Апрель 1953 года. Мир узнает о двойной спирали ДНК – ключе к наследственности. Май того же года приносит новость: в пробирке, имитирующей молодую Землю, самопроизвольно возникли аминокислоты. Сентябрь оглашает сенсацию — Земле 4.5 миллиарда лет. Казалось, тайна зарождения жизни вот-вот раскроется. Семь десятилетий спустя мы знаем о жизни неизмеримо больше, но окончательного ответа все еще нет. Что изменилось за эти годы? И куда ведут самые передовые исследования сегодня?
До 1953 года вопрос о происхождении жизни оставался глубокой тайной. Ученые понимали, что жизнь состоит из клеток, но механизмы их работы, процессы передачи информации и самозарождения были покрыты мраком. Три открытия 1953 года — структура ДНК Уотсона и Крика, эксперимент Миллера-Юри по абиогенному синтезу аминокислот и точное определение возраста Земли Паттерсоном и Хоутермансом — дали мощнейший импульс науке. Они предоставили фундаментальные кирпичики: механизм наследственности, доказательство возможности самозарождения строительных блоков жизни и четкие временные рамки для поисков. Казалось, что полная картина вот-вот сложится.
Сложность жизни: Гораздо больше, чем двойная спираль
Воодушевление 1950-х годов столкнулось с суровой реальностью: жизнь оказалась невероятно сложной. Открытие структуры ДНК породило взрыв исследований. Ученые расшифровали генетический код, поняли, как ДНК управляет синтезом белков — основы организмов. Но последующие десятилетия показали, что даже простейшая клетка — это чудо инженерии. Исследование 2022 года, создавшее первую полную 3D-модель бактериальной клетки Mycoplasma genitalium (выбранной из-за малого числа генов), заняло более восьми месяцев только для определения форм белковых молекул. Эта сложность далека от представлений 70-летней давности.
Ранний акцент на ДНК и репликации привел к взгляду на жизнь преимущественно через призму передачи генетической информации. Однако современная биология признает: жизнь — это не только геном. Клетки — динамичные системы, где компоненты постоянно взаимодействуют, движутся, трансформируются, поддерживая внутренний баланс (гомеостаз).
Свести жизнь к репликации ДНК или любому другому единственному процессу — значит упростить ее до неузнаваемости. Эта сложность объясняет, почему у науки до сих пор нет единого, общепринятого определения «жизни». Обзор десятилетней давности насчитал 123 различные дефиниции! Новые теории, например, Теория Сборки (Assembly Theory), пытаются описать универсальный путь эволюции сложности материи, где жизнь — точка достижения определенного порога.
Древняя Земля: Новый контекст для древней загадки
Трудности с определением жизни не означают тупик в изучении ее истоков. Напротив, понимание сложности открывает множество теоретических путей, как химические смеси могли самоорганизоваться в первые организмы. Ключевым стал прогресс в понимании условий на юной Земле.
До 1953 года возраст планеты оставался загадкой. Радиоактивное датирование, открытое в 1896 году, дало метод, но геологическая активность Земли разрушает древнейшие породы. Прорыв совершил анализ метеоритов — реликтов эпохи формирования планет. В сентябре 1953 года Клэр Паттерсон с коллегами (а в декабре того же года Фриц Хоутерманс, первым опубликовавший данные) на основе исследования метеорита Каньон Дьябло установил возраст Земли — 4.55 миллиарда лет (Хоутерманс дал оценку 4.5 млрд лет).
Это открыло временное окно для зарождения жизни. Старейшие известные в 1953 году окаменелости имели возраст чуть более 500 миллионов лет. Но вскоре нашли древнее: в 1957 году описали Charnia (около 570 млн лет), а позже обнаружили следы микробов в породах Пилбара (Австралия) возрастом 3.5 миллиарда лет. Исследования эволюционного древа указывают, что последний универсальный общий предок (LUCA) существовал как минимум 3.9 миллиарда лет назад.
Важнее то, что мы теперь знаем о самой планете. Последние 20 лет исследований рисуют картину: Земля остыла и обзавелась океанами, потенциально пригодными для жизни, уже около 4.2 миллиарда лет назад. «В последние годы гораздо шире признается наличие воды на ранней Земле», — отмечает Бет А. Белл (UCLA). Суша, вероятно, тоже появилась рано — есть свидетельства ее существования 3.7 миллиарда лет назад. Это значит, у жизни было множество возможных колыбелей — в морях и на суше. За 70 лет мы продвинулись и в понимании как она могла возникнуть.
От Миллера-Юри к РНК-миру и метаболизму: Эволюция экспериментов
Эксперимент Стэнли Миллера, проведенный в конце 1952 года и опубликованный 15 мая 1953 года, стал знаковым. Молодой ученый смоделировал гипотетические условия ранней Земли: «океан» (колба с водой), «атмосферу» (метан, аммиак, водород) и «молнии» (электроды). Через несколько дней вода потемнела, а анализ показал наличие глицина — простейшей аминокислоты, строительного блока белков. Миллер доказал, что ключевые для жизни молекулы могут самопроизвольно образовываться в естественных условиях. Его руководитель, Гарольд Юри, скромно позволил Миллеру стать единственным автором славы, хотя установку часто называют экспериментом Миллера-Юри. «Это до сих пор самый известный публике эксперимент», — говорит Джоана Ксавье (Dayhoff Labs).
Однако аминокислоты – лишь начало. Они распространены даже в космосе и не означают возникновение жизни. «Создать аминокислоты — не значит создать жизнь», — подчеркивает Ксавье. Главный вопрос: какие фундаментальные процессы жизни возникли первыми?
Открытие ДНК склонило многих к мысли о приоритете генетики. Но сегодня мало кто считает, что ДНК присутствовала в первых организмах. На передний план выдвинулась гипотеза «Мира РНК». РНК — молекулярный «кузен» ДНК – обладает уникальным свойством: она может не только хранить генетическую информацию (как ДНК), но и ускорять химические реакции (как белки-ферменты). За последние 40 лет химики показали, что молекулы РНК способны выполнять многие функции жизни. Например, они создали РНК, которая может надежно копировать другие встреченные РНК-цепочки с минимальной помощью.
Рё Мидзучи (Университет Васэда, Токио) продемонстрировал эволюционный потенциал РНК. В 2022 году его команда показала, что одна РНК-цепочка может эволюционировать в пять «линий» с разными генетическими свойствами — возможный предшественник различных генов в полноценном геноме.
Первобытный суп и сила металлов: Не только РНК
Но даже Мидзучи считает фокусировку только на РНК упрощением. Другие биомолекулы играли не менее важную роль. Альтернативный подход — изучение метаболизма, набора реакций, обеспечивающих питание и поддержание жизни. В современных организмах эти процессы контролируются сложными ферментами. Однако с 2014 года серия экспериментов показала: многие ключевые метаболические реакции могут протекать самопроизвольно в воде без ферментов! Для запуска достаточно простых, широко распространенных в природе металлов — железа, никеля, кобальта.
Джоана Ксавье и ее коллеги исследуют более общие принципы таких химических сетей. Ключ к жизни, по ее мнению, — автокатализ. Это способность набора молекул вступать в реакции, которые в итоге воспроизводят сами эти молекулы. В 2022 году Ксавье и Стюарт Кауффман (Институт системной биологии, Сиэтл) проанализировали 6683 сети химических реакций в одноклеточных микробах. Каждая сеть содержала автокаталитический набор. Это доказывает, что способность к самовоспроизведению реакций — фундаментальное и распространенное свойство.
Но есть нюанс. Автокаталитические сети в живых организмах не замкнуты. Им требуется помощь извне. И эту помощь, по мнению Ксавье, снова предоставляют металлы окружающей среды. «Вся жизнь зависит от металлов», — утверждает она. Это лишь один пример глубокой связи жизни с ее планетарным контекстом.
Жизнь как сообщество: Новейшая парадигма
Именно на контекст теперь обращают главное внимание многие исследователи. «Нельзя отделить жизнь от планеты», — заявляет Бетюль Качар (Университет Висконсин-Мэдисон). Одно из главных изменений в исследованиях происхождения жизни за последние десятилетия — отход от простого смешивания химикатов в колбе (по модели Миллера) к экспериментам, имитирующим сложную четырехмерную среду (с пространством и изменениями во времени). Предлагаемые «колыбели жизни» включают геотермальные источники на суше (с циклами высыхания/увлажнения под УФ-светом) и глубоководные гидротермальные жерла (с богатыми химическими потоками из недр).
Наконец, растет понимание, что главная подсказка о происхождении жизни, возможно, всегда была перед нами: жизнь — это сообщество. Сегодня все организмы зависят от других. Это заставляет ученых сместить фокус с поиска «первого организма» на поиск «первой экосистемы». Джоана Ксавье предполагает, что эта первобытная экосистема могла иметь трехмерную структуру – подобную биопленкам бактерий, забивающих трубы. Возможно, индивидуальных клеток изначально не существовало вовсе.
Post Scriptum
Семьдесят лет невероятного прогресса в молекулярной биологии, геологии и химии не принесли нам окончательного ответа на вопрос о происхождении жизни. Но они кардинально изменили сам вопрос. Мы знаем, что жизнь невероятно сложна, гораздо сложнее, чем предполагали Уотсон, Крик или Миллер. Мы понимаем, что она зародилась на очень молодой, но уже обладающей океанами и континентами Земле, в период между 4.2 и 3.9 миллиардами лет назад. Мы отошли от упрощенных моделей «первой молекулы» (будь то ДНК или РНК) к комплексным сценариям, где ключевую роль играют автокаталитические сети химических реакций, взаимодействие с минералами и металлами планеты, и, возможно, изначальная коллективность жизни.
Эксперименты стали сложнее, модели – ближе к реальным древним условиям. Гипотеза «Мира РНК» остается мощной, но уже не единственной. Поиски смещаются к реконструкции не первого организма, а первой экосистемы – сообщества взаимодействующих химических процессов. Путь к разгадке величайшей тайны биологии оказался длиннее и извилистее, чем казалось в 1953 году, но каждый шаг по нему открывает удивительные грани самой жизни.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже 👇👇👇 либо нажать на кнопку «Поддержать» чуть ниже этого сообщения (с правой стороны). Ссылка