14.11.2016. - Тайна появления жизни на Земле. Великое объединение

Тайна появления жизни на Земле. Великое объединение

На протяжении второй половины 20-го века исследователи происхождения жизни работали каждые в своем лагере. Каждая группа настаивала на собственной версии развития событий и старалась уничтожить конкурирующие гипотезы. Такой подход был безусловно успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая перспективная идея о происхождении жизни в конечном счете наталкивалась на серьезную проблему. Так что некоторые исследователи сейчас пытаются найти более единый подход.

Несколько лет назад эта идея получила мощный толчок, благодаря результату, поддерживающему устоявшуюся теорию «мира РНК».

К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Они не могли сделать нуклеотиды, строительные блоки РНК, как если бы это происходило в условиях ранней Земли. Это и привело людей к мысли, что первая жизнь вовсе не была построена на РНК, как мы выяснили в третьей части.

Земля — единственное место, где есть жизнь. Пока

Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х. «Я думал, что продемонстрировать, что РНК может самособираться, было бы очень круто», говорит он.

К счастью для Сазерленда, он получил работу в Лаборатории молекулярной биологии (LMB) в Кембридже. Большинство научно-исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно генерировать новые работы, но LMB нет. Поэтому Сазерленд мог хорошенько обдумать, почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход.

Его решение привело его к совершенно новой идее о происхождении жизни: все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно.

«В химии РНК были определенные аспекты, которые не работали», говорит Сазерленд. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно. Молекулы просто не той формы.

Поэтому Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества. В конечном счете его команда пришла к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. Эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания.

Это был ослепительный успех, который сделал Сазерленду имя.

Многие наблюдатели интерпретировали эти результаты как еще одно доказательство в пользу мира РНК. Но сам Сазерленд так не считал.

«Классическая» гипотеза мира РНК утверждает, что в первых организмах РНК отвечала за все функции жизни. Но Сазерленд говорит, что это безнадежно оптимистично. Он считает, что РНК принимала важное участие, но на ней все клином не сходилось.

Вместо этого он вдохновился одной из последних работ Шостака, которая (как мы выяснили в пятой части) совмещала РНК-мир «сперва воспроизводства» с идеями «сперва компартментализации» Пьера Луиджи Луизи.

Сазерленд пошел еще дальше. Его подход представлял собой «сперва всё». Он хотел, чтобы цельная клетка собралась сама по себе с нуля. К этому его привела странная деталь в его синтезе нуклеотидов, которая сначала казалась случайной.

Жизни нужна жирная смесь веществ

Последним шагом в процессе Сазерленда было забросить фосфат в нуклеотид. Однако он выяснил, что лучше всего было включать фосфат в смесь с самого начала, поскольку он ускорял первые реакции. Казалось, что включение фосфата до того, как он понадобится на самом деле, было слегка «грязноватым» действием, но Сазерленд выяснил, что этот хаос — это хорошо.

И так он задумался о том, насколько беспорядочными должны быть смеси. Во времена ранней Земли должны были существовать десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Рецепт шлама? Возможно. Но беспорядок может быть важным условием.

Смеси, которые Стэнли Миллер приготовил в 1950-х годах, о которых мы говорили в первой части, были куда грязнее сазерлендовых. Они включали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в небольших количествах и сопровождались огромным количеством других, не биологических соединений».

Сазерленд считал, что подход Миллера был недостаточно хорош. Он был слишком грязным, поэтому хорошие химические вещества просто терялись в смеси.

Поэтому Сазерленд вознамерился найти «химию Златовласки»: не слишком грязную, чтобы стать бесполезной, но и не слишком простую, чтобы быть ограниченной в возможностях. Получить достаточно сложную смесь — и все компоненты жизни смогут сформироваться одновременно и найти друг друга.

Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он существовал годами, пока в нем не собрались нужные химические вещества. Затем, возможно, за какие-нибудь пару минут появилась первая клетка.

Горстки химвеществ недостаточно для жизни

Это может показаться совершенно неправдоподобным, словно заявления средневековых алхимиков. Но у Сазерленда только прибавляется доказательств. В 2009 году он показал, что та же химия, которая позволила собрать два его нуклеотида РНК, также может создавать многие другие молекулы жизни.

Очевидным следующим шагом было сделать больше нуклеотидов РНК. Пока этого сделать не удалось, но в 2010 году он собрал тесно связанные молекулы, которые потенциально могут превратиться в нуклеотиды. Точно так же, в 2013 году он сделал прекурсоры аминокислот. На этот раз ему пришлось добавить цианид меди, чтобы заставить реакцию протекать.

Связанные с цианидом химические вещества оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд сделал с ними еще больше. Он показал, что в том же горшке с химическими веществами могут появиться и прекурсоры липидов, молекул, из которых состоят стенки клеток. Все эти реакции полагались на ультрафиолетовый свет, включали серу и медь как катализатор.

Жизни нужен настоящий рог изобилия химвеществ

«Все строительные блоки вышли из общего ядра химических реакций», говорит Шостак.

Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был в корне неверным. С тех пор, как стала очевидной сложность клетки, ученые начали работать с предположением, что первые клетки должны были собираться постепенно, по частям.

Вслед за предложением Лесли Оргела о том, что сначала появилась РНК, ученые пытались «поставить одно перед другим, а потом как-то получить порядок», говорит Сазерленд. Но он думает, что лучше всего — сделать все и сразу.

«Мы, по сути, усомнились в мысли о том, что сделать все разом слишком сложно», говорит он. «Определенно можно сделать строительные блоки всех систем сразу».

Шостак теперь подозревает, что большинство попыток сделать молекулы жизни и собрать их в живые клетки провалились по одной причине: эксперименты были слишком чистыми.

Ученые использовали несколько химических веществ, которые были им интересны, и оставляли все прочие, которые тоже, вероятно, присутствовали на ранней Земле. Но работа Сазерленда показала, что добавляя больше химических вещей в смесь, можно создать больше сложных явлений.

Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался разместить фермент РНК в своих протоклетках. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембраны протоклеток. Решение оказалось на удивление простым. Вместо того чтобы делать везикулы из одной только жирной кислоты, их сделали из смеси обоих веществ. Новые, «грязные» везикулы справлялись с магнием и могли размещать работающие ферменты РНК.

Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли включать беспорядок.

ДНК состоит из небольших молекул — нуклеотидов

Современные организмы используют чистую ДНК для переноса генов, но чистой ДНК, вероятно, не существовало поначалу. Нужна была смесь нуклеотидов РНК и нуклеотидов ДНК.

В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаику» молекул, которая выглядит и ведет себя почти как чистая РНК. Эти перемешанные цепочки РНК/ДНК даже можно было аккуратно сложить.

Выходит, не имеет значения, могли первые организмы иметь чистую РНК или чистую ДНК. «Я даже вернулся к мысли о том, что первый полимер был очень похож на РНК, такой более грязной версией РНК», говорит Шостак. Альтернатив РНК могло быть еще больше, вроде ТНК и ПНК, о которых мы говорили в третьей части. Мы не знаем, существовали они на Земле или нет, но если да, то первые организмы вполне могли использовать и их.

Это уже был не «мир РНК», а «мир вперемешку».

Урок этих исследований в том, что сделать первую клетку может быть было не так сложно, как кажется. Да, клетки — сложные машины. Но оказывается, что они продолжают работать, хоть и не так хорошо, если их слепить небрежно, как снежок.

Кажется, что такие неуклюжие клетки не имели шансов выжить на ранней Земле. Но у них практически не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, поэтому во многих отношениях жизни было проще, чем сейчас.

В юности Землю постоянно бомбардировали метеориты

Однако существует одна проблема, которую не смогли решить Сазерленд или Шостак, и это серьезная проблема. Первый организм должен был иметь какой-то метаболизм, обмен веществ. С самого начала жизнь должна была получать энергию, либо умереть.

В этом Сазерленд согласен с Майком Расселлом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий «сперва метаболизм» из четвертой части. «Пока РНК-ребята бодались с метаболизм-ребятами, у обоих сторон были веские аргументы», говорит Сазерленд.

«Метаболизм должен был где-то протекать, — вторит ему Шостак. — Источник химической энергии — это огромный вопрос».

Даже если Мартин и Расселл ошибаются на тему того, что жизнь началась у глубоководных источников, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них — значение металлов для рождения жизни.

У этого фермента в центре металл

В природе у многих ферментов есть атом металла в ядре. Зачастую это «активная» часть фермента; остальная часть молекулы выступает поддерживающей структурой. Первая жизнь не могла иметь таких сложных ферментов, поэтому почти наверняка использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.

Гюнтер Вахтершаузер подметил это, когда предположил, что жизнь образовалась на основе железного пирита. Аналогичным образом, Расселл подчеркивал, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут выступать в качестве катализаторов — и исследование Мартина выявило множество ферментов на основе железа у последнего универсального общего предка (LUCA).

В свете этого имеет смысл, что многие химические реакции Сазерленда полагаются на медь (и — как и подчеркивал Вахтершаузер — на серу), а РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии.

Может быть и так, что гидротермальные источники окажутся вдруг важнейшими элементами головоломки. «Если посмотреть на современный метаболизм, в нем имеются такие красноречивые вещи, как железосерные кластеры», говорит Шостак. Это говорит в поддержку идеи возникновения жизни у жерл, где вода богата железом и серой.

Но если Сазерленд и Шостак действительно находятся на верном пути, один аспект гидротермальной теории совершенно не имеет смысла: жизнь не могла появиться в глубоком море.

Жизнь могла появиться на мелководье

«Химия, к которой мы пришли, очень зависит от ультрафиолетового света», говорит Сазерленд. Единственным источником ультрафиолетового излучения является Солнце, поэтому его реакции могут протекать только в освещенных солнечных местах. Это исключает глубоководный сценарий.

Шостак согласен: глубокие воды вряд ли были колыбелью жизни. Кроме того, они изолированы от атмосферной химии, которая является источником высокоэнергетических стартовых материалов вроде цианида.

Но эти проблемы не исключают гидротермальную теорию полностью. Возможно, эти источники были на мелководье, купаясь в солнечном свете и цианидах.

У Армена Мулкиджаняна есть альтернатива. Возможно, жизнь появилась на земле, в вулканическом пруду.

Или в вулканическом пруду

Мулкиджанян обратил внимание на химический состав клеток: в частности, какие химические вещества они впускают и какие нет. Оказалось, что клетки, вне зависимости от организма-носителя, содержат много фосфата, калия и других металлов — но не натрия.

В настоящее время клетки получают их, закачивая материалы в себя, но первые клетки не могли этого делать, поскольку не обладали нужным механизмом. Поэтому Мулкиджанян предположил, что первые клетки образовались где-то, где был примерно такой же состав химических веществ, что и у современных клеток.

Океан сразу же отпадает. В клетках намного больше калия и фосфата, чем в океане, и намного меньше натрия. Но на ум приходят геотермальные пруды вблизи активных вулканов. Эти пруды обладают именно тем коктейлем металлов, который находят в клетках.

Шостаку нравится эта идея. «Думаю, мой любимый сценарий на данный момент будет включать мелководное озеро или пруд на поверхности в геотермально активной области, — говорит он. — Тогда у нас будут гидротермальные источники, но не те, что в глубине океана, а какие-нибудь похожие на источники в вулканически активных зонах по типу Йеллоустоуна».

Химия Сазерленда вполне могла бы сработать в таком месте. У этих источников подходящий химический состав, уровень воды колеблется, местами все пересыхает, а ультрафиолетового излучения солнца вполне достаточно.

Или в горячих источниках

Более того, Шостак говорит, что такие пруды подошли бы его протоклеткам.

«Протоклетки были бы относительно холодными большую часть времени, что хорошо для копирования РНК и других типов простого метаболизма», говорит Шостак. «Но им понадобился бы периодический нагрев,к который помогал бы цепочкам РНК отпадать ради следующего раунда воспроизводства».

Потоки холодной или горячей воды помогали бы протоклеткам делиться.

Опираясь на многие из этих аргументов, Сазерленд предлагает и третий вариант: место падения метеорита.

Метеориты падали на Землю постоянно в течение ее первого полумиллиарда лет существования — и с тех пор тоже иногда падают. Хороший удар создал бы условия, подобные прудам Мулкиджаняна.

Во-первых, метеориты в основном сделаны из металла. Зоны воздействия, как правило, богаты полезными металлами вроде железа, а также серой. И самое главное, удары метеоритов плавят земную кору, что приводит к геотермальной активности и нагреву воды.

Сазерленд представляет небольшие ручейки и реки, стекающие по склонам ударного кратера, выщелачивающие химвещества на основе цианида из пород, пока ультрафиолетовое излучение проливается свыше. Каждый поток приносит ту или иную смесь химических веществ, так что начинают различные реакции и производится целый ряд органических химических веществ.

Или в кратере метеорита

В конце концов, потоки стекают в вулканический пруд на дне кратера. В таком пруду, возможно, все элементы головоломки сложились бы вместе и образовались первые протоклетки.

«Это довольно специфический сценарий», говорит Сазерленд. Но он предпочел его на основе химических реакций, с которыми столкнулся. «Пока этот сценарий единственный совместимый по части химии».

Шостак не уверен настолько, но согласен с тем, что идея Сазерленда заслуживает внимания. «Думаю, сценарий с ударом прекрасен. Думаю, идея вулканических систем также может сработать. У обеих теорий есть хорошие аргументы».

Пока что дебаты будут разворачиваться и дальше. Но решение будет зависеть от химии и протоклеток. Если выяснится, что одному из сценариев недостает важного химического вещества или что-то разрушает протоклетки, от него придется отказаться.

Но впервые в истории мы можем получить всеобъемлющее объяснение того, как начиналась жизнь.

Пока что подход «все и сразу» Шостака и Сазерленда предлагает лишь отрывочные повествования. Но эти шаги были разработаны на основе десятилетий экспериментов. Также этот подход опирается на все другие гипотезы происхождения жизни. Он пытается использовать все их хорошие стороны, вместе с тем решая всех их проблемы. К примеру, он не разрушает гипотезу Расселла о гидротермальных источниках, а скорее включает ее лучшие элементы.

Конечно, мы не можем знать наверняка, что происходило четыре миллиарда лет назад. «Даже если вы построили реактор и из него вышла кишечная палочка… это не доказывает, что все так и было», говорит Мартин.

Лучшее, что мы можем сделать, это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами: с экспериментами в области химии, с нашими познаниями о ранней Земле, с тем, что говорит биология о самых древних формах жизни. Наконец, после столетия напряженных усилий, история начинает вырисовываться.

И это значит, что мы приближаемся к одному из важнейших переломных моментов в человеческой истории: после которого мы узнаем историю появления жизни на Земле. Все люди, умершие до того, как Дарвин опубликовал «Происхождение видов» в 1859 году, понятия не имели, откуда взялся человек, потому что ничего не знали об эволюции. Но любой живущий сегодня может узнать правду о нашем родстве с животными.

Точно так же любой рожденный после выхода Юрия Гагарина на орбиту Земли в 1961 году, жил в обществе, которое может отправиться к другим мирам. Космические путешествия стали реальностью, даже если мы сами в них не участвовали.

Эти факты меняют наш взгляд на мир. Они делают нас мудрее. Эволюция учит нас беречь каждое живое существо, потому что мы все произошли от одного предка. Космические путешествия позволяют нам смотреть на другие миры издалека, видеть всю их уникальность и хрупкость.

Некоторые из живущих сегодня людей станут первыми в истории, которые смогут с уверенностью заявить, что мы точно знаем, откуда пришли. Они будут знать, каким был наш первый предок и где жил.

Это знание изменит нас. На чисто научном уровне оно расскажет нам о том, насколько вероятно появление жизни во Вселенной и где ее искать. И оно расскажет нам о сущности жизни. Но можем ли мы знать, какие знания откроются нам после того, как мы узнаем тайну появления жизни? Вряд ли.

http://hi-news.ru/science/tajna-poyavleniya-zhizni-na-zemle-chast-shestaya-velikoe-obedinenie.html