Жизнь на Земле могла начаться с химических реакций, которым не требовались ни ДНК, ни РНК, ни даже клетки. Согласно гипотезе «сначала метаболизм», первые живые системы выросли из цепочек реакций, способных использовать энергию окружающей среды и создавать органические вещества. Учёные предполагают, что подобные процессы могли запуститься более четырёх миллиардов лет назад возле горячих источников на океанском дне.
Современные организмы постоянно получают энергию и расходуют её на поддержание жизни. Клетки перерабатывают одни вещества в другие, строят новые молекулы и избавляются от ненужных продуктов. Всю совокупность химических превращений называют обменом веществ, или метаболизмом. Сторонники гипотезы считают, что простейшие механизмы такого обмена появились ещё до первых организмов, а ДНК и РНК возникли позже, когда химическим системам понадобилось сохранять и передавать наследственную информацию.
Одним из возможных мест зарождения жизни учёные считают окрестности гидротермальных источников. Морская вода проникает в трещины земной коры, нагревается, вступает в реакции с горными породами и возвращается на дно, насыщенная растворёнными веществами. Вместе с водой поступают соединения, которые могут участвовать в образовании органических молекул. При этом минералы железа и никеля помогают ускорять химические превращения. В современных клетках похожую работу выполняют ферменты, специальные белки, без которых многие необходимые для жизни реакции шли бы слишком медленно.
Предполагаемый механизм довольно прост. Водород служит источником химической энергии, а углекислый газ поставляет углерод для создания органических соединений. При участии металлических катализаторов исходные вещества могут превращаться в более сложные молекулы, которые затем вступают в новые реакции. Если окружающая среда постоянно пополняет запасы необходимых веществ, химическая система получает возможность работать длительное время. В дальнейшем вокруг первых реакций могли возникать дополнительные цепочки превращений.
Учёные уже проверили часть предположений в лаборатории. В 2020 году исследователи воспроизвели условия, характерные для некоторых подводных гидротермальных источников, и нагрели смесь водорода и углекислого газа до 100 °C. В присутствии минералов железа и никеля начали образовываться вещества, которые современные клетки используют в обмене веществ. Среди продуктов реакции оказались формиат, ацетат и пируват, а также метанол и метан. Для получения перечисленных соединений исследователям не понадобились живые клетки, РНК или белковые ферменты.
Особенно интересны ацетат и пируват. Некоторые современные микроорганизмы получают органические вещества из водорода и углекислого газа с помощью последовательности реакций, известной как путь ацетилкофермента А. Найденные в лаборатории продукты участвуют в том же биохимическом процессе. Совпадение позволяет предположить, что природа могла освоить отдельные этапы клеточного обмена веществ ещё до появления самих клеток. Однако учёные пока воспроизвели лишь часть необходимых превращений, а не полноценную самоподдерживающуюся систему.
При этом первые химические реакции необязательно зародились на глубине океана. Другая группа исследователей показала, что для некоторых превращений не нужны ни горячие источники, ни металлические катализаторы. Учёные смешали в воде два сравнительно простых органических соединения, пируват и глиоксилат, и получили цепочку реакций, напоминающую важную часть современного обмена веществ, обратный цикл лимонной кислоты. Превращения проходили при умеренных температурах, причём образовавшиеся соединения могли служить основой для синтеза аминокислот, из которых живые организмы строят белки.
Лабораторные результаты расширяют перечень возможных мест зарождения жизни. Первоначальная химия могла развиваться и в неглубоких водоёмах, где органические вещества накапливались и постепенно вступали в новые реакции. Правда, исследователям ещё предстоит выяснить, существовали ли на молодой Земле необходимые соединения в достаточном количестве и могли ли реакции продолжаться без постоянного вмешательства извне.
Идея появления обмена веществ раньше генетического кода возникла несколько десятилетий назад. В 1968 году биофизик Гарольд Моровиц предположил, что постоянный приток энергии способен упорядочивать химические процессы и поддерживать устойчивые цепочки реакций. Позднее химик Гюнтер Вехтерсхойзер предложил гипотезу железосерного мира, в котором минералы океанского дна помогали создавать органические соединения. Современные эксперименты позволили проверить отдельные этапы предполагаемой химической эволюции.
Но между образованием органических веществ и появлением жизни остаётся огромный пробел. Даже если химические реакции способны продолжаться без участия живых организмов, пока непонятно, как первоначальные системы научились воспроизводиться, сохранять полезные изменения и передавать их следующим поколениям. Без наследственности трудно объяснить, каким образом естественный отбор мог постепенно усложнять первые химические механизмы.
Не менее сложный вопрос касается появления клеточных оболочек. В открытой воде вещества легко рассеиваются, а продукты одних реакций могут мешать другим. Чтобы химическая система работала устойчиво, ей потребовался способ удерживать необходимые соединения рядом. Учёные рассматривают разные варианты, от крошечных полостей в минералах до пузырьков из органических молекул, способных расти и делиться.
Пока гипотеза «сначала метаболизм» остаётся одним из возможных объяснений происхождения жизни. Эксперименты подтверждают, что природа способна создавать некоторые важнейшие компоненты клеточного обмена веществ без участия самих клеток. Однако никому ещё не удалось показать весь путь от простых химических соединений до системы, которая самостоятельно поддерживает свои реакции, размножается и передаёт наследственную информацию. Возможно, обмен веществ, первые оболочки и механизмы наследования развивались параллельно, пока постепенно не объединились в предшественников современных организмов.
