и не концентрируют ранние органические вещества в объеме, подобном клетке, чтобы продвигать реакции. Ник считает, что щелочные морские источники идеально подходят для этой задачи и также помогают объяснить множество зависимых биохимических процессов, которые вся жизнь в конечном итоге использует из-за нашего общего наследия. Итак, давайте углубимся: и для контекста, по сути, Ник здесь пытается объяснить, как вы в конечном итоге получаете раннюю версию обратного цикла Кребса спонтанно. Обратный цикл Кребса принимает H2 и CO2 и производит органические молекулы, которые являются предшественниками жирных кислот, белков и сахаров. Еще один важный момент контекста: вся жизнь работает на протонных градиентах. Сжигание пищи с кислородом (или другими окислителями в анаэробном дыхании) перекачивает H+ ионы через мембрану, как наполнение плотины. Эти ионы возвращаются через АТФ-синтазу — молекулярную турбину — которая использует поток для присоединения фосфата к АДФ, создавая АТФ. В вашем теле содержится всего 60 граммов АТФ, но цикл АТФ→АДФ→АТФ настолько быстр, что вы обрабатываете свой вес в АТФ ежедневно. Кстати: если раствор кислый, это означает, что в нем много H+ ионов. А если он щелочной (то есть щелочной), это означает, что в нем много OH- ионов. Итак, что происходило в этих щелочных гидротермальных источниках? Здесь есть 3 стороны этой картины: внутренняя часть источника, стенка источника и океанская сторона источника. На внутренней стороне источника у вас есть железосодержащая порода, которая по сути ржавеет, что позволяет выделять H2 и OH- в поток воды, проходящей через него (то есть делает воду щелочной/щелочной). Стенка состоит из каталитических минералов, таких как FeS, и также имеет множество крошечных пор, которые соединяют внутреннюю часть с внешней. А океанская сторона имеет много растворенного CO2 - ранняя Земля была по сути гигантским океаном, но также имела много вулканов, которые выделяли много CO2. И океаны тоже довольно кислые, потому что CO2 становится угольной кислотой, когда растворяется в воде. Внутри крошечных пор в этих источниках H2 реагирует с CO2, образуя простые органические вещества, такие как формальдегид (CH2O) и метанол (CH3OH), инициируемые FeS в стенах, который действует как катализатор для этой реакции. Вспомогательная химия: не стесняйтесь пропустить этот параграф - я просто собираюсь включить его, так как мне потребовалось некоторое время, чтобы заново изучить химию старшей школы, связанную с этим. И это было довольно удовлетворительно понять. Почему вам нужно, чтобы сторона H2 внутри была щелочной? И почему вам нужно, чтобы сторона CO2 снаружи была кислой? Мое понимание заключается в том, что в щелочном растворе H2 -> H+ предпочтителен, поскольку OH- (который по определению делает раствор щелочным) действительно хочет реагировать с H+, чтобы образовать H2O. Но теперь у вас есть некоторые промежуточные H+, которые могут участвовать в других реакциях. На океанской стороне, чем более кислой является вода, тем менее вероятно, что добавленный CO2 будет превращен в угольную кислоту (поскольку ее уже так много вокруг) и вместо этого будет доступен для реакции. Теперь, когда у вас есть эти ранние органические вещества, накапливающиеся внутри этих крошечных пор, вы можете запустить этот положительный обратный цикл, где эти ранние органические вещества действуют как предшественники или ферменты для создания все большего количества молекул, которые использует жизнь. Вы создаете аминокислоты (которые становятся ферментами для других реакций), и жирные кислоты (которые спонтанно образуют мембраны, потому что у них есть гидрофобные головы и гидрофильные хвосты), и сахара, и пептиды, и в конечном итоге ДНК и РНК. Клод иллюстрирует: Тот факт, что эта ранняя протоклетка не должна сама генерировать протонные градиенты и может просто воспользоваться геохимическим неравновесием, является огромным преимуществом: "Метаногены тратят практически 98% своего энергетического бюджета на генерацию протонных градиентов с помощью метаногенеза и чуть более 2% на производство новых органических веществ. С естественными протонными градиентами и протекающими мембранами никакие из этих чрезмерных затрат энергии не нужны. Доступная мощность остается такой же, но накладные расходы сокращаются как минимум в 40 раз, что является очень значительным преимуществом." В дополнение к градиенту H+, который существует спонтанно в этих источниках, некоторые протоклетки также начали выделять Na+ ионы. И поскольку для них нет естественного градиента, это создает стимул для разработки непроницаемых мембран (и для белков на этой мембране, чтобы выкачивать протоны наружу). Как только вы разработаете такую мембрану, вы можете покинуть эту стенку и плавать, как настоящая клетка. Подразумевает ли это, что наследование началось только в этот момент? Потому что до этого, я полагаю, у вас есть отбор среди пор, но у вас нет способа передавать черты. Это накопление органических веществ и метаболизм происходит независимо по всем порам. Тем не менее, у вас уже была ДНК и РНК на этом этапе. Так что же делала эта генетическая информация до наследования? Я полагаю, просто организовывала информацию, чтобы облегчить накопление большего количества органических веществ? Подразумевает ли это, что существовали миллионы протоклеток без общего родства между ними, каждая из которых развивала свои уникальные версии всей основной биохимии жизни? LUCA просто оказался одним из тех, у кого была ДНК, РНК и АТФ-синтаза, но все три из них могли быть совершенно разными в зависимости от того, какие протоклетки выбрались из углубления первыми? Тем не менее, тот факт, что эти три строительных блока рассматриваются во всей жизни, предполагает, что они уникально хорошо спроектированы? Или, может быть, это означает, что эволюция не может эффективно улучшить свои основы. Так же, как обратное распространение может найти лучшую сеть для отображения функции, но не может перепроводить GPU, на котором вы ее обучаете, одновременно. В любом случае, как только у вас есть эта протоклетка, она может "инфицировать" смежные системы источников по всему океанскому дну. Зависимая биохимия, объясненная этой теорией: - Почему вся жизнь питается протонными градиентами - Почему все пути фиксации углерода, будь то в бактериях, археях или эукариотах, используют ацетил-КоА в качестве точки входа. Он образуется спонтанно в этих источниках, когда катализируется FeS в стенах. И, по сути, вся жизнь все еще использует эту молекулу для хранения энергии и построения других молекул. - Почему многие ферменты, участвующие в метаболизме энергии (и в цикле Кребса в частности), все еще используют минералы FeS в качестве своей основы - Почему археи и бактерии (две разные царства эукариот) разделились - по-видимому, это связано с тем, как они создают протонные градиенты, но, честно говоря, соответствующая биохимия вышла за пределы моего понимания. Хотя это разделение должно объяснить, почему вся жизнь делит ДНК, РНК и АТФ-синтазу, но ничего другого: ни клеточной мембраны, ни ферментов репликации ДНК, ни насосов для эксцреции. По-видимому, все эти вещи были вовлечены в разные выборы, которые археи и бактерии сделали во время этого разделяющего события. Вопросы к Нику: - Я полагаю, что эта теория несовместима с панспермией, верно? - Указывает ли эта теория щелочных источников на то, что жизнь может быть очень редкой или очень обильной во Вселенной? В некотором смысле, это предполагает, что она должна быть редкой. Это просто очень специфический тип гидротермального источника с правильным градиентом pH и размером пор и прочностью. Но с другой стороны, это просто случайный чертов источник. Теоретически может быть тысячи подобных геологических структур по всей Вселенной, которые также могут приводить к потоку углерода и энергии через крошечные мембраны. - Разве АТФ-синтаза не суперсложная? Как протоклетки могли иметь АТФ-синтазу, но почти ничего другого, что было бы столь же сложным? - Как вся эта сложность накапливалась до эволюции с наследственностью? Все эти поры просто независимо накапливают свои собственные микромиры уникальных органических веществ? Я полагаю, возможно, что эти ранние строительные блоки плавают из одного отверстия в другое без полностью сформированной мембраны? ДНК плюс ферменты плавают из одной поры в другую и запускают больше реакций? Считает ли Ник Лейн это вероятным? Если нет, подразумевает ли это, что существовали многие другие равно жизнеспособные альтернативы для строительных блоков, как только LUCA смогла вырваться?

Прочитайте главы 1, 2 и 3 этой книги. Влезьте в долги, если это необходимо.