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

Студент Эйнштейн Студент Эйнштейн

Путь Эйнштейна в науку был совсем не таким прямым и естественным

Наука и жизнь
12 лучших хоррор-фильмов с черным юмором 12 лучших хоррор-фильмов с черным юмором

То ли фильмы ужасов, то ли чистой воды кинокомедии

Maxim
«Кладовые солнца» калужской земли «Кладовые солнца» калужской земли

Болота. Много или мало их в России?

Наука и жизнь
История WelcomeBackHome История WelcomeBackHome

Как зарабатывать десятки миллионов рублей в год на тех, кто ищет смысл жизни?

Inc.
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
Почему медики не советуют принимать пищу слишком поздно: открытие расставило все точки над i Почему медики не советуют принимать пищу слишком поздно: открытие расставило все точки над i

Почему нам так вредны перекусы в ночное время.

ТехИнсайдер
Корея против Кореи Корея против Кореи

Эту войну называют «забытой». В Советском Союзе о ней мало писали и говорили

Дилетант
Алена Яковлева: Алена Яковлева:

Алена Яковлева уже более тридцати пяти лет служит в Театре сатиры

Караван историй
Герасим и топор, или Преступление без наказания Герасим и топор, или Преступление без наказания

Вероятно, это самое знаменитое описание преступления в мировой литературе

Дилетант
Геотермальные батареи решат главную проблему альтернативной генерации Геотермальные батареи решат главную проблему альтернативной генерации

Что такое геотермальные источники энергии?

ТехИнсайдер
Одиноко сидит город Одиноко сидит город

Все чаще слышны разговоры о том, что у больших городов нет будущего

Вокруг света
Нечисть, дуэли и будни кино: о чем снимают новые российские сериалы Нечисть, дуэли и будни кино: о чем снимают новые российские сериалы

Почему герои новых российских сериалов больше не хотят ждать ни секунды

РБК
Механические дрожки уральского мастера Механические дрожки уральского мастера

Заглянем в Зал карет Реставрационно-хранительского центра Эрмитажа

Дилетант

История выражения "Голодающее Поволжье" уходит корнями в 1920-е

ТехИнсайдер
Натирало, сползало, душило: это женское белье времен СССР было сущим кошмаром Натирало, сползало, душило: это женское белье времен СССР было сущим кошмаром

Какое счастье, что эпоха советского белья позади

VOICE
Самые интересные конкурсы на корпоратив: эти игры понравятся всем! Самые интересные конкурсы на корпоратив: эти игры понравятся всем!

Развлечения для всей компании на корпоратив

ТехИнсайдер
Безумно богатые русские: как олигархи объясняют свой успех талантом, умом и генетикой Безумно богатые русские: как олигархи объясняют свой успех талантом, умом и генетикой

Отрывок из книги «Безумно богатые русские. От олигархов к новой буржуазии»

Forbes
Президент фонда «НИКА» — об эмпатии и ответственности перед животными Президент фонда «НИКА» — об эмпатии и ответственности перед животными

Почему сегодня особенно важно не бросать питомцев и чем каждый может помочь

РБК
Как начинался творческий путь Николая Цискаридзе. Отрывок из автобиографии Как начинался творческий путь Николая Цискаридзе. Отрывок из автобиографии

Фрагмент из автобиографии ведущего артиста Большого театра Николая Цискаридзе

СНОБ
Совсем не первопроходец: 10 малоизвестных фактов о Христофоре Колумбе, которых вы скорее всего не знали Совсем не первопроходец: 10 малоизвестных фактов о Христофоре Колумбе, которых вы скорее всего не знали

Кто открыл Америку?

ТехИнсайдер
Мужчина и женщина: друзья или будущие любовники? Мужчина и женщина: друзья или будущие любовники?

Возможна ли дружба между мужчиной и женщиной?

Psychologies
«Любовь — это постоянная борьба и баттл» «Любовь — это постоянная борьба и баттл»

В начале 2022 года в жизни Мота начался новый этап

OK!
От какой одежды надо отказаться в 30, 40, 50 и 60 лет: мнение фэшн-эксперта От какой одежды надо отказаться в 30, 40, 50 и 60 лет: мнение фэшн-эксперта

Собираешься носить мини-юбки после 40? Это большая ошибка!

VOICE
Пеночки с Аляски отдохнули в России по пути на зимовку на Филиппины и Палау Пеночки с Аляски отдохнули в России по пути на зимовку на Филиппины и Палау

Орнитологи уточнили маршруты миграций пеночек-таловок с Аляски

N+1
Музыка и мозг Музыка и мозг

Музыка делает детей умнее, эмпатичнее и креативнее

Здоровье
10 мужских недостатков, которые на самом деле достоинства 10 мужских недостатков, которые на самом деле достоинства

Иногда полезно взглянуть на недостатки немного другими глазами

VOICE
Как вылечить хроническую боль в спине? Ответ ученых! Как вылечить хроническую боль в спине? Ответ ученых!

Индивидуальная терапия и психотерапия — как вылечить боль в спине

ТехИнсайдер
Самые красивые грузинки — артистки, модели, телеведущие, которых ты точно знаешь! Самые красивые грузинки — артистки, модели, телеведущие, которых ты точно знаешь!

Грузинки славятся своей красотой, стилем, характером и утонченными манерами

VOICE
Начать заново Начать заново

Как две подруги основали в Воронеже студию реставрации старой мебели

Новый очаг
И обувь очистит, и макияж снимет... Вот, что ещё умеет оливковое масло! И обувь очистит, и макияж снимет... Вот, что ещё умеет оливковое масло!

Как еще можно использовать оливковое масло, кроме как заправить салат

ТехИнсайдер
Открыть в приложении