В течение шести лет в стерилизованной почве продолжали протекать процессы, напоминающие живые биологические реакции, что указывает на метаболическую теорию происхождения жизни.
Уже 15 лет Себастьен Фонтен пытается «убить» почву. Биохимик, возглавляющий лабораторию во Французском национальном институте сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды, хотел выяснить, сколько углерода выделяет почва — просто земля, полностью лишенная жизни. Его исследовательская группа поместила почву в герметичные банки и подвергла их облучению стерилизующим гамма-излучением. Затем они ждали, пока уровень углекислого газа, выделяемого почвой — признак продолжающегося микробиологического дыхания — снизится. Они ждали, ждали и ждали еще: недели, затем месяцы. Под микроскопом облученная почва не показывала никаких признаков жизни, но продолжала выделять углекислый газ. Почва не переставала дышать. Лаборатория Фонтена повторила эксперименты и получила те же результаты. Наконец, убедившись, что дело не в экспериментальной ошибке, они решили найти источник «дыхания» в мертвой почве.
Фонтен и его коллеги сообщили, что их образцы почвы продолжали потреблять кислород и выделять углекислый газ в течение шести лет. В статье, опубликованной в 2025 году в журнале Science Advances, они выдвинули гипотезу, что метаболический процесс, лежащий в основе большей части жизни, возможен и вне живых клеток. Их эксперименты показывают, как это может происходить в почве в отсутствие живых белков, которые обычно организуют этот процесс. Если они правы, некоторые биохимические реакции, такие как те, которые высвобождают энергию молекул богатых углеродом сахаров, могут быть не уникальными для живых организмов. Такие реакции — известные как метаболизм, когда они происходят в клетках — могли даже предшествовать появлению жизни на Земле.
Эксперименты показывают, «что происходит с биомолекулами, когда их оставляют самих по себе», — отмечает Джозеф Моран, химик-органик из Университета Оттавы, не участвовавший в исследовании. Они обнаруживают, что химия жизни не является исключительной для жизни, добавил он. «Это химия геологии». Когда Фонтен сделал это случайное открытие, он пытался установить базовый уровень углерода в неживой почве. Используя стерильный шприц, исследователи периодически брали пробы воздуха из герметично закрытой банки с почвой и измеряли содержание углерода с помощью масс-спектрометра. После того как радиация уничтожила почвенные микробы, скорость выделения углерода быстро снизилась, но не исчезла. Она оставалась стабильной более 100 дней.
Когда Фонтен поделился результатами с другими исследователями, те посоветовали ему отнестись к этому как к экспериментальному артефакту — источнику ошибки, который не стоит выяснять, — и двигаться дальше. Но он не смог. Ему нужно было понять, происходит ли в стерильной почве метаболический процесс, который, как известно, характерен только для биологических клеток — то есть точно скоординированная последовательность химических реакций, требующая участия нескольких молекул и ферментов. Чтобы понять, что происходит, его коллеги добавили в почву небольшое количество ферментов, извлеченных из дрожжевых культур. Уровень выбросов углерода в почве сразу же резко вырос. По их предположению, это произошло потому, что ферменты усилили реакцию, которая уже шла.
Однако убедить научное сообщество было нелегко. Когда Фонтен отправил рукопись в журналы для публикации, некоторые рецензенты «отнеслись к ней очень положительно, а другие были крайне насторожены, особенно в отношении стерильности почвы», — вспоминает он. В 2013 году результаты были опубликованы в журнале Biogeosciences. Тем не менее, Фонтен не мог успокоиться. Оскорбленный резкими отзывами, он решил окончательно доказать, что его облученные образцы почвы оставались лишенными жизни. В течение следующего десятилетия его лаборатория, с перерывами, постепенно работала над этой навязчивой идеей. Они рассматривали возможность того, что почва на самом деле не была мертвой, и пытались убить ее еще сильнее с помощью дополнительного облучения, давления и нагрева. Тем не менее, почва продолжала выделять углерод в течение нескольких месяцев.
С помощью электронного микроскопа Бенуа Кераваль, тогдашний аспирант в лаборатории Фонтена, обнаружил клетки в облученной почве. Но окрашивание не выявило молекул РНК или ДНК, что указывало на то, что клетки были определенно мертвы. Когда они экспериментально добавили микробы, чтобы имитировать загрязнение, клетки быстро заселили микрокосм почвы и выделили гораздо больше углекислого газа. Таким образом, то, что они наблюдали в стерилизованном образце, скорее всего, не было результатом недостаточных антисептических мер. К 2018 году, когда к лаборатории присоединился Клемантен Буке, команда была уверена в своих выводах и готова изучить лежащие в основе механизмы.
В течение шести лет Буке и Кераваль изучали два набора герметичных образцов облученной почвы — один из обычной почвы, а другой, обогащенный глюкозой. На протяжении 142 дней они регулярно брали пробы воздуха и наблюдали, как суточная скорость выбросов углекислого газа снижалась, но не исчезала, точно так же, как и раньше. Затем образцы пролежали в инкубаторе более 1000 дней, пока исследователи сосредоточились на других экспериментах, посвященных тому, как микробы перерабатывают и хранят углерод в почве. Когда они снова измерили образцы на 1606-й и 2442-й день, выбросы еще больше замедлились, но почва все еще «дышала». Образцы с добавлением глюкозы показали более высокие показатели выбросов, что укрепило подозрение Фонтена о том, что небиологические катализаторы в почве могут вызывать реакции, напоминающие метаболический распад углеводов.
В ходе метаболизма глюкоза распадается на более мелкие углеродные молекулы, которые питают цикл Кребса — серию реакций, в которых из углеродсодержащих молекул выделяются высокоэнергетические электроны. Электроны, высвобождаемые в цикле Кребса, затем проходят через еще одну серию реакций, потребляющих кислород. Для некоторых исследователей было натяжкой предполагать, что этот процесс может происходить вне клетки. Фонтену нужно было показать, что почва может играть ту же роль. Он разработал топливный элемент, способный обнаруживать электроны, проносящиеся через почву в виде тока. Его коллеги добавили почву, которая была облучена почти пять лет назад, а затем замкнули цепь. Через почву прошел ток, который был в несколько раз выше, чем в контрольной установке с раствором соленой воды. По словам Фонтейна, эксперимент продемонстрировал, что стерильная почва поддерживает поток электронов, свидетельствующий о процессах, напоминающих кислородзависимый метаболизм цикла Кребса.
Раньше считалось, что цикл Кребса не может протекать за пределами контролируемой среды клетки, в которой в изобилии присутствуют ферменты, обеспечивающие нормальное функционирование всех процессов и повышающие вероятность столкновений биомолекул друг с другом. В препринте 2025 года, Фонтен и его коллеги сообщили о том, что в образцах стерильной почвы, пролежавших шесть месяцев, им удалось обнаружить четыре из восьми промежуточных молекул, известных как участники цикла Кребса. Многие из этих молекул образовались после облучения. По мнению авторов, их результаты свидетельствуют о том, что комочки земли действительно могут катализировать эти реакции без присутствия живых организмов.
Для эколога-почвоведа Джошуа Шимеля открытия Фонтена не стали большим сюрпризом. «Глюкоза в процессе окисления естественным образом образует некоторые из этих промежуточных соединений цикла Кребса», — поясняет он. Многие почвы богаты оксидами железа и оксидами алюминия, которые могут катализировать это превращение. Идея о том, что металлы могут катализировать биохимические реакции, лежит в основе теории о происхождении жизни, которая сформировалась в последнее десятилетие. Такие металлы, как железо и цинк, лежат в основе многих древнейших ферментов, обнаруженных у различных форм жизни. Некоторые исследователи, в том числе Моран, полагают, что они могли катализировать эти реакции еще до появления жизни. Исследования предполагают, что химические реакции, расщепляющие и образующие производные глюкозы, которые обычно ассоциируются с жизнью, могли существовать еще до появления ферментов и генов, обеспечивающих их протекание в живых клетках. «Есть небольшая группа исследователей, таких как я, которые считают, что нам следует по-другому систематизировать наши представления о жизни — что в основе жизнедеятельности лежит метаболизм, а гены служат средством управления этим процессом на более высоком уровне», — поясняет Моран.
Бесклеточные метаболические реакции могут быть более распространенными, чем считалось ранее, и для их запуска не требуются особые условия, полагает Маркус Ральзер, биохимик из Университетской клиники «Шарите» в Берлине, который обнаружил одни из первых безферментных метаболических реакций. «Это в некоторой степени соответствует моим представлениям о том, как метаболизм зародился в процессе эволюции», — сказал он о новой работе. «Если бы это было очень сложно, то сейчас планета не была бы полна жизни». Однако эту идею осложняют условия низкого содержания кислорода, в которых зародилась жизнь.
Другим объяснением наблюдаемых результатов может быть то, что ферменты, высвободившиеся из облученных клеток, могли остаться в почве и продолжать выполнять свои биохимические функции. Даже в разложившемся состоянии ферменты имеют стабильные структуры, способные катализировать реакции, считает Судха Раджамани, астробиолог из Индийского института научного образования и исследований, не принимавшая участия в этой работе. Ральзер согласен с ней. «Мое внутреннее чутье подсказывает, что там [в облученной почве Фонтена] все еще много ферментов, даже спустя шесть лет», — сказал он. Чтобы узнать, могут ли металлы и минералы в почве самопроизвольно осуществлять эти реакции, исследователям пришлось бы удалить ферменты из смеси. Но это действительно сложно: им пришлось бы нагреть почву до такой температуры, что это повредило бы саму структуру почвы.
Однако, по словам Буке, активность таких ферментов «экспоненциально» снижается после того, как они выходят из клеток. К тому же, как добавил Фонтен, не известно ни одного фермента, который сохранял бы свою активность в течение шести лет. Он не сомневается, что ферменты, выделяемые живыми и недавно погибшими клетками, вносят вклад в выбросы углерода в реальных почвах, но результаты долгосрочных экспериментов делают «очень маловероятным, что наблюдаемое нами дыхание обусловлено ферментами», — отметил он. Для Буке это многолетнее увлечение подчеркнуло, что «даже в таком близком и знакомом нам контексте, как наземная почва, мы не всегда способны различить или распознать процессы, указывающие на наличие или отсутствие живых организмов». Сейчас он является исследователем в Колледже Франции и Национальном музее естественной истории в Париже и ищет пребиотические истоки других биохимических каскадов. «Мне особенно интересно представить себе существование процессов, которые, возможно, предшествовали самой жизни, — говорит Буке, — прямо здесь, у нас под ногами».
