Долгие десятилетия наука рисовала почти идиллическую картину: первые кирпичики жизни неторопливо и поодиночке складывались в первобытном океане, давая начало простейшим формам. Эта классическая история теперь трещит по швам. Новые данные убедительно доказывают — все могло произойти настолько стремительно, что больше напоминало химический фейерверк, чем медленную сборку. Эта гипотеза может не только изменить представление ученых о нашем прошлом, но и указать, где стоит искать братьев по разуму.
Вопрос о том, как неживая материя превратилась в живую, пожалуй, самый глубокий и сложный в науке. Земля сформировалась почти 4,5 миллиарда лет назад и на начальном этапе представляла собой безжизненный, раскаленный ад, который постоянно бомбардировали астероиды. Всего через миллиард лет, судя по древнейшим окаменелостым строматолитам, на ней уже процветали микроорганизмы. Этот головокружительный скачок от химии к биологии ученые пытаются объяснить больше века.
Традиционные подходы исходили из кажущейся очевидной идеи: клетка — невероятно сложная система. Значит, она не могла возникнуть целиком. Сначала должен был появиться один простой компонент — например, способная к самокопированию молекула или примитивная мембрана. Этот «первопроходец» выжил и постепенно, шаг за шагом, обзавелся остальными функциями.
Ученые сосредоточили усилия на поиске этого «первого кирпичика». Одни видели его в белках, другие — в молекулах РНК, третьи — в липидных пузырьках. Каждая из этих гипотез имела свои успехи в лаборатории, но все они упирались в фатальную проблему. Ни один из компонентов в одиночку не демонстрировал поведения, даже отдаленно напоминающего жизнь. Получался либо «двигатель без машины», либо «кузов без колес». Прорыв не наступил, а загадка лишь углубилась.
Парадоксально, но выход из тупика подсказала идея, долгое время считавшаяся почти фантастической. А что, если жизнь с самого начала была комплексной? Что если гены, мембраны и метаболизм — три столпа биологии — возникли не поочередно, а вместе, в результате одних и тех же химических процессов? Эта концепция «всего и сразу», или «химического большого взрыва», набирает силу, подкрепленная двумя независимыми линиями доказательств. Первая касается химического родства, вторая — удивительного поведения первых «протоклеток».
Ключевой прорыв совершили биохимики. Долгое время исследователи считали, что нуклеиновые кислоты (носители генов), белки (рабочие лошадки клетки) и липиды (строители мембран) настолько различны по структуре, что вряд ли могли синтезироваться в одном месте из одного набора «ингредиентов». Эта догма рухнула.
Первые улики нашли в метеорита, ровесников Солнечной системы. В знаменитом Мерчисонском метеорите, упавшем в Австралии в 1969 году, ученые обнаружили целый коктейль пребиотических веществ. В 1985 году Дэвид Димэр обнаружил там молекулы, похожие на липиды и способные формировать мембраны. Позже в том же метеорите идентифицировали аминокислоты, а в 2008 году — компоненты РНК. Количество было небольшим, но факт их совместного присутствия в древнем космическом камне говорил о многом.
Лабораторные эксперименты превратили эту подсказку в железобетонное доказательство. Эрнесто Ди Мауро из Римского университета Сапиенца более 20 лет изучал потенциал простейшего соединения — формамида. Эта молекула, родственная цианиду, широко распространена в космосе и почти наверняка присутствовала на молодой Земле. Команда Ди Мауро показала, что при нагревании до 160 градусов по Цельсию в присутствии обычных минералов, например известняка или глины монтмориллонита, формамид порождает целый спектр веществ, включая строительные блоки РНК и аминокислоты.
Еще более впечатляющие результаты получил Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям в Кембридже. Работая с цианамидом и другими простейшими прекурсорами, его группа синтезировала нуклеотиды — мономеры для сборки цепочек РНК. Реакция требовала циклических условий: ультрафиолетового облучения, периодического высушивания и смачивания. Самое главное — те же самые исходные вещества в схожих условиях давали предшественников аминокислот и липидов. Все клеточные подсистемы могли возникнуть одновременно благодаря общей химии.
Ученые назвали этот принцип «химией Златовласки». Для зарождения жизни нужна была не чистая, стерильная среда, а «правильная» смесь — достаточно разнообразная, чтобы в ней шли сложные реакции, но не настолько хаотичная, чтобы все превращалось в бесполезную смолу. В таких «золотых» условиях ключевые молекулы жизни могли формироваться бок о бок.
Но химического родства мало. Как эти разрозненные молекулы собрались в нечто целое, способное к росту и делению? Здесь на сцену выходит второе направление исследований — создание протоклеток.
Пионером в этой области стал уже упомянутый Дэвид Димэр. Еще в 70-х годах прошлого века он показал, что простые липиды могут самопроизвольно организовываться в сферические пузырьки с двойным слоем, как у настоящих клеток. Однако он признал, что липидный пузырек сам по себе — лишь оболочка без содержания.
Прорыв совершила группа Джека Шостака из Гарвардской медицинской школы. Начиная с 2003 года, они создавали модели протоклеток с мембранами из жирных кислот, внутрь которых помещали молекулы РНК. Оказалось, что частицы глины монтмориллонита катализируют сборку таких пузырьков и часто оказываются внутри них, заодно затягивая туда и цепочки РНК. Такие протоклетки вели себя поразительно «живо». Чем больше РНК они захватывали, тем активнее росли их мембраны. В процессе роста они вытягивались, и обычное физическое поверхностное натяжение разрывало их надвое — так происходило примитивное деление, очень похожее на клеточное.
«Рост и деление могут быть результатом простых физико-химических сил, без какого-либо сложного биохимического механизма», — отметили авторы. Позже им удалось добиться и копирования молекул РНК внутри этих искусственных клеток.
Таким образом, протоклетки Шостака объединяют два из трех ключевых признаков жизни: структурную целостность (мембрану) и наследственность (самокопирующуюся РНК). Не хватает только полноценного метаболизма — системы химических реакций по добыче энергии. Но и здесь есть прогресс. Оказалось, что многие ключевые метаболические реакции могут катализироваться не белковыми ферментами (которых тогда не было), а кластерами атомов железа и серы.
Эти минералы в изобилии присутствовали на ранней Земле. Шостак и его коллеги показали, что такие железо-серные кластеры могут формироваться внутри протоклеток под действием ультрафиолета. Работа над интеграцией метаболических циклов в протоклетки продолжается.
Собранные вместе, эти данные рисуют новую, динамичную картину генезиса. В мелких теплых водоемах на суше, богатых простой органикой вроде формамида или цианамида, под лучами ультрафиолетового солнца шла бурная химия. Минеральные поверхности, особенно глины, служили катализаторами и площадками для реакций. В этих условиях синтезировались и липиды, и нуклеотиды, и аминокислоты. Липиды тут же собирались в пузырьки, захватывая внутрь все, что было вокруг, включая цепочки РНК. Так рождались первые протоклетки, которые сразу начинали конкурировать за «строительный материал», расти и делиться. Жизнь не собирали по винтику — ее «вспыхнули», как сложную химическую сеть, в подходящих условиях.
Эта смена парадигмы имеет далеко идущие последствия. Она резко сужает круг возможных «колыбелей жизни» на Земле. Популярная гипотеза о глубоководных гидротермальных источниках, где стабильная, но темная и бедная ультрафиолетом среда, теряет шансы. Напротив, все указывает на мелкие континентальные водоемы — лужи, пруды, берега озер в вулканических регионах, где были и тепло, и ультрафиолет, и циклы смачивания-высыхания. Именно такие геотермальные пруды сейчас изучает Димэр, подтверждая, что в их воде липиды легче образуют протоклетки, чем в морской.
Но самое захватывающее — астробиологические следствия. Если жизнь требует для своего старта именно таких условий (твердая поверхность, ультрафиолет, испарение воды), то это помогает определить, где ее искать в Солнечной системе. Два главных современных кандидата — спутники Европа и Энцелад с их подледными океанами — сразу выбывают из гонки как место возникновения жизни. Там темно, холодно и нет минеральных поверхностей, освещенных солнцем. Эти миры могли бы сохранить жизнь, занесенную извне, но вряд ли стали ее родиной.
Главным претендентом, по новой логике, становится Марс. Четыре миллиарда лет назад у него была плотная атмосфера, текли реки, существовали озера и, вероятно, активный вулканизм. То есть были все условия для тех самых «золотых» луж, где могла вспыхнуть жизнь. И если она там зародилась, ее следы — окаменелые протоклетки или химические сигнатуры — имеют высокие шансы сохраниться в холодном, сухом марсианском грунте.
Post Scriptum
Теория «всего и сразу» — это не просто еще одна гипотеза в длинном ряду. Это фундаментальный сдвиг в мышлении, отход от линейной модели к комплексной. Жизнь предстает не как редчайшая аномалия, результат невероятной цепи удач, а как почти неизбежное следствие законов химии и физики в подходящей обстановке.
Пока не все пазлы сложились — предстоит воссоздать в лаборатории полноценный метаболизм внутри протоклетки и окончательно доказать работоспособность всей цепочки от простейших молекул до делящегося пузырька с генами. Однако направление поиска кардинально изменилось. Наука, похоже, наконец-то примирилась с мыслью, что начало всего живого было не тихим шепотом, а громким, стремительным, всеобъемлющим химическим аккордом. И этот аккорд мог прозвучать не только на нашей голубой планете.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости