ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Живая Земля. Происхождение жизни

 

Происхождение жизни

Возраст Земли: от 500 млн до 1 млрд лет

Кто бы мог подумать, что юную Землю (500 млн лет от роду) ждет столь бурное развитие. На ней буйствовали вулканы, но и на многих других планетах и даже спутниках Солнечной системы это происходило не менее бурно. Земля была покрыта океаном, но океан был и на Марсе в ранний период развития планеты, а гигантские спутники Юпитера Европа и Каллисто были покрыты обледеневшим океаном десятки километров глубиной, а значит, у них был куда больше запас влаги на поверхности. Движение тектонических плит преобразовало поверхность Земли, но в начальный период развития конвекционная тектоника, безусловно, действовала на Венере и, возможно, на Марсе.

Состав химических элементов на Земле также мало чем отличался от соседних планет. Базальты и граниты составляли основу всех каменистых планет. Кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо повсюду преобладали. Земля располагала запасами углерода, водорода и серы, но и на других планетах Солнечной системы имелись те же необходимые для жизни вещества. По всем меркам 4 млрд лет назад Земля была самой что ни на есть заурядной планетой.

Но вскоре ей предстояло превратиться в нечто выдающееся в известном нам мире. По общему признанию, она стала уникальной уже в возрасте 500 млн лет, поскольку ни одна другая планета или спутник не перенесли столь драматических потрясений; ни одна из планет не менялась так основательно и так часто. Однако эти метаморфозы касались в основном масштаба, но не сути событий. Самый активный фактор изменения планеты (что, собственно, и сделало Землю уникальной) еще не вступил в действие. Только на Земле возникла обильная, постоянная жизнь. Происхождение и эволюция биосферы и отличает Землю от всех других планет и спутников.


Что такое жизнь?

Что значит быть живым? В чем заключается это феноменальное свойство, отличающее Землю от всех остальных космических объектов? Конечно, можно попытаться описать жизнь как комплекс различных, взаимодействующих свойств – как сложную структуру, связанную со способностью двигаться, расти, адаптироваться и размножаться. Можно сослаться на такие отличительные черты, как клетки, мембраны, длинные цепи генетических молекул ДНК. Но в самом длинном перечне таких свойств обязательно найдутся исключения. Например, лишайники не движутся. Мулы не размножаются.

Более основательное определение жизни можно получить с помощью химии, поскольку все живые объекты представляют собой молекулярные системы, которым свойственны поразительно сложные и упорядоченные химические реакции. Каждая форма жизни состоит из дискретных ансамблей молекул (клеток), отделенных молекулярным барьером от внешней среды. Эти превосходные наборы химических элементов выработали два независимых способа самосохранения: метаболизм и генетику, взаимодействие которых однозначно отличает живое от неживого.

Метаболизм представляет собой разнообразный набор химических реакций, которыми все живые существа пользуются для превращения атомов и энергии окружающей среды в материал клеток. Словно миниатюрные химические заводы, клетки поглощают молекулы вещества и энергию, используя эти ресурсы для обеспечения движения, восстановления, роста и (время от времени) для размножения. И подобно химическим заводам, в отличие от стихийных лесных пожаров или ядерного синтеза первоначальной звездной материи, клетки эффективно контролируют и регулируют все эти реакции через механизм положительной и отрицательной обратной связи.

Впрочем, одного понятия о метаболизме недостаточно для представления о жизни. В отличие от неживой материи, клетки несут информацию в форме молекул ДНК и могут копировать и передавать молекулярную информацию от одного поколения к другому. Более того, эта информация способна мутировать: молекулы нередко воспроизводятся с ошибками, что обеспечивает генетические вариации. Мутации создают химические новинки, обеспечивая способность одним популяциям клеток соперничать с другими, менее удачными, бороться за выживание в условиях изменений климата или приспосабливаться при освоении других экологических ниш.

Таким образом, метаболизм и генетика могут характеризовать живую материю. При этом поразительно, как это биологи до сих пор не сумели дать более или менее универсальное определение жизни. Возможно, ближе всего подошла к такому единому определению Программа экзобиологии НАСА, поставив задачу исследовать происхождение жизни на Земле и возможность ее возникновения на других планетах. В 1994 г. НАСА на круглом столе под председательством Джеральда Джойса из научно-исследовательского института Скриппса выработала такое обтекаемое определение: «Жизнь представляет собой самоподдерживающуюся химическую систему, способную эволюционировать по Дарвину».

Джойс, лидер энтузиастов выведения жизни в лабораторных пробирках (отрасль будущего, условно именуемая синтетической биологией), достиг выдающихся результатов, совершив настоящий прорыв в данной области. Он вывел целую коллекцию тысяч разнообразных молекул, которые способны и поддерживать свое существование, и эволюционировать. Этот сложный, заключенный в стекле процесс дал результаты в виде точных копий различных молекул, с которых начинался эксперимент. Джойс обнаружил, что химическая система, которая воспроизводит до оскомины точные копии самой себя, даже если часть их способна развиваться со временем, представляет собой не что иное, как молекулярный копировальный аппарат. Естественные живые организмы, в отличие от пробирочной жизни, способны мутировать и потенциально превращаться в совершенно другие живые системы – для освоения новой окружающей среды, для выживания в чуждых климатических условиях, выполнять иные задачи, сражаться с соперниками за ресурсы. В результате Джойс пересмотрел собственное определение жизни, включив в него свойство обновления: «Жизнь – это самоподдерживающаяся химическая система, способная к обновлению и эволюции». В этой истории самым замечательным является то, что Джерри Джойс, осознав тонкости живого вещества, скромно подредактировал определение НАСА, вместо того чтобы гордо заявить о себе как о первом создателе (вспомним Франкенштейна) жизни в лабораторных условиях.


Сырье

Каким образом неживая планета Земля могла изобрести систему взаимодействия метаболизма и генетики? Большинство из нас, исследователей, занимающихся вопросами происхождения жизни, предполагают, что первая живая клетка была результатом неизбежного геохимического процесса. Земля обладала для этого всеми необходимыми исходными материалами. Океаны, атмосфера, горные породы, минералы в изобилии содержали важнейшие для этого элементы: углерод, кислород, водород, азот, серу и фосфор. В энергии тоже недостатка не было: солнечная радиация и внутреннее тепло Земли были наиболее надежными источниками энергии, но свой вклад могли также вносить молнии, радиоактивное излучение, падения метеоритов и многие другие источники энергии. (Как следствие, возникло не меньше теорий возникновения жизни, чем существует источников вещества и энергии).

Однако в одном сходятся все: углерод, самый универсальный элемент Периодической таблицы, сыграл важнейшую роль. Ни один из элементов не может похвастаться возможностью создавать молекулы столь разнообразных форм со столь различными молекулярными функциями. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться как с другими атомами углерода, так и со всевозможными элементами, особенно с водородом, кислородом, азотом и серой, до четырех связей одновременно. Углерод способен образовывать из атомов длинные цепочки, замкнутые кольца, сложные разветвленные структуры – и вообще практически любую форму, какую только можно вообразить. Это дает возможность строить основу белков и углеводов, жиров и масел, ДНК и РНК. Только разнообразные по форме молекулы углеродных соединений могут соответствовать двум важнейшим характеристикам жизни: способности воспроизводиться и способности эволюционировать.

Каждый кусок пищи, которую мы поглощаем, каждый глоток лекарства, каждый участок нашего тела и тел всех других живых организмов содержит углерод. Химические вещества на основе углерода распространены повсюду: в красках, клее, красителях, пластмассах и волокнах нашей одежды и обуви, в страницах и переплетах, в чернилах и, конечно, во всех видах топлива – от угля и нефти до природного газа и бензина. Далее, в главе 11 мы увидим, как возрастает наша зависимость от углеродсодержащих видов топлива и других химических веществ, последствия чего сказываются на тревожных сигналах из приповерхностных слоев планеты – изменениях, которые происходят со все возрастающей скоростью.

И все же углерод не мог сам по себе обеспечить столь поразительный скачок от геохимии к биохимии. Для порождения жизни потребовались все мощные силы планеты: вода, тепло, грозовые разряды и химическая энергия горных пород.


Шаг 1. Кирпичи и цемент

Никто не знает наверняка, как (и когда) произошел переход от безжизненного мира к живой планете, но основные принципы этого перехода постепенно выявляются в десятках лабораторий по всему миру. Биогенез происходил постепенно, шаг за шагом, постепенно усложняя химические формы развивающегося мира. Сначала должен был появиться строительный материал для молекул. Затем мелкие молекулы должны были пройти отбор, собраться и образовать основные элементы жизни: мембраны, полимеры и другие функциональные компоненты клетки. В какой-то момент молекулы начали копировать сами себя, при этом вырабатывая механизм передачи генетической информации от одного поколения к другому. Затем сработал закон естественного отбора – и возникла жизнь.

Первая, наиболее понятная ступень биогенеза заключалась в энергичном образовании молекулярных блоков: сахаров, аминокислот, липидов и прочих соединений. Эти основные вещества, образованные на основе вездесущего углерода, возникали повсюду, где энергия взаимодействовала с простейшими молекулами вроде углекислого газа и воды. Сырьевые ресурсы живого вещества образовывались там, где грозовые разряды пронзали атмосферу, где вулканическая тепловая энергия доводила до кипения океан, даже там, где ультрафиолетовое излучение облучало молекулярные скопления в глубоком космосе задолго до рождения Земли. Древние моря на Земле все более насыщались живым веществом по мере того, как проливались с небес дождем и поднимались из морских глубин биомолекулы.

Современные исследования происхождения жизни начались в 1953 г. с эксперимента по биогенезу, который и по сей день остается самым известным событием в этой области науки. Химик Гарольд Юри, Нобелевский лауреат из Чикагского университета, вместе со своим преданным аспирантом Стэнли Миллером разработали простой и элегантный настольный стеклянный аппарат, моделирующий раннюю ступень формирования Земли. Кипящая вода имитировала гадейский океан, а смесь различных газов воссоздавала первоначальную атмосферу, в которой искровые разряды искусственно воспроизводили молнии. Через несколько дней чистейшая артезианская вода, совершенно бесцветная, окрасилась в розоватый цвет, затем приобрела бурый оттенок – за счет сложной смеси органических молекул. Прозрачное стекло покрылось липкими черными органическими осадками.

Миллер произвел химический анализ и обнаружил в этих осадках огромное количество аминокислот и других «строительных блоков» жизни. В 1953 г. он опубликовал в журнале Science статью с результатами эксперимента, вызвавшую настоящую сенсацию во всем мире. Вскоре ученые толпами бросились исследовать добиологическую химию. Точность смеси атмосферных газов в эксперименте Миллера – Юри подвергалась сомнению, но буквально тысячи последующих экспериментов подтвердили, что, вне всякого сомнения, уже на ранней стадии существования Земля изобиловала органическими веществами. Эксперимент 1953 г. и его последующие модификации оказались такими успешными, что многим казалось: тайна происхождения жизни в основном разгадана.

Этот первоначальный энтузиазм мог иметь негативные последствия. В эксперименте Миллера все внимание было сосредоточено исключительно в области органической химии. Экспериментаторы считали, что развитие жизни происходит в «первичном бульоне», возможно, в «маленьком теплом пруду» (о чем говорил еще Чарльз Дарвин 100 лет назад). Мало кто из исследователей 1950-х гг. учитывал сложные условия естественной геохимической среды, менявшиеся по ходу суточных циклов смены дня и ночи, жары и холода, влажности и сухости и многих других. Не принимали они во внимание и масштаб естественных перепадов физических параметров, например, температуры при взаимодействии вулканической магмы с ледяным океаном или изменений солености при впадении потоков пресной воды в соленый океан. Ни один из экспериментов Миллера не включал горные породы и минералы с их разнообразием химических микро– и макроэлементов и химически активных кристаллов. Исследователи считали, что весь процесс происходил на поверхности Земли, освещенной лучами Солнца.

Влияние Миллера оказалось весьма значительным, и он со своими последователями более трех десятилетий царил в области исследования происхождения жизни. Все это сопровождалось потоком публикаций, открытием новых научных журналов, получением наград и премий. Правительственные гранты мощным потоком изливались на «последователей Миллера». Затем, в конце 1980-х гг. появилась вполне жизнеспособная альтернатива «первичному бульону», связанная с открытием глубоководных термальных зон. В этих темных глубинах, весьма далеких от освещенной Солнцем поверхности океана, насыщенные минералами жидкости вступают во взаимодействие с раскаленной вулканической корой, порождая глубоководные гейзеры. Струи горячей воды из таких подводных гейзеров взаимодействуют с холодными, глубинными океанскими водами, что сопровождается постоянным выпадением минералов в осадок (этот осадок состоит из микроскопических частиц, образующих своего рода черную «накипь»). В этих невероятно укромных глубинах живое вещество присутствует в изобилии, питаемое энергией химических реакций на границе между глубинной корой и океаном.

Битва между научными моделями происхождения жизни объясняется социологией научного мира. С одной стороны, опыт Миллера – Юри позволил получить биомолекулы, поразительно похожие на те, которые действительно лежат в основе живого вещества. Смесь аминокислот, углеводов, липидов и щелочей похожа на хорошо сбалансированную диету. Как пошутил Гарольд Юри, «если Господь не воспользовался этим способом, он много потерял». Но истинные последователи Миллера не просто поддержали активизированный электрическими разрядами «первичный бульон»; во всех докладах и публикациях они рьяно отвергали любое инакомыслие.

Влияние этой научной клики начало приходить в упадок с момента поразительного открытия глубоководных геотермальных отложений, описанных выше, а также в связи с растущим влиянием и далекоидущими, честолюбивыми планами НАСА. Наличие черных отложений в глубоководных впадинах совпало с растущим убеждением в том, что жизнь встречается в экстремальных средах – местах, куда предыдущие поколения биологов даже не заглядывали. Теперь мы знаем, что микроорганизмы выживают в кислотных потоках, вытекающих из отходов при добыче полезных ископаемых, а также в кипящих озерах рядом с действующими вулканами. Они выживают в ледяных толщах Антарктиды и сохраняются в частицах пыли в стратосфере на высоте многих километров над поверхностью Земли. Обширные колонии микроорганизмов существуют глубоко под твердой поверхностью Земли, где живые клетки обитают в мельчайших расщелинах и полостях и подпитываются скудной химической энергией минералов, – эти формы жизни составляют не меньше половины всей биомассы Земли – столько же, сколько все растения, слоны, муравьи и люди вместе взятые. Если такие биоэкстремалы могут существовать, если значительная часть живых организмов сохраняется в глубинах, защищенных от падения астероидов и комет, – почему бы не предположить, что жизнь именно там и зародилась?

Финансирование НАСА напрямую зависит от перспективы грандиозных открытий, а потому ученые ухватились за эту идею. Если происхождение жизни ограничить только теорией, основанной на экспериментах Миллера – Юри, т. е. жизнь возникла в согретой солнечными лучами воде, тогда Земля и, возможно, Марс (на ранних стадиях его существования, примерно первые 500 млн лет) являются единственными живыми планетами в нашем ближайшем окружении. Но если жизнь способна зарождаться в темных, горячих недрах подповерхностной вулканической зоны, то многие небесные тела могут претендовать на внимание исследователей. Марс до сих пор сохранил глубокие гидротермальные зоны: возможно, жизнь продолжается и там. Интерес биологов вызывают и некоторые спутники Юпитера, так же как насыщенный органическими молекулами спутник Сатурна Титан, по размерам близкий Земле. Даже на некоторых крупных астероидах могут глубоко в недрах скрываться сырые, теплые области, пригодные для зарождения жизни. Если жизнь зародилась глубоко в недрах Земли, то у исследований (и соответственно – финансирования) НАСА в области экзобиологии есть будущее на многие десятилетия.

Я и мои коллеги по Институту Карнеги сравнительно недавно вступили на стезю исследований происхождения жизни. Первые, финансируемые НАСА, эксперименты нашей лаборатории начались в 1996 г. и были нацелены на изучение органического синтеза в условиях глубоководных гейзеров, где преобладают высокие температуры и давление. Подобно Миллеру, мы подвергли смеси простых газов различным энергетическим воздействиям, в нашем варианте – тепловой энергии и химически активным поверхностям минералов, какие можно встретить в глубоководных вулканических областях. Как и Миллер, мы получили аминокислоты, липиды и другие биостроительные блоки. Наши результаты были проверены исследованиями во многих других лабораториях, и подтвердилось, вне всякого сомнения, что набор органических молекул легко синтезируется в условиях «скороварки», которую и представляет собой подповерхностные области коры. Вулканические газы, содержащие углерод и азот, охотно вступают в реакцию с простыми породами и морской водой, производя при этом практически все необходимые для живого вещества «строительные блоки».

Более того, процессы синтеза управляются сравнительно спокойными реакциями восстановления и окисления (окислительно-восстановительные реакции) вроде коррозии железа или выпекания суфле. Именно эти мягкие реакции обеспечивают метаболизм живой материи, в отличие от таких бурных процессов, как ионизирующий эффект электрического разряда или ультрафиолетового излучения. На самом деле если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же способен и растерзать их в клочья. Многим из нас, занятых исследованиями в этой области, представляется более логичным представить, что добиологические молекулы на Земле образовались с помощью гораздо менее затратных химических реакций, более или менее похожих на функционирование современной живой клетки.

Стэнли Миллер и его единомышленники делали все, что могли, чтобы опорочить наши выводы и сорвать наш исследовательский проект. На нас обрушился шквал критических публикаций, в которых доказывалось, что высокие температуры подводных гейзеров должны немедленно разрушить любые биомолекулы. «Гипотеза, связанная с подводными вулканами, никуда не годится, – недовольно вещал Миллер в одном из интервью 1998 г. – Я не вижу смысла даже обсуждать ее». Они основывали свои доводы на тщательно проведенных экспериментах, в ходе которых биомолекулы погибали в кипящей воде. Но этот упрощенный подход к исследованиям не учитывал всей сложности условий эпохи формирования Земли; не принимались во внимание ни запредельные температуры и состав глубинных морских вод, ни бурные потоки и цикличность вулканических выбросов, ни сложность химического состава насыщенной минералами морской воды, ни защитная поверхность скал, на которых, как стало теперь ясно, и укреплялись биомолекулы. Как бы то ни было, исследования в этой области продолжались уже не по сценарию Миллера, и теперь для многих специалистов в области биогенеза интерес представляют именно темные глубоководные зоны.

Как уже говорилось выше, все первоначальные среды, где имелись источники энергии и миниатюрные углеродсодержащие молекулы, по-видимому, внесли свой вклад в производство аминокислот, сахаров, липидов и других молекулярных «строительных блоков» жизни. В теории биогенеза нашлось место и рассекаемой электрическими разрядами и пронизанной жестким излучением атмосфере, и глубоководным вулканическим гейзерам, и иным глубинным высокотемпературным средам. Биомолекулы образуются во время падения метеоритов, на опаленных лучами Солнца пылинках высоко в стратосфере и даже в молекулярных скоплениях в глубоком космосе, открытом космическому излучению. Ежегодно тонны насыщенной органикой пыли обрушиваются на поверхность Земли из космоса, и так все 4,5 млрд лет. Нам известно теперь, что строительные блоки живого вещества буквально разбросаны по всему космическому пространству.


Шаг 2. Отбор

Полвека назад самой смелой задачей науки являлся синтез базовых материалов: молекулярных «кирпичей и цемента» для строительства жизни. К началу XXI в. эта проблема была в основном решена; ученые выяснили, что Земля, должно быть, окружена разбавленным бульоном из ингредиентов для строительства жизни. Теперь интерес сместился в сторону отбора, концентрации и компоновки биочастиц в макромолекулы – в мембраны, замыкающие клетку, ферменты, содействующие ее химическим реакциям, и генетическим полимерам, которые передают информацию от поколения к поколению.

Два взаимодополняющих процесса, по-видимому, сыграли в этом важную роль. Это самосборка, при которой группа вытянутых молекул – липидов – спонтанно собирается в пучок, образуя мембраны, которые создают замкнутую оболочку первых клеток. Липиды представляют собой что-то вроде тонких цепочек, состоящих примерно из десятка атомов углерода. При определенных условиях они могут собираться в микроскопические полые шарики; продолговатые молекулы выстраиваются бок о бок, как семена в головке одуванчика. В одной из самых известных в этой области статей ее автор биохимик Дэвид Димер из Калифорнийского университета описал, как он извлек набор таких разных органических молекул из богатого углеродом Мерчисонского метеорита (скопления химических веществ, образовавшихся в глубоком космосе задолго до появления Земли), и обнаружил, что они стремительно собираются в миниатюрные шарики, подобные клетке, словно капли масла в воде. Несколько лет назад мы с Димером обнаружили, что насыщенные углеродом молекулы, возникающие в условиях высоких температур и давления глубинных вулканических гейзеров, ведут себя подобным же образом. Ряд экспериментов позволил выяснить, что окутанные мембраной пузырьки представляют собой характерную черту добиологического мира; самосборка липидов, по-видимому, сыграла ключевую роль в возникновении жизни.

Большинство других биостроительных блоков не самоорганизуются, но способны сосредоточиваться и накапливаться на надежных, защищенных поверхностях пород и минералов в процессе, известном как матричный синтез; он представляет собой второй из механизмов отбора. Наши эксперименты, проведенные в Институте Карнеги за последние десять лет, показали, что многие из жизненно важных молекулярно-строительных блоков прилипают практически к любой естественной минеральной поверхности. Аминокислоты, сахара, компоненты ДНК и РНК адсорбируются на всех минералах, входящих в состав базальта и гранита: полевом шпате, пироксене, кварце и др. Более того, когда на одно место претендуют несколько молекул, они нередко кооперируются и сами образуют сложные поверхностные структуры, позволяя другим молекулам наслаиваться на них. Мы пришли к выводу, что, где бы первоначальный океан ни вступал в контакт с минералами, из бесформенного бульона непременно образовывались плотно собранные органические молекулы.

Здесь я должен выразить предостережение. Занимаясь исследованием происхождения жизни (возможно, подобное происходит и во многих других областях науки), ученые тяготеют к моделям, отражающим их собственную специальность. Специалист по органической химии Стэнли Миллер и его последователи рассматривали происхождение жизни исключительно сквозь призму органической химии. В отличие от них, геохимики склонны к выработке более сложных сценариев, включая такие переменные величины, как температура, давление и химический состав горных пород. Специалисты в области формирования мембран из липидных молекул говорят о «липидном мире», а те, кто занимается молекулярной биологией и исследует ДНК и РНК, рассматривают мир как «модель РНК». Специалисты по вирусам, метаболизму, глинам или глубинной биосфере также имеют свое предвзятое мнение. Все мы таковы; мы опираемся на то, что лучше всего знаем, и рассматриваем мир через объектив своих знаний.

Я изучал минералогию, так что нетрудно угадать мои предпочтения в вопросе о происхождении жизни. Mea culpa. Многие исследователи пришли к аналогичному заключению – на самом деле немало выдающихся биологов также тяготеют к минералам, поскольку сценарии происхождения жизни, опирающиеся только на океан и атмосферу, сталкиваются с неразрешимыми проблемами в объяснении базовых механизмов молекулярного отбора и концентрации. Твердые минералы отличаются высоким потенциалом отбора, концентрации и образования молекул. Так что минералы наверняка сыграли главную роль в происхождении жизни.


Правое и левое

Биохимические реакции – это комплекс циклических и сетевых молекулярных взаимодействий. Чтобы эти затейливые многоуровневые процессы работали, молекулы должны обладать подходящими размерами и формой. Молекулярный отбор решает задачу подбора наиболее подходящей молекулы для осуществления соответствующего биохимического действия, и матричный отбор на минеральных поверхностях в настоящее время считается наиболее правдоподобной версией происхождения жизни.

Пожалуй, самым большим препятствием на пути молекулярного синтеза является хиральность, разделение на правое и левое, столь распространенное в мире. Многие из живых молекул образуют зеркальные пары, подобно двум нашим рукам – левой и правой. Хиральные пары молекул во многих отношениях тождественны: они обладают одинаковым химическим составом, одними и теми же температурами плавления и кипения, одинаковым цветом и плотностью, одинаковой электропроводимостью. Но «леворукие» и «праворукие» молекулы имеют разные, несовместимые формы, в чем легко убедиться на опыте, если попробовать надеть перчатку с левой руки на правую. Оказывается, жизнь невероятно разборчива: живые клетки почти всегда используют левосторонние аминокислоты и правосторонние молекулы сахара.

Хиральность имеет огромное значение. Любопытно, что искусственно созданный лимонен правосторонней формы пахнет апельсином, а в левостороннем варианте эта простейшая кольцевая молекула пахнет лимоном. Обонятельные рецепторы нашего носа чувствительны к хиральности: левосторонний и правосторонний лимонен подает в наш мозг разные сигналы. Вкусовые рецепторы менее чувствительны к хиральности сахарозы. И правосторонняя, и левосторонняя сахарозы имеют сладкий вкус, но наша пищеварительная система настроена на усвоение исключительно правосторонних сахаров. На свойстве левосторонних сахаров основано действие заменителей сахара, например, тагатозы. Трагическая история с талидомидом тоже связана с хиральностью. Правосторонняя разновидность этого лекарства облегчала утреннюю тошноту у беременных женщин, но левосторонняя модификация, которая тоже попадала к пациенткам, вызывала родовые осложнения. Теперь FDA (Управление по контролю за лекарствами и продуктами США) строго требует, чтобы лекарства обладали правильной хиральностью – это требование спасает жизни, но дополнительные расходы на производство составляют при этом около 200 млрд долларов ежегодно.

Результатом большинства экспериментов по синтезу биомолекул (включая опыты Миллера – Юри и гидротермальные эксперименты) являются левосторонние молекулы, а в естественных условиях молекулы левосторонние и правосторонние производятся примерно в одинаковой пропорции. На самом деле неживая материя безразлична к разнице между левым и правым. Но живое вещество требует точной формы: левосторонние аминокислоты и правосторонние сахарозы имеют жизненно важное значение. Молекулы противоположной направленности просто не могут функционировать. И вот наша исследовательская группа задалась вопросом: как жизнь синтезирует преимущественно левосторонние аминокислоты и правосторонние сахарозы?

Наши последние эксперименты показали, что хиральные поверхности минералов сыграли ключевую роль в отборе молекул определенной ориентации и соответственно – в происхождении самой жизни. В 2000 г. мы с коллегами обнаружили то, что тогда казалось поразительным, а теперь воспринимается как нечто обыденное: хиральные поверхности минералов встречаются повсюду в природе. Обычные минералы в составе любой породы или почвы изобилуют поверхностями, где атомы преобразуются в молекулы с определенной направленностью – либо левой, либо правой. В природе такие поверхности встречаются в равной пропорции, т. е. Земля в глобальном масштабе не отдает предпочтение ни правой, ни левой стороне. Но каждая молекула тщательно выбирает способ закручивания. Наши эксперименты показали, что определенные левосторонние молекулы обычно собираются на одном и том же наборе поверхностей кристаллов, а их зеркальное отражение, правосторонние молекулы, так же устойчиво предпочитают формироваться на другом виде минералов. Каждая поверхность, на которой отбираются и накапливаются молекулы, становится экспериментальной мини-площадкой для молекулярного отбора и синтеза.

По отдельности каждый такой естественный эксперимент взаимодействия минералов с молекулами отнюдь не порождал жизнь. Но заметим, что бесчисленные триллионы триллионов триллионов минеральных поверхностей, омываемых насыщенным органическими молекулами «бульоном», повторяли свой маленький «эксперимент» снова и снова – и так сотни миллионов лет. Земля протестировала таким образом практически все возможные комбинации молекул в самых разных условиях. Небольшая часть таких комбинаций, проявившая способность к самосборке, или к более тесной связи с поверхностью минералов, или к большей устойчивости в условиях высоких температур и давлений, выживала и, возможно, разрасталась, может быть, продолжала эволюционировать.

У нас нет точных данных, какие именно из этих бесконечных комбинаций молекул и минералов привели к образованию чего-то похожего на жизнь, но принципы молекулярного отбора и регулирования становятся все более понятными. Биомолекулы синтезировались в огромном количестве, и некоторые из них продолжали разрастаться во все более и более крупные скопления. Наши эксперименты позволяют предположить, что большую роль играли электрические заряды. Некоторые молекулы обладали слабым положительным зарядом; другие имели слабый отрицательный заряд; третьи отличались полярностью (например, вода), т. е. одна и та же молекула обладала как положительным, так и отрицательным полюсом. У минералов также имелись либо положительные, либо отрицательные заряды. Соедините эти заряженные объекты, и они спонтанно упорядочатся: положительный заряд неуклонно притянется к отрицательному. Таким образом, всевозможные скопления молекул собирались практически во всех влажных минеральных средах нашей добиологической планеты.


Шаг 3. Воспроизведение

Скопления химических веществ, сколь бы сложными они ни были, не становятся живыми, если не могут воспроизводить себе подобных. Самый главный отличительный признак жизни заключается в воспроизводстве самой себя: некая общность молекул удваивается, затем из двух возникают четыре, и так далее в геометрической прогрессии. Величайшей загадкой в истории биогенеза остается момент, когда возникла первая система воспроизведения молекул. Искусные опыты способны более или менее достоверно воспроизвести часть репродуктивных циклов, но мы всего лишь имитируем этот неуловимый биохимический трюк в лабораторных условиях. Как бы то ни было, в определенный момент в каком-то месте упорядоченное скопление молекул начало воспроизводить свои копии за счет других молекул (служивших для них, так сказать, пищей).

Представим себе Землю в возрасте около 500 млн лет, т. е. около 4 млрд лет назад. Она располагала «бульоном» органических молекул, триллионами триллионов химически активных минеральных поверхностей – и сотнями миллионов лет на то, чтобы что-то с этим сделать. Большинство молекулярных кластеров не представляли интереса и ничем себя не проявили. Но небольшая часть органических молекул, скопившихся на поверхности кристаллов, образовала структуры, выработавшие особо сложные функции, – может быть, более тесное прикрепление к поверхности минерала, может, способность привлекать все новые молекулы в устойчивое скопление, может, способность вызывать разрушение молекул других видов, а может, даже способность создавать копии самих себя. Природа щедро вознаграждает такие новации, и единожды возникнув, жизнь быстро распространилась, проникнув в каждый пригодный для обитания уголок планеты.

Но давайте отступим на шаг. Почему некое скопление молекул вдруг начинает воспроизводить копии самих себя? Ответ можно найти в двух основах эволюции: вариативности и избирательности. Системы развиваются по двум причинам. Во-первых, они создают огромное количество всевозможных конфигураций – это вариативность. Во-вторых, некоторые из этих конфигураций более других способны к выживанию – это избирательность. Представим себе добиологическое скопление сотен тысяч различных молекул, состоящих из углерода, водорода, кислорода и азота, возможно, с небольшими долями фосфора и серы. Добиологический синтез (а ля Стэнли Миллер) и естественные образцы (например, метеориты Дэвида Димера) иллюстрируют вариативность. Но не все молекулы равны между собой. Некоторые из них отличались сравнительной неустойчивостью и рыхлостью – они не выдержали конкуренции. Другие склеились друг с другом, образовав бесполезную смолистую массу, и всплыли на поверхность или погрузились на дно океана, где уже не играли никакой роли. Но некоторые оказались особо устойчивыми, причем тем устойчивее, чем теснее они соединялись с другими молекулами или крепились к особо привлекательным неорганическим поверхностям. Такие молекулы выжили, когда их перестал поддерживать молекулярный бульон.

Эта добиологическая смесь совершенствовалась путем молекулярных взаимодействий. Часть таких молекулярных скоплений прочно прикреплялась к неорганическим поверхностям, что еще более усиливало их шансы на выживание. Другие молекулы, поменьше, играли роль катализаторов, укрепляя некоторые вещества за счет образования химических соединений или ускоряя разрушение других веществ за счет распада химических соединений. Молекулярный «бульон» стремительно рассеивался, но наилучшая надежность в такой среде достигалась не только за счет уничтожения конкурентов или прочности крепления на неорганической поверхности. Главным условием выживания стала способность определенных скоплений молекул воспроизводить себе подобных.

Существует три разные модели, описывающие первую самовоспроизводящуюся, квазиживую систему молекул. Простейшая модель (а потому для многих из нас наиболее привлекательная) обращается к хорошо известному циклу нескольких мелких молекул – циклу трикарбоновых кислот. Он начинается с уксусной кислоты, которая содержит всего два атома углерода. Уксусная кислота вступает в реакцию с углекислым газом (CO2), образуя пировиноградную кислоту (с тремя атомами углерода), которая, в свою очередь, тоже взаимодействует с CO2, образуя щавелево-уксусную кислоту с четырьмя атомами углерода. Последовательность других реакций приводит к образованию все более крупных молекул, вплоть до лимонной кислоты (уже с шестью атомами углерода). Цикл становится самовоспроизводящимся, когда лимонная кислота спонтанно распадается на две более мелкие молекулы, уксусную кислоту (два атома углерода) и щавелево-уксусную кислоту (четыре атома углерода), составляющие часть молекулярного витка. Один молекулярный цикл превращается в два, два превращаются в четыре, и т. д. Более того, многие из жизненно важных строительных блоков, включая аминокислоты и сахарозы, легко синтезируются через простейшие реакции с активными молекулами лимонно-уксусного цикла. Например, стоит добавить аммиак к пировиноградной кислоте, как мы получим незаменимую аминокислоту – аланин. Каждая живая клетка на Земле включает лимонно-уксусный цикл, так что его можно считать первичным свойством – своего рода атавизмом, сохранившимся от первоначальных форм жизни. Сам по себе этот цикл не является формой жизни, но он обладает способностью воспроизводить ближайший круг молекул за счет менее плодовитых химических веществ.

Полной противоположностью этого варианта по сложности являются самовоспроизводящиеся автокаталитические наборы – модель, опробованная Стюартом Кауфманом в его новаторских исследованиях в прославленном Институте Санта-Фе. В добиологическом «бульоне» вначале плавали, по-видимому, сотни тысяч различного вида и происхождения мелкие молекулы на основе углерода. Нам уже известно, что некоторые из этих веществ являлись катализаторами реакций, порождающих новые молекулы, в то время как другие реакции ускоряли распад соседних веществ. Каталитическая система состоит из скопления молекул – возможно, тысяч молекул разного вида, действующих сообща, – которые ускоряют процесс воспроизводства самих себя, одновременно разрушая любые молекулы, не входящие в систему. Это своего рода молекулярный эквивалент выражения «богатые богатеют». Здесь, как и в случае с уксусно-лимонным циклом, молекулярная система еще не является собственно живой, но в определенном смысле способствует самовоспроизведению, будучи гораздо более сложной по составу, чем большинство неживых химических систем.

Третий сценарий предпочитают биологи, исследующие происхождение жизни, – это РНК, модель, основанная на гипотетической молекуле РНК, способной копировать саму себя. Чтобы понять привлекательность и популярность этой модели, надо снова вернуться к предыдущим рассуждениям, вспомнить две важнейшие функции жизни: метаболизм (производство вещества) и генетику (передачу следующим поколениям информации о том, как производить вещество). Современные клетки используют похожую на лестницу молекулу ДНК для накопления и копирования информации, необходимой для создания белка, но для создания самой ДНК они используют сложные многослойные белковые молекулы. Так что же появилось раньше, ДНК или белок? Выясняется, что в обоих этих процессах центральную роль сыграл третий тип молекул – РНК.

РНК представляет собой изящный полимер – длинную молекулу-цепь, собранную из более мелких отдельных молекул (нуклеотидов), вроде нити бус или цепочки букв в предложении. Четыре такие молекулярные буквы, обозначим их как A, C, G и U, могут нанизываться в любой последовательности, как закодированное сообщение. Эти «буквы» РНК на самом деле содержат генетическую информацию (подобно ДНК). В то же время молекулы РНК способны принимать самые сложные формы, которые обладают свойством катализировать важнейшие биологические реакции (подобно белкам). Именно молекулы РНК содействуют синтезу всех белков, передавая информацию и одновременно катализируя образование белков. Таким образом, из всех живых молекул именно РНК способна «сотворить все, что угодно».

Модель мира, основанная на РНК, предполагает, что некий, пока еще до конца не изученный химический механизм произвел бесчисленное количество нитей РНК или, возможно, похожей на нее информационно насыщенной молекулы. Почти все эти разнообразные нити ничего не делали: они либо выживали, либо постепенно распадались. Но небольшое количество отборных нитей РНК приобретали весьма полезные для себя свойства: они скручивались, обретая большую устойчивость, или крепко цеплялись за надежную неорганическую поверхность, или уничтожали соперничающие молекулы – в общем, еще один пример молекулярной конкуренции в добиологическом «бульоне».

Суть гипотезы о роли РНК в происхождении живого мира заключается в том, что одна из мириад этих нитей освоила хитрый трюк – как воспроизводить копии самой себя, т. е. превратилась в самовоспроизводящуюся молекулу. Нельзя сказать, что идея эта слишком надуманная. В конце концов, РНК во многом подобна ДНК, которая способна к самокопированию (репликации). Более того, РНК легко видоизменяется. Таким образом, первая молекула РНК, создавшая копию самой себя, пусть пока еще несовершенную, вскоре оказалась окруженной бесчисленными, хотя и слабыми, конкурентами – вариантами самой себя, часть которых, однако, быстро преуспела в искусстве репликации либо за счет экономии энергопотребления, либо в силу меняющейся окружающей среды. Такое успешное развитие молекулы РНК приблизило ее к необходимым условиям возникновения жизни: она превратилась в самоподдерживающуюся химическую систему, способную к усвоению нового и к развитию по Дарвину – иными словами, в пригодную к молекулярной эволюции.

Возможно, потребовалось много времени, чтобы возникла эта первичная, самовоспроизводящаяся молекулярная система, примитивная, но действующая, будь то в виде уксусно-лимонного цикла, системы автокатализа или репликации РНК. Но в ее распоряжении на протяжении многих миллионов лет было невообразимое число комбинаций молекул на триллионах триллионов минеральных поверхностей, занимавших более 500 млн км2 поверхности Земли. И вот одна из этих неисчислимых комбинаций в каком-то месте в какой-то миг сработала. Она освоила механизмы репликации и эволюции. Это новшество изменило мир.

Опыты биолога Джека Шостака в Бостонской лаборатории Гарварда демонстрируют силу избирательности в молекулярной эволюции. Большинство своих экспериментов группа Шостака начинает со смеси 100 трлн различных разновидностей РНК, каждая из которых состоит из 100 нитей произвольной последовательности A, C, G и U. Громадное количество нитей РНК скручивается, принимая разнообразные формы, и сталкивается с задачей: например, плотно соединиться с молекулой другой формы. Сотрудники лаборатории Шостака выливают раствор со 100 трлн нитей РНК в мензурку с мелким стеклянным бисером, причем каждая бусинка покрыта молекулой специфической формы. Эти молекулы становятся мишенями, действуя в насыщенном растворе РНК подобно крючкам. Большинство молекул РНК на эти крючки не реагирует, поскольку их формы не соответствуют эталону. Но небольшая доля скрученных молекул РНК прицепляется к бусинам-мишеням и закрепляется на них.

Здесь-то и начинается самое интересное, когда исследователи выливают использованный раствор (вместе с почти 100 трлн непригодных нитей РНК) и извлекают те немногочисленные нити, которые в силу случайных свойств формы прикрепились к стеклянным бусинам. Применяя стандартные приемы генетической технологии, имитирующие вероятные добиологические процессы, они готовят новую партию молекул РНК (тоже 100 трлн нитей), но на сей раз все молекулы являются сырыми копиями – мутантами тех немногих нитей РНК, которые проявили активность на первом этапе. Повторный этап дает новое поколение действующих молекул РНК, при этом в новом поколении находятся вариации молекул, которые реагируют на бусин-хозяев гораздо увереннее, чем первое поколение. Некоторые «дочки» первичных молекул намного превосходят по активности своих родителей. Процесс повторяется несколько раз, и с каждым поколением новые нити РНК крепятся к бусинам все активнее и прочнее, пока не выявятся самые способные из мутантов: они наиболее энергично сцепляются с выбранными мишенями.

Весь эксперимент длится несколько дней – меньше недели требуется на то, чтобы от случайных нитей возникло поколение прочно крепящихся молекул. Но попросите этих самых блестящих в мире исследователей смоделировать действующую молекулу РНК на пустом месте, они ответят, что это практически невозможно, даже с применением современных вычислительных ресурсов. Ни одна из известных сегодня методик не может точно предсказать, какую именно свернутую форму примет молекула РНК или как она прикрепится к другим молекулам сложной формы. Не интеллектуальный расчет, а сама молекулярная эволюция на сегодня является самым эффективным методом достижения результата. (Вот где истоки суждения, что, даже если жизнь сотворил Бог, у нее хватило ума воспользоваться эволюцией).

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru