Колыбель жизни. В двух словах, почти без терминов и без истории науки, расскажу, как могла возникнуть жизнь на земле – из неживого. Думаю, людям, далеким от науки, важно просто понять, каковы сегодняшние представления о происхождении жизни на Земле – в отличие от знакомого со школы первобытного бульона Опарина. Да молекулы и не знали, что они так сложно называются, когда взаимодействовали. Зато у них была форма, структура, свойства, в частности, электрические. А между тем, вся органика строится всего из нескольких простейших химических элементов – углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и чуть-чуть металлов. Эти элементы входят в десятку самых распространенных элементов во Вселенной!
Оговорка для верующих: можем примириться на том, что всю эту эволюцию создал господь, ну просто день творения растянулся на миллиарды лет.
Самый главный признак жизни – это эволюция. К этому выводу пришли эксперты NASA. А значит, размножение, причем с копированием (наследованием) и изменчивостью. А тогда единица жизни – это ген, цепочка РНК. А она появилась еще до клеточной формы жизни.
Провидец Дарвин предполагал, что жизнь могла появиться «в маленьком теплом пруду». Посмотрим. Случайность? Конечно. Но в то далекое время, миллиарды лет назад, условия были таковы, что жизнь возникала на нашей планете многократно! И погибала. И выжила. Что за условия? Да, в частности, никто еще не съедал эти комочки! Не было даже бактерий.
Преджизнь
Среда. Возраст Земли – 4,5 млрд лет. История живых существ началась 4,0 – 3,6 млрд лет назад. Температура воды была выше ста градусов, а воздух был еще горячей, и воду рассекали молнии. Не очень комфортные условия для сегодняшних форм жизни? Но надо привыкнуть к мысли, что мы произошли от термофильных микроорганизмов, для которых комфортными были 65-80ОС, и ко времени их появления вода остынет. Зато мог образовываться строительный материал для будущей жизни.
В атмосфере древней Земли преобладал углекислый газ, из других газов водород, водный пар, углеводороды, азот и его производные аммиак и аммоний. Если долго греть и бить током простейшие молекулы из перечисленной смеси, образуется масса сложных и разнообразных веществ. В воде при высоких температурах и разрядах молний (как в аппарате Миллера) получались сначала короткие органические молекулы, потом простейшие аминокислоты, cахара, органические кислоты, жиры... Затем они усложнялись. Это длинные цепочки, но они состоят всё из тех же нескольких базовых химэлементов. Появились пептиды – это важно!: пептидные связи, содержащие азот, соединяют аминокислоты в составе белка. Из аминокислот получались цепочки белков, а из моносахаридов цепочки углеводов. Всё это прослежено в лаборатории.
Важным источником строительного материала жизни были глубоководные черные курильщики – гейзеры на дне океана. Здесь шло присоединение к органическим молекулам атомов металлов: железа, цинка, марганца и меди и сульфидов этих металлов. Тоже ничего сложного, да? Там могли возникать особые белки – ферменты. Там могло происходить связывание серы и азота и превращение некоторых кислот в аминокислоты. Заметим, в современных клетках содержатся железосерные кластеры, но на поверхности Земли этих элементов в древности не было. Зато в связанном виде их из черных курильщиков могло выносить течением вверх.
Не там ли возникла жизнь? Нет. Черные курильщики только делали свой вклад в «первобытный бульон» Опарина. Но до жизни было еще далеко: 1) Для сложных реакций в океане было слишком много воды 2) В воде еще нет нуклеотидов, из которых строятся ДНК и РНК. 3) Еще не возникла закрученность молекул в определенную сторону, а без нее молекулы укладываются друг на друга беспорядочно и плохо взаимодействуют. 4) В океане нет фосфора в растворимой форме, а он необходим для жизни как накопитель энергии в составе АТФ.
Так был сделан вывод, что жизнь возникла не в океане, а на поверхности Земли!
Перед появлением мира РНК
Сейчас популярна модель возникновения жизни под названием «первичная пицца» - она дополнила «первичный бульон» Опарина. В пористых средах на мелководье образовывалась высокая концентрация органических и неорганических веществ – «первичный майонез». Он растекался по глине, заполнял ямки, поры и трещинки, а также скудный водный слой между слоями глины.
Более того, еще более насыщенная и разнообразная химическая среда могла возникнуть в районе вулканов и гейзеров, геотермальных источников и грязевых котлов. Там был непрерывный поток углерода и энергии через природные катализаторы, и перепады температур, и электрические явления. И здесь, в отличие от океана, были сульфиды цинка и марганца и растворимые соединения фосфора (а это источник энергии для зарождающейся жизни). И именно здесь, в грязевых котлах, на гидроксиапатите или солях бора и молибдена осаждался сахар рибоза! Рибоза понадобится для построения РНК. Из океана сюда приносило аминокислоты, сахара, жиры.
И здесь могли образовываться нуклеотиды! Как белки состоят из бусинок – аминокислот, так и гены (РНК и ДНК) тоже состоят из бусинок - это нуклеотиды (их всего 4 вида). Чтобы произошло рождение нуклеотида, надо, чтобы объединились все три его составляющие (азотистое основание, сахар рибоза и растворимый фосфат). Происходить могло так:
Под ультрафиолетом солнца, из дождей и вулканических газов синильная кислота попадала в озеро с водой из геотермального источника, богатой органикой, цианидом, формальдегидом... Потом озеро пересыхало, и разные соли кольцами откладывались на его берегах. Причем менее растворимые выпадали в осадок первыми и откладывались ближе к исходным берегам. А более растворимые оставались на самом глубоком месте озерной впадины. Потом вулканическое тепло прокаливало осадки и соединяло различные вещества. Когда вулкан успокаивался, и высохшее озеро вновь оказывалось залитым геотермальной водой с сероводородом, по запекшейся корке солей текли ручьи из «первичного майонеза, и тогда шел синтез аминокислот и нуклеотидов, причем всех четырех видов (А.Т, Г и Ц).
Нуклеотиды возникали в неживой природе многократно! Здесь начинается отбор! Пока еще на химическую и механическую устойчивость. Живых существ еще нет, поскольку нет размножения.
А что дальше? При температуре 120 градусов белки разложились бы, но не РНК. Она, наоборот, собирается в цепочки из нуклеотидов. Это происходило при неполном пересыхании луж, в крепком рассоле, где все молекулы воды связаны с ионами натрия и хлора. Три нуклеотида на полусухом ложе – и первая цепочка РНК собралась! Всего 3 нуклеотида – и этого было бы достаточно, чтобы построить на себе одну аминокислоту (бусинку белка). Хоть это уже и ген, но это по-прежнему еще только одна молекула, а не живое существо. Первые РНК возникают случайно, но часто.
При облучении глины ультрафиолетом, оседающие в ее трещинах нуклеотиды аккуратно выстраиваются в цепочку еще до возникновения между ними химических связей, и среди цепочек много правильно закрученных. А потом в темноте с ручейком воды происходит приток новых нуклеотидов, и цепочки растут. Ночью вода приносит также белки и жиры, и днем под их слоем в высыхающем растворе нуклеотиды могут накапливаться, располагаться упорядоченно, а поэтому и легко соединяться. (У вирусов, которые представляют собой только геном и ничего больше, есть белковая оболочка; у бактерий жировая).
Закладываются основы будущего обмена веществ. Возникают неживые комплексы химических реакций, очень похожих на будущие метаболические циклы. Они могли протекать в порах в глине или минералах или внутри жировых пузырьков. И если в такие поры водой приносило цепочки РНК, то они могли присоединиться к таким комплексам реакций для получения свободных электронов. (В частности, еще до возникновения жизни могли вначале идти брожение и цикл Кребса).
С притоком воды в порах глины оставались только длинные РНК, потому что короткие вымывались потоком.
И тогда могло произойти первое копирование! В замкнутых порах при высокой концентрации магния и цитрата без ферментов может идти самопроизвольное копирование.
Мир РНК
Форма жизни, состоящая только из цепочек РНК?? Почему нет? Это всё, что есть у вирусов и сперматозоидов – ну еще белковые мембрана и жгутик для движения. Хотя возможно, что современные вирусы возникли путем упрощения из настоящих клеток. Но с них действительно могло всё начинаться, и возможно, их история никогда не прерывалась.
Шли миллионы лет, Земля остывала, и белки уже не сворачивались от высоких температур. Сначала РНК копировались внешними силами. Это было очень неустойчивое и слишком однообразное копирование.
Да, самокопирование - это великая случайность. Но! Вместо рождения одной-единственной волшебной молекулы, которая внезапно начинает копировать себя, проще представить, что в «первичном майонезе» возникла удачная комбинация из молекул, каждая из которых исполняет какую-то случайную химреакцию или катализ, и в один прекрасный день возникает такая комбинация реакций, которая замыкается в цикл. Можно себе представить совсем простую форму жизни, где РНК работает за троих: за себя (функция копирования), за ДНК (функция хранения) и за белки (строительство и катализ). Может быть, начало жизни – это когда встретились три подходящие короткие цепочки РНК и вступили во взаимодействие; из материала среды одна строила другую. Первое самокопирование РНК шло в густом растворе путем крупноблочной сборки. У истоков самокопирования могла стоять сравнительно простая конструкция. Это была молекула, состоящая из двух симметричных лопастей. (Транспортной РНК в наши дни присуща крестовидная форма – стебелек и три листика, так называемая шпилька). При наличии повторов, нити РНК (оригинал и копия) легко отрываются друг от друга.
(Симметричные РНК в экспериментах собирали копии друг друга из крупных блоков. Важно, что они были разной длины. Длинная цепочка РНК (87 звеньев) была способна построить свою зеркальную копию из 11 коротких РНК по 8-11 нуклеотидов, а копия строила свою собственную зеркальную копию из других коротких РНК. Менее, чем за час, длинные цепочки РНК удваивали свою численность).
Хотите знать, как события развивались дальше, читайте статью полностью: http://samlib.ru/editors/s/smirnowa_m/kolybel.shtml.