Откуда взялась заполонившая современную Землю жизнь?

Наука и жизньНаука

Минеральные помощники первой жизни

В рамках информационного партнёрства с научно-популярным сайтом biomolecula.ru публикуем журнальный вариант статьи, которая была представлена на конкурс «Био/мол/текст»-2021/2022 в номинации «Свободная тема».

Рибозим под названием Twister. Рибозимы — РНК с каталитической активностью — стали своего рода «ключом в мир РНК», поскольку показали разнообразие возможностей этой молекулы. Рисунок: JRHall/ Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Вопрос о том, откуда взялась заполонившая современную Землю жизнь, вызывает смешанные чувства. С одной стороны, он очень увлекательный, и это прекрасный повод увязать вместе такие разные науки, как биология, химия, физика, геология и даже астрономия. С другой стороны, поиск ответа на этот вопрос — занятие довольно неблагодарное: самые правдоподобные гипотезы и убедительные эксперименты всегда будут лишь нашими предположениями о событиях на юной Земле, а не их точной реконструкцией. И всё же попытки ответить на вопрос об абиогенезе (о том, как неживое вдруг стало живым), вне всякого сомнения, очень полезны. Предпринимая их, мы начинаем лучше понимать суть феномена жизни и спектр её возможностей (что может пригодиться нам ни много ни мало при поиске внеземных форм жизни). А ещё зарождение самого первого организма — это точка отсчёта длительной истории биосферы, на которой сходятся все эволюционные тренды. Реконструировать эти древние события куда проще, если обратить внимание на нечто, что появилось на Земле ещё раньше, имелось в изобилии и обладало высокой устойчивостью. И потому вполне могло способствовать становлению первой живой клетки.

Жизнь и откуда она взялась

Обращаясь к возникновению жизни, мы неизбежно погружаемся в «первичный бульон». Действительно, старая добрая гипотеза Опарина—Холдейна существует уже столетие и почти столько же кочует по разным учебникам. Согласно ей, первые простые коллоидные частицы со свойствами живого самопроизвольно образовались из органики, которой было много в древнем «наваристом бульоне» морей. Историческое значение этой гипотезы огромно, однако сейчас она выглядит очень наивно. Это не удивительно, если вспомнить, что учёные того времени ещё не знали, насколько сложно устроена клетка на ультраструктурном и тем более молекулярном уровне. Немногое было известно и о далёком прошлом Земли.

Когда во второй половине XX века валом посыпались новые потрясающие открытия (структура и механизм репликации ДНК, центральная догма молекулярной биологии, расшифровка генетического кода, новые данные об устройстве клеток и т. д.), прежние взгляды на живое были радикально пересмотрены. Как оказалось, жизнь — это что-то очень замысловатое, со сложной регуляцией, что имеет общее происхождение при огромном разнообразии. Представить её возникшей одним махом непросто. И всё же учёные собрались и начали действовать, скажем, «понемногу».

Начиная с 1960-х годов наступило время гипотез возникновения жизни на основе какого-то одного её компонента. Рецепт для современной клетки включает несколько обязательных ингредиентов: нуклеиновые кислоты, белки и объединяющая их воедино липидная «обёртка». И всё это обслуживает метаболизм, то есть обмен веществ, без которого эта конструкция мгновенно рухнет обесточенной.

Харизматичный биохимик из Лос-Анджелеса Сидни Фокс решил, что первыми собирать вокруг себя живую клетку начали белки. Он поддержал модную тенденцию, намеченную знаменитым опытом Миллера—Юри. Напомним, двое учёных в 1952 году успешно получили многие аминокислоты (в действительности намного больше, чем они сами думали) при помощи очень простой установки, в которой смесь воды и газов с восстановительными свойствами (метан, углекислота и водород) нагревали и подвергали действию электрических разрядов. Они просто «нагрели и посмотрели», и результат превзошёл все ожидания.

Воодушевлённый этим экспериментом Сидни Фокс тоже «нагрел и посмотрел» — и в итоге из смеси аминокислот получил частицы с рядом интересных свойств, включая способность к катализу. Это были так называемые протеиноиды и микросферы на их основе — отнюдь не белки, в которых аминокислоты соединены пептидными связями в строго определённом порядке. Фокс приготовил своего рода «запеканку» из аминокислот, случайным образом слипшихся в крупные и довольно устойчивые трёхмерные агрегаты.

Нашлись также и сторонники идеи о том, что жизнь началась с липидов. Они аргументировали свою точку зрения тем, что липиды с лёгкостью образуются и собираются в мицеллы (сплошные капли) и липосомы (тонкостенные пузыри). Вторые очень похожи на клеточные мембраны. А ещё липосомы способны к «росту» (за счёт вбирания новых молекул) и даже «делению» при распаде тех из них, которые окажутся слишком крупными.

Однако самой жизнеспособной оказалась гипотеза о начале живого с нуклеиновых кислот — и прежде всего с прославленного «мира РНК». Эта популярная концепция вобрала в себя многие давно витавшие в воздухе идеи, которые, наконец, изложил в своей обзорной статье в журнале «Nature» американский биохимик и физик, нобелевский лауреат Уолтер Гилберт в 1986 году.

РНК действительно очень хороший кандидат на роль первой самобытной жизни — благодаря разнообразию её функций. Она может кодировать генетическую информацию (как ДНК) и специфически ускорять химические реакции. Казалось, проблема решена и из шляпы фокусника показались солидные уши. За них долго тянули и шло довольно туго.

Проблем с «миром РНК» оказалось немало: ни получить нуклеотиды с помощью методологии «нагреть и посмотреть», ни склонить отдельную РНК к самокопированию не удавалось.

Ко всему прочему РНК едва ли могла самопроизвольно приобрести значительную концентрацию — предоставленная самой себе в растворе, она, как и другие биомолекулы, умеет главным образом распадаться… Элегантным аргументом в пользу (как казалось!) гипотезы «мира РНК» стало то, что основой «фабрик белков» — рибосом — оказалась именно РНК. Более того, она именно то, чем данный огромный молекулярный завод катализирует формирование пептидных связей: рибосома по своей сути — это рибозим, то есть РНК с активностью фермента. Kто-то предполагал, что первые рибосомы могли вовсе обходиться без белка и представляли собой сплошную РНК. Но если призадуматься, такое доказательство мира «чистой РНК» в высшей степени сомнительно. Зачем это древней РНК-овой сущности нужны эти чисто РНК-овые рибосомы, которые производят исключительно белки?

Словом, все эти однобокие теории здорово потеряли позиции. В результате наиболее убедительной сейчас выглядит гипотеза о «единстве с самого начала». Она предполагает, что первые биомолекулы возникли сообща, в одно и то же время и в одном и том же месте и к тому же из одних и тех же «реагентов». Считают, что возникнуть таким образом для них было проще, ведь происходившие по соседству реакции синтеза биомолекул помогали друг другу, взаимно катализируя образование своих соседей и стимулируя их хиральную чистоту, то есть преобладание одного из типов зеркальных изомеров.

Однако у проблемы несостоятельности первобытных биомолекул есть и другое возможное решение, куда более экзотическое.

Миры элементов

Помимо единства нуклеиновых кислот (олицетворяющих собой кодирование и копирование информации), белков (берущих на себя химические процессы, поддержание структуры, движение и т. д.) и липидов (ограничивающих клетку и делающих её неповторимой индивидуальностью) всякой живой клетке требуется ещё кое-что. Вся эта замысловатая конструкция, как выше упоминалось, быстро развалится, если её не будет поддерживать метаболизм. Без него невозможно ни питание, ни дыхание, ни копирование генетической информации — ведь всё это не даётся даром, а требует выполнения работы и затрат АТФ, то есть запасённой энергии. Или чего-то вроде АТФ — скажем, неорганических полифосфатов.

Возникновение метаболизма наводит на ассоциации с осознанным вмешательством со стороны и неким актом творения. Верно, речь о профессоре Франкенштейне, которому была необходима внешняя энергия в виде молнии, чтобы вдохнуть жизнь в структурно вполне готового монстра. И такая энергетическая (и не только) помощь жизни, считают некоторые, могла прийти со стороны. Со стороны чего-то, что существовало на Земле ещё раньше — а именно географической оболочки нашей планеты.

Действительно, довольно странно представлять себе первую жизнь, такую хрупкую и сложную, возникающей сферически-идеализированной в «вакууме» (под которым будем иносказательно понимать однородный и разбавленный раствор, как сейчас принято считать, пресноводный водоём). Жизнь зародилась на Земле примерно 4 млрд лет назад, когда планета являла собой хаотическую кипящую массу вулканов, метеоритных кратеров и активно изменяющихся и вступающих в химические реакции минералов. Отчего бы не воспользоваться всей этой энергетикой?

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Харакири по всем правилам Харакири по всем правилам

6 марта 1929 года произошло событие, которое взбудоражило всю Москву

Дилетант
Буревестники спрятались от сильного ветра в глазу бури Буревестники спрятались от сильного ветра в глазу бури

Буревестники нетипично ведут себя в бурю

N+1
От чего умер Ленин? От чего умер Ленин?

На момент смерти Ленину было всего 53 года. На здоровье он никогда не жаловался

Дилетант
Почему автомобили в жизни не взрываются, как в кино? Почему автомобили в жизни не взрываются, как в кино?

В боевиках автомобили взрывоопасны. Но почему в жизни такое происходит редко?

Maxim
«Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского «Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского

Почему тайну личности Достоевского способен постичь только врач?

Наука и жизнь
Как перестать сравнивать себя с коллегами и победить синдром самозванца — личный опыт топ-менеджера Microsoft Как перестать сравнивать себя с коллегами и победить синдром самозванца — личный опыт топ-менеджера Microsoft

Крис Капоссела рассказал о том, как он перестал сравнивать себя с другими

Inc.
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Смерть в чужой кровати: как в отелях умирали знаменитости Смерть в чужой кровати: как в отелях умирали знаменитости

Иногда смерть гостя приносит отелю славу и становится частью ее истории

Правила жизни
Бозон Хиггса — 10 лет спустя Бозон Хиггса — 10 лет спустя

Бозон Хиггса может стать ключом к решению некоторых основных проблем в физике

Наука и жизнь
Академик Олег Алифанов: Луна, безусловно, должна стать нашим приоритетом Академик Олег Алифанов: Луна, безусловно, должна стать нашим приоритетом

Надо ли людям летать в космос и остаемся ли мы космической державой?

Наука
«Новгороду быть!» «Новгороду быть!»

Почему Нижний Новгород Нижний и Новый

Дилетант
Откуда взялся свитер Данилы Багрова: история культовой одежды из фильма Откуда взялся свитер Данилы Багрова: история культовой одежды из фильма

Кинокостюм Данилы Багрова, как оказалось, был создан практически случайно

VOICE
Непокорный хан Кучум Непокорный хан Кучум

Как победитель Ермака предпочел почетному плену смерть в изгнании

Вокруг света
Легкой поступью Легкой поступью

Как решить проблему с болью в стопе и не допускать рецидивов?

Лиза
Первая русская манифестация Первая русская манифестация

С юности Владимир Новосильцев был, как казалось, настоящим баловнем судьбы

Дилетант
ДНК вымерших: как кости неандертальцев принесли биологу Нобелевскую премию ДНК вымерших: как кости неандертальцев принесли биологу Нобелевскую премию

Методы Сванте Паабо помогли основать целую науку о ДНК вымерших людей и животных

Forbes
Выработать свой стиль в одежде? Легко! Простые советы Выработать свой стиль в одежде? Легко! Простые советы

Как привести свой гардероб в порядок?

ТехИнсайдер
Почему ведьмы летают именно на метлах? Почему ведьмы летают именно на метлах?

Рассказываем увлекательную историю отношений ведьмы и метлы!

ТехИнсайдер
Пустые миры Пустые миры

Бездны космоса. Удивительные пустыни планет

Вокруг света
Текст должен быть событием: кто такая Анни Эрно, получившая Нобелевскую премию по литературе Текст должен быть событием: кто такая Анни Эрно, получившая Нобелевскую премию по литературе

Почему тексты нобелевского лауреата Анни Эрно могут казаться слишком личными

Правила жизни
Антон Мегердичев: «Я прогнозирую кризис полнометражного кино. Не только у нас» Антон Мегердичев: «Я прогнозирую кризис полнометражного кино. Не только у нас»

Режиссер суперхита «Движение вверх» — о своем новом фильме «Сердце Пармы»

Эксперт
Новый год — новая жизнь! 10 поднимающих настроение новогодних решений Новый год — новая жизнь! 10 поднимающих настроение новогодних решений

Делимся вдохновляющими идеями, как сделать свою жизнь лучше

ТехИнсайдер
Очень страшные истории: Очень страшные истории:

Cтеклянный глаз разрушенного завода блестит на солнце

VOICE
Девственники поневоле: кто такие инцелы и за что они не любят женщин Девственники поневоле: кто такие инцелы и за что они не любят женщин

Инцел — это человек, который не может найти себе сексуального партнера

Maxim
Китайская Народная Республика Китайская Народная Республика

Чем личный поворот на Восток отличается от публичного и почему еда превыше неба?

Правила жизни
Детская урбанистика: как бизнес может создавать комфортную городскую среду Детская урбанистика: как бизнес может создавать комфортную городскую среду

Дети становятся важным ориентиром для развития городских проектов будущего

Forbes
6 мифов об ангине 6 мифов об ангине

Ангина опасна своими осложнениями – от заболевания почек до ревматизма

Лиза
Как научиться у ребенка тайм-менеджменту Как научиться у ребенка тайм-менеджменту

Могут ли дети научить нас все успевать?

Psychologies
Когда появилась строевая подготовка и почему ею до сих пор занимаются в современной армии Когда появилась строевая подготовка и почему ею до сих пор занимаются в современной армии

«Если вы такие умные, то почему строем не ходите?»

VOICE
Как заводить друзей, когда ты уже взрослый Как заводить друзей, когда ты уже взрослый

После 30 лет новые друзья — это либо роскошь, либо вовсе не друзья

Maxim
Открыть в приложении