Известия РАН. Серия биологическая, 2021, № 5, стр. 453-463

Палеометаболизм представляет собой метаболизм филогенетически выявленных эволюционно древних организмов, а также метаболизм, существовавший в вымерших предшественниках современных организмов. Фиксация неорганического углерода в органический материал (автотрофия) является предпосылкой для жизни и отправной точкой биологической эволюции, а палеометаболизм автотрофной ассимиляции углерода, очевидно, являлся источником биомассы и основой функционирования первых протоклеток на древней Земле.

В современном создающим биоорганические вещества автотрофном метаболизме углерод ассимилируется главным образом в виде двуокиси углерода и существующие биохимические СО₂ фиксирующие пути являются фундаментом биомиметического моделирования автотрофного палеометаболизма на древней Земле. Однако существуют доказательства того, что атмосфера и гидросфера раннего Архея была обогащена водородом и метаном (Tian et al., 2005; Catling, Kasting, 2017; Zahnle et al., 2019), а континентальная кора раннего Архея по сравнению с современной была более восстановлена (Yang et al., 2014).

Восстановительная гидротермальная обстановка на древней Земле подразумевает возможность того, что первые автотрофные метаболические системы способны были использовать метан, как основной источник углерода, т.е. обладать метан-фиксирующим палеометаболизмом, который впоследствии был утерян в процессе эволюции или отброшен в экстремальные экологические ниши. В настоящей работе на основе биомиметического, филометаболического и термодинамического анализов углерод-фиксирующих путей рассматриваются химические модели систем пребиотической фиксации СО₂ и СН₄, являвшихся химической основой зарождающегося хемоавтотрофного палеометаболизма.

Палеометаболизм фиксации СО₂. Природа использует альтернативные пути фиксации углерода и в настоящее время обнаружено шесть различных автотрофных СО₂-фиксирующих путей, один линейный (восстановительный Вуда-Лунгдала (ВЛ) путь (метаногенный и ацетогенный ацетил-СоА путь в археях и бактериях соответственно) и пять циклических: восстановительный цитратный (ВЦ) цикл (восстановительный цикл трикарбоновых кислот, цикл Арнона–Баханана), 3-гидроксипропионатный (3-ГП) бицикл, восстановительный дикарбоксилатный/4-гидроксибутиратный, 3-гидроксипропионатный/4-гидроксибутиратный циклы и восстановительный пентозо-фосфатный (ВПФ) цикл (цикл Кальвина–Бенсона–Бассама). Все шесть известных путей фиксации СО₂ являются окончательными ветвями эволюции предкового палеометаболического ядра последнего универсального общего предшественника (LUCA), который является подразумеваемым эволюционным интермедиатом, связывающим абиотическую фазу истории Земли с первыми следами микробной жизни (биологическая активность, строматолиты и микрофоссилии), которые обнаружены в породах с возрастом 3.7 млрд лет (Ga) (Nutman et al., 2016). Однако LUCA уже является невероятно сложной структурой, окруженной мембраной с развитыми управляемыми ферментами системами репликации и метаболизма (Martin et al., 2016; Weiss et al., 2018), который появился в результате эволюции химической системы С–Н–О в гидротермальных минеральных системах.

Современный ВЦ цикл, как один из самых эволюционно древних путей фиксации СО₂ был предложен и обоснован в качестве модели первичной анаболической химической системы фиксации СО₂ (Wächtershäuser, 1990, 1992; Smith, Morowitz, 2004; Hügler, Sievert, 2011). В то же время ряд аргументов свидетельствует о первичности ацето- и метаногенного ВЛ пути фиксации СО₂ (Russell, Martin, 2004; Martin, Russell, 2007; Weiss et al., 2016 и др.) и 3-ГП бицикла фиксации СО₂ (Маракушев, 2008; Маракушев, Белоногова, 2013б).

Появление функциональности автономных химических функциональных систем, очевидно находится в основе биологической эволюции (Ruiz–Mirazo et al., 2017). Формирование “самоподдерживающихся автокаталитических сетей” как химической основы возникающего палеометаболизма LUCA теоретически показано во многих исследованиях (напр., Hordijk, Steel, 2018), а погранично модулярная конструкция интермедиатов циклов фиксации СО₂ позволила создать модели протометаболических систем в виде химической сети симбиоза конкретных путей (Маракушев, 2008; Маракушев, Белоногова, 2010, 2013а, 2013б; Marakushev, Belonogova, 2013; Braakman, Smith, 2012, 2013). В этих моделях точки разветвления (узлы бифуркации) определяют развитие химической сети в различных направлениях в зависящих от изменений физико-химических условий окружающей среды. Термодинамическими расчетами показана возможность функционирования автотрофных циклов в прямом и обратном направлении (Маракушев, Белоногова, 2009, 2012, 2013а, 2013б), т.е. возможность зарождения окислительных или восстановительных циклов, приводящих к появлению автотрофного, гетеротрофного и миксотрофного метаболизма. Филометаболическое сравнение метаболических ядер глубоко укорененных микроорганизмов с родственными организмами как внутри, так и между соседними ветвями, также привело к модели первичной модулярной комбинаторной сети фиксации СО₂ (Braakman, Smith, 2012, 2013).

Минимальную комбинаторную химическую сеть автотрофного протометаболизма можно представить в виде комбинации ВЛ пути, ВЦ цикла и 3-ГП бицикла (рис. 1). Их сопряжение осуществляется в узловых реакциях изменения направления потока электронов. Реакция сукцинат ↔ фумарат связывает ВЦ и 3-ГП циклы, а реакцией ацетат ↔ пируват к этой сети добавляется ВЛ путь, состоящий из двух ветвей гидрогенотрофного (Ia) и метанотрофного (Ib) ацетогенеза. Карбоксилирование ацетата завершает ВЛ путь: CH₃COOH (ацетат) + CO₂ + H₂ = CH₃(CO)COOH (пируват) + H₂O или инициирует 3-ГП бицикл: CH₃COOH (ацетат) + CO₂ = CH₂(COOH)₂ (малонат).

Рис. 1.

Химическая сеть протометаболизма, состоящая из трех биомиметически реконструированных путей фиксации СО₂ с возможным коллективным автокатализом, как функциональное способное к развитию ядро. Реакции диспропорционирования малата, цитрата и цитрамалата показаны штрихпунктирными линиями. Биомиметические пути фиксации СО₂: Ia – гидрогенотрофный и Ib – метанотрофный ацетогенез, II – цитратный цикл, III – 3-гидроксипропионатный бицикл. Показаны выявленные в биохимии (Mall et al., 2018) и модельных экспериментах (Muchowska et al., 2017, 2019; Ralser, 2018; Varma et al., 2018) обратимые реакции. Необратимые реакции фосфорилирования пирувата и оксалоацетата инициируют ВПФ цикл фиксации СО₂ (образование фосфоенолпирувата).

Химические реакции (табл. 1) с отрицательной свободной энергией (экзергонические) термодинамически высвобождают энергию при их протекании. Очевидно, что обратимость реакций является ключевым фактором функционирования и эволюции этой сети. Например, свободная энергия ключевой реакции диспропорционирования цитрат → оксалоацетат + ацетат колеблется около нулевого значения как при физиологических температурах (–7.24 кДж), так и при 473 К (–15.15 кДж), (табл. 1), а недавние биохимические исследования показали полную обратимость цитратного цикла в Nitrispirae, что во многом определяется этой обратимой “лигазной” реакцией (Nunoura et al., 2018; Mall et al., 2018). Реакция сукцинат ↔ фумарат является редокс переключателем направления потока электронов между 3-ГП и ВЦ циклами, т.е. величину свободной энергии реакции сукцинат ↔ фумарат ($G_{{{\text{298}}}}^{0}$ = –102.24 кДж) (табл. 1) можно условно считать некоторым критерием и пределом обратимости реакций всех протометаболических циклов. Такой термодинамический контроль реализуется в многоступенчатости реакций с небольшим изменением свободной энергии Гиббса, что является важным фактором обратимости функционирования модулей суперцикла. Фосфоенолпируват уже не может стать интермедиатом этой метаболической сети, так как реакции фосфорилирования пирувата и оксалоацетата практически необратимы, (табл. 1), что свидетельствует в пользу гипотез первичного бесфосфорного метаболизма (Goldford et al., 2017).

На основе простого набора структурных ограничений, полученных из физических и химических соображений, был определен набор интермедиатов из 153 органических веществ (40 составов) системы С–Н–О для теоретических расчетов всех возможных комбинаций интермедиатов циклов фиксации СО₂ (Morowitz et al., 2000). Компьютерное моделирование с использованием термодинамических и кинетических характеристик реакций карбоксилирования, гидратации, гидрогенизации и расщепления показывает, что “пространство” химических структур интермедиатов с оптимальными характеристиками для фиксации СО₂ в несколько раз превышает набор интермедиатов Моровитца (Meringer, Cleaves, 2017). Всю совокупность этих веществ можно представить на фазовой диаграмме составов, (рис. 2). Равновесие С–Н₂О разделяет диаграмму на окислительную (I) и восстановительную (II) фации. Все составы веществ Моровитца, Мерингера располагаются в окислительной фации I. Набор интермедиатов для общего метаболического ядра может быть значительно расширен вовлечением углеводородов в протометаболическую сеть (Zubarev et al., 2015). В этом случае “химическое пространство” интермедиатов существенно сдвигается в восстановительную фацию II, (рис 2). Важно, что в рамках этого пространства и располагаются все интермедиаты универсального ядра промежуточного метаболизма (Morowitz et al., 2000; Маракушев и Белоногова, 2009, 2010; Braakman, Smith, 2012, 2013; Goldford et al., 2017). На диаграмме составов С–Н–О (рис. 2) все они локализованы внутри треугольника с углеводородным основанием СН₄–С₂Н₄.

Рис. 2.

Фазовое пространство интермедиатов автотрофного метаболизма на диаграмме составов системы С–Н–О. Представлены возможные интермедиаты хемоавтотрофных систем фиксации СО₂ согласно Моровитцу, Мерингеру (1 – залитые кружки, оконтурено зеленым штрих-пунктиром) (Morowitz et al., 2000; Meringer, Cleaves, 2017) и Зубареву (2 – квадраты, оконтурено черным пунктиром) (Zubarev et al., 2015). 3 – Универсальные интермедиаты палеометаболизма (треугольники, оконтурено красным цветом) (Маракушев, Белоногова, 2009, 2010; Braakman, Smith 2012, 2013), 4 – включения углеводородов и простых органических веществ в Архейском кварце (звезды, оконтурено синим) (Schreiber et al., 2017).

Углеводороды часто обнаруживают в газово-жидких включениях минералов глубинной генерации (Potter, Konnerup-Madsen, 2003), а недавним замечательным открытием является обнаружение включений абиогенных углеводородов и простых органических веществ в Архейском кварце из Австралийских конгломератов Джек Хиллс (Schreiber et al., 2017), которые в те времена могли являться источниками углерода возникающего метаболизма. На диаграмме составов (рис. 2) они большей частью расположены в системе СН₄–СО₂–С₂Н₄, охватывающие все интермедиаты универсального ядра метаболизма и, как отмечалось нами ранее (Маракушев, 2008), легкие углеводороды (от метана до этилена и его производных) могли являться химическим источником (и анаплеротическими составляющими) возникающих интермедиатов циклов фиксации СО₂.

Таким образом, “химическое пространство” веществ системы С–Н–О является термодинамически контролируемой сетью реакций интермедиатов, создающей модулярные конструкции развивающиеся в определенных физико-химических условиях в конкретные хемоавтотрофные системы фиксации СО₂. И все же, возникающий автотрофный палеометаболизм мог быть несколько иным, если основным источником углерода для автокаталитических химических сетей была не двуокись углерода, а эндогенный метан.

Автотрофный палеометаболизм фиксации метана. Недавние исследования изотопного фракционирования углерода в древних породах показали, что возраст первых возможных следов жизни существенно сдвинулся в сторону Катархея: 3.77 млрд лет (Ga) (Dodd et al., 2017), 3.83 Ga (McKeegan et al., 2007), 3.95 Ga (Tashiro et al., 2017), 4.10 Ga (Bell et al., 2015) и, очевидно, что окружающие условия в это время определяли пути эволюции возникающих метаболических сетей. Континентальная кора и верхняя мантия ранней Земли были значительно более восстановлены по сравнению с современными аналогами (Yang et al., 2014), а метан видимо был преобладающим газом в гидросфере и атмосфере (Pavlov et al., 2000; Tian et al., 2005; Zahnle et al., 2019). Газово-жидкие включения углеводородов и органических веществ в Архейском кварце (Touret, 2003; Schreiber et al., 2017) также указывают на достаточно восстановительную обстановку в этот период времени. Возможно, что высокое парциальное давление метана, существовавшее в гидротермальных системах древней Земли, приводило к формированию первичных метан ассимилирующих автотрофных протометаболических систем.

Модель первичного древнего анаэробного метанотрофного пути ацетогенеза, в котором источником углерода является метан вместо СО₂, была предложена в работах (Nitschke, Russell, 2013; Russell, Nitschke, 2017), в которых обратный ВЛ путь (обозначенный на рис. 1 цифрой Ib) был предложен в качестве биомиметической основы автотрофного метаболизма. Окислителем метана в этом пути предполагается активированная окись азота (NO), образованная в процессе трансформации нитрат/нитрит, и авторы предполагают, что этот путь фиксации СН₄ (“денитрифицирующий метанотрофный ацетогенез”) был первой энергетической системой метаболизма в гидротермальных выбросах ранней Земли.

Недавние исследования показали, что архея Methanosarcina acetivorans образует ацетат в обратном ВЛ пути когда окисление метана сопряжено восстановлением железа (III) (Soo et al., 2016; Timmers et al., 2017; Yan et al., 2018). Стехиометрия реакции обратного ВЛ пути в археях предполагает механизм, в котором четыре молекулы метана окисляются и две молекулы СО₂ восстанавливаются с образованием трех молекул ацетата (Soo et al., 2016). Этот путь карбокси-метанотрофного ацетогенеза также можно рассматривать в качестве биомиметической модели первичной метаболической системы фиксации СН₄. Он термодинамически очень выгоден с использованием NO в качестве окислителя: CH₄ + 0.5СО₂ + 2NO + Н₂ = = 0.75CH₃COOH + N₂ + 1.5H₂O, $\Delta G_{{{\text{298}}}}^{0}$ = –629.17; $\Delta G_{{{\text{473}}}}^{0}$ = –592.04 кДж/моль CH₄ и достаточно благоприятен при сопряжении с восстановлением трехвалентного железа – составляющая минерала гематита: CH₄ + 0.5СО₂ + 6Fe₂O₃ (гематит) + Н₂ = = 0.75CH₃COOH + 4Fe₃O₄ (магнетит) + 1.5H₂O, $\Delta G_{{{\text{298}}}}^{0}$ = –30.54; $\Delta G_{{{\text{473}}}}^{0}$ = –35.34 кДж/моль CH₄.

Инициирующим шагом в анаэробном окислении как ароматических, так и алифатических углеводородов является связывание их с фумаратом (Haynes, Gonzalez, 2014), а реакция метана с фумаратом С₄Н₄О₄ (фумарат) + СН₄ = С₅Н₈О₄ (2-метилсукцинат) удовлетворяет энергетическим требованиям для автотрофного роста (Thauer, Shima 2008; Beasley, Nunny, 2012; Averesch, Kracke, 2018). Это предполагает возможность ее участия в зарождающемся автотрофном метаболизме (Marakushev, Belonogova, 2019), именно внутри рассмотренного выше универсального “химического пространства” интермедиатов: карбокси- и α-кетокислот.

Рассмотрим конструкцию метаболической сети, объединяющую часть рассмотренного выше универсального ядра палеометаболизма (последовательность ВЦ цикла) (рис. 1), с предполагаемым метано-фумаратным (МФ) циклом (Marakushev, Belonogova, 2019), как модель метанотрофного метаболизма (рис. 3), зародившегося и функционировавшего в восстановительных гидротермальных системах раннего Архея при высоком парциальном давлении метана. Представлена комбинация части ВЦ цикла фиксации СО₂ с метано-фумаратной ветвью фиксации СН₄, как предполагаемая химическая основа первичного автотрофного палеометаболизма (ВЦ-МФ бицикл). В этом химическом симбиозе циклов точкой бифуркации является фумарат, который трансформируется в сукцинат (инициация ВЦ цикла) или 2-метилсукцинат (инициация МФ цикла).

Рис. 3.

Схема сопряжения метан-фумаратного (МФ) цикла (I, жирные стрелки) с ВЦ циклом фиксации СО₂ (II) на основе общей последовательности реакций оксалоацетат → малат → фумарат. Углерод метана внедряется в фумарат, а углерод СО₂ в пируват, сукцинат и 2-оксоглутарат с образованием С–С связи. Фумарат является точкой бифуркации в направлении гидрогенотрофного (образование сукцината) или метанотрофного (образование 2-метилсукцината) метаболизма.

Ассимиляция метана осуществляется при присоединении метана к фумарату с образованием 2‑метилсукцината, анаэробное окисление которого приводит к образованию ацетата и пирувата. Образование пирувата (центральный “хаб” промежуточного метаболизма) открывает путь внедрения углерода метана в универсальное химическое пространство интермедиатов автотрофного метаболизма. Пируват ассимилирует СО₂ с образованием оксалоацетата, который трансформируется в фумарат в реакциях компонентов восстановительного цитратного цикла. Фумарат, снова ассимилируя метан, начинает новый автокаталитический МФ цикл, в одном обороте которого из молекул метана и двуокиси углерода образуется молекула ацетата. Общая для ВЦ и МФ циклов последовательность реакций дикарбоновых кислот оксалоацетат → малат → фумарат → сукцинат недавно экспериментально продемонстрирована с протонированными интермедиатами при катализе комбинацией самородного железа с ионами Zn²⁺ и Cr³⁺ (Varma et al., 2018). Проблема протекания наиболее энергетически неблагоприятной реакции трансформации 2-метилсукцината в цитрамалат ($\Delta G_{{{\text{298}}}}^{0}$ = 96.57 кДж/моль, табл. 2) может быть решена использованием в реакции окислителей, таких как окислы азота и железа. Анаэробную фиксацию метана в МФ цикле можно представить в виде реакции C₄H₄O₄ (фумарат) + + CH₄ + [O] = C₂H₄O₂ (ацетат) + C₃H₄O₃ (пируват), где [O] – неорганический окислитель. Свободная энергия реакций с участием окисленных форм азота и железа приведена в табл. 2. Автокаталитическая природа МФ цикла связана с разветвлением цитрамалата на пируват и ацетат и может быть выражена в виде реакции: С₄Н₆О₅ (малат) + + 1.5СН₄ + 2.5CO₂ = 2С₄Н₆О₅ (два малата). Этот тип автотрофного метаболизма, как и в случае упомянутого выше обратного ВЛ пути, можно определить как карбокси-метанотрофный ацетогенез (табл. 2).

Зарождение химических систем палеометаболизма определялось физико-химическими условиями существования древней гидротермальной системы, модель которой представлена в виде фазовой диаграмме химический потенциал кислорода – температура (рис. 4). Диаграмма представляет собой двухкомпонентную систему (С и Н – экстенсивные параметры), т. к. кислород, представленный логарифмом активности О₂ в растворе переходит в число интенсивных параметров наряду с температурой и давлением. Соответственно, при произвольном давлении нонвариантные равновесия на диаграмме (точки) состоят из четырех фаз, а трехфазные равновесия (линии) разделяют дивариантные поля устойчивости (фации) двухфазных равновесий.

Рис. 4.

Диапазон изменения редокс состояния (активности О₂) континентальной коры Архея 3.8 Ga назад (заштрихованная зеленым область) на диаграмме логарифм активности кислорода (lg ${{a}_{{{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}}$) – температура (Т, К) в гидротермальных условиях при Р_НАС. Фазовые пространства термодинамической устойчивости веществ и их парагенезисов (assemblages) рассчитывали согласно методике (Marakushev, Belonogova, 2009). Жирная линия – равновесие СО₂ ↔ СН₄, разделяющее области их термодинамической устойчивости (I и II). Фация сукцината оконтурена синими линиями равновесий, а фация ацетата – красными. Штриховые линии – равновесия минеральных буферов: гематит-магнетит, Fe₂O₃/Fe₃O₄ (НМ), пирит-пирротин-магнетит, FeS₂ + Fe₃O₄/FeS (РРМ) и кварц-магнетит-фаялит, SiO₂ + + Fe₃O₄/Fe₂SiO₄ (QMF). ∆QMF – диапазон изменения относительно равновесия QMF буфера в логарифмических единицах фугитивности О₂. Обозначения: Acet – ацетат, Suc – сукцинат, Fum – фумарат. Свободные энергии водных веществ по данным (Amed, Shock, 2001).

Диаграмма разделяется равновесием СН₄ + + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О (жирная линия) на два фазовых пространства, обозначенные римскими цифрами I и II, соответствующие окислительным и восстановительным условиям гидротермальной системы. Метастабильные равновесия формируют фазовые пространства устойчивости (фации) парагенезисов (ассоциаций) интермедиатов ВЦ-МФ бицикла – ацетата, сукцината и фумарата. Фации фумарата и сукцината расположены по обе стороны стабильного равновесия СН₄/СО₂, однако фация сукцината ограничена температурой 549 К. В гидротермальном растворе парагенезисы компонентов фумаратного цикла устойчивы, как в фации СО₂, так и в фации СН₄, т.е. них могут развиваться системы фиксации углерода, ассимилируемого в виде СО₂ или СН₄. Фация ацетата полностью охватывает равновесие СН₄ + О₂ = СО₂ + Н₂О, а вся система при изменении химического потенциала кислорода может развиваться в направлении образования низкотемпературного (Suc – H₂O) и высокотемпературного (Fum – H₂O) парагенезиса в фации СО₂ (I) или образование низкотемпературного (Suc – CH₄) и высокотемпературного (Fum – CH₄) парагенезиса в фации СН₄ (II). Таким образом, метановая фация (II) это широкая область термодинамической устойчивости систем ассимиляции СН₄ органическими кислотами и кетокислотами в водной среде.

Минеральные буферы, определяющие окружающую редокс обстановку, до температуры 549 К располагаются в фации сукцината, однако равновесие гематит-магнетит (HM) находится в области термодинамической устойчивости СО₂ (фация I), а пирит-пирротин-магнетит (PPM) и кварц-магнетит-фаялит (QMF) равновесия в фации II (устойчивость метана). Два последних определяют температурные редокс условия для фундаментального равновесия 2Suc + 2CH₄ + O₂ = 5Acet, как основы метанотрофного ацетогенеза. Фация магнетита (Fe₃O₄), входящая в состав минеральных редокс буферов, охватывает равновесие СН₄/СО₂ практически во всем диапазоне температур, рассматриваемой гидротермальной системы. Очевидно, что системы фиксации СО₂ должны были развиваться выше равновесия СО₂ ↔ СН₄, тогда как системы фиксации СН₄ – ниже него. Видимо одновременная фиксация СО₂ и СН₄ с образованием ацетата (карбокси-метанотрофия) (рис. 3) происходила в фации магнетита (Fe₃O₄) и оба эти субстрата могли быть источником углерода для развития палеометаболизма в области термодинамической устойчивости дикарбоновых кислот – универсальных интермедиатов промежуточного метаболизма.

На основе анализа микроэлементов магматических цирконов корового происхождения (в основном данные оксибарометра на основе церия), было показано, что континентальная кора Катархея была значительно более восстановленной по сравнению с современной и испытала прогрессивное окисление в раннем Архее ~ 3.6 млрд лет назад (Yang et al., 2014). В этот период возможного зарождения жизни редокс состояние земной коры (logfO₂) периодически изменялось относительно равновесия фаялит-магнетит-кварцевого буфера (∆QMF). Например, в цирконах с возрастом 3.8 Ga ∆QMF составляла от –6.0 до +5.5 и этот редокс диапазон представлен на диаграмме (рис. 4). Это пространство полностью охватывает как равновесие СН₄/СО₂, так и магнетитовую фацию, однако в большей степени принадлежит к низкотемпературной восстановительной метановой фации (II), включающую все рассмотренные равновесия ассимиляции метана. Вплоть до 3.6 Ga и, может быть, даже до великого окислительного события (GOE) 2.2–2.4 Ga, окислительный потенциал редокс пар магнетита земной коры, по-видимому, определял химический потенциал кислорода в древних подводных минералогических системах. Таким образом, рассмотренные гидротермальные редокс и P-T-условия раннего Архея чрезвычайно благоприятны для развития метанотрофных и карбокси-метанотрофных систем палеометаболизма.