Строя свою теорию жизни, Расселл обратил внимание на разделение протонов, показанное Митчеллом: множество протонов на одной стороне мембраны и лишь несколько – на другой.
Всем клеткам нужно такое разделение протонов, чтобы хранить энергию.
Современные клетки создают такое деление, выкачивая протоны из мембраны, но здесь задействована сложная молекулярная механика, которая не могла просто появиться в мгновение ока.
Так что Расселл сделал еще один логический вывод: жизнь сформировалась там, где есть естественное разделение протонов.
Где-то у гидротермальных жерл. Но жерло должно быть конкретного типа.
Ранняя Земля имела кислые моря, а кислая вода просто насыщена протонами. Для разделения протонов вода у гидротермальных жерл должна быть скудна на протоны: иными словами, она должна быть щелочной.
Гидротермальные жерла Корлисса не подходили под это условие. Они не только были слишком горячими, но и чересчур насыщенными кислотами.
Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные гидротермальные жерла.
Щелочные и прохладные гидротермальные жерла
Келли с большим трудом удалось стать ученой. Ее отец скончался, когда она была в старших классах, и ей приходилось работать после лекций, чтобы оплатить обучение в университете.
Но она преуспела, а позже загорелась идеей изучения подводных вулканов и горячих гидротермальных источников. Страсть к изучению вулканов и подводных горячих жерл привела ее в сердце Атлантического океана. Именно здесь в глубине находился величественный горный хребет, возвышающийся с океанского дна.
На этом хребте Келли обнаружила целую сеть гидротермальных жерл, которые назвала «Затерянным городом». Они не были похожи на те, что нашел Корлисс.
Из них текла вода температурой 40-75 градусов по Цельсию и с небольшим содержанием щелочи. Карбонатные минералы из такой воды образовывали крутые белые столбы, схожие со столбами дыма и возвышающиеся со дна подобно трубам органа. Несмотря на жутковатый и «призрачный» вид, эти столбы на самом деле были домом для колоний микроорганизмов, обитающих в теплой воде.
Эти щелочные жерла прекрасно подходили под теорию Расселла. Он был уверен, что жизнь началась в жерлах, похожих на жерла «Затерянного города».
Но была одна проблема. Будучи геологом, Рассел недостаточно много знал о биологических клетках, чтобы сделать свою теорию максимально убедительной.
Самая исчерпывающая теория возникновения жизни на Земле
Чтобы суметь преодолеть проблемы ограниченности своих знаний, Расселл объединился с американским биологом Уильямом Мартином. Любитель споров Мартин большую часть своей карьеры проработал в Германии.
В 2003 году они представили улучшенную версию ранней концепции Расселла. И, пожалуй, эту теорию о происхождении жизни на Земле можно назвать самой исчерпывающей из всех существующих.
Благодаря Келли они знали, что скалы щелочных жерл были пористыми: они были усеяны небольшими отверстиями, наполненными водой. Ученые предположили, что эти отверстия исполняли роль «клеток». В каждом из них содержались важные вещества, вроде минералов наподобие пирита. Добавьте сюда естественное деление протонов, которое обеспечивали жерла, и получите идеальное место для зарождения метаболизма.
Как только жизнь начала использовать химическую энергию воды из жерл, предположили Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы наподобие РНК. В конце концов, она создала собственную мембрану, став настоящей клеткой, и покинула пористую скалу, направившись в открытые воды.
На сегодняшний день это одна из ведущих гипотез касательно происхождения жизни.
Последние открытия
Серьезную поддержку эта теория получила в июле 2016 года, когда Мартин опубликовал исследования, в ходе которых производилась реконструкция некоторых особенностей «последнего универсального общего предка» (ПУОП). Это условное название организма, существовавшего миллиарды лет назад, который и дал начало всему разнообразию современной жизни.
Нам, возможно, уже не удастся найти окаменелости этого организма, но на основе всех имеющихся данных мы можем предположить, как он выглядел и какие характеристики имел, изучив современные микроорганизмы.
Именно это и сделал Мартин. Он изучил ДНК 1930 современных микроорганизмов и выделил 355 генов, которые присутствовали почти в каждом из них.
Можно допустить, что именно эти 355 генов передавались из поколения в поколение, поскольку все эти 1930 микробов имели общего предка – предположительно с тех времен, когда еще существовал ПУОП.
Среди этих генов были те, что отвечали за использование разделения протонов, но не было отвечающих за создание этого деления – точно как в теории Расселла и Мартина.
Более того, ПУОП, похоже, сумел адаптироваться к веществам вроде метана, что подразумевало наличие вулканически активной окружающей среды вокруг. То есть, гидротермального жерла.
Не все так просто
Однако сторонники идеи «Мира РНК» нашли две проблемы в концепции Расселла-Мартина. Одну еще можно потенциально исправить, но другая могла означать крах всей теории.
Первая проблема заключается в отсутствии экспериментальных доказательств того, что описанные Расселлом и Мартином процессы реально имели место.
Да, ученые шаг за шагом выстроили теорию, но ни один из шагов не был пока воспроизведен в лабораторных условиях.
«Сторонники идеи о первичном появлении репликации регулярно предоставляют результаты опытов», говорит Армен Мулкиджанян, эксперт по вопросам происхождения жизни. «Сторонники же идеи о первичном появлении метаболизма этого не делают».
Но это может скоро измениться благодаря коллеге Мартина, Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Лейн сконструировал «реактор происхождения жизни», который будет симулировать условия внутри щелочного жерла. Он надеется воссоздать метаболические циклы и, возможно, даже РНК. Но пока об этом рано говорить.
Вторая проблема заключается в том, что жерла расположены глубоко под водой. Как указал Миллер в 1988 году, молекулы с длинными цепями, вроде РНК и белков, не смогут сформироваться в воде при отсутствии ферментов, которые не позволят им распасться.
Для многих исследователей этот аргумент стал решающим.
«Имея образование в области химии, поверить в теорию с глубоководными жерлами не получится, поскольку вы знаете химию и понимаете, что все эти молекулы несовместимы с водой», говорит Мулкиджанян.
Тем не менее, Расселл и его сторонники не спешат отрекаться от своих идей.
Но в последнее десятилетие на передний план вышел третий подход, который сопровождался серией крайне любопытных экспериментов.
В отличие от теорий о «Мире РНК» и гидротермальных жерл, этот подход в случае успеха обещал немыслимое – создание живой клетки с нуля.
Как создать клетку?
К началу 21-го века существовало две ведущие концепции происхождения жизни.
- Сторонники «Мира РНК» утверждали, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы.
- Сторонники же теории о «первичном метаболизме» создали детальное представление о том, как могла зародиться жизнь в глубоководных гидротермальных источниках.
Тем не менее, на передний план вышла третья теория.
Каждое живое существо на Земле состоит из клеток. Каждая клетка – это по сути мягкий шарик с жесткой стенкой, или «мембраной».
Задача клетки – содержать все жизненно важные элементы внутри. Если порвется внешняя стенка, то выльются внутренности, а клетка фактически погибнет – как выпотрошенный человек.
Внешняя стенка клетки настолько важна, что некоторые ученые полагают, что именно она должна была появиться первой. Они уверены, что теория о «первичной генетике» и теория о «первичном метаболизме» в корне неверны.
Их альтернатива, «первичная компартментализация», опирается в первую очередь на труды Пьера Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме.
Теория протоклетки
Доводы Луизи просты и убедительны. Как можно представить себе процесс метаболизма или самовоспроизводящуюся РНК, где нужна уйма веществ в одном месте, если еще не существует контейнера, где молекулы находятся в безопасности?
Вывод из этого следующий: есть только один вариант происхождения жизни.
Каким-то образом посреди жары и бурь ранней Земли некие исходные материалы сформировали примитивные клетки, или «протоклетки».
Чтобы доказать эту теорию, необходимо провести опыты в лаборатории – попытаться создать простую живую клетку.
Корнями идеи Луизи уходили в труды советского ученого Александра Опарина, о котором шла речь ранее. Опарин подчеркнул, что некоторые вещества формируют пузыри, называемые коацерватами, которые могут удерживать другие вещества в своем центре.
Луизи предположил, что эти коацерваты и были первыми протоклетками.
Мир липидов
Любое жирное или масляное вещество образует пузыри или пленку на воде. Эта группа веществ называется липидами, а теория о том, что именно они дали начало жизни, зовется «Миром липидов».
Но одного формирования пузырей недостаточно. Они должны быть стабильными, иметь возможность деления, чтобы создавать «дочерние» пузыри, и хотя бы немного контролировать поток входящих и выходящих из них веществ – все это без белков, которые отвечают за данные функции в современных клетках.
Значит, необходимо было создать протоклетки из нужных материалов. Именно этим и занимался Луизи несколько десятилетий, но ничего убедительного так и не представил.
Протоклетка с РНК
Затем в 1994 году Луизи высказал смелое предположение. По его мнению, первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь самовоспроизводиться внутри протоклетки.
Данное предположение означало отказ от чистой «первичной компартментализации», но у Луизи были на то веские причины.
Клетка с внешней стенкой, но без генов внутри, была лишена многих функций. Она должна была быть способной делиться на дочерние клетки, но не могла передавать информацию о себе своему потомству. Начать развиваться и становиться сложнее клетка могла лишь при условии наличия хотя бы нескольких генов.
Вскоре теория обрела солидного сторонника в лице Джека Шостака, чья работа по гипотезе «Мира РНК» обсуждалась ранее. Долгие годы эти ученые были по разные стороны научного сообщества – Луизи поддерживал идею «первичной компартментализации», а Шостак – «первичной генетики».
«На конференциях по вопросам происхождения жизни мы всегда вступали в долгие дебаты касательно того, что было важнее и что появилось раньше», вспоминает Шостак. «В конце концов, мы поняли, что клеткам необходимо и то, и другое. Мы пришли к выводу, что без компартментализации и генетической системы не смогла бы образоваться первая жизнь».
В 2001 году Шостак и Луизи объединили усилия и продолжили исследования. В статье в журнале «Nature» они утверждали, что для создания живой клетки с нуля необходимо поместить самовоспроизводящуюся РНК в простую каплю жира.
Идея была смелой, и вскоре Шостак полностью посвятил себя ее реализации. Справедливо рассудив, что «нельзя расписывать теорию без практических доказательств», он решил начать эксперименты с протоклетками.
Везикулы
Спустя два года Шостак с двумя коллегами объявили о большом научном прорыве.
Опыты проводились на везикулах: сферических каплях с двумя слоями жирных кислот снаружи и жидким ядром внутри.
В попытке ускорить создание везикул, ученые добавили частицы глинистого минерала под названием монтмориллонит. Это ускорило формирование везикул в 100 раз. Поверхность глины служила катализатором, по сути выполняя задачу фермента.
Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтмориллонита, так и цепи РНК с поверхности глины.
Благодаря простой добавке глины, в итоге протоклетки содержали и гены и катализатор.
Решение добавить монтмориллонит возникло неспроста. Десятилетия исследований показывали, что монтмориллонит и другие глинистые минералы были очень важны при зарождении жизни.
Монтмориллонит – это обычная глина. Ныне он широко используется в быту, к примеру, в качестве наполнителя для кошачьих туалетов. Формируется он при расщеплении вулканического пепла под воздействием погодных условий. Поскольку на ранней Земле существовало немало вулканов, логично предположить, что монтмориллонита было в избытке.
Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис доказал, что монтмориллонит – это катализатор, способствующий формированию органических молекул. Позднее он также обнаружил, что этот минерал ускоряет формирование малых РНК.
Это навело Ферриса на мысль, что невзрачная глина была в свое время местом появления жизни. Шостак подхватил эту идею и использовал монтмориллонит при создании протоклеток.
Развитие и деление протоклеток
Спустя год команда Шостака обнаружила, что их протоклетки растут сами по себе.
По мере добавления новых молекул РНК в протоклетку, внешняя стенка прогибалась под нарастающим давлением. Выглядело это так, словно протоклетка набила себе живот и вот-вот лопнет.
Чтобы компенсировать давление, протоклетки выбирали наиболее жирные кислоты и встраивали их в стенку, чтобы продолжить безопасно раздуваться до больших размеров.
Но важно то, что жирные кислоты брались из других протоклеток с меньшим содержанием РНК, из-за чего те начали сжиматься. Это означало, что протоклетки соревновались, а выигрывали те, что содержали больше РНК.
Это вело к впечатляющим выводам. Если протоклетки могли расти, то могли ли они делиться? Сможет ли Шостак заставить протоклетки самостоятельно воспроизводиться?
Первые опыты Шостака показали один из способов деления протоклеток. При проталкивании протоклеток сквозь маленькие отверстия они сжимались в форму трубочек, которые после делились на «дочерние» протоклетки.
Эта было круто, ведь в процессе не было задействовано никаких клеточных механизмов, только обычное механическое давление.
Но были и минусы, поскольку в процессе опыта протоклетки теряли часть своего содержимого. Также получалось, что первые клетки могли делиться лишь под давлением внешних сил, которые проталкивали бы их сквозь узкие отверстия.
Существует много способов заставить везикулы делиться: например, добавить мощный поток воды. Но нужно было найти способ, при которым протоклетки делились бы, не теряя своего содержимого.
Принцип луковицы
В 2009 году Шостак и его студент Тинь Чжу нашли решение. Они создали чуть более сложные протоклетки с несколькими стенками, немного напоминавшими слои луковицы. Несмотря на кажущуюся сложность, создать такие протоклетки было довольно просто.
Пока Чжу подпитывал их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, удлиняясь и приобретая нитевидную форму. Когда протоклетка становилась достаточно крупной, хватало лишь небольшого приложения силы, чтобы она распалась на маленькие дочерние протоклетки.
Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК из материнской протоклетки, и практически ни один элемент РНК не терялся. Более того, протоклетки могли и дальше продолжать этот цикл – дочерние протоклетки росли и делились уже самостоятельно.
В ходе дальнейших опытов Чжу и Шостак нашли способ заставить протоклетки делиться. Похоже, одна часть проблемы была решена.
Необходимость самокопирующейся РНК
Однако, протоклетки все еще не функционировали должным образом. Луизи видел протоклетки в роли носителей самовоспроизводящихся РНК, но пока что РНК просто находились внутри и ни на что не влияли.
Чтобы продемонстрировать, что протоклетки и правда были первой жизнью на Земле, Шостаку необходимо было заставить РНК создавать свои копии.
Задача была не из легких, поскольку десятилетия опытов ученых, о которых мы писали ранее, так и не привели к созданию самовоспроизводящихся РНК.
С этой же проблемой столкнулся сам Шостак в ходе своих ранних работ над теорией «Мира РНК». С тех пор ее, похоже, никто так и не решил.
Шостак решил вновь перечитать доклады Лесли Орджела, который долгие годы работал над гипотезой «Мира РНК». В старых докладах неожиданно нашлись ценные подсказки.
Орджел провел 70-е и 80-е годы за изучением принципа копирования цепей РНК.
Суть его проста. Нужно взять одну цепь РНК и поместить ее в емкость с нуклеотидами. Затем использовать эти нуклеотиды для создания второй цепи РНК, которая дополнит первую.
К примеру, цепь РНК образца «CGC» сформирует дополнительную цепь образца «GCG». Следующая же копия воссоздаст оригинальную цепь «CGC».
Орджел заметил, что в определенных условиях цепи РНК копируются таким способом без помощи ферментов. Вполне возможно, что первая жизнь копировала свои гены именно этим образом.
К 1987 году Орджел уже мог создавать дополнительные цепи длиной в 14 нуклеотидов в цепочках РНК, чья длина была также равна 14 нуклеотидам.
Дальше он не продвинулся, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его студентка, Катаржина Адамала, пыталась создать этот процесс в протоклетках.
Недостающий элемент
Адамала и Шостак обнаружили, что для реакции необходим магний. Это было проблематично, поскольку магний уничтожал протоклетки. Но был и выход: использовать цитрат, который практически идентичен лимонной кислоте, содержащейся в лимонах и апельсинах, и который присутствует в любой живой клетке.
В докладе, опубликованном в 2013 году, Адамала и Шостак рассказали об исследовании, в ходе которого в протоклетки был добавлен цитрат, накладывающийся на магний и защищающий протоклетки, не мешая при этом копированию цепочек.
Иными словами, они достигли того, о чем говорил Луизи в 1994 году. «Мы запустили самовоспроизведение РНК внутри жирно-кислотных везикул», говорит Шостак.
Всего за десять лет исследований команда Шостака достигла невероятных результатов.
- Ученые создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, в то же время поглощая полезные молекулы из окружающей среды.
- Протоклетки могут расти и делиться и даже соревноваться друг с другом.
- В них существуют РНК, которые самовоспроизводятся.
- По всем параметрам, созданные в лаборатории протоклетки удивительно напоминают жизнь.
Они также были устойчивыми. В 2008 году команда Шостака обнаружила, что протоклетки могут пережить температуру до 100 градусов по Цельсию – температуру, при которой гибнет большинство современных клеток. Это лишь усилило уверенность в том, что протоклетки схожи с первой жизнью, которой необходимо было как-то выживать в условиях постоянных метеоритных дождей.
«Успехи Шостака впечатляют», – говорит Армен Мулкиджанян.
Однако, на первый взгляд, подход Шостака сильно отличается от прочих исследований происхождения жизни, продолжавшихся последние 40 лет. Вместо того, чтобы фокусироваться на «первичном самовоспроизведении» или «первичной компартментализации», он нашел способ совместить эти теории.
Это стало поводом для создания нового объединенного подхода к изучению вопроса происхождения жизни на Земле.
Данный подход подразумевает, что у первой жизни не было характеристики, появившейся раньше прочих. Идея о «первичном наборе характеристик» уже имеет немало практических доказательств и гипотетически может решить все проблемы существующих теорий.
Великое объединение
В поисках ответа на вопрос о зарождении жизни, ученые 20 века разделились на 3 лагеря. Каждый придерживался только своих гипотез и свысока отзывался о работах двух других. Такой подход определенно был результативным, но каждый из лагерей в итоге столкнулся с неразрешимыми проблемами. Поэтому в наши дни несколько ученых решились опробовать объединенный подход к данной проблеме.
Идея объединения берет свои корни в недавнем открытии, которое доказывает традиционную теорию о «первичном самовоспроизведении» «Мира РНК», но лишь на первый взгляд.
В 2009 году сторонники теории «Мира РНК» столкнулись с крупной проблемой. Они не могли создать нуклеотиды, строительные блоки РНК, таким образом, каким они могли бы самосоздаться в условиях ранней Земли.
Как мы видели ранее, это привело многих исследователей к мысли, что первая жизнь основывалась вовсе не на РНК.
Джон Сазерленд размышлял над этим еще с 80-х годов прошлого века. «Было бы здорово, если бы кто-нибудь сумел продемонстрировать, как самостоятельно собирается РНК», – говорит он.
К счастью Сазерленда, он работал в Кембриджской лаборатории молекулярной биологии (ЛМБ). Большинство исследовательских институтов постоянно тормошат своих работников в ожидании новых открытий, но ЛМБ позволяла сотрудникам серьезно поработать над проблемой. Поэтому Сазерленд мог спокойно размышлять о том, почему так сложно создать нуклеотиды РНК, и в течение нескольких лет разрабатывал альтернативный подход.
В итоге Сазерленд пришел к совершенно новым взглядам на происхождение жизни, заключавшимся в том, что все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно.
Здание Кембриджской лаборатории молекулярной биологии.
Счастливое стечение молекул и обстоятельств
«В химии РНК не работали сразу несколько ключевых аспектов», – объясняет Сазерленд. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но на практике заставить сахар и основание взаимодействовать оказалось невозможно. Молекулы были попросту не той формы.
Поэтому Сазерленд начал эксперименты с другими веществами. В итоге его команда создала 5 простых молекул, состоящих из другого вида сахара и цианамида, который, как видно по названию, родственен цианиду. Данные вещества пропустили через ряд химических реакций, что в итоге привело к созданию двух из четырех нуклеотидов.
Бесспорно, это был успех, мгновенно поднявший репутацию Сазерленда.
Многим наблюдателям показалось, что это очередное доказательство в пользу теории о «Мире РНК». Но сам Сазерленд смотрел на это иначе.
«Классическая» гипотеза «Мира РНК» концентрировалась на том, что в первых организмах РНК отвечала за все жизненные функции. Но Сазерленд называет это утверждение «безнадежно оптимистичным». Он считает, что РНК принимала в них участие, но не была единственно важным для жизнеспособности компонентом.
Сазерленд вдохновился последней работой Джека Шостака, который объединил концепцию «первичного самовоспроизведения» «Мира РНК» с идеями Пьера Луиджи Луизи о «первичной компартментализации».
Но Сазерленд пошел дальше. Его подход «всё было первым». Он намеревался заставить целую клетку собраться воедино с нуля.
Как создать живую клетку с нуля
Внимание Сазерленда привлекла любопытная деталь в синтезе нуклеотидов, поначалу казавшаяся случайной.
Последним шагом в опытах Сазерленда всегда было добавление фосфатов в нуклеотид. Но позже он понял, что добавлять его следует с самого начала, поскольку фосфат ускоряет реакции на ранних этапах.
Изначальное добавление фосфата, казалось, только увеличивает хаотичность реакции, но Сазерленд сумел понять, что эта хаотичность идет на пользу.
Это навело его мысли о том, что смеси должны быть хаотичными. На ранней Земле, скорее всего, в одной луже плавала уйма химических веществ. Разумеется, смеси не должны напоминать болотные воды, ведь нужно найти оптимальный уровень хаотичности.
Созданные в 1950 году смеси Стэнли Миллера, о которых говорилось ранее, были куда хаотичней смеси Сазерленда. Они содержали биологические молекулы, но, как говорит Сазерленд, их «было немного, и сопровождались они куда большим количеством не биологических соединений».
Сазерленд посчитал, что условия опыта Миллера были недостаточно чистыми. Смесь была чересчур хаотичной, из-за чего нужные вещества просто терялись в ней.
Поэтому Сазерленд решил подобрать «химию Златовласки»: не настолько перегруженную различными веществами, чтобы стать бесполезной, но и не настолько простую, чтобы она была ограничена в возможностях.
Требовалось создать усложненную смесь, в которой одновременно могли образоваться, а затем и объединиться все компоненты жизни.
Первобытный пруд и формирование жизни за несколько минут
Проще говоря, представьте себе, что 4 миллиарда лет назад на Земле существовал небольшой пруд. В течение многих лет в нем образовывались необходимые вещества, до тех пор, пока смесь не приобрела химический состав, который и нужен, чтобы запустить процесс. А затем сформировалась первая клетка, возможно, всего за несколько минут.
Это может звучать фантастично, словно утверждения средневековых алхимиков. Но у Сазерленда начали появляться доказательства.
С 2009 года он демонстрировал, что с помощью тех же веществ, на основе которых сформировались его первые два нуклеотида РНК, можно создать и другие молекулы, важные для любого живого организма.
Очевидным следующим шагом должно было стать создание других нуклеотидов РНК. С этим Сазерленд пока не справился, но в 2010 году продемонстрировал близкие к этому молекулы, которые потенциально могли превратиться в нуклеотиды.
А в 2013 году он собрал прекурсоры аминокислот. В этот раз для создания необходимой реакции он добавил цианид меди.
Вещества, основанные на цианиде, присутствовали во многих опытах, и в 2015 году Сазерленд вновь использовал их. Он показал, что с тем же набором веществ можно создать прекурсоры липидов – молекул, из которых состоят стенки клеток. Реакция проходила под воздействием ультрафиолета, и в ней участвовали сера и медь, помогавшие ускорить процесс.
«Все строительные блоки [сформировались] из общего ядра химических реакций», объясняет Шостак.
Если Сазерленд прав, то наша точка зрения на вопрос происхождения жизни была в корне неверной последние 40 лет.
С момента, когда ученые увидели, насколько сложной была конструкция клетки, все были сконцентрированы на мысли о том, что первые клетки собирались воедино постепенно, элемент за элементом.
С тех пор, как Лесли Орджел озвучил мысль о том, что первой появилась РНК, исследователи «пытались брать за основу один элемент, а затем заставлять его создавать остальные», говорит Сазерленд. Сам он считает, что создавать нужно все сразу.
Хаос – необходимое условие жизни
«Мы поставили под вопрос идею о том, что клетка слишком сложная, чтобы возникнуть сразу», – говорит Сазерленд. – «Как видите, можно одновременно создать строительные блоки для всех систем».
Шостак даже подозревает, что большинство попыток создать молекулы жизни и собрать их в живые клетки терпели неудачу по той же причине: слишком стерильные условия опытов.
Ученые брали необходимые вещества и совершенно забывали о тех, которые, возможно, также существовали на ранней Земле. Но работа Сазерленда показывает, что при добавлении новых веществ в смесь возникают более сложные соединения.
Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался внедрить фермент РНК в свои протоклетки. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембрану протоклеток.
Решение было элегантным. Вместо того, чтобы создавать везикулы из одной лишь жирной кислоты, создавать их из смеси из двух кислот. Получившиеся везикулы могли справляться с магнием, а значит, могли выполнять роль «носителей» ферментов РНК.
Более того, Шостак говорит, что первым генам, вероятно, была присуща хаотичность.
Современные организмы используют чистую ДНК для передачи генов, но, скорее всего, в самом начале чистой ДНК попросту не существовало. На ее месте могла быть смесь из нуклеотидов РНК и нуклеотидов ДНК.
В 2012 году Шостак показал, что подобная смесь может собираться в «мозаичные» молекулы, которые выглядят и ведут себя, как чистая РНК. И это доказывает, что теория о перемешанных молекулах РНК и ДНК имеет право на существование.
Эти опыты говорили о следующем – неважно, могли ли первые организмы иметь чистую РНК или чистую ДНК.
«На самом деле я вернулся к идее о том, что первый полимер был схож с РНК, но выглядел немного хаотичней», – говорит Шостак.
Альтернативы РНК
Вполне возможно, что альтернатив РНК теперь могло стать больше, вдобавок к уже существующим ТНК и ПНК, о которых рассказывалось ранее. Мы не знаем, существовали ли они на ранней Земле, но даже если и существовали, то первые организмы вполне могли использовать их вместе с РНК.
Это был уже не «Мир РНК», а «Мир чего-только-нет».
Из всего этого можно извлечь следующий урок – самосоздание первой живой клетки вовсе не было таким уж сложным делом, как нам раньше казалось. Да, клетки – это комплексные механизмы. Но, как выяснилось, они будут работать, пусть и не идеально, даже если их «слепить как попало» из подручных материалов.
Появившись, такие грубые в плане строения клетки, казалось бы, имели немного шансов выжить на ранней Земле. С другой стороны, у них не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, так что во многих смыслах жизнь на первозданной Земле была проще, чем сейчас.
Но есть одно “Но”
Но существует одна проблема, которую не смогли решить ни Сазерленд, ни Шостак, и она довольно серьезна.
У первого организма должна была быть некая форма метаболизма. С самого начала у жизни должна была иметься способность получить энергию, а иначе эта жизнь погибла бы.
В этот момент Сазерленд согласился с идеями Майка Расселла, Билла Мартина и других сторонников «первичного метаболизма».
«Сторонники теорий о «мире РНК» и «первичного метаболизма» зря спорили друг с другом. У обоих сторон хватало веских аргументов», – поясняет Сазерленд.
«Метаболизм так или иначе с чего-то начался», – пишет Шостак. – «Но вот что стало источником химической энергии – это большой вопрос».
Даже если Мартин и Расселл заблуждаются в том, что жизнь началась в глубоководных жерлах, многие части их теории близки к истине. Первая – это важная роль металлов при зарождении жизни.
Многие ферменты в природе имеют в своем ядре атом металла. Обычно это «активная» часть фермента, в то время как остальная часть молекулы – это поддерживающая структура.
В первой жизни не могли присутствовать сложные ферменты, поэтому скорее всего она использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.
Катализаторы и ферменты
О том же говорил и Гюнтер Вахтеншаузер, когда предположил, что жизнь сформировалась на железном пирите. Расселл также подчеркивает, что вода в гидротермальных жерлах насыщенна металлами, которые могут быть катализаторами, а исследования Мартина на тему последнего универсального общего предка у современных бактерий свидетельствуют о наличии в нем многих ферментов на основе железа.
Все это говорит о том, что многие химические реакции Сазерленда протекали успешно лишь за счет меди (и серы, как подчеркнул Вахтершаузер), и что РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии.
Вполне может оказаться, что гидротермальные жерла также важны для создания жизни.
«Если взглянуть на современный метаболизм, то можно увидеть элементы, которые говорят сами за себя, вроде кластеров из железа и серы», – поясняет Шостак. – «Это вписывается в идею о том, что жизнь зародилась внутри или около жерла, где вода насыщена железом и серой».
С учетом сказанного можно добавить лишь одно. Если Сазерленд и Шостак на верном пути, то один аспект теории о жерлах определенно является заблуждением: жизнь не могла начаться в глубине моря.
«Открытые нами химические процессы сильно зависят от ультрафиолетового излучения», – считает Сазерленд.
Единственный источник такого излучения – это Солнце, так что реакции должны происходить непосредственно под его лучами. Это вычеркивает версию с глубоководными жерлами.
Шостак согласен, что глубины моря нельзя считать колыбелью жизни. «Хуже всего то, что они изолированы от взаимодействия с атмосферой, которая является источником исходных материалов, богатых энергией, вроде цианида».
Но все эти проблемы не делают теорию о гидротермальных жерлах бесполезной. Возможно, эти жерла располагались на мелководье, где имели доступ к солнечному свету и цианиду.
Жизнь зародилась не в океане, а на суше
Армен Мулкиджанян предложил альтернативу. Что, если жизнь зародилась в воде, но не в океане, а на суше? А именно – в вулканическом пруду.
Мулкиджанян обратил внимание на химический состав клеток: в частности, какие вещества они принимают, а какие отторгают. Выяснилось, что клетки любого организма содержат много фосфата, калия и других металлов, за исключением натрия.
Современные клетки сохраняют баланс металлов, выкачивая их из окружающей среды, но у первых клеток такой возможности не было – механизм выкачивания еще не был развит. Поэтому Мулкиджанян предположил, что первые клетки появились там, где имелся примерный набор веществ, из которых состоят нынешние клетки.
Это сразу вычеркивает океан из списка потенциальной колыбели жизни. В живых клетках намного больше калия и фосфата и намного меньше натрия, чем содержится в океане.
Под эту теорию больше подходят геотермальные источники вблизи вулканов. В этих прудах содержится та же смесь металлов, что и в клетках.
Шостак идею горячо поддерживает. «Мне кажется, идеально подходящим под все условия местом было бы мелкое озеро или пруд в геотермально активной области», – подтверждает он. «Нужны гидротермальные жерла, но не глубоководные, а скорее похожие на те, что есть в вулканически активных областях вроде Йеллоустона».
В таком месте могли бы протекать химические реакции Сазерленда. В источниках есть необходимый набор веществ, уровень воды колеблется, так что некоторые участки временами пересыхают, и нет недостатка солнечных ультрафиолетовых лучей.
Более того, Шостак говорит, что подобные пруды отлично подходят для его протоклеток.
«Протоклетки в основном сохраняют низкую температуру, что хорошо влияет на копирование РНК и другие виды простого метаболизма», – утверждает Шостак. – «Но время от времени они ненадолго нагреваются, что способствует разделению цепей РНК и подготавливает их к дальнейшему самовоспроизведению». Делиться протоклеткам также могут помочь потоки холодной или горячей воды.
Жизни могли помочь метеориты
На основе всех существующих аргументов Сазерленд предлагает и третий вариант – место падения метеорита.
Земля регулярно подвергалась метеоритным дождям в первые 500 миллионов лет существования – они падают и по сей день, но значительно реже. Приличных размеров место падения метеорита могло создать те же условия, что и пруды, о которых говорил Мулкиджанян.
Во-первых, метеориты по большей части состоят из металла. А места их падения зачастую богаты металлами типа железа и серы. И, что самое главное, в местах падения метеорита продавливается земная кора, что ведет к геотермальной активности и появлению горячей воды.
Сазерленд описывает небольшие реки и ручейки, струящиеся по склонам новообразованных кратеров, которые вытягивают вещества, основанные на цианиде, из камней – и все это происходит под воздействием ультрафиолетовых лучей. Каждый ручеек несет в себе немного отличную от прочих смесь веществ, так что в итоге происходят различные реакции и производится целый ряд органических веществ.
В конце концов ручейки объединяются в вулканический пруд на дне кратера. Возможно, именно в таком пруду в свое время собрались все нужные вещества, из которых сформировались первые протоклетки.
«Это весьма специфический ход событий», – соглашается Сазерленд. Но он склоняется к нему на основании найденных химических реакций: «Это единственный ход событий, где могли бы протекать все реакции, показанные в моих опытах».
Шостак же еще не до конца уверен в этом, но он согласен, что идеи Сазерленда заслуживают пристального внимания: «Мне кажется, что эти события могли происходить на месте падения метеорита. Но мне также нравится идея с вулканическими системами. В пользу обоих версий есть крепкие аргументы».
Когда мы получим ответ на вопрос: как зародилась жизнь?
Дебаты, похоже, прекратятся еще не скоро, и к общему мнению ученые придут не сразу. Решение будет принято на основе опытов с химическими реакциями и протоклетками. Если выяснится, что в одном из вариантов не хватает ключевого вещества, или используется вещество, разрушающее протоклетки, то его признают неверным.
Это означает, что впервые в истории мы стоим на пороге наиболее полного объяснения того, как зародилась жизнь.
«Задачи уже не кажутся невыполнимыми», – оптимистично заявляет Сазерленд.
Пока что подход с условным названием «все и сразу» от Шостака и Сазерленда – это лишь грубые наброски. Но каждый из аргументов данного подхода был доказан десятилетиями экспериментов.
Эта концепция опирается на все подходы, существовавшие ранее. Она комбинирует в себе все удачные наработки, в то же время решая отдельные проблемы каждого подхода.
Например, не опровергает теорию Расселла о гидротермальных жерлах, а использует ее самые удачные элементы.
Что случилось 4 миллиарда лет назад
Мы не знаем наверняка, что происходило 4 миллиарда лет назад.
«Даже если создать реактор, откуда выскочит кишечная палочка… нельзя сказать, что это воспроизведение той самой первой жизни», – считает Мартин.
Лучшее, что мы можем сделать – это представить ход событий, подкрепив свое видение доказательствами: опытами в области химии, всеми знаниями о ранней Земле и всем тем, что говорит биология о ранних формах жизни.
В итоге, после столетий напряженных усилий, мы увидим, как начнет вырисовываться история реального хода событий.
Это значит, что мы приближаемся к величайшему разделению в истории человечества: разделению на тех, кто узнает историю зарождения жизни, и тех, кто не дожил до этого момента, а потому уже никогда не сможет ее узнать.
Все те, кто не дожил до публикации «Происхождения видов» Дарвина в 1859 году, умерли, не имея ни малейшего представления о происхождении человека, поскольку они ничего не знали об эволюции. Но сегодня каждый, за исключением ряда изолированных общин, может узнать правду о нашем родстве с другими представителями животного мира.
Точно так же все, кто родился после выхода Юрия Гагарина на орбиту Земли, стали членами общества, которое способно путешествовать к другим мирам. И пусть за пределами планеты побывал далеко не каждый ее житель, но космические путешествия уже стали современной реальностью.
Новая реальность
Эти факты незаметно меняют наше мироощущение. Они делают нас мудрее. Эволюция учит нас ценить любое живое существо, поскольку всех нас можно считать родственниками, пусть и далекими. Космические путешествия учат нас смотреть на свою родную планету со стороны, чтобы понять, насколько она уникальна и хрупка.
Некоторые из живущих сейчас людей вскоре станут первыми в истории из тех, кто способны рассказать о своем происхождении. Они будут знать о своем едином предке и о том, где он обитал.
Это знание изменит нас. С чисто научной точки зрения оно даст нам представление о шансах зарождения жизни во Вселенной и о том, где ее можно искать. Оно также раскроет перед нами сущность жизни.
Но нам остается только догадываться, какая мудрость предстанет перед нами в момент, когда секрет происхождения жизни будет раскрыт. С каждым месяцем и годом мы ближе к разгадке великой тайны зарождения жизни на нашей планете. Новые открытия совершаются прямо сейчас, когда вы читаете эти строки.
Источник blogs.elenasmodels.com
355