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».
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?