Внутри каждой клетки человеческого тела находятся крошечные структуры, которые долгое время оставались почти незаметными для науки. Они выглядят как мельчайшие точки, свободно перемещаются в клеточной среде и не имеют привычной мембраны. Еще недавно их считали любопытной особенностью клеточного устройства. Теперь эти образования оказались в центре одной из самых важных научных дискуссий. Все больше данных указывает на то, что именно такие структуры могли стать первым шагом на пути от безжизненной химии к живым организмам. Если эта версия верна, то современные клетки до сих пор сохраняют следы процессов, которые происходили на Земле миллиарды лет назад.
Эта история началась почти 100 лет назад. В 1929 году химики Хендрик Бунгенберг де Йонг и Хуго Кройт ввели термин для описания необычных капель, возникающих при разделении некоторых веществ в воде. Эти структуры получили название коацерватов.
Ученые того времени активно изучали материалы, занимавшие промежуточное положение между твердым телом и жидкостью. Коацерваты привлекли внимание именно благодаря такому поведению. Они оставались жидкими, но сохраняли устойчивую форму и собирались в отдельные капли.
Особый интерес к ним проявил советский ученый Александр Опарин. В 20-х годах прошлого века он начал разрабатывать собственную концепцию происхождения жизни. В 1936 году вышла его книга «Происхождение жизни на Земле». В ней ученый описал молодую планету как гигантскую химическую лабораторию.
По его представлениям, первые океаны появились в течение первых 500 миллионов лет после формирования Земли. В воде находились минералы, обломки пород и простые углеродные соединения, которые непрерывно вступали в реакции друг с другом. Постепенно возникали все более сложные молекулы. Так сформировалась среда, которую позднее назвали «первичным бульоном».
Опарин предположил, что часть этих веществ собиралась в коацерваты. Они не обладали сложностью настоящих клеток, однако могли стать промежуточным этапом между химией и биологией.
На протяжении десятилетий идея стала довольно популярна среди ученых, но затем интерес к ней начал угасать. Причина выглядела очевидной. Биологи не находили коацерваты внутри живых клеток. Если такие структуры отсутствуют в современной жизни, трудно объяснить их роль в ее возникновении.
Дополнительный удар по этой концепции нанесли открытия второй половины XX века. Исследователи сосредоточились на ДНК, РНК, клеточных мембранах и метаболизме. На первый план вышли гипотезы, связанные с миром РНК и первыми мембранными пузырьками. Коацерваты постепенно превратились в историческую деталь научных дискуссий.
Ситуация резко изменилась уже в наши дни.
Команда биологов под руководством Энтони Хаймана из Института молекулярной клеточной биологии и генетики общества Макса Планка в Дрездене изучала так называемые P-гранулы — структуры в клетках, участвующих в половом размножении. Несмотря на название, эти «гранулы» вели себя как жидкости. В 2012 году другая группа исследователей показала: множество белков способны образовывать такие жидкие капли.
После этого открытия ученые начали искать такие структуры в разных типах клеток. Результат оказался неожиданным. Подобные образования присутствуют практически повсеместно.
Сегодня их часто называют конденсатами. Если речь идет о лабораторных экспериментах вне клетки, чаще используют термин «коацерваты». По своей сути это очень близкие структуры.
Сегодня ученые знают: коацерватывстречаются в клетках повсеместно и выполняют критически важные функции. В ядрах наших клеток есть особая область — ядрышко. Именно там производятся рибосомы, молекулярные машины, которые собирают все белки в клетке. Ядрышко — это скопление коацерватов.
Более того, сбой в работе коацерватов оборачивается серьезными проблемами со здоровьем. Например, они играют ключевую роль в быстром ухудшении качества донорских сердец. Когда сердце охлаждают для сохранения, некоторые молекулы формируют коацерваты. В таком состоянии они активируют рецепторы стресса, что ведет к воспалению и гибели клеток. В 2025 году исследователи применили лекарство, которое блокирует образование этих коацерватов, и обнаружили: обработанные таким способом сердца работают лучше.
Сегодня известно также, что эти капли участвуют в развитии рака — например, помогают активировать гены, способствующие росту опухоли, и влияют на ответ организма на противораковые препараты.
Растет число доказательств, что коацерваты связаны с развитием болезни Альцгеймера — самой распространенной формы деменции. Белки амилоид и тау образуют бляшки в мозге, и эти бляшки как-то связаны с нейродегенеративными симптомами. Серия исследований показала: белки амилоида могут формировать коацерваты, а те, в свою очередь, заставляют белки слипаться в комки.
Лавина открытий о важности коацерватов в современных клетках и в человеческом организме заставила некоторых ученых вернуться к идее Опарина. Основные вопросы звучали просто: образуются ли коацерваты самопроизвольно? И сколько разных биологических молекул способны собираться таким образом?
Химик-пребиотик Клаудия Бонфио из Кембриджского университета говорит: оказалось, что коацерваты образуются очень легко. Авторы многих предыдущих исследований сосредоточивались на везикулах — пузырьках с внешней мембраной и водянистым центром. Их создание требует определенных сложных манипуляций, а коацерваты получаются без особого усилия.
Но сразу возникла проблема. Было множество примеров, когда длинные молекулы формировали коацерваты. Однако в самом раннем первичном бульоне таких длинных молекул почти не было. Большинство соединений на основе углерода имели маленькие размеры.
В 2021 году команда Эвана Шпрёйта из Университета Радбауда в Неймегене показала: это не проблема. Исследователи создали миниатюрный белок длиной всего из четырех аминокислот, который мог сам собираться в коацерваты. Это открыло множество возможностей. Существуют сценарии, в которых такие относительно простые молекулы возникают спонтанно и сразу же собираются в коацерваты. На следующий год его команда выяснила: другой простой пептид под названием олигоаргинин работает еще эффективнее — он образует коацерваты с любыми из множества мелких молекул.
Коацерваты начинали формироваться чрезвычайно рано — как только молекулы на основе углерода соединялись в относительно короткие цепочки.
Однако пока что такие коацерваты — лишь пустые оболочки. Что они могли делать?
Ключевая идея, восходящая еще к Опарину: коацерваты создают внутреннюю среду. Внутри капли химические вещества могут концентрироваться в гораздо более высокой степени, чем в разбавленном наружном бульоне. Соседние коацерваты могут иметь разный химический состав. Дора Танг объясняет: тогда можно запускать реакции, создавать больше молекул, увеличивать разнообразие веществ в пребиотическом бульоне. Так коацерваты подстегивают рост химической сложности — толкают неживой бульон в сторону жизни.
Один из ключевых процессов для зарождения жизни — соединение аминокислот в цепочки, то есть создание белков. Команда Шпрёйта в 2023 году показала: коацерваты из феррицианида — простого соединения на основе железа, которое наверняка присутствовало в пребиотическом бульоне, — могут запускать эту реакцию. Существует много других примеров. Например, в 2025 году Дора Танг с коллегами продемонстрировала: одна из ключевых реакций обмена веществ — превращение молекулы NAD+ в NADH — протекает в присутствии коацерватов до трех раз быстрее, чем в полностью перемешанном растворе. Согласно анализу, опубликованному в марте этого года, такие открытия означают, что коацерваты — не просто пассивные отсеки, а активные участники в создании и поддержании жизни.
Ученым еще многое предстоит узнать о коацерватах как о реакционных центрах. Хотя ясно, что молекулы внутри них могут концентрироваться, систематических правил пока нет. Какие молекулы проникают внутрь лучше других? Есть грубое понимание, но систематически ответить нельзя.
Кроме того, коацерваты не всегда ускоряют химические реакции: могут ускорять, а могут замедлять. Реакция способна остановиться, потому что внутренности коацерватов очень вязкие, молекулы движутся медленнее, чем в воде. Словом, нет единого правила. Каковы настоящие законы?
Одна из главных задач — заставить ключевые системы живых клеток, такие как генетика или метаболизм, работать внутри коацерватов. Дора Танг показала: некоторые РНК накапливаются внутри коацерватов на белковой основе, создавая фундамент генетической системы. Она также построила коацерваты из смеси РНК и белков и выяснила: ферменты, состоящие из РНК, внутри них продолжают работать.
Клаудия Бонфио использует тот же подход. Она стремится создать молекулу, которая одновременно служила бы отсеком и носителем генетической информации.
Но до того момента, когда коацерваты начнут не просто хранить генетический материал, а использовать его, еще далеко. Букховен задается вопросом: существуют ли коацерваты, которые действительно помогают РНК размножаться?
Самые впечатляющие прорывы принесли попытки заставить сами коацерваты вести себя более похоже на живые организмы. Все живые клетки растут, поглощая питательные вещества, и размножаются делением. Могут ли коацерваты делать то же самое? Группа теоретиков, включая Энтони Хаймана, предположила это в 2016 году. Их модели показали: коацерваты могли бы расти и делиться, если у них есть внешний источник энергии.
Когда биолог Йоб Букховен увидел это теоретическое описание — коацерваты, растущие и делящиеся как клетки, — его первой реакцией было: можем ли мы это построить?
Потребовалось четыре года, но команда справилась. Исследователи создали коацерваты из РНК и белков и подпитывали их химическим топливом под названием EDC. Когда топливо кончалось, капли исчезали, но снова возникали при добавлении новой порции. Более того, на пути к распаду капли разбивались на множество дочерних капель.
Чуть позже команда Шпрёйта показала: коацерваты могут расти, если получают простое топливо на основе углерода, а также делиться, если поместить их внутрь нагретых пор в горной породе, где их толкают пузырьки газа. Такие поры ранее предлагали в качестве колыбели для первой жизни.
Существуют и способы сделать внутреннее устройство коацерватов сложнее, чтобы они все больше напоминали клетки. Одна капля может содержать два или более отсеков, каждый со своими особыми свойствами, привлекающими разные химические вещества. Коацерваты можно также подтолкнуть к образованию настоящей мембраны, создающей более жесткий барьер от внешнего мира. Первое исследование коацерватов, проведенное Танг и опубликованное в 2014 году, показало: липиды внутри коацервата способны самособираться в мембрану, которая затем продвигается наружу и образует покрытие. Авторы исследования, проведенного в 2024 году, выяснили: если просто побрызгать водой на коацерваты, на их внешней поверхности образуются прочные химические связи.
Впереди еще долгий путь. Конечно, лабораторные коацерваты куда проще настоящих живых клеток. Они не самоподдерживающиеся. Но у них есть огромное преимущество: они радикально упрощают проблему происхождения жизни.
В этой области всегда шли споры о курице и яйце — что возникло первым: обмен веществ, отсеки, реплицирующиеся нуклеиновые кислоты или белки? Шпрёйт никогда не был большим поклонником утверждений «это было первым» или «то было первым». Он считает: красота коацерватов в том, что они способны объединить все эти разные миры и сценарии вместе.
Post Scriptum
Для исследователей происхождения жизни наступил удивительный момент возвращения к истокам. Сто лет спустя после того, как Александр Опарин предположил, что коацерваты могут быть ключом, накапливаются доказательства: он был прав. Причем решающая подсказка нашлась не в причудливых микробах из глубоководных источников, а в собственных клетках человека. Ключи от тайны рождения жизни, возможно, все это время хранились внутри наших тел. Крошечные жидкие капли, которые мы носим в себе каждое мгновение, могут оказаться живым мостом через пропасть между неживой химией и первыми биологическими существами. То, что мы воспринимали как одну из множества деталей клеточной машинерии, постепенно превращается в главную улику величайшего детектива науки.
-----
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