Как появилась жизнь на Земле. Секретные материалы ученых.Трудно найти человека, который бы не задавался вопросом о том, как зародилась жизнь на Земле. Идей на этот счет предостаточно, от Библии и Дарвина до современной теории эволюции, которая непрерывно претерпевает изменения в соответствии с новейшими открытиями ученых.

Про динозавров, естественно, все слышали, видели их в фильмах и музеях, и мало кто оспаривает их историческое существование.

Хотя до 1842 года человечество даже и не догадывалось, что найденные в разных местах планеты кости гигантских животных принадлежали к одному типу, называя их “драконами” или приписывая останки титанам, которые сражались в Троянской войне. Понадобилось прозрение ученых, которые сопоставили данные и дали название диковинным останкам: динозавры. А сегодня мы прекрасно знаем, как выглядели эти вымершие миллионы лет назад исполинские ящеры, описали множество их видов, и каждый ребенок в курсе, кто они такие.

Тот факт, что эти гигантские пресмыкающиеся появились на Земле 225-250 миллионов лет назад и вымерли напрочь примерно 66 миллионов лет до нашего летоисчисления, не вводит в шок большинство простого народа, не интересующегося в деталях наукой. Естественно, мы также помним родственных динозаврам крокодилов, которые берут свое начало как вид 83 миллиона лет назад, и сумели выжить с тех незапамятных времен. Но все эти цифры редко соотносятся в нашем сознании в масштабе.

Сколько лет человечеству?

Не многим известен и возраст современного вида Homo Sapiens, что означает человек разумный, который ученые оценивают всего в 200 тысяч лет. То есть возраст человечества как вида в 1250 раз меньше, чем возраст класса рептилий, к которым принадлежали и динозавры.

Уместить в сознание и упорядочить эти данные необходимо, если мы хотим постигнуть, как появилась жизнь на нашей планете первоначально. И откуда взялись сами люди, которые сегодня пытаются понять эту жизнь?

Сегодня секретные материалы ученых стали достоянием публики. Шокирующая история экспериментов последних лет, которые переписали теорию эволюции и пролили свет на то, как началась жизнь на нашей планете, взорвали многолетние устоявшиеся догмы. Тайны генетики, обычно доступные лишь узкому кругу “посвященных”, дали однозначный ответ на предположение Дарвина.

Homo Sapiens.

Виду Homo Sapiens (человек разумный) всего 200 тысяч лет. А нашей планете 4,5 миллиарда!

Секретные материалы

Всего каких-то несколько столетий назад за подобные идеи можно было ожидать казни на костре. Джордано Бруно сожгли за ересь чуть больше 400 лет назад, в феврале 1600 года. Но сегодня подпольные исследования смелых первопроходцев стали достоянием общественности.

Еще 50 лет назад отцы по неведению частенько воспитывали детей других мужчин, даже сама мать не всегда знала правду. Сегодня же установить отцовство — рядовой анализ. Каждый из нас может заказать анализ ДНК и узнать, кто были его предки, чья кровь течет в его или ее жилах. След поколений навсегда запечатлен в генетическом коде.

Именно в этом коде и содержится ответ на самый животрепещущий вопрос, занимающий умы человечества: как началась жизнь?

Секретные материалы ученых раскрывают историю стремления найти единственно верный ответ. Это история об упорстве, настойчивости и потрясающей креативности, охватывающая величайшие открытия современной науки.

В своем стремлении понять, как зародилась жизнь, люди отправились на исследование самых дальних уголков планеты. В ходе этих поисков некоторые ученые получили клеймо «извергов» за свои эксперименты, а другим приходилось проводить их под пристальным вниманием тоталитарного строя.

Как же началась жизнь на Земле?

Пожалуй, это самый сложный из всех существующих вопросов. На протяжении тысячелетий абсолютное большинство людей объясняли это одним тезисом – «жизнь сотворили боги». Другие объяснения были попросту немыслимы. Но со временем ситуация изменилась. Весь прошлый век ученые пытались разобраться, каким же именно образом зародилась первая жизнь на планете, пишет Майкл Маршалл для BBC.

Большинство современных ученых, изучающих происхождение жизни, уверены, что они движутся в верном направлении – а проводимые эксперименты только закрепляют их уверенность. Открытия Ньютонов от генетики переписывают книгу знаний от первой страницы до последней.

Считаете себя образованным и современным человеком? Тогда вы просто обязаны это знать.

ДНК.

Хотя открытие ДНК датируется 1869 годом, только в 1986 эти знания впервые использовали в криминалистике.

Перед вами история зарождения жизни на Земле

Жизнь стара. Динозавры – это, пожалуй, наиболее известные из всех вымерших существ, но и они появились всего 250 миллионов лет назад. Первая же жизнь на планете зародилась намного раньше.

Самым древним окаменелостям, по оценкам экспертов, около 3,5 миллиардов лет. Иными словами, они в 14 раз старше первых динозавров!

Однако и это не предел. К примеру, в августе 2016 года были найдены ископаемые бактерии, возраст которых составляет 3,7 миллиардов лет. Это в 15 тысяч раз старше динозавров!

Сама Земля ненамного старше этих бактерий – наша планета окончательно сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад. То есть первая жизнь на Земле зародилась довольно “быстро”, уже через каких-то 800 миллионов лет на планете существовали бактерии – живые организмы, которые, согласно ученым, сумели с течением времени усложниться и положить начало сперва простым организмам в океане, а в конце-концов, и самому человеческому роду.

Недавнее сообщение из Канады дает подтверждение этим данным: возраст самых старейших бактерий оценивается от 3,770 до 4,300 миллиардов лет. То есть жизнь на нашей планете, вполне возможно, зародилась “каких-то” 200 миллионов лет после ее образования. Найденные микроорганизмы жили на железе. Останки их были найдены в кварцевых породах.

Если допустить, что жизнь зародилась на Земле – что звучит разумно, учитывая, что на других космических телах мы ее еще пока не нашли, ни на других планетах, ни на осколках занесенных из космоса метеоритов, – то произойти это должно было в том временном промежутке, который охватывает миллиард лет между моментом, когда планета окончательно сформировалась, и датой появления найденных в наше время окаменелостей.

Итак, сузив интересующий нас период времени, опираясь на последние исследования, можно предположить, какой именно была первая жизнь на Земле.

Скелет динозавра.

Ученые воссоздали облик доисторических гигантов по скелетам, найденным при раскопках.

Каждый живой организм состоит из клеток (и вы тоже)

Еще в 19-м веке биологи установили, что все живые организмы состоят из «клеток» – крошечных сгустков органической материи различных форм и размеров.

Впервые клетки были обнаружены еще в 17-м веке – одновременно с изобретением относительно мощных микроскопов, но лишь спустя полтора века ученые пришли к единому выводу: клетки – это основа всей жизни на планете.

Разумеется, внешне человек не похож ни на рыб, ни на динозавров, но достаточно лишь взглянуть в микроскоп, чтобы убедиться, что люди состоят практически из тех же клеток, что и представители животного мира. Более того, те же клетки лежат в основе растений и грибов.

Клетки человека.

Все организмы состоят из клеток, включая вас.

Самая многочисленная форма жизни – одноклеточные бактерии

На сегодняшний день самыми многочисленными формами жизни можно смело назвать микроорганизмы, каждый из которых состоит лишь из одной единственной клетки.

Самый известный вид подобной жизни – это бактерии, обитающие в любой точке земного шара.

В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: своего рода генеалогического древа для каждого вида живых организмов. Абсолютное большинство «ветвей» этого дерева занимают бактерии. Более того, форма дерева позволяет предположить, что предком всей жизни на Земле была бактерия. Иными словами, все многообразие живых организмов (в том числе и вы) произошло от одной-единственной бактерии.

Таким образом, мы можем точнее подойти к вопросу зарождения жизни. Чтобы воссоздать ту самую первоклетку, нужно максимально точно воссоздать условия, царившие на планете более 3,5 миллиардов лет назад.

Так насколько же это трудно?

Бактериальная клетка.

Одноклеточные бактерии — самая распространенная форма жизни на Земле.

Начало экспериментов

На протяжении многих веков вопрос «с чего началась жизнь?» практически не задавался всерьез. Ведь, как мы уже вспомнили в самом начале, ответ был известен: жизнь создана Создателем.

Вплоть до 19-го века большинство людей верили в «витализм». Это учение основано на идее о том, что все живые существа наделены особой, сверхъестественной силой, отличающей их от неодушевленных предметов.

Идеи витализма часто перекликались с религиозными постулатами. В Библии говорится, что Бог с помощью «дыхания жизни» оживил первых людей, и что бессмертная душа – это одно из проявлений витализма.

Но есть одна проблема. Идеи витализма в корне неверны.

К началу 19-го века ученые обнаружили несколько веществ, которые имелись в наличии исключительно у живых существ. Одним из таких веществ была мочевина, содержащаяся в урине, и получить ее удалось в 1799 году.

Данное открытие, тем не менее, не противоречило концепции витализма. Мочевина появлялась лишь в живых организмах, так что, возможно, они были наделены особой жизненной энергией, которая и делала их уникальными.

Смерть витализма

Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер сумел синтезировать мочевину из неорганического соединения – цианата аммония, который никак не был связан с живыми существами. Его эксперимент смогли повторить другие ученые, и вскоре стало ясно, что все органические соединения можно получить из более простых – неорганических.

Это положило конец витализму как научной концепции.

Но избавиться от своих убеждений людям было довольно тяжело. Факт того, что в органических соединениях, свойственных только живым существам, на самом деле нет ничего особенного, для многих словно лишил жизнь элемента волшебства, превратив людей из божественных созданий чуть ли не в машины. Разумеется, это сильно противоречило Библии.

Даже некоторые ученые продолжали бороться за витализм. В 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо продвигал свою теорию «биотической энергии», которая, по сути, была тем же витализмом, но в другой обложке. Идея витализма нашла довольно прочные корни в человеческой душе на эмоциональном уровне.

Сегодня же ее отражения можно найти в самых неожиданных местах. Взять, к примеру, ряд научно-фантастических историй, в которых «жизненную энергию» персонажа можно пополнить или выкачать. Вспомните «энергию регенерации», которой пользовалась раса Повелителей Времени из сериала «Доктор Кто». Данную энергию можно было пополнять, если она подходила к концу. Хотя идея и выглядит футуристически, но на деле это отражение старомодных теорий.

Таким образом, после 1828 года у ученых, наконец, появились веские причины искать новое объяснение зарождению жизни, на этот раз отбросив домыслы о божественном вмешательстве.

Но искать они не начали. Казалось бы, тема исследований напросилась сама собой, но на деле к загадке происхождения жизни не подступались еще несколько десятилетий. Возможно, все по-прежнему были слишком привязаны к витализму, чтобы двигаться дальше.

Фридрих Вёлер

Химик Фридрих Вёлер сумел синтезировать мочевину — органическое соединение — из неорганических веществ.

Дарвин и теория эволюции

Главным прорывом в области биологических исследований 19-го века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и продолженная другими учеными.

Теория Дарвина, изложенная в работе «Происхождение видов» 1859 года, объясняла, каким образом все многообразие животного мира появилось от одного единого предка.

Дарвин утверждал, что Бог не создавал каждый вид живых существ по отдельности, а все эти виды происходят от первобытного организма, появившегося миллионы лет назад, который также называют последним универсальным общим предком.

Идея оказалась крайне противоречивой, опять же потому, что опровергала библейские постулаты. Теория Дарвина подверглась яростной критике, в частности, от оскорбленных христиан.

Но в теории эволюции не говорилось ни слова о том, как появился самый первый организм.

Как же появилась первая жизнь?

Дарвин понимал, что это основательный вопрос, но (возможно, не желая вступать в очередной конфликт с духовенством) затронул он его лишь в письме 1871 года. Эмоциональный тон письма показывал, что ученый осознавал все глубокое значение данного вопроса:

«…Но если бы сейчас [ах, какое большое если!] в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям…»

Иными словами: представьте себе небольшой водоем, наполненный простыми органическими соединениями и находящийся под солнцем. Некоторые из соединений вполне могут начать взаимодействовать, создавая более сложные вещества, вроде белка, которые, в свою очередь, также будут взаимодействовать и развиваться.

Идея была довольно поверхностной. Но, тем не менее, она легла в основу первых гипотез о происхождении жизни.

Чарльз Дарвин, теория эволюции.

Дарвин не только создал теорию эволюции, но и предположил, что жизнь зародилась в теплой воде, насыщенной необходимыми неорганическими соединениями.

Революционные идеи Александра Опарина

И первые шаги в этом направлении были сделаны совсем не там, где вы могли бы ожидать. Вы, возможно, думаете, что такие исследования, подразумевающие свободу мысли, должны были проводиться в Великобритании или США, к примеру. Но на самом деле первые гипотезы о происхождении жизни были выдвинуты на родных просторах сталинского СССР, ученым, имя которого вы, вероятно, никогда не слышали.

Известно, что Сталин закрывал многие исследования в сфере генетики. Вместо этого он пропагандировал идеи агронома Трофима Лысенко, которые, как ему казалось, больше подходили для коммунистической идеологии. Ученые, проводившие исследования в сфере генетики, обязаны были публично поддерживать идеи Лысенко, в противном случае рискуя оказаться в лагерях.

Именно в такой напряженной обстановке приходилось проводить свои опыты биохимику Александру Ивановичу Опарину. Это было возможным потому, что он зарекомендовал себя надежным коммунистом: поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина – самую почетную награду из всех существовавших в то время.

В 1924 году Опарин опубликовал книгу «О возникновении жизни». В ней он изложил свой взгляд на происхождение жизни, который был удивительно похож на схематичный пример «теплого водоема» Дарвина.

Александр Опарин.

Советский биохимик Александр Опарин предположил, что первые живые организмы сформировались как коацерваты.

Новая теория возникновения первой жизни на земле

Опарин описывал, что собой представляла Земля в первые дни после своего формирования. Планета имела обжигающе горячую поверхность и притягивала небольшие метеориты. Кругом были лишь наполовину расплавленные камни, в которых содержался огромный спектр химических веществ, многие из них основывались на углероде.

В конце концов Земля достаточно остыла, и испарения впервые превратились в жидкую воду, создав таким образом первый дождь. Через некоторое время на планете появились горячие океаны, которые были богаты химическими веществами, основанными на углероде. Далее события могли развиваться по двум сценариям.

Первый подразумевал взаимодействие веществ, при котором появлялись бы более сложные соединения. Опарин предположил, что важные для живых организмов сахар и аминокислоты могли сформироваться в водяном бассейне планеты.

При втором сценарии некоторые вещества при взаимодействии начинали формировать микроскопические структуры. Как известно, многие органические соединения не растворяются в воде: к примеру, масло формирует слой на поверхности воды. Но некоторые вещества при контакте с водой образуют сферические глобулы, или «коацерваты», диаметром до 0,01 см (или 0,004 дюйма).

Наблюдая за коацерватами под микроскопом, можно заметить их сходство с живыми клетками. Они растут, меняют форму и иногда делятся на две части. Они также взаимодействуют с окружающими соединениями, так что внутри них могут концентрироваться другие вещества. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.

Теория первой жизни Джона Холдейна

Спустя пять лет, в 1929 году английский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн независимо выдвинул свою теорию со схожими идеями, которая была опубликована в журнале «Rationalist Annual».

Холдейн к тому моменту уже внес огромный вклад в развитие теории эволюции, способствуя интеграции идей Дарвина в науку о генетике.

И человеком он был весьма запоминающимся. Однажды в ходе эксперимента в декомпрессионной камере он пережил разрыв барабанной перепонки, о чем позже написал следующее: “Перепонка уже заживает, и даже если в ней останется отверстие, то, несмотря на глухоту, оттуда можно будет задумчиво выпускать колечки табачного дыма, что я считаю важным достижением”.

Как и Опарин, Холдейн предположил, каким именно образом в воде могли взаимодействовать органические соединения: «(ранее) первые океаны достигли консистенции горячего бульона». Это создало условия для появления «первых живых или наполовину живых организмов». В этих же условиях простейшие организмы могли оказаться внутри «масляной пленки».

Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн.

Джон Холдейн, независимо от Опарина, выдвинул схожие идеи о зарождении первых организмов.

Гипотеза Опарина-Холдейна

Таким образом, первыми биологами, выдвинувшими данную теорию, стали Опарин и Холдейн. Но мысль о том, что в формировании живых организмов не участвовал Бог или даже некая абстрактная «жизненная сила», была радикальной. Как и теория эволюции Дарвина, эта мысль была пощечиной для христианства.

Власть СССР этот факт полностью устраивал. При советском режиме в стране царил атеизм, а власть с радостью поддерживала материалистические объяснения таких сложных явлений, как жизнь. Кстати, Холдейн тоже был атеистом и коммунистом.

«В те времена на эту идею смотрели исключительно через призму собственных убеждений: религиозные люди воспринимали ее в штыки в отличие от сторонников коммунистических идей», рассказывает Армен Мулкиджанян, эксперт по вопросам происхождения жизни в Оснабрюкском университете Германии. «В Советском Союзе эту идею приняли с радостью, поскольку им не нужен был Бог. А на Западе ее разделяли все те же сторонники левых взглядов, коммунисты и т.д.»

Концепцию того, что жизнь сформировалась в «первичном бульоне» из органических соединений, называют гипотезой Опарина-Холдейна. Она выглядела достаточно убедительно, но была одна проблема. На тот момент не было проведено ни одного практического эксперимента, который доказал бы правдивость этой гипотезы.

Начались такие опыты только спустя почти четверть века.

Первые экперименты по созданию жизни “в пробирке”

Вопросом происхождения жизни заинтересовался Гарольд Юри, знаменитый ученый, уже получивший к тому времени Нобелевскую премию по химии в 1934 году и даже принявший участие в создании атомной бомбы.

В ходе Второй мировой войны Юри участвовал в Манхэттенском проекте, занимаясь сбором нестабильного урана-235, необходимого для ядра бомбы. После окончания войны Юри выступал за гражданский контроль над ядерными технологиями.

Юри заинтересовался химическими явлениями, происходящими в открытом космосе. А наибольший интерес для него представляли процессы, происходившие в период формирования Солнечной системы. На одной из своих лекций он указал, что в первое время на Земле, скорее всего, не было кислорода. И эти условия были идеальными для формирования «первичного бульона», о котором говорили Опарин и Холдейн, поскольку некоторые из необходимых веществ были настолько слабыми, что растворились бы при контакте с кислородом.

На лекции присутствовал студент докторантуры по имени Стэнли Миллер, который обратился к Юри с предложением провести эксперимент, основанный на этой идее. Поначалу Юри отнесся к идее скептически, но позже Миллер сумел его уговорить.

В 1952 году Миллер провел самый знаменитый эксперимент из всех, что были связаны с объяснением происхождения жизни на Земле.

Стэнли Миллер, эксперимент.

Эксперимент Стэнли Миллера стал самым известным в истории изучения зарождения живых организмов на нашей планете.

Самый знаменитый эксперимент о происхождении жизни на Земле

Подготовка не заняла много времени. Миллер соединил ряд стеклянных колб, по которым циркулировали 4 вещества, предположительно существовавших на ранней Земле: кипящая вода, водород, аммиак и метан. Газы подвергались систематическим искровым разрядам – это была симуляция ударов молний, которые были привычным явлением на ранней Земле.

Миллер обнаружил, что «вода в колбе заметно порозовела после первого дня, а после первой недели раствор помутнел и приобрел темно-красный цвет». Налицо было формирование новых химических соединений.

Когда Миллер проанализировал состав раствора, он обнаружил, что в нем содержатся две аминокислоты: глицин и аланин. Как известно, аминокислоты часто описываются как строительные блоки жизни. Эти аминокислоты используются в формировании белков, которые контролируют большинство биохимических процессов в нашем организме. Миллер буквально создал с нуля два самых важных компонента живого организма.

В 1953 году результаты опыта были опубликованы в престижном журнале «Science». Юри благородным, хотя и не свойственным ученым его возраста, жестом убрал свое имя из заголовка, оставив всю славу Миллеру. Но несмотря на это, исследование обычно называют «Экспериментом Миллера-Юри».

Значимость экперимента Миллера-Юри

«Ценность эксперимента Миллера-Юри заключается в том, что он показывает, что даже в простой атмосфере может быть образовано множество биологических молекул», говорит Джон Сазерленд, ученый из Кембриджской лаборатории молекулярной биологии.

Не все детали эксперимента были точны, как выяснилось позже. На самом деле исследования показали, что в атмосфере ранней Земли находились другие газы. Но это никак не умаляет значимость эксперимента.

«Это был знаковый эксперимент, потрясший воображение многих, и именно поэтому на него ссылаются и по сей день», говорит Сазерленд.

В свете эксперимента Миллера многие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Ответ на вопрос «Как началась жизнь на Земле?», казалось, был совсем рядом.

Но затем оказалось, что жизнь куда сложнее, чем можно себе представить. Живые клетки, как выяснилось, это не просто набор химических соединений, а сложные маленькие механизмы. Внезапно создание живых клеток с нуля превратилось в куда более серьезную проблему, чем того ожидали ученые.

Изучение генов и ДНК

К началу 50-х годов 20-го века ученые уже далеко отошли от мысли, что жизнь была подарком богов.

Вместо этого они начали изучать возможность стихийного и естественного возникновения жизни на ранней Земле – и, благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера, у этой идеи начали появляться доказательства.

Пока Миллер пытался создавать жизнь с нуля, другие ученые разбирались, из чего состоят гены.

К этому моменту уже было изучено большинство биологических молекул. К ним относятся сахар, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, вроде “дезоксирибонуклеиновой кислоты” – она же ДНК.

Сегодня все знают, что в ДНК содержатся наши гены, но для биологов 1950-х годов это было настоящим шоком.

Белки имели более сложную структуру, из-за чего ученые полагали, что генная информация содержится именно в них.

Теория была опровергнута в 1952 году учеными из Института Карнеги – Алфредом Херши и Мартой Чейз. Они изучали простые вирусы, состоящие из белка и ДНК, которые размножались путем заражения других бактерий. Ученые выяснили, что в бактерии проникает вирусная ДНК, а не белок. Из этого был сделан вывод, что ДНК представляет собой генетический материал.

Открытие Херши и Чейз стало началом гонки, целью которой было изучение структуры ДНК и принципов ее работы.

Алфред Херши и Марта Чейз.

Марта Чейз и Алфред Херши открыли, что ДНК несет генетическую информацию.

Спиральная стуктура ДНК — одно из важнейших открытий 20 века

Первыми к решению вопроса пришли Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон из Кембриджского университета, не без неодооцененной помощи своей коллеги, Розалинд Франклин. Произошло это через год после опытов Херши и Чейз.

Их открытие стало одним из важнейших в 20-м веке. Это открытие изменило взгляд на поиски истоков происхождения жизни, раскрывая невероятно сложное устройство живых клеток.

Уотсон и Крик обнаружили, что ДНК представляет собой двойную спираль (двойной винт), которая похожа на изогнутую лестницу. Каждый из двух «полюсов» этой лестницы состоит из молекул, называемых нуклеотидами.

Данная структура дает понять, каким образом клетки копируют свою ДНК. Иными словами, становится понятно, как родители передают копии своих генов детям.

Важно понять, что двойную спираль можно «развязать». Это откроет доступ к генетическому коду, состоящему из последовательности генетических оснований (A, T, C и G), обычно заключенному внутри «ступеней» лестницы ДНК. Каждая нить затем используется как шаблон при создании копии другой.

Этот механизм позволяет генам передаваться по наследству с самого возникновения жизни. Ваши собственные гены в конечном итоге берут свое начало у древней бактерии – и при каждой их передаче использовался тот самый механизм, что обнаружили Крик и Уотсон.

В 1953 году Уотсон и Крик опубликовали свой доклад в журнале «Nature». Последующие несколько лет ученые пытались понять, какая именно информация содержится в ДНК, и каким образом она используется в живых клетках.

Перед общественностью впервые раскрылась одна из самых сокровенных тайн жизни.

Структура ДНК.

Структура ДНК: 2 остова (антипараллельные цепочки) и пары нукледотидов.

Задача ДНК

Как выяснилось, задача у ДНК всего одна. Ваша ДНК сообщает клеткам вашего тела, как нужно создавать белки (протеины) – молекулы, выполняющие множество важных задач.

Без белков вы не смогли бы переваривать пищу, ваше сердце перестало бы биться, а дыхание остановилось бы.

Но воссоздание процесса формирования белков при помощи ДНК на деле оказалось ошеломительно трудной задачей. Каждый, кто пытался объяснить происхождение жизни, просто не мог понять, как нечто настолько сложное вообще могло самостоятельно появиться и развиться.

Каждый белок – это по сути длинная цепь аминокислот, сплетенных в определенном порядке. Этот порядок определяет трехмерную форму белка и, следовательно, его предназначение.

Данная информация кодируется в последовательности оснований ДНК. Так что, когда клетке необходимо создать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы построить потом заданную последовательность аминокислот.

Что такое РНК?

В процессе использования ДНК клетками один нюанс.

  • ДНК – это самый драгоценный ресурс клетки. Поэтому клетки предпочитают не обращаться к ДНК при каждом действии.
  • Вместо этого клетки копируют информацию из ДНК в малые молекулы другого вещества под названием РНК (рибонуклеиновая кислота).
  • РНК похожа на ДНК, однако у нее всего одна цепочка.

Если провести аналогию между ДНК и библиотечной книгой, то РНК здесь будет выглядеть как страничка с кратким содержанием книги.

Процесс преобразования информации через цепь РНК в белок завершается при помощи очень сложной молекулы под названием «рибосома».

Данный процесс происходит в каждой живой клетке, даже в самых простейших бактериях. Для поддержания жизни он важен так же, как пища и дыхание.

Таким образом, любое объяснение появления жизни обязано показать, как появилось и как начало работать сложное трио, куда входят ДНК, РНК и рибосомы.

ДНК, РНК.

Разница между ДНК и РНК.

Все гораздо сложнее

Теории Опарина и Холдейна теперь казались наивными и простыми, а эксперимент Миллера, в ходе которого было создано несколько аминокислот, необходимых для формирования белка, выглядел дилетантским. На длинном пути к созданию жизни его исследование, пусть и продуктивное, явно было лишь первым шагом.

«ДНК заставляет РНК делать белок, и все это в закрытом мешочке химических веществ», — говорит Джон Сазерленд. — «Вы смотрите на это и поражаетесь, насколько это сложно. Что нам сделать, чтобы найти органическое соединение, которое будет делать все это за один раз?»

Возможно, жизнь началась с РНК?

Первым на этот вопрос попытался ответить британский химик по имени Лесли Орджел. Он одним из первых увидел модель ДНК, созданную Криком и Уотсоном, а позже помогал НАСА в рамках программы «Викинг», в ходе которой на Марс были отправлены посадочные модули.

Орджел намеревался упростить задачу. В 1968 году при поддержке Крика он предположил, что в первых живых клетках не было ни белков, ни ДНК. Напротив, они практически целиком состояли из РНК. В этом случае первичные молекулы РНК должны были быть универсальными. К примеру, им необходимо было создавать собственные копии, вероятно, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК.

Мысль о том, что жизнь началась с РНК, оказала невероятное влияние на все дальнейшие исследования. И стала причиной ожесточенных дебатов в научном сообществе, не утихающих и по сей день.

Допуская, что жизнь началась с РНК и еще одного некоего элемента, Орджел предположил, что один из важнейших аспектов жизни – способность самовоспроизведения – появился раньше прочих. Можно сказать, что он размышлял не только о том, как впервые появилась жизнь, а говорил о самой сути жизни.

Многие биологи согласились с идеей Орджела о том, что «воспроизведение было первым». В теории эволюции Дарвина способность к продолжению рода стоит во главе угла: это единственный способ для организма «выиграть» в этой гонке – то есть, оставить после себя многочисленных детей.

Лесли Орджел.

Лесли Орджел выдвинул идею, что первые клетки функционировали на основе РНК.

Разделение на 3 лагеря

Но для жизни характерны и другие особенности, при этом в равной степени важные.

Самая очевидная из них – метаболизм: способность поглощать окружающую энергию и использовать ее для выживания.

Для многих биологов метаболизм является определяющей характеристикой жизни, способность воспроизведения они ставят на второе место.

Итак, начиная с 1960-х годов, ученые, бьющиеся над загадкой происхождения жизни, начали делиться на 2 лагеря.

«Первый утверждал, что метаболизм появился раньше генетики, второй придерживался обратного мнения», объясняет Сазерленд.

Существовала и третья группа, утверждающая, что сначала должен был появиться некий контейнер для ключевых молекул, который не позволял бы им распадаться.

«Компартментализация должна была появиться первой, потому что без нее метаболизм клеток теряет всякий смысл», поясняет Сазерленд.

Иными словами, у истоков жизни должна была стоять клетка, как это уже подчеркнули Опарин и Холдейн за несколько десятков лет до этого, и, возможно, эта клетка должна была быть покрыта простыми жирами и липидами.

Каждая из трех идей обзавелась своими сторонниками и дожила до наших дней. Ученые порой забывали о хладнокровном профессионализме и слепо поддерживали одну из трех идей.

В результате, научные конференции по данному вопросу зачастую сопровождались скандалами, а журналисты, освещающие эти события, часто слышали нелицеприятные отзывы ученых одного лагеря о работе своих коллег из двух других.

Благодаря Орджелу, мысль о том, что жизнь началась с РНК, приблизила общественность еще на шаг вперед к разгадке.

А в 1980-х годах произошло потрясающее открытие, которое фактически подтвердило гипотезу Орджела.

Что было первым: контейнер, метаболизм или генетика?

Итак, в конце 1960-х годов в поисках ответа на загадку происхождения жизни на планете ученые разделились на 3 лагеря.

  1. Первые были уверены, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток.
  2. Вторые полагали, что первым и ключевым шагом была система метаболизма.
  3. Третьи же сфокусировались на важности генетики и воспроизведения (репликации).

Этот третий лагерь пытался понять, как мог выглядеть самый первый репликатор, держа в уме идею, что репликатор должен состоять из РНК.

Многоликая РНК

К 1960-м годам у ученых накопилось немало причин полагать, что РНК была источником всей жизни.

К этим причинам относился тот факт, что РНК могла делать то, чего не могла ДНК.

Будучи одноцепочной молекулой, РНК могла сгибаться, придавая себе различные формы, что было недоступно для жесткой ДНК с двумя цепями.

Складывающаяся словно оригами РНК сильно напоминала своим поведением белки. Ведь белки – это по сути такие же длинные цепочки, но состоящие из аминокислот, а не нуклеотидов, что позволяет им создавать более сложные структуры.

Это и есть ключ к самой поразительной способности белков. Некоторые белки могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Эти белки называют ферментами.

Например, в человеческих кишках содержится немало ферментов, разбивающих сложные молекулы еды на простые (вроде сахара) – то есть такие, которые в дальнейшем используются нашими клетками. Жить без ферментов было бы попросту невозможно. Например, недавняя смерть сводного брата корейского лидера в аэропорту Малайзии была вывана тем, что в его организме прекратил функционировать фермент (энзим), действие которого подавляет нервный реагент VX — в результате, парализуется работа системы дыхания и человек умирает в течение нескольких минут. Настолько важны для работы нашего организма ферменты.

Лесли Орджел и Фрэнсис Крик выдвинули очередную гипотезу. Если РНК могла складываться, как это делали белки, то могла ли она формировать еще и ферменты?

Если бы это оказалось так, то РНК могла бы быть оригинальной – и крайне универсальной – живой молекулой, хранящей информацию (как это делает ДНК) и катализирующей реакции, что свойственно некоторым белкам.

Идея была интересной, но за следующие 10 лет доказательств в ее поддержку так и не было найдено.

Ферменты РНК

Томас Чек родился и вырос в Айове. Еще в детстве его страстью были камни и минералы. И уже в старших классах школы он был постоянным гостем у геологов местного университета, которые показывали ему модели минеральных структур. В конце концов он стал биохимиком, сосредоточившись на изучении РНК.

В начале 1980-х годов Чек и его коллеги из Колорадского университета в Боулдере изучали одноклеточный организм под названием «Tetrahymena thermophile». Часть этого клеточного организма включала в себя цепи РНК. Чек заметил, что один из сегментов РНК иногда отделяется от прочих, словно его отделили ножницами.

Когда его команда исключила все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать в роли молекулярных ножниц, РНК по-прежнему продолжала изолировать этот сегмент. Тогда же был обнаружен первый фермент РНК: маленький сегмент РНК, способный самостоятельно отделяться от крупной цепи, к которой он был присоединен.

Чек опубликовал результаты в 1982 году. Год спустя другие исследователи обнаружили второй фермент РНК, он же «рибозим».

Поскольку два фермента РНК нашли относительно быстро, ученые предположили, что их на самом деле может быть намного больше. Теперь все больше фактов говорило в пользу того, что жизнь началась с РНК.

Томас Чек.

Томас Чек нашел первый фермент РНК.

Мир РНК

Первым, кто дал имя данной концепции стал Уолтер Гилберт.

Будучи физиком, который неожиданно заинтересовался молекулярной биологией, Гилберт одним из первых выступил в защиту теории о секвенировании генома человека.

В 1986 году в своей статье в журнале «Nature» Гилберт предположил, что жизнь началась в так называемом «Мире РНК».

Первый этап эволюции, по словам Гилберта, состоял из «процесса, в ходе которого молекулы РНК выполняли роль катализаторов, собирая себя в бульоне из нуклеотидов».

Копируя и вставляя различные фрагменты РНК в общую цепь, молекулы РНК создавали более полезные цепочки на основе имеющихся. В итоге настал момент, когда они научились создавать белки и белковые ферменты, которые оказались намного полезнее РНК-версий, по большей части вытеснив их и дав начало той жизни, которую мы наблюдаем сегодня.

«Мир РНК» – это довольной изящный способ создания сложных живых организмов с нуля.

В этой концепции не нужно полагаться на одновременное формирование десятков биологических молекул в «первичном бульоне», достаточно будет одной-единственной молекулы, с которой все и началось.

Доказательства

В 2000 году гипотеза о «Мире РНК» обрела солидные доказательства.

Томас Стейц провел 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 90-е годы он приступил к главному исследованию своей жизни: изучению структуры рибосомы.

В каждой живой клетке присутствует рибосома. Эта крупная молекула считывает инструкции из РНК и соединяет аминокислоты для создания белков. Рибосомы в клетках человека выстраивают практически каждый кусочек тела.

К тому моменту уже было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца представила детализированную модель структуры рибосомы, в которой РНК предстала в роли каталитического ядра рибосомы.

Это открытие было серьезным, особенно учитывая, насколько древней и фундаментально важной для жизни считалась рибосома. Факт того, что настолько важный механизм был основан на РНК, сделал теорию «Мира РНК» намного правдоподобней в научных кругах. Больше всего открытию радовались сторонники концепции «Мира РНК», а Стейц в 2009 году получил Нобелевскую премию.

Но после этого у ученых начали появляться сомнения.

Строение рибосомы.

Проблемы теории “Мира РНК”

В теории «Мира РНК» изначально было две проблемы.

Во-первых, могла ли РНК на самом деле выполнять все жизненно важные функции? И могла ли она сформироваться в условиях ранней Земли?

Прошло уже 30 лет с момента создания Гилбертом теории «Мира РНК», а у нас по-прежнему нет исчерпывающих доказательств того, что РНК действительно способна на все, что описано в теории. Да, это удивительно функциональная молекула, но достаточно ли одной РНК для всех приписываемых ей функций?

В глаза бросалась одна несостыковка. Если жизнь началась с молекулы РНК, то, значит, РНК умеет создавать свои копии, или реплики.

Но этой способности нет ни у одной из всех известных РНК. Для создания точной копии фрагмента РНК или ДНК необходимо множество ферментов и других молекул.

Поэтому в конце 80-х годов группа биологов начала довольно отчаянные исследования. Они намеревались создать РНК, способную к саморепликации.

Попытки создать самовоспроизводящуюся РНК

Джек Шостак из Гарвардской медицинской школы был первым из этих исследователей. С раннего детства он был настолько увлечен химией, что даже превратил свой подвал в лабораторию. К своей безопасности он относился с пренебрежением, что однажды привело к взрыву, который пригвоздил стеклянную колбу к потолку.

В начале 80-х Шостак наглядно продемонстрировал, как человеческие гены защищают себя от процесса старения. Это раннее исследование позднее приведет его в число лауреатов Нобелевской премии.

Но вскоре он проникся исследованиями Чека, связанными с ферментами РНК. «Я считаю, что это невероятная работа», – говорит Шостак. – «В принципе, весьма вероятно, что РНК может служить катализатором для создания собственных копий».

В 1988 году Чек обнаружил фермент РНК, способный формировать малую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов.

Шостак же решил пойти дальше и создать новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и протестировала каждую, чтобы найти хотя бы одну, которая обладала бы способностями катализатора. Далее последовательности менялись, и тест продолжался.

После 10 попыток Шостак сумел создать фермент РНК, который в роли катализатора ускорял реакцию в 7 миллионов раз быстрее, чем это происходит в естественной среде.

Команда Шостака доказала, что ферменты РНК могут быть крайне мощными. Но их фермент не мог создавать свои реплики. Это был тупик для Шостака.

Фермент R18

В 2001 году следующий прорыв совершил бывший ученик Шостака – Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже.

Бартель создал фермент РНК под названием R18, который мог добавлять новые нуклеотиды в цепочку РНК на основе уже существующих.

Другими словами, фермент не просто добавлял случайные нуклеотиды, а точно копировал последовательность.

До самовоспроизводящихся молекул было еще далеко, но направление было верным.

Фермент R18 состоял из цепочки, куда входило 189 нуклеотидов, и мог добавлять в нее еще 11 – то есть, 6% от своей длины. Исследователи надеялись, что еще через несколько опытов эти 6% удастся превратить в 100%.

Самым удачливым на этом поле оказался Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. В 2011 году его команда модифицировала фермент R18, создав фермент tC19Z, который мог копировать последовательность до 95 нуклеотидов. Это составляло 48% его длины – больше, чем у R18, но явно не необходимые 100%.

Джеральд Джойс и Трэйси Линкольн из Исследовательского института Скриппса в Ла-Холья представили альтернативный подход к вопросу. В 2009 году они создали фермент РНК, который создает свою реплику косвенно.

Их фермент объединяет два коротких фрагмента РНК и создает другой фермент. Тот, в свою очередь, объединяет два других фрагмента РНК, чтобы воссоздать оригинальный фермент.

При наличии исходных материалов этот простой цикл может продолжаться бесконечно. Но ферменты работают должным образом, только если есть нужные цепи РНК, созданные Джойсом и Линкольн.

Для многих ученых, относящихся скептически к идее «Мира РНК», отсутствие самостоятельной репликации РНК – это главная причина скепсиса. РНК попросту не справляется с ролью создателя всей жизни.

Не добавляют оптимизма и неудачи химиков в создании РНК с нуля. И хотя РНК – это намного более простая молекула, чем ДНК, ее создание оказалось невероятной проблемой.

Клетки, размножение делением.

Первые клетки, скорее всего, размножались делением.

Проблема в сахаре

Все дело в сахаре, присутствующем в каждом нуклеотиде, и основе нуклеотида. Их реально создать по отдельности, но связать их воедино не представляется возможным.

К началу 90-х эта проблема уже была очевидной. Многих биологов она убедила в том, что гипотеза «Мира РНК», какой бы привлекательной она ни казалась, все-таки остается лишь гипотезой.

  • Возможно, на ранней Земле изначально существовала другая молекула: проще, чем РНК, и сумевшая собраться из «первичного бульона», а позже начать самовоспроизведение.
  • Возможно, первой была именно эта молекула, а уже после нее появились РНК, ДНК и прочие.

Полиамидная нуклеиновая кислота (ПНК)

В 1991 году Петер Нильсен из Копенгагенского университета в Дании, казалось, нашел подходящего кандидата на роль первичного репликатора.

На самом деле это была значительно усовершенствованная версия ДНК. Нильсен оставил основу неизменной – стандартные A, T, C и G – но вместо молекул сахара использовал молекулы под названием полиамиды.

Получившуюся молекулу он назвал полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Однако, со временем расшифровка аббревиатуры отчего-то превратилась в «пептидная нуклеиновая кислота».

В природе ПНК не встречается. Но ее поведение сильно напоминает поведение ДНК. Цепь ПНК даже может заменить цепь в молекуле ДНК, и основания спарятся как обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спираль, как ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. С глубоким скепсисом относясь к концепции «Мира РНК», он полагал, что ПНК лучше подходит на роль первого генетического материала.

В 2000 году он подкрепил свое мнение доказательствами. К тому моменту ему уже было 70 лет и он пережил несколько инсультов, после которых мог бы оказаться и в доме престарелых, однако сдаваться он не собирался.

Миллер повторил свой классический эксперимент, описанный ранее, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду, и получил в итоге полиамидную основу ПНК.

Из этого следовало, что на ранней Земле вполне могли быть условия для появления ПНК, в отличие от РНК.

ПНК.

Поведение ПНК напоминает ДНК.

Треозо-нуклеиновая кислота (ТНК)

Тем временем другие химики создали собственные нуклеиновые кислоты.

В 2000 году Альберт Эшенмозер создал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК).

По сути это была та же ДНК, но с другим видом сахара в основании. Цепи ТНК могли образовывать двойную спираль, а информация могла передаваться из РНК в ТНК и обратно.

Более того, ТНК могла образовывать и сложные формы, в том числе и форму белка. Это намекало на то, что ТНК могла выполнять роль фермента, как и РНК.

Гликоль-нуклеиновая кислота (ГНК)

В 2005 году Эрик Меггерс создал гликоль-нуклеиновую кислоту, также способную образовывать спираль.

У каждой из этих нуклеиновых кислот находились свои сторонники: обычно сами создатели кислот.

Но в природе от подобных нуклеиновых кислот не осталось ни следа, так что даже если допустить, что их использовала первая жизнь, то на каком-то этапе она должна была отказаться от них в пользу РНК и ДНК.

Звучит правдоподобно, но не подкрепляется доказательствами.

Хороша была концепция, но…

Таким образом, к середине первого десятилетия 21-го века, сторонники концепции «Мира РНК» оказались в затруднительном положении.

С одной стороны, ферменты РНК существовали в природе и включали в себя один из важнейших фрагментов биологических механизмов – рибосому. Это неплохо.

Но, с другой стороны, в природе не было найдено самовоспроизводящейся РНК, и никто так и смог объяснить, как именно сформировалась РНК в «первичном бульоне». Последнее могло объясняться альтернативными нуклеиновыми кислотами, но и их в природе уже (или никогда) не существовало. Это плохо.

Вердикт ко всей концепции «Мира РНК» был очевиден: концепция хороша, но не исчерпывающа.

А тем временем, еще с середины 80-х годов, медленно развивалась другая теория. Ее сторонники уверяли, что жизнь началась не с РНК, ДНК или любой другой генетической субстанции. По их мнению, жизнь зародилась как механизм использования энергии.

Сначала энергия?

Итак, с годами ученые, занимающиеся вопросами происхождения жизни, разделились на 3 лагеря.

Представители первого были убеждены, что жизнь началась с молекулы РНК, но им не удалось выяснить, как молекулам РНК или схожим с РНК удалось спонтанно появиться на ранней Земле и начать самовоспроизведение. Успехи ученых поначалу восхищали, но в итоге исследователи пришли в тупик. Однако, даже когда эти исследования были в самом разгаре, уже нашлись те, кто был уверен, что жизнь зародилась совсем иначе.

Теория «Мира РНК» опирается на простую идею: самая важная функция организма – это способность к продолжению рода. С этим согласны большинство биологов. Все живые существа – от бактерий до синих китов – стремятся оставить потомство.

Тем не менее, многие исследователи данного вопроса не согласны, что репродуктивная функция стоит на первом месте. Они говорят, что до начала размножения организм должен стать самодостаточным. Он должен быть способен поддерживать жизнь в себе. В конце концов, ведь не получится завести детей, если до этого умереть.

Мы поддерживаем жизнь при помощи пищи, в то время как растения поглощают энергию из солнечного света.

Да, парень, с удовольствием уплетающий сочную отбивную, явно не похож на вековой дуб, но ведь по сути они оба поглощают энергию.

Поглощение энергии.

Поглощение энергии является основой жизни.

Метаболизм

Говоря об энергии живых существ, мы имеем дело с метаболизмом.

  1. Первый этап – это получение энергии, допустим, из веществ, богатых энергией (например, сахар).
  2. Второй – использование энергии для постройки полезных клеток в организме.

Процесс использования энергии чрезвычайно важен, и многие исследователи уверены, что именно он стал тем, с чего началась жизнь.

Но как могли выглядеть организмы с одной лишь функцией метаболизма?

Первое и самое влиятельное предположение было выдвинуто Гюнтером Вахтершаузером в конце 80-х годов 20-го века. По профессии он был патентным юристом, но имел приличные познания в области химии.

Вахтершаузер предположил, что первые организмы «разительно отличались от всего, что мы знаем». Они не состояли из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК.

Для наглядности Вахтершаузер описал поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Вода была насыщена вулканическими газами типа аммиака и содержала частички минералов из центра вулкана.

В местах, где поток протекал по скалам, начинались химические реакции. Металлы, содержащиеся в воде, способствовали созданию крупных органических соединений из более простых.

Метаболический цикл

Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла.

В ходе этого процесса одно химическое вещество превращается в несколько других, и так далее, пока в итоге все не приходит к воссозданию первого вещества.

Во время процесса вся система, участвующая в метаболизме, накапливает энергию, которую можно использовать для перезапуска цикла или же для запуска какого-то нового процесса.

Метаболические циклы, несмотря на «механичность», фундаментально важны для жизни.

Все остальное, чем наделены современные организмы (ДНК, клетки, мозг), появилось уже позже, причем на основе этих химических циклов.

Метаболические циклы не очень похожи на жизнь. Поэтому Вахтершаузер называл свои изобретения «прекурсорными организмами» и писал, что их «едва ли можно называть живыми».

Но описанные Вахтершаузером метаболические циклы всегда стоят в центре любого живого организма.

Ваши клетки – это на самом деле микроскопические заводы, беспрестанно расщепляющие одни вещества, превращая их в другие.

Метаболические циклы, несмотря на «механичность», фундаментально важны для жизни.

Две последние декады 20-го века Вахтершаузер посвятил своей теории, прорабатывая ее в деталях. Он описал, какие минералы подошли бы лучше прочих и какие химические циклы могли иметь место. Его рассуждения начали набирать сторонников.

Экспериментальное подтверждение

Но дальше теорий дело не заходило. Вахтершаузеру нужно было практическое открытие, которое доказало бы его теории. К счастью, оно уже было сделано за десять лет до этого.

В 1977 команда Джека Корлисса из Университета штата Орегон совершила погружение в воды восточного Тихого Океана на глубину 2,5 километра (1,5 мили). Ученые изучали Галапагосский горячий источник в месте, где со дна поднимались хребты горных пород. Хребты, как было известно, были изначально вулканически активными.

Корлисс обнаружил, что хребты были практически усеяны горячими источниками. Горячая и насыщенная химическими веществами вода поднималась из-под морского дна и вытекала через отверстия в скалах.

Поразительно, но эти «гидротермальные жерла» были густо населены странными созданиями. Это были огромные моллюски нескольких видов, мидии и кольчатые черви.

Вода также была полна бактерий. Все эти организмы жили за счет энергии из гидротермальных жерл.

Открытие гидротермальных жерл создало Корлиссу отличную репутацию. Оно также заставило его задуматься.

Гидротермальные жерла.

Гидротермальные жерла в океане обеспечивают жизнь организмов сегодня. Возможно, они и стали ее первоисточником?

Гидротермальные жерла

В 1981 году Джек Корлисс предположил, что подобные жерла существовали на Земле 4 миллиарда лет назад и именно вокруг них зародилась жизнь. Всю свою дальшейшую карьеру он посвятил разработке данной идеи.

Корлисс предположил, что гидротермальные жерла могли создавать смесь химических веществ. Каждое жерло, утверждал он, было чем-то вроде распылителя «первичного бульона».

  • Пока горячая вода текла сквозь скалы, тепло и давление заставляло простейшие органические соединения превращаться в более сложные, вроде аминокислот, нуклеотидов и сахара.
  • Ближе к выходу в океан, где вода была уже не такой горячей, они начинали образовывать цепи, формируя углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК.
  • Затем, уже в самом океане, где вода значительно охлаждалась, эти молекулы собирались в простые клетки.

Теория звучала разумно и привлекла внимание.

Но Стэнли Миллер, чей эксперимент обсуждался ранее, не разделял энтузиазма. В 1988 году он писал, что жерла были чересчур горячими для образования в них жизни.

Теория Корлисса заключалась в том, что экстремальная температура могла запустить формирование веществ вроде аминокислот, но эксперименты Миллера показывали, что она также могла и уничтожить их.

Ключевые соединения типа сахара могли продержаться от силы несколько секунд.

Более того, эти простые молекулы вряд ли сумели бы образовать цепи, поскольку окружающая вода практически моментально разорвала бы их.

Тепло, еще теплее…

В этот момент в дискуссию вступил геолог Майк Расселл. Он полагал, что теория о жерлах идеально вписывается в предположения Вахтершаузера о прекурсорных организмах. Эти мысли привели его к созданию одной из самых популярных теорий о происхождении жизни.

Молодость Расселла прошла за созданием аспирина и изучением ценных минералов. А в ходе возможного извержения вулкана в 60-х он успешно координировал план реагирования, не имея за спиной опыта. Но ему было интересно изучать, как менялась поверхность Земли на протяжении различных эпох. Возможность взглянуть на историю с перспективы геолога и сформировала его теорию о происхождении жизни.

В 80-х он нашел окаменелости, свидетельствующие о том, что в древности существовали гидротермальные жерла, где температура не превышала 150 градусов по Цельсию. Эти умеренные температуры, как он утверждал, могли позволить молекулам продержаться намного дольше, чем считал Миллер.

Более того, в окаменелостях этих менее горячих жерл нашлось нечто любопытное. Минерал под названием пирит, состоящий из железа и серы, в виде трубочек длиной в 1 миллиметр.

В своей лаборатории Расселл обнаружил, что пирит может формировать еще и сферические капли. Он предположил, что первые сложные органические молекулы сформировались именно внутри структур из пирита.

Приблизительно в то же время Вахтершаузер начал публиковать свои теории, базирующиеся на том, что поток воды, богатой на химикаты, вступал во взаимодействие с неким минералом. Он даже предположил, что этим минералом мог быть пирит.

2+2=?

Расселлу оставалось только сложить 2 и 2.

Он допустил, что внутри теплых гидротермальных жерл в глубоком море, где могли образоваться пиритовые структуры, сформировались прекурсорные организмы Вахтершаузера. Если Расселл не заблуждался, то жизнь зародилась на глубине моря, а первым появился метаболизм.

Все это было изложено в статье Расселла, опубликованной в 1993 году, спустя 40 лет после классического эксперимента Миллера.

Резонанс в прессе возник куда меньший, но важность открытия это не умаляет. Расселл объединил две разные идеи (метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные жерла Корлисса) в одну довольно убедительную концепцию.

Концепция стала еще более впечатляющей, когда Расселл поделился своими идеями, каким образом первые организмы поглощали энергию. Другими словами, он объяснил, как мог работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки.

“Нелепые” эксперименты Митчелла

В 60-х годах биохимик Питер Митчелл по причине болезни был вынужден покинуть Эдинбургский университет.

Он переоборудовал особняк в Корнуолле в личную лабораторию. Будучи отрезанным от научного сообщества, он финансировал свою работу, продавая молоко своих домашних коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Орджел, чьи исследования РНК обсуждались ранее, считали работу Митчелла в крайней степени нелепой.

Почти два десятка лет спустя Митчелл восторжествовал, получив Нобелевскую премию по химии в 1978 году. Знаменитым он так и не стал, однако его идеи прослеживаются в любом учебнике по биологии.

Митчелл посвятил свою жизнь изучению того, на что организмы тратят получаемую из пищи энергию. Другими словами, ему было интересно, как мы остаемся в живых от секунды к секунде.

Британский биохимик Питер Митчелл.

Британский биохимик Питер Митчелл получил Нобелевскую премию по химии за свою работу по открытию механизма синтеза АТФ.

Как организм хранит энергию

Митчелл знал, что все клетки хранят энергию в конкретной молекуле – аденозинтрифосфат (АТФ). Важно то, что к аденозину прикреплена цепочка из трех фосфатов. На присоединение третьего фосфата уходит много энергии, которая позже заключается в АТФ.

Когда клетке нужна энергия (допустим, при сокращении мышцы), она отсекает третий фосфат от АТФ. Это превращает АТФ в аденозидифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию.

Митчелл хотел понять, как клеткам изначально удалось создать АТФ. Как они сконцентрировали достаточно энергии в АДФ для того, чтобы присоединился третий фосфат?

Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится на мембране. Он сделал вывод, что клетка закачивает заряженные частицы, называемые протонами, через мембрану, и поэтому по одну сторону можно увидеть множество протонов, в то время как с другой стороны их почти нет.

Затем протоны пытаются вернуться в мембрану, чтобы сохранить баланс с каждой стороны, но попасть они могут только в фермент. Поток снующих протонов и дает ферменту необходимую энергию для создания АТФ.

Митчелл впервые высказал эту идею в 1961 году. Следующие 15 лет он защищал свою теорию от нападок, несмотря на неопровержимые доказательства.

Сегодня известно, что процесс, описанный Митчеллом, свойствен каждому живому существу на планете. Он происходит в ваших клетках прямо сейчас. Как и ДНК, это фундаментальная часть той жизни, что мы знаем.

аденозинтрифосфат (АТФ)

Для жизни было нужно естественное разделение протонов

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.

Дебора Келли.

Доктор Дебора Келли.

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.

  1. Сторонники «Мира РНК» утверждали, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы.
  2. 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.

Коацерваты были первыми протоклетками.

Коацерваты могли быть 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.

Везикулы.

Формирование везикул при участии глины происходило в сотни раз быстрее.

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.

Кембридж, лаборатория молекулярной биологии.

Скромное 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.

геотермальные источники вблизи вулканов.

Геотермальные источники у вулканов вполне могли стать местом зарождения жизни.

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.

 

Жизнь женщин в Древней РусиПрочтите также:

Leave a Reply

Leave Comment
Notify of
avatar
Ирина
Guest

Вообще происхождение жизни на Земле это сложная тема. По этому поводу были и всегда будут споры. Так же невозможно, чтобы во Вселенной мы были одни. Явно же есть где то планета с такими же условиями для жизни как и на Земле. При таком то количестве планет это вполне вероятно.

Евгения
Guest

Люблю ваши статьи, и эта не исключение, – достаточно интересная. Но, согласясь с комментатором ниже, я должна отметить, что это сложная тема и никто не знает как было все на самом деле. И,кстати да, я тоже считаю, что кроме нас, где-то тоже есть существа, гораздо умнее нас:) Самое главное, беречь нашу землю и любить ее.

Дарья
Guest

Да, изучали-изучали столько времени, а к однозначному выводу не пришли до сих пор. Зато открылся “ящик Пандоры” в виде вмешательства человека в генетику и прочие дела природы, куда лучше бы рукам человеческим не лезть. И теперь люди из пробирок уже среди нас, а не на страницах фантастических романов. А полки супермаркетов завалены трансгенным матричным кормом. Так что как-то не верится, что питаясь такой пищей и ведя такой образ жизни, какой ведут большинство современных людей, эти люди смогут что-то о себе вспомнить и узнать. Хотя в принципе это доступно каждому человеку.

BogdanaM
Guest

Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе?)) Ахаха)) Научные сотрудники не придут к единому решению, пока не перестанут спорить о своём виденъи. “Оскорблённые христиане” всегда рискуют оставаться оскорблёнными, если не уберут внесённые Сенодскими торгашами изменения в библии. Кто либо из научных сотрудников доказал, что создатель настолько глупый, что не смог создать всё с нуля? “Чёрный принц” искуственный спутник нашей планеты которому 13 тысяч лет – это он как, сам себя несколько десятков тысяч лет собрал?)) Почему люди интересуются всякими сплетнями, а умных людей стараются всячески сжечь?)))

Мария
Guest

очень интересная статья, мне всегда было интересно как жили наши предки, как из обезьяны мы превратились в человека, и как мы дошли до такой цивилизации, откуда столько познаний появилось в олове человека. но это скорее всего еще ни кому так до конца и не известно.

werra
Guest

Огромное спасибо Елене за проделанную работу и получившийся в результате отличный перевод!!! Получила массу удовольствия!

Люся
Guest

Супер! Очень интересно. Постоянно становятся известны все новые и новые факты зарождения жизни на земле. Тема большая, интересная и самое главное не открыта человеку. Возникает вопрос зачем человеку это знать. Интересно конечно что же там было. Если для понимания себя в истории или……

Swetlana
Guest
Да, как говорится, наука не стоит на месте. На протяжении многих веков человечество искало ответ на очень непростой вопрос о том, как на Земле появилась жизнь. Прочитывая статью, я убедилась, сколько ученых – столько и версий, при этом каждый старается доказать именно свою правоту. Конечно, человек всегда пытался разгадать какую-либо тайну, даже многие неизвестные явления получили свое правильное объяснение. Но вот насчет жизни на Земле – не знаю. Ведь жизнь – понятие растяжимое, это и маленькая клеточка, это и живой организм. Я думаю, что количество материалов ученых будет постоянно увеличиваться, но дадут ли они ответ на этот вековой вопрос, не… Read more »
werra
Guest

Жизнь — это понятие емкое и определённое. Мы же тут о науке говорим, а не о философии. Именно по трём критериям жизни и разделились учёные на три “группы”.

Sveet
Guest

Помните старый детский вопрос “Что появилось раньше курица или яйцо?” Учёные ещё долго будут спорить на этот счёт. Теория возникновения жизни тем и хороша, что никто не смог ни подтвердить её, ни опровергнуть. Вариантов куча, а точку поставить некому. А возможно это и хорошо, даёт возможность полёту фантазий и дальнейшим исследованиям.

Anjelka
Guest

есть несколько версий:
1. бог создал жизнь на земле за 7 дней (читай библию).
2. жизнь возникла от инопланетян.
3. обычная теория, которая приводится в учебниках 🙂

Лилия
Guest

Сколько бы не было споров, доводов, мнений на эту тему, я думаю, что человечество никогда не сможет узнать происхождение жизни на Земле.

evgenya
Guest

Тема крайне интересная и увлекательная. И самое главное , человечество вплотную подошло к пониманию одного из фундаментальных и интереснейших вопросов. Ведь с момента появления человека разумного, вопрос возникновения жизни на земле неустанно будоражит его ум , и на протяжении всей истории у человека были разные объяснения этому. И вот , наконец, ученые уже почти прикоснулись к этой тайне…
Как хотелось бы узнать, что было на самом деле! Скорей бы… Успехов , удачи и настойчивости ученым в этом важном и нужном деле!

Sabina
Guest

Класс…! Дочитала до конца- сразу! Даже сама себе удивилась! Столько новой информации узнала! Читала без передышки…! Огромное спасибо! Даже в энциклопедии столько не написано, а в школе , нам такого точно не рассказывали…. Спасибо Вам , Елена! Я даже не представляю сколько вам пришлось сидеть и писать эту работу, можно сказать, даже реферат?!…

Анна
Guest

Много чего открыла для себя нового! Но насчет происхождения жизни на Земле как написала Ирина всегда будут споры, ведь никто из нас там не был, когда все это случилось. Все это очень интересно!

wpDiscuz