Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Еще совсем недавно казалось удивительным, что возраст первых обнаруженных свидетельств древней жизни необъяснимым образом совпадает со временем конца поздней бомбардировки. Однако сейчас уже следует удивляться другому. Вероятно, жизнь на Земле возникла почти сразу же после того, как на ней образовалась твердая кора. Но до сих пор нам удавалось найти только косвенные доказательства присутствия жизни. С уверенностью можно сказать лишь, что где-то между 4,4 и 3,4 миллиарда лет назад появилась первая живая клетка.

Как же она образовалась? В начале главы я уже отмечал, что метаболизм и эволюция представляют собой основу жизни. В земных жизненных формах метаболические и генетические функции тесно переплетаются. Все теории, которые стремятся объяснить происхождение жизни, сталкиваются с дилеммой: что важнее и что первично – метаболизм или генетика?

Приверженцы первого подхода считают, что жизнь начинается с развития примитивного метаболизма. Они пытаются реконструировать окружающую среду, химические и физические процессы, связанные с происхождением жизни. Один из главных вопросов в рамках этого подхода заключается в том, что считать переходом от химической к биохимической эволюции.

Вплоть до 1920-х годов представления о происхождении жизни были в значительной степени спекулятивными. В 1924 году русский биохимик Александр Опарин предложил теоретическую модель химической эволюции. Согласно его модели в атмосфере ранней Земли неорганические молекулы самопроизвольно образовывали органические молекулы (простые сахара и аминокислоты), которые стали первыми кирпичиками жизни. Благодаря работам Опарина в научную парадигму прочно вошло понимание того, что жизнь на Земле возникла в результате физико-химических процессов, которые можно понять, смоделировать и проверить в ходе экспериментов. Несмотря на множество изменений и дополнений, сценарий Опарина остается частью модели, используемой сегодня.

Например, в 1952 году Гарольд Юри[78] и его аспирант Стэнли Миллер проводили эксперименты, в которых пытались воссоздать условия на ранней Земле124. Для этого они частично заполнили одну стеклянную сферу водой (представляющей океан), а вторую, соединенную с первой стеклянными трубками, – смесью газов, которые, по их мнению, составляли атмосферу древней Земли: метана, воды, водорода и аммиака. Вода в сфере подогревалась для имитации воздействия Солнца, а в «атмосфере» периодически генерировались электрические заряды, моделировавшие молнии. Через несколько недель после начала эксперимента вода изменила цвет на буро-коричневый, а вскоре «океан» и вовсе покрылся черным смолянистым налетом. Последующий анализ показал наличие в сосуде бульона из самых разнообразных органических веществ и аминокислот – так идеи, высказанные Опариным, получили свое экспериментальное подтверждение.

Эксперимент Юри – Миллера в первую очередь продемонстрировал, как некоторые биологические молекулы, например простые аминокислоты, могли возникнуть в результате небиологических процессов. И хоть Юри и Миллер исходили из ошибочных представлений о составе земной атмосферы, их ошибка не повлияла на главный вывод: на древней Земле могли самопроизвольно возникать сложные органические вещества125. С тех пор было предложено множество различных химических небиологических реакций, в частности синтез большинства аминокислот, липидов и других простых биологических молекул, для объяснения происхождения органической материи в самых неблагоприятных условиях – даже в межзвездном пространстве, на астероидах и кометах126.

Оппонентами сторонников гипотезы о первичном метаболизме выступают те ученые, которые считают, что жизнь началась с появления самокопирующихся молекул. Причина, по которой вообще стали говорить о том, что генетика первичнее метаболизма, заключается в желании преодолеть биохимическую проблему курицы и яйца. Для протекания многих химических реакций в биологических системах требуются белковые ферменты – вещества, присутствие которых ускоряет скорость реакций в миллионы, миллиарды и даже триллионы раз. Помимо ДНК, важным участником мистерии жизни является РНК. Это макромолекула, которая считывает инструкции, переносимые ДНК, и участвует в синтезе белков, в том числе белковых ферментов. Структура РНК хранится в молекуле ДНК. Долгое время разделение «обязанностей» между молекулой – хранителем информации и молекулой, считывающей эту информацию, считалось одним из основных принципов молекулярной биологии. Но в этом и лежит корень проблемы.

С одной стороны, нам нужны ферменты, чтобы создать ДНК, и РНК, а с другой – нам нужна ДНК, чтобы создать эти ферменты. Эту дилемму пытались решить множеством способов, но все попытки оказались безуспешными. Перелом наступил, когда в начале 1980-х годов Томас Чех и Сидней Альтман обнаружили, что РНК может также выступать в роли фермента (за это они получили Нобелевскую премию 1989 года). Эта двойственная функция РНК, участвовать в синтезе белков и действовать как фермент, позволила найти элегантное решение – создать концепцию РНК-мира.

Томас Чех

Впервые идею РНК-мира озвучил американский ученый Александр Рич в 1962 году127. Он полагал, что в течение какого-то времени именно РНК была молекулой, переносящей генетическую информацию, то есть являлась основой жизни. Когда Рич высказал эту гипотезу, никаких доказательств у него и его коллег не было. Бурное развитие концепции РНК-мира началось лишь после публикации работ Чеха и Альтмана. Теперь от ученых, занимавшихся проблемой происхождения жизни, требовалось понимание того, как из «первичного бульона» создать молекулу РНК, которая будет производить ферменты для протекания химических реакций в протоклетке и в то же время выполнять функцию переносчика информационного кода. Макромолекула РНК, хоть и имеет достаточно сложную структуру, проще ДНК. Остальные сложности внутреннего устройства клетки предлагалось оставить естественному отбору.

Тем не менее не все ученые согласны с этой концепцией, поскольку она предполагает возникновение сложности и порядка, не предлагая правдоподобный и эффективный способ управлять энергией в системе128. В общем, дискуссия на тему РНК-мира все еще далека от завершения129.

Сидней Альтман

Помимо вопроса о первичности метаболизма или генетики, существует и еще ряд подобных фундаментальных вопросов. Например, была ли первая жизнь самоподдерживающейся системой или использовала для функционирования химически сложную среду (как предполагал Опарин)? Даже появление границы клетки, мембраны, до сих пор вызывает споры. Было ли это ранним или поздним явлением в процессе развития жизни?

Внутренняя среда клетки химически и физически отличается от внешней, а следовательно, клеточная мембрана принимает активное участие в регуляции потоков вещества и энергии. Это достаточно сложная структура, и трудно представить, как она могла эволюционировать в РНК-мире. С другой стороны, наличие мембран, ограничивающих распространение продуктов реакций, в которых участвуют катализаторы, – необходимое условие для разделения на свое и чужое, а значит, и возникновения естественного отбора130. Некоторые ученые полагают, что первые мембраны представляли собой неорганические структуры. Например, в местах, где продукты вулканической деятельности просачиваются на дно океана, железосерные минералы образуют трубчатые структуры и пористые отложения. Такие пузырьки и трубочки в геотермальных источниках могли быть первыми мембранами для первых клеток131.