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

Красный. Это Ferrari Красный. Это Ferrari

Красные феррари стали синонимом слова «скорость»

Вокруг света
Как ученые открыли в космосе силу, объясняющую аномалии Вселенной Как ученые открыли в космосе силу, объясняющую аномалии Вселенной

Загадка темной материи и темной энергии будет раскрыта

ТехИнсайдер
«Не допрос, а исповедь» «Не допрос, а исповедь»

Кульминация операции в отношении «антисоветской интеллигенции»

Дилетант
«Королева змей»: как Екатерина Медичи прокладывала путь к королевскому трону «Королева змей»: как Екатерина Медичи прокладывала путь к королевскому трону

Как «Королева змей» показывает одну из самых могущественных женщин XVI века

Forbes
Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Одна вокруг света: капибары, аллигаторы и кобры Одна вокруг света: капибары, аллигаторы и кобры

188-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Бразилия

Forbes
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
У пациентов с недавно диагностированной деменцией выявили повышенный риск суицида У пациентов с недавно диагностированной деменцией выявили повышенный риск суицида

Как риск суицида зависит от диагностированной деменции

N+1
Мир после запятой Мир после запятой

Как метрология помогает наукам развиваться, а людям объединяться

Наука и жизнь
От сидячей работы в мозгу накапливается токсичное вещество — вот чем это опасно От сидячей работы в мозгу накапливается токсичное вещество — вот чем это опасно

Как так получается, что вы весь день сидели на месте, но все равно устали?

ТехИнсайдер
«Русская акция» в Чехословакии «Русская акция» в Чехословакии

Как жилось в самой Чехословакии русским эмигрантам

Дилетант
Шесть мифов о диагностике Шесть мифов о диагностике

Исследования, которые не всегда эффективны при диагностике заболеваний

Здоровье
Пастораль Пастораль

Как живут сойоты, потомки древнейшего самодийского народа Восточных Саян

Вокруг света
Александр Аузан: «Уже в этом году Россия, думаю, выстроит экономику НЭПа 2.0» Александр Аузан: «Уже в этом году Россия, думаю, выстроит экономику НЭПа 2.0»

Александр Аузан — о параллельном импорте и новых правилах для бизнеса

РБК
Игра в Бога: как рука человека изменила орбиту астероида Игра в Бога: как рука человека изменила орбиту астероида

Люди впервые вмешались в природный ход небесных тел

Forbes
Свободная ниша: что не так со складами light industrial Свободная ниша: что не так со складами light industrial

Почему девелоперы не строят объекты востребованного формата light industrial

Forbes
В чем смысл жизни: почему люди веками ищут ответ на этот вопрос и можно ли его найти В чем смысл жизни: почему люди веками ищут ответ на этот вопрос и можно ли его найти

Нужно ли искать свой смысл жизни?

Psychologies
8 экспонатов выставки «Под маской Венеции» 8 экспонатов выставки «Под маской Венеции»

Гости выставки-приключения могли отправиться в Венецию XVIII века

Культура.РФ
Почему мы так любим кошек: причины, из-за которых их невозможно не любить Почему мы так любим кошек: причины, из-за которых их невозможно не любить

На самом деле, объяснить любовь к кошкам можно и с научной точки зрения!

ТехИнсайдер
Почему вирусы могут вызвать воспаление кишечника — и при чем тут наши гены Почему вирусы могут вызвать воспаление кишечника — и при чем тут наши гены

Обычная вирусная инфекция может вызвать воспалительное заболевание кишечника

ТехИнсайдер
Что мешает нам исцелить детские травмы: 5 препятствий Что мешает нам исцелить детские травмы: 5 препятствий

Далеко не всем выпало счастье расти с принимающей и любящей мамой

Psychologies
Как жили поэты и писатели Серебряного века в эмиграции: мемуары Ирины Одоевцевой Как жили поэты и писатели Серебряного века в эмиграции: мемуары Ирины Одоевцевой

Ирина Одоевцева — мемуаристка, воссоздавшая повседневность Серебряного века

Forbes
Надежный щит для иммунитета Надежный щит для иммунитета

Средства, которые поднимут твои защитные силы на новый уровень

Лиза
Почему опасно быть милым: 6 причин Почему опасно быть милым: 6 причин

Что плохого в умении быть приятным, любезным, легким в общении?

Psychologies
«Хватит это терпеть!»: как побороть агрессию партнера «Хватит это терпеть!»: как побороть агрессию партнера

Что делать, если партнер проявляет к вам агрессивное поведение?

Psychologies
Слез достоин каждый. О кинофестивальном хите «Исповедь» Слез достоин каждый. О кинофестивальном хите «Исповедь»

Как фильм «Исповедь» разрушает идею о коллективной ответственности

СНОБ
Исследовательница из Гарварда назвала 8 типов сложных в работе людей (и как ладить с самыми невыносимыми) Исследовательница из Гарварда назвала 8 типов сложных в работе людей (и как ладить с самыми невыносимыми)

Первый шаг к общению с раздражающими коллегами — знать, с кем вы имеете дело

Inc.
Зеленый — новый черный Зеленый — новый черный

Куда заводят мечты об экологичном транспорте?

Men Today
5 советов на основе научных исследований, которые помогут стать счастливее 5 советов на основе научных исследований, которые помогут стать счастливее

Как повысить субъективный уровень счастья и благополучия?

Inc.
Глобальный рост несчастья и эпоха изоляции: 3 новые книги на тему психического здоровья Глобальный рост несчастья и эпоха изоляции: 3 новые книги на тему психического здоровья

Три книги, которые рассказывают, как можно помочь себе в самые тяжелые времена

Inc.
Открыть в приложении