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

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

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
6 признаков того, что вы по-настоящему влюблены 6 признаков того, что вы по-настоящему влюблены

Просто симпатия или начало большого чувства?

Psychologies
Откуда вырос арифметический корень? Откуда вырос арифметический корень?

Попробуем разобраться в запутанной истории появления на свет знака радикала

Наука и жизнь
7 простых способов сделать образ с курткой модным — самые стильные приемы осени 7 простых способов сделать образ с курткой модным — самые стильные приемы осени

Семь фэшн-хаков для холодной погоды

VOICE
Земля. Прятки под мантией Земля. Прятки под мантией

Ядро Земли перестало вращаться, электромагнитное поле нашей планеты разрушается

Наука и жизнь
«Грустный, но полезный опыт»: как Лера Шулюмова открыла четыре ресторана в Москве «Грустный, но полезный опыт»: как Лера Шулюмова открыла четыре ресторана в Москве

Как исполнение мечты о собственном ресторане привело Леру Шулюмову в суд

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
Ученые из Великобритании выяснили, что вегетарианцы чаще страдают от депрессии. Но дело не в питании Ученые из Великобритании выяснили, что вегетарианцы чаще страдают от депрессии. Но дело не в питании

Исследователи установили, что вегетарианцы чаще мясоедов страдают от депрессии

Inc.
Дети декабря Дети декабря

Декабристы — безумцы, герои, предатели или лучшие сыны нации?

Дилетант
8 самых распространенных заблуждений про кофе 8 самых распространенных заблуждений про кофе

Давай проверим, что ты знаешь про самую популярную зависимость современности!

Maxim
Выживут только инфорги Выживут только инфорги

«Инфорги» — люди, которые придут на смену Homo Sapiens

Популярная механика
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
Александр Сокуров: «Власть не от Бога» Александр Сокуров: «Власть не от Бога»

Фильм «Молох» — не о Гитлере и не о немецком нацизме

Дилетант
Кино Кино

Подробный гид по азиатскому кинематографу

Правила жизни
Умный поселок: технологичный жилой комплекс с единой цифровой средой скоро появится в России Умный поселок: технологичный жилой комплекс с единой цифровой средой скоро появится в России

Что такое умный поселок и возможен ли он в России?

ТехИнсайдер
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.
«Я не хотела жить»: бывшая жена Пьера Нарцисса после его смерти перенесла депрессию «Я не хотела жить»: бывшая жена Пьера Нарцисса после его смерти перенесла депрессию

Экс-жена Пьера Нарцисса приходит в себя после смерти бывшего мужа

VOICE
Ценный кадр Ценный кадр

Как стать таким сотрудником, которого не уволят даже в кризис

Добрые советы
Звезды над дюнами Звезды над дюнами

Путешествие к секретам Аравийской пустыни

Вокруг света
5 древнейших цивилизаций, которые загадочно исчезли: от майя до скандинавских поселенцев 5 древнейших цивилизаций, которые загадочно исчезли: от майя до скандинавских поселенцев

Перед вами цивилизации, которые оставили археологам массу загадок

ТехИнсайдер

Что значит "стареть с достоинством"?

VOICE
Пелевин, Перес-Реверте и Фаулз. 5 книг с неожиданным финалом Пелевин, Перес-Реверте и Фаулз. 5 книг с неожиданным финалом

Романы с закрученными сюжетами, объемными персонажами и неожиданными финалами

СНОБ
«Ученицы» и систематические домогательства: как журналистка Настя Красильникова раскрыла «кружок» педагогов-насильников «Ученицы» и систематические домогательства: как журналистка Настя Красильникова раскрыла «кружок» педагогов-насильников

Настя Красильникова — допустима ли дружба между преподавателем и ученицей

Psychologies
Деструктивные отношения: почему так трудно уйти? Деструктивные отношения: почему так трудно уйти?

Почему разрыв «токсичного» союза не всегда самый очевидный выход

Psychologies
Вадим Фефилов: «Тени Мали». Продолжение романа «Клинки капитана Бенфики» Вадим Фефилов: «Тени Мали». Продолжение романа «Клинки капитана Бенфики»

Отрывок из продолжения романа о приключениях капитана Бенфики

СНОБ
Тося Чайкина Тося Чайкина

Почему Тося Чайкина не стремится к популярности?

ЖАРА Magazine
Одна вокруг света: пыльные дороги и дождевые леса Амазонии Одна вокруг света: пыльные дороги и дождевые леса Амазонии

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

Forbes
Панические атаки: что делать во время приступа и как их предотвратить Панические атаки: что делать во время приступа и как их предотвратить

Как огородить себя от приступов и что делать, если паника всё же вас охватила

ТехИнсайдер
Судебная драма «Аргентина, 1985»: как Латинская Америка победила военную хунту Судебная драма «Аргентина, 1985»: как Латинская Америка победила военную хунту

Как Сантьяго Митре показывает одно из главных событий в истории Аргентины

Forbes
Путешествия – способ узнать мир, в котором повезло жить Путешествия – способ узнать мир, в котором повезло жить

Путешествовать очень полезно для здоровья!

Здоровье
Открыть в приложении