В настоящем обзоре излагается схематическое представление автора о ранней эволюции жизни, базирующееся на наиболее обоснованных гипотезах ведущих мировых специалистов в данной области. Суть концепции о доклеточной истории жизни сводится к абиогенному синтезу органических веществ, когда в пустотах порового пространства гидротермальных минеральных построек – в неорганических инкубаторах жизни произошло образование первых органических соединений, которые постепенно усложнялись до органических микромолекул-мономеров, низкомолекулярных органических соединений. На их основе сформировались разнообразные сегменты сложной молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) и затем появился самовоспроизводящийся прото-РНК – первый репликатор, давший начало каталитическому РНК. Такой каталитический РНК можно отнести к последнему доклеточному прогеноту[48], получившему название ЛУКАС[49]. Этот представитель мира РНК – мира доклеточных живых существ передал эстафету жизни первому клеточному организму – последнему универсальному общему предку всего живого на Земле, названному ЛУКА[50].

Наиболее вероятно, что ЛУКАС был не отдельной клеткой, а совокупностью организмов, которые сформировались в сети соседних микропор гидротермальной постройки – в минеральном инкубаторе жизни. ЛУКАС сформировался в этих минеральных компартментах на базе своих предков – доклеточных каталитических молекул РНК. ЛУКАС был ещё тесно связан с неживой природой. У ЛУКАСа большая часть биологической информации продолжала храниться в молекуле РНК, как и у представителей РНК-мира. ЛУКАС состоял из молекул РНК, которые продолжали существовать автономно, катализируя синтез новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь. В течение нескольких миллионов лет РНК передавали свои каталитические свойства из поколения в поколение. Постепенно потомки ЛУКАС накопили такие случайные мутации, которые привели к появлению РНК, катализировавших синтез белков с более эффективными каталитическими свойствами. В процессе естественного отбора эти полезные мутации белков закрепились.

Многие катаклизмы окружающей среды рассматриваемого периода истории Земли делали способ хранения генетической информации в РНК не надежным. Информация часто искажалась и легко терялась. Естественный отбор предпочел тех потомков ЛУКАСа, которые пошли по пути создания ДНК – более надежного носителя информации, имеющего двойную нить. В результате появился первый клеточный организм – ЛУКА, содержащий кроме РНК также элементы ДНК генома, протеины и древнюю (примитивную) мембрану. Эта мембрана хотя и отличалась примитивностью, однако позволяла ЛУКЕ стать клеткой, независимой от минерального инкубатора жизни, свободно перемещающейся в океане. Несмотря на то, что ЛУКА стал последним универсальным общим предком всех клеточных организмов, тем не менее, он, по сути, был не истинным, а переходным прокариотом. Потому, что имел принципиальные отличия от своих потомков – настоящих прокариотов – архей и бактерий, т. е. ЛУКА не имел типичного большого ДНК-генома и не был типичной клеткой, окруженной прокариотной мембраной.

ЛУКА стал общим предком для всего живого на Земле, т. е. для умерших и ныне существующих живых существ. Но большинство ближайших потомков ЛУКА оказались не успешными природными экспериментами. Только двое потомков стали предками-основателями стабильных, успешных эволюционных линий клеточных организмов – двух главных ветвей жизни (архей и бактерий), у которых появились свои специфические ДНК-геномы и мембраны.

Приблизительный механизм зарождения жизни в зонах гидротермальных источников, который мог бы реализоваться путем абиогенеза, схематично сформулируем в восьми нижеследующих пунктах.

В тонких стенках колоннообразных, преимущественно карбонатных термальных построек сформировались резервуары с порово-трещинными коллекторами (мельчайшими насыщенными флюидом ёмкостями в горной породе). Многие полости пор настолько малы, что имеют размеры биологических клеток. Стенки микропор являлись каталитическими поверхностями для реакций примитивной биохимии. Как правило, тончайшие, полупроницаемые стенки-перемычки, ограничивающие микропоры, могли служить подобием клеточных мембран, отделяющих содержимое единичной микропоры («протоклетки») от других частей резервуара и регулирующих циркуляцию флюидов между отдельной микропорой («протоклеткой») и основными фильтрационными путями резервуара (внешней средой). Кроме того, несколько соседних микропор можно представить пространством для одной органической «протоклетки», в котором каждая микропора ограниченна внутриклеточными стенками-мембранами. В этом случае каждая микропора играет роль замкнутого отсека внутри «протоклетки» – компартмента (или органеллы) с определенными условиями среды. Такое разделение «протоклетки» позволяет развивать разные функции у относительно разделенных частей «протоклетки». Так, что сети микрополостей в гидротермальных постройках можно представить в качестве минеральных инкубаторов добиотической, а затем доклеточной биотической эволюции, от смеси органических молекул к миру РНК. В разных отсеках инкубаторов благодаря уникальным химическим и температурным условиям мог реализоваться абиогенный синтез сначала органических микромолекул-мономеров, низкомолекулярных органических соединений, затем разнообразных сегментов РНК.

Гидротермальные воды с широким набором химических элементов и соединений циркулировали по коллекторам под большим давлением, поставляя через полупроницаемые минеральные стенки-мембраны в микрополости-инкубаторы жизни химические элементы, необходимые для продолжения формирования сложных органических соединений из ранее синтезированных органических молекул-мономеров. С помощью минеральных катализаторов уже на довольно ранних этапах предклеточной эволюции Земли произошло образование трех компонентов, необходимых для формирования нуклеотидов: сахаров (или их заменителей), фосфатов и нуклеиновых оснований. Нуклеотиды необходимы для синтеза молекулы или комплекса молекул, подобных РНК – прото-РНК.

Постоянная фильтрация флюидов через коллекторы гидротермальных построек обеспечивала градиент протонов между потоком теплых щелочных растворов с низким содержанием протонов на внутренней стороне резервуара и прохладной кислой океанической водой, богатой протонами, на внешней стороне трубообразного резервуара. Этим самым в сети неорганических ячеек создавалось подобие условий в живых клетках, которые нуждаются в протонном градиенте на своих мембранах, чтобы хранить энергию. Кроме того, благодаря восходящему движению теплых гидротермальных растворов внутри резервуаров поставлялись в мелкие пустоты коллекторов новые порции химических веществ и удалялись из них продукты реакций. Эта химическая циркуляция в неорганических инкубаторах напоминала зачатки обмена веществ (метаболизма) в живых организмах. В результате реализовался синтез нуклеотидов из присутствующих в микрополостях-инкубаторах жизни компонентов (сахаров или их заменителей, фосфатов и нуклеиновых оснований).

Наличие нуклеотидов в минеральных инкубаторах жизни, а также энергии градиента протонов и глубинного источника широкого набора химических элементов позволило осуществить следующий этап эволюции – при периодическом повышении температуры синтезировать из нуклеотидов сложные органические молекулы (коммунальное сообщество) – предшественники каталитического РНК, которые условно назовем «прото-РНК». Полагаем, что в огромном количестве инкубаторов жизни появилось значительное число прото-РНК, которые, по-видимому, отличались между собой в каких-то компонентах. Какие-то из этих природных генетических полимеров, используя циркуляцию термальных растворов, изобрели процессы примитивного метаболизма. Метаболизм обеспечивал снабжение наиболее успешных представителей прото-РНК необходимыми ресурсами из окружающей среды. Прото-РНК использовали эти ресурсы недр для своего дальнейшего усложнения (развития), т. е. для устойчивого роста.