За последние несколько сотен лет научного прогресса мы пришли к глубокому пониманию неживого мира. Мы еще не достигли аналогичного, глубокого понимания живого мира. Происхождение жизни - это наш лучший шанс открыть для себя научные законы, регулирующие жизнь, поскольку оно знаменует собой точку отсчета от предсказуемого физического и химического мира к новому, зависящему от истории живому миру.
Происхождение широко рассматривается как одна из важнейших открытых проблем в науке. Она также известна тем, что является одним из самых сложных. Прошло почти 100 лет с тех пор, как научные усилия по решению этой проблемы начали предприниматься всерьез. Предположительно, что органический материал, находящийся в подходящих примитивных условиях окружающей среды, может начать усложняться, что в конечном итоге приведет к образованию живых клеток.
В течение нескольких дней эксперимент ученых привел к образованию органической слизи, которая содержала замечательные аминокислоты. В последующие десятилетия исследователям удалось создать практически все компоненты живых клеток при различных вероятных сценариях для пребиотической среды. Однако эти подходы "снизу вверх" еще не создали ничего более сложного, чем живая клетка. В лучшем случае, нам повезло создать короткие полипептиды, или полинуклеотиды, или простые везикулы - и это далеко не так уж и просто, как все живое. Основная проблема заключается в том, что современные клетки высокоразвиты, будучи продуктом эволюционного усовершенствования, продолжавшегося более 3,5 миллиардов лет.
Начиная с "сверху вниз" и удаляя как можно больше сложности, получаются "минимальные" клетки. Самый простой на сегодняшний день живой пример - убранная версия микоидов Mycoplasma с 473 генами. Хотя по биологическим стандартам этот организм прост, по химическим показателям он чрезвычайно сложен. Если вместо того, чтобы работать над построением минимальной функциональной формы жизни в лаборатории, экстраполировать ее назад во времени от уцелевшей жизни к ее первобытным предкам, мы обнаруживаем свойства последнего универсального общего предка LUCA: древнейшей жизни на Земле, свойства которой мы можем заключить на основе геномного анализа.
Какой бы ни была LUCA, это была высокоразвитая клеточная форма , дополненная механизмами генетической трансляции. Разумно ожидать, что подходы, работающие снизу вверх и сверху вниз, со временем будут сближаться, а жизнь где-то на этом пути будет складываться. Тем не менее, несмотря на значительный прогресс с обеих сторон, существует огромный залив, разделяющий наше понимание геохимии Земли на ранних стадиях и биомолекул, которые она может производить, от того, что мы знаем о древнейшей жизни.
LUCA представляет собой самую древнюю форму жизни, для которой у нас есть прямые доказательства. Можно провести грубую аналогию с поверхностью последнего рассеяния в космологии, которая представляет собой точку в космологической истории, когда Вселенная стала прозрачной для фотонов, чтобы информация могла свободно распространяться. У нас есть лишь косвенные свидетельства эпох, предшествующих расстыковке фотонов в ранней Вселенной, как и косвенные свидетельства эволюционной эпохи, предшествующей затвердеванию трансляционного механизма, позволяющего свободно распространять генетическую информацию.
Что касается космологии, то широко распространено мнение, что для понимания того, что произошло, мы должны иметь представление о физике, управляющей ранними эпохами. Аналогичным образом, чтобы сделать вывод о том, что произошло до нее, нам необходимо лучше понять универсальные свойства. Остается открытым вопрос, достигнем ли мы глубокого понимания жизни таким же образом, как и неживой мир, или наши нынешние подходы к физике адекватны для решения этой проблемы, или необходима новая физика.
Однако можно выдвинуть контраргумент, что именно в попытке понять переход от нежизни к жизни, где у нас есть все шансы понять те свойства, которые являются ее самыми фундаментальными. На наш взгляд, более абстрактные, универсальные подходы к истокам не только позволят переосмыслить проблему ее происхождения и зададут новые направления для прогресса, но и обеспечат новые пути продвижения синтетической жизни в лаборатории и в поисках жизни в других мирах.
Возвращение к химии и к истории.
В ходе переосмысления происхождения жизни (в целом) следует отметить, что вопрос о происхождении традиционно доминировал среди химиков, что ставит вопрос о том, стоит ли переосмысливать химический подход. Исторически сложилось так, что химия была очевидной отправной точкой, когда рассматривалась происхождение молекулярных структурных элементов. Одна из повторяющихся тем в химии происхождения жизни заключается в том, что как только определено потенциальное решение конкретной биосинтетической проблемы, например, эксперимент по синтезу аминокислот, выдвигаются аргументы в поддержку того, что конкретная химия/механизм является неотъемлемой частью происхождения.
Первым важным шагом в развитии молекулярной сложности является способность создавать углерод-углеродные связи; начиная с простых предшественников, образование углеродных связей может легко осуществляться через гетерокаталитические реакции введения карбонила, которые могут формировать как линейные, так и разветвленные продукты, обычно заканчивающиеся карбоксильными группами. Если, однако, окружающая среда также обеспечивает возможность частичного окисления насыщенных продуктов, то активация молекулярных продуктов для дальнейшей реакции была бы возможной.
Если бы в простой молекулярной системе одновременно существовали условия, снижающие вероятность катализируемых реакций введения карбонила, а также позволяющие частично окислить алкины до алкенов, то это позволило бы проводить реакции гидрации и дегидратации; реакции аминизации и деаминизации. Окислительное декарбоксилирование и реакции альдола и ретроалдола - все это создавало бы значительные молекулярные сложности для спонтанного развития. Например, если рассматривать гипотетическую химическую систему, начинающуюся с простых продуктов, таких как бутановая кислота и последующая изобутаноидная кислота, образующихся как из катализируемого введения карбонила, так и из пропена.
Позволяющих каждой из перечисленных выше реакций действовать на все продукты, можно найти (на "бумаге"), которые более чем на 100 различных молекулах могут вызывать достоверные утверждения. К ним относятся многие насыщенные и ненасыщенные поликарбоновые кислоты, аминокислоты, кетокислоты и спиртовые кислоты. Насколько нам известно, развитие такой молекулярной сложности экспериментально не было продемонстрировано для системы, управляемой главным образом этими реакциями. Однако есть свидетельства того, что такой сценарий произошел естественным образом, и, что более важно, система, похоже, требует создания динамической (регенеративной) сети органических реакций.
Недавно ученые выявили ряд кетокислот, гидроксильных трикарбоновых кислот, насыщенных трикарбоновых кислот и тетракарбоновой кислоты. В этой группе молекул особенно выделяются пировиногравиновая кислота, лимонная кислота и изоцитриловая кислота. Хотя пути к таким молекулам известны, все три молекулы являются реактивными и подвержены разложению в гидротермальных условиях. По оценкам, теплые влажные условия внутри примитивных плоскостей сохранялись в течение потенциально более чем миллионов - десятков миллионов лет - при тепловом распаде короткоживущих радионуклидов.
Следующий уровень сложности, вероятно, возник в результате спонтанного синтеза первых в мире "абиотических" полимеров. При слабом нагревании смеси поликарбоновых кислот и полиолов легко полимеризуются для образования случайных гиперразветвленных полимеров.
Интересно отметить, что такие примитивные макромолекулы могли служить наиболее примитивными "протоферментами", обеспечивающими микроокружение, которое может усиливать реакции, менее вероятные в растворе.
Сухой цикл влажного цикла может происходить во многих условиях, обусловленных различными механизмами: в любой природной среде такой цикл неизбежен с определенной частотой. Химическая система, способная спонтанно синтезировать функционализированные молекулы поликарбоновой кислоты, полиолы и, возможно, аминоспирты, также обладает способностью формировать функциональные HBP.
При переосмыслении химического происхождения жизни представляется необходимым охватить кажущуюся неизбежной "грязную" химию, которую должны проявлять естественные сети динамических органических реакций. Пограничные эксперименты по созданию устойчивых сетей динамических органических реакций дают возможность получить представление об эволюции химических систем и могут дать больше информации о химических ограничениях на уровне ядра, которые должны учитываться при создании первых живых систем Земли.
Проблема заключается в анализе (потенциально сотни динамических реакций, действующих параллельно), и представляется вероятным, что стандартная аналитика сбора молекул (хроматография с обнаружением, масс-спектрометрия или другие) окажется недостаточной для раскрытия основных научных данных в этой области. Заглядывая вперед, можно предположить, что путь вперед может заключаться в увязке сложной химии с теоретической физикой, основанной на данных статистической механики.