Вынесенный в заголовок вопрос является одним из важнейших в проблеме происхождения жизни (второй — как возникла репликация). В это статье мы постараемся подобраться к ответу на него.

Логично предположить, что поиски имеет смысл сосредоточить в путях запасения энергии и синтеза органических молекул у наиболее архаичных организмов. Первым кандидатом на таковой можно считать путь ацетогенов, он же, путь Вуда‑Люндгаля. Практически все известные реконструкции указывают, что он был уже у LUCA. В классическом варианте данного пути из двух молекул углекислого газа и водорода на коферменте A (CoA) синтезируется молекула Ацетил‑КоА (Acetyl‑CoA). Она потом может участвовать в большом количестве метаболических процессов таких как, например, цикл Кребса, синтез жирных кислот, ацетилирование белков, синтез коферментов, сборка терпенов и многих других реакциях, происходящих в клетке. Кроме того, тиоэфирная связь, которой ацетил связан с коферментом А, содержит большое количество свободной энергии (даже немного, чем фосфоэфирная связь, образующаяся при классическом фосфорилировании), которую тоже можно при необходимости использовать.

Тем не менее, общий баланс энергии без учета мембранного комплекса прокачки атомов натрия через мембрану, который имеет довольно сложное устройство, и вряд ли появился уже на ранних этапах эволюции, околонулевой, так как в процессе восстановления одной из молекул CO₂ до муравьиной кислоты расходуется одна молекула АТФ. Но ситуация кардинально меняется, если на вход цепочки подается угарный газ (CO). В этом случае реакция может идти уже без расхода АТФ и мы получаем двойной профит — синтез органики одновременно с запасанием энергии, как образно выразился один из ученых — это как если бы вас пригласили на бесплатный ужин, за участие в котором еще бы и приплачивали. Хотя в настоящее время в атмосфере Земли CO очень мало, на других каменистых планетах солнечной системы, имеющих атмосферу (Марс и Венера), он составляет в ней долю, сравнимую с долей углекислого газа на Земле.

На рисунке, приведенном ниже, ниже видна удивительная схожесть последних этапов метаболического пути бактерий — ацетогенов и небиологических химических реакций, которые происходят на металлических кристаллических решетках при наличии в среде угарного газа и сероводорода.

Рассмотрим эти циклы более подробно. Как видно из рисунка, у бактерий синтез ацетильной группы −COCH₃ фактически осуществляется на чем то вроде фрагмента кристалла, содержащего атомы железа, серы и никеля. Минералы, в которых встречаются кристаллы подобного состава, носят общее название пентландиты, и они достаточно широко распространены в природе. Сама кристаллическая структура, играющая роль каталитического центра реакции, заключена у бактерий внутри протеинового комплекса, называемого acetyl‑CoA synthase, сокращённо ACS. Соответственно, все фазы работы состоящего из неорганики каталитического центра изображены на рисунке вокруг надписи ACS.

Слева‑внизу от неё показано исходное состояние наноразмерного «четырёхтактного двигателя». На первой фазе его работы к одному из атомов никеля присоединяется молекула угарного газа. В настоящее время его уже практически не осталось в атмосфере, поэтому, ацетогены вынуждены сами его синтезировать путём восстановления CO₂ в другом реакционном центре — CO дегидрогеназе с последующей передачей в каталитический центр ACS по специально выделенному «туннелю», соединяющему оба протеиновых комплекса (это нужно для того, что бы синтезированный отнюдь не без усилий угарный газ никуда не «сбежал», и не окислился по дороге, ненароком, обратно в CO₂). Однако, около четырех миллиардов лет назад угарного газа в атмосфере должно было быть гораздо больше, и он, скорее всего, мог черпаться из окружающей среды напрямую.

На второй фазе работы каталитического центра к тому же атому никеля на ещё одну пока свободную его валентность подвешивается метильная группа ‑CH₃, синтезированная ранее в другой цепочке реакций, и сданная «до востребования» на хранение атому кобальта (см. верхнюю‑правую часть рисунка). Кстати, по странному, на первый взгляд, стечению обстоятельств, кобальт тоже является типичной минорной примесью всё того же пентландита, см., например, статью про него в википедии на английском.

На третьем такте работы химического «двигателя» CO и CH₃ объединяются в ацетил, который по прежнему удерживается на атоме никеля (см. изображение соответствующего состояния коэнзима слева‑вверху относительно надписи ACS). Наконец, в заключительной фазе цикла ацетил отсоединяется от никеля и присоединяется к коферменту А приводя, тем самым, систему в исходное состояние. Что же касается дальнейшей судьбы ацетила, то она может быть различной. Как правило, он либо участвует в синтезе жирных кислот и другой органики, либо окисляется до ацетата с попутным запасанием клеткой энергии в форме АТФ.

На основе вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что важнейшую роль в заключительных реакциях метаболического цикла ацетогенов играют кобальт и объединенные в единую кристаллическую структуру атомы серы, железа и никеля. Как уже отмечалось выше, все перечисленные химические элементы встречаются вместе в минерале пентландит, обнаруживаемом в породах, образовавшихся в результате магматических извержений, а так же в метеоритах (в частности, он встречается в составе наделавшего в свое время много шума челябинского метеорита). Таким образом, не лишено оснований предположение, что исходно данные реакции могли идти, пусть и с меньшим КПД, на поверхности минералов абиогенно, а появившиеся позже органические кофакторы и протеиновые комплексы просто позволили взять их под контроль и использовать с выгодой для живых организмов.

Возможность протекания абиогенного аналога реакции косвенно подтверждается и опытами Вэхтерсхойзера в которых при пропускании CO и H₂S через воду, в которую был добавлен порошок, содержащий сульфиды железа и никеля, тоже образовывался ацетат. Как ещё один продукт реакции был зафиксирован метантиол, который может рассматриваться как простейший древний аналог кофермента А, осуществляющего последнюю реакцию в обсуждаемой цепочке. Более того, в другом эксперименте было показано, что в схожих условиях на сульфидах никеля в качестве катализатора при пропускании через них тех же CO и H₂S образуются так же этантиол (CH₃‑CH₂‑SH) и даже пропантиол (CH₃‑CH₂‑CH₂‑SH).

Все три указанные молекулы можно рассматривать как закономерный ряд от самого примитивного (но, все же, не кастрированного) аналога CoA — метантиола ко все более продвинутым его аналогам, за счет постепенного наращивания его углеводородного «хвоста» (см. рисунок ниже). Этот хвост нужен, конечно, не для красоты, а для того, что бы протеинам было удобнее за него удерживать и распознавать сам кофермент. Таким образом, даже в абиогенных условиях хвост может постепенно наращивать свою длину, делая молекулу по мере удлинения более похожей на итоговый биологический «конечный продукт» — кофермент А.

Отдельная тема, как в абиогненном аналоге цепочки на атомах металлов могла появиться метильная группа. Один из вариантов — в результате отщепления от метантиола при его взаимодействии с атомами металлов, в частности, кобальта. При давлении в 100 атмосфер, что примерно соответствует глубине океана в 1 км., и температуре порядка 100C метилирование кобальта идет уже вполне активно. Потом, в какой‑то подходящий момент, метильная группа, расположенная на кобальте в составе петландита, могла перемещаться на никель с уже удерживаемы им угарным газом, образовывая, таким образом, ацетильную группу. Кстати, насколько мне известно, перенос метильной группы с кобальта на никель в ацетатном цикле напрямую с одного металла на другой, вообще является уникальной для живых систем химической реакцией, что косвенно подтверждает, что это архаизм, оставшийся в наследство от первичного цикла, который шел прямо на минералах.

Следует отметить, что необходимые для осуществления рассматриваемых реакций угарный газ и сероводород обычно входят в состав газов, поднимающихся из активных вулканов. Много их и в подводных геотермальных источниках, в частности, в так называемых белых курильщиках, которые так же часто называют геотермальными источниками типа Lost City.

Но, оказывается, и это ещё не всё! В качестве бесплатного бонуса теории первичности ацетатного цикла можно рассматривать тот факт, что реакция образования ацетил‑фосфата, являющаяся ключевой для синтеза АТФ на последнем этапе, существенным образом усиливается в присутствии калия, и, наоборот, подавляется в присутствии натрия. Это может быть одним из возможных объяснений до сих пор во многом загадочного стремления любой клетки поддерживать в своей цитоплазме неестественное для неживой природы соотношение концентраций калия и натрия. Внутриклеточное превалирование калия над натрием может быть своеобразным «родимым пятном», доставшимся живым системам в наследство ещё от самых ранних этапов их эволюции!