Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

Одной из самых известных попыток создать строительные блоки жизни из неживой материи стал ряд экспериментов, проведенных в 1950‑х гг. студентом Чикагского университета Стэнли Миллером и его выдающимся наставником Гарольдом Юри (получившим в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие дейтерия). Миллер создал смесь, которая, как считается, повторяла примитивную атмосферу Земли, содержавшую водород и его соединения – воду, метан и аммиак. Затем Миллер подверг этот химический бульон воздействию высоких температур (в основном с помощью водяного пара) и вдобавок подавал в колбу электрические разряды. В результате через несколько дней в колбе образовывалось несколько аминокислот. Однако, строго говоря, созданная в ходе этого эксперимента атмосфера была более характерна не для Земли, а для протосолнечной туманности. Подобные условия можно было бы обнаружить во внешней Солнечной системе, на Юпитере, Сатурне и на некоторых их спутниках. Скорее всего, такая атмосфера возникла и была вынесена из внутренней части Солнечной системы при ее формировании. Также в первоначальной атмосфере Земли, вероятно, преобладали углекислый газ и вода – продукты вулканической дегазации, а в эксперименте Миллера – Юри ничего подобного нет. И все же этот эксперимент впервые показал, что простые реакции нескольких соединений могут привести к созданию по крайней мере одного из основных строительных блоков жизни. Это открыло дорогу множеству экспериментов, проведенных в последующие десятилетия и стремившихся получить строительные блоки жизни путем имитации первичного бульона в примитивных атмосферных и океанических условиях. Кстати, аминокислоты могли формироваться даже в открытом космосе; несколько аминокислот (не все из них аналогичны земным) были обнаружены на Мурчисонском метеорите, углеродистом хондрите, прилетевшем из пояса астероидов. Метеориты занесли на Землю аминокислоты или нет – нам неизвестно, но это и не важно: если аминокислоты могут образовываться в самых разных средах, там могут возникать и другие строительные блоки жизни.

Вскоре после эксперимента Миллера – Юри испанский биохимик Хуан Оро смог сформировать нуклеотидные основания, которые, как вы помните, служат «перекладинами» в лестничной структуре ДНК и РНК, а также аминокислоты. До недавнего времени не удавалось сформировать полные нуклеотиды, которые соединяются, чтобы образовать полные молекулы РНК и ДНК, однако в последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в синтезе строительных блоков жизни (включая липиды, аминокислоты и нуклеотиды) из соединений, которые, предположительно, существовали на ранней Земле. Особенно удачными были исследования химика из Кембриджского университета Джона Д. Сазерленда. Простейшие возможные клетки состоят из цепочки ДНК, заключенной вместе с питательным бульоном внутри жирных кислот, липидного пузыря или мембраны, образуя оболочку клетки. Недавние эксперименты группы биохимика Джека Шостака из Гарвардского университета показали, что некоторые липиды могут создавать пузырьки в нуклеиновых кислотах, позволяя образоваться чему‑то вроде протоклетки. Таким образом, исследователи сделали большой шаг вперед к «спонтанному» абиотическому образованию клеток после экспериментов Миллера – Юри.

Когда и где жизнь возникла на нашей планете? Хотя самым древним ископаемым микроорганизмам около 3,5 млрд лет, у них, вероятно, были некие клетки‑предшественники, из которых после миллионов лет проб и ошибок возникли эти организмы. Возможно даже, что основой биологического воспроизводства ранней жизни была не ДНК, а более простая молекула РНК. В современных клетках РНК играет роль «мальчика на посылках» у ДНК, например, она создает специфические белки. Однако американские биохимики Сидни Олтмен и Томас Чек показали, что РНК может катализировать химические реакции или воспроизводить себя. Это открытие принесло им Нобелевскую премию и оказало мощную поддержку идее под названием «гипотеза мира РНК», согласно которой примитивная жизнь была основана на простом методе воспроизводства, характерном для РНК и предшествовавшем более сложному методу воспроизводства ДНК, который в наши дни характерен для клеточной жизни.

Чарльз Дарвин, как и Миллер и Юри, полагал, что жизнь возникла на поверхности Земли, в водоемах с первичным бульоном, где были основные ингредиенты для самозарождения, и поддерживалась за счет энергии Солнца с помощью фотосинтеза (на самом деле первой достоверно известной формой жизни были фотосинтезные бактерии). Но если жизнь формировалась таким образом ранее чем 3,5 млрд лет назад, это было бы просто чертовски трудно. В то время поверхность Земли представляла собой чрезвычайно враждебную среду, где, вероятно, было очень жарко из‑за того, что атмосфера была полна углекислого газа. На Земле все еще происходила очень активная вулканическая деятельность, и, скорее всего, к ней добавлялись массированные удары астероидов, особенно в период поздней тяжелой бомбардировки (от 4,2 млрд до 3,8 млрд лет назад). Таким образом, поверхность, вероятно, не была пригодна для формирования первых хрупких форм жизни.

В конце 1970‑х гг. геолог из Орегонского университета Джек Корлисс и его коллеги с помощью исследовательского глубоководного аппарата «Алвин» обнаружили, что гидротермальные источники и расселины срединного‑океанического хребта в районе Галапагосских островов, в месте, где расходятся две самые большие литосферные плиты, заселены живыми организмами – и это на дне океана, вдали от солнечного света. Здесь в воды океана под давлением извергаются из недр потоки геотермальной воды. Хотя ее температура выше температуры кипения воды на уровне моря, она не кипит, так как давление на таких глубинах очень высокое. Циркулирующая по вулканическим хребтам вода этих жерл‑источников («черных курильщиков») насыщена минералами и содержит растворенные вулканические газы – углекислый газ, водород, сероводород. В этих сверхгорячих гидротермальных потоках были обнаружены напоминающие бактерий микроорганизмы, названные археями. Они термофильные, т. е. обитают в горячей воде. Возле источников существуют экосистемы крупных организмов, таких как трубчатые черви. Они питаются веществами, поглощенными археями, и бактериями, обитающими в этой неприветливой среде. Например, черви погонофоры получают энергию и питательные вещества из бактерий, которые, в свою очередь, питаются путем хемосинтеза (а не фотосинтеза, учитывая недостаток солнечного света), при котором сероводород из подводных источников используется для создания органического углерода путем его выделения из молекул углекислого газа. Это открытие показало, что жизнь может процветать вдали от нашего любимого источника энергии, Солнца, за счет тепла и химических веществ, поступающих из недр. Можно предположить, что примитивная жизнь могла сформироваться на дне океана, в защищенном от враждебной среды месте и выжить за счет надежного источника энергии – мантии Земли. Также возможно, что жизнь могла бы возникнуть на планетах, расположенных слишком далеко от своей звезды (например, на спутнике Юпитера Европе), вулканическая энергия которых способна поддерживать воду в жидком состоянии.

Археи, впервые обнаруженные у гидротермальных жерл, а затем и в других, довольно неожиданных земных средах, вроде горячих источников, кратерных озер, солончаков, полярных льдов и даже в наших с вами внутренностях, были сначала отнесены к бактериям, поскольку, как и бактерии, они состояли из нескольких простых цепочек ДНК в липидном пузырьке. Однако впоследствии у архей и бактерий было обнаружено больше различий, чем сходства: в их РНК, в использовании энергии (метаболизме), химии их клеточной стенки, а также в жгутиках, которые они используют для плавания. И бактерии, и археи являются прокариотами – у них простая клеточная структура, они редко составляют клеточные колонии и никогда не образуют многоклеточной жизни.