Разговоры с таксистами о жизни и устройстве Вселенной - Чарльз Кокелл

звучит. Создать первые ингредиенты для жизни было не так уж и сложно; химические соединения и источники энергии, которые вместе производят карбоновые кислоты, легко найти по всей Вселенной. Никому не нужно руководить этим процессом. При наличии соответствующей материи, энергии и достаточного количества времени может легко появиться мешок, подходящий для содержания молекул жизни.

Но жизнь – это больше, чем сумка. Чтобы получить реплицирующуюся клетку, нужно еще несколько вещей. Особенно полезны некоторые молекулы, которые могут управлять химическими реакциями, ускорять их и производить множество других молекул, которые редки или отсутствуют в естественной среде, но которые также имеют решающее значение для жизни. Эти катализирующие молекулы – ферменты. Они связывают различные виды молекул друг с другом и выбрасывают полученные продукты. Почти все ферменты в каждом живом существе, которое мы знаем, состоят из белков, которые сами по себе представляют собой не что иное, как длинные цепочки аминокислот, нанизанные вместе, как бусинки на нитке. Нить складывается, превращаясь в небольшую трехмерную молекулу – белок, – готовую выполнить ту или иную работу.

Аминокислоты – это простые молекулы с незатейливой структурой, состоящие из центрального атома углерода, к которому добавлена другая химическая группа (небольшой набор атомов). Этот молекулярный придаток бывает разной структуры, в зависимости от того, что к нему прикреплено. Разные химические группы действуют по-разному: кто-то любит воду, кто-то ее ненавидит; одни имеют положительный электрический заряд, другие – отрицательный; некоторые маленькие, другие громоздкие. Взаимодействие всех этих различных типов молекул приводит к тому, что длинная цепь аминокислот сворачивается определенным образом. Некоторые из них образуют опорную конструкцию, похожую на каркас, который может быть полезен для создания таких вещей, как ногти и волосы. Другие цепочки будут принимать участие в важнейших реакциях, которые выполняют клетки.

Примечательно, что все это можно сделать всего с двадцатью аминокислотами. Но поскольку белок может состоять из многих сотен аминокислот, то очевидно, что, если каждая позиция в этой цепи может содержать одну из двадцати различных аминокислот, общее число белковых комбинаций огромно, намного больше, чем количество различных видов молекул, нужных для образования клетки.

Давайте еще раз взглянем на Мурчисонский метеорит. Когда мы провели экстракцию, чтобы добраться до мембранных молекул, составляющих клеточный мешок, мы заметили еще кое-что удивительное: метеорит полон аминокислот. На самом деле их более семидесяти разных видов. Аминокислоты, строительные блоки белков, были синтезированы на «химических предприятиях» ранней Солнечной системы. В итоге они вошли в состав камней и другого материала, из которого были образованы планеты. А некоторые камни продолжали летать по космосу и прибыли на Землю, чтобы их более четырех миллиардов лет спустя собрали ученые, которые разглядели в них простейшие ингредиенты жизни – продукты межпланетной химии.

Аминокислот в метеоритах содержится гораздо больше двадцати необходимых для жизни. Если первые живые молекулы действительно получились из этого межпланетного хранилища, то к чему такая избирательность? Причина в том, что иногда вам не нужны все доступные материалы, чтобы сделать работу достаточно хорошо. Когда архитекторы проектируют дом, они не стараются использовать все существующие виды кирпича и черепицы. Для выполнения задачи они выбирают несколько, как правило минимально возможное количество. Это наиболее эффективный подход, позволяющий избежать несовместимости строительных материалов. Точно так же тот факт, что в природе существует гораздо больше аминокислот, чем требуется для жизни, не имеет никакого реального значения. Эволюция – это не процесс максимизации во всех измерениях; пока клетка могла удовлетворять свои потребности и воспроизводиться, она не получала никакой выгоды от включения большего количества аминокислот. Понятно, что из богатой химической кладовой жизни требовался только определенный набор молекул.

У нашего внеземного посланника есть и другие сюрпризы: нуклеиновые основания. Центральное место во всем, что делают ваши клетки и даже самые примитивные формы жизни, занимает код для хранения информации. Это делают возможным именно нуклеиновые, или, как их по-другому называют, азотистые основания. Большинство живых существ используют для этой цели знакомую нам ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) или ее родственную молекулу РНК (рибонуклеиновую кислоту). Как и белки, они состоят из длинных цепочек молекул – нуклеиновых оснований. В отличие от двадцати аминокислот в белках, в ДНК необходимы только четыре нуклеиновых основания. Разбросанная по цепочке последовательность четырех нуклеиновых оснований представляет собой код, внутри которого зашифрованы инструкции по построению всего, от глаз до хвоста. Аппарат клетки расшифровывает информацию, разоблачая «чертеж», по которому построено целое существо.

Нуклеиновые основания образовывались в химических реакциях с участием цианидных соединений и других веществ ранней Солнечной системы. Так они попали в метеориты и другие материалы, летающие в космосе. И, как и в аминокислотах, в этих межпланетных объектах азотистых оснований больше, чем в живой клетке. В процессе эволюции их число сокращалось до тех пор, пока для жизни на Земле не остались необходимые элементы.

Есть во всем этом что-то необыкновенное. Всмотритесь сквозь всю сложность живых существ в их «надстройку», балки, кирпичи и раствор, которые все это поддерживают, и вы обнаружите, что все простейшие части основных молекул жизни можно найти в метеоритах. Эти метеориты существовали на заре Солнечной системы, без сомнения, ниспадали дождем на поверхность нашей молодой планеты, собирались в лужи, вымывались на пляжи и в реки. Ученые, увлеченные этой возможностью, попытались воссоздать в лаборатории реакции, которые освободили фундаментальные материалы жизни из их скалистых хранилищ. И действительно, когда вы облучаете поверхность минеральных зерен, содержащих простые молекулы, такие как спирты и цианиды, появляются аминокислоты и другие молекулы, важные для жизни.

И это еще не все. Давайте не будем забывать, что Земля сама по себе является космическим камнем; химия, происходящая на суше, в океанах и во всей атмосфере нашей новорожденной планеты, могла произвести и, вероятно, произвела вещество жизни в то же время, когда оно упало из космоса. Вам не сбежать от углеродной химии. Из глубин космоса и изнутри собственных ландшафтов Земля была наполнена простейшими веществами для жизни, так что биологические основы накапливались на поверхности планеты из множества источников.

Все это чрезвычайно интересно и дает правдоподобное объяснение того, как зародилась примитивная жизнь. Но по-прежнему не отвечает на наш вопрос: было ли появление жизни неизбежно при наличии определенных условий? Почему эти соединения не катались просто так на волнах туда-сюда, заполняя трещины и разломы, без малейшего намерения складываться в клетки? Именно здесь наши исследования на данный момент терпят неудачу. Есть много ключей к разгадке и вероятностей, но нет единого мнения относительно того, какой порог должны были преодолеть наши жизнеобеспечивающие соединения, чтобы жизнь начала свое существование.

У ученых, конечно, есть свои предположения – гипотезы о том, что вызвало возникновение жизненно важных реакций. Эти гипотезы часто связаны