Происхождение жизни
На заре своей истории наша планета была жарким душным адом. Но уже 3,5 миллиарда лет назад здесь существовала жизнь - свидетельством тому отпечатки клеточных организмов на ископаемых в австралийских горах. Каким же образом на Земле в результате абиотических неорганических процессов развивалась жизнь и такие ее ключевые компоненты, как гены, метаболизм и клеточная мембрана?
В 1920-х русский биохимик Александр Опарин и британский математик и биолог Дж. Б. С. Холдейн независимо друг от друга предположили, что жизнь зародилась в первородном бульоне. Химические реакции между простыми молекулами привели к формированию более сложных структур в океане. Процесс, возможно, стимулировало солнечное излучение, творя то, что Холдейн назвал «горячим разбавленным бульоном». Самым знаменитым проверочным для этой теории тестом стал эксперимент Миллера-Юри: американский химик Стэнли Миллер, работавший в лаборатории Гарольда Юри в Университете Чикаго, попытался воспроизвести условия, существовавшие на Земле миллиарды лет назад. В 1953 году Миллер поместил смесь газов — метана, аммиака, водорода и водяного пара (но не кислорода) — в прозрачный аппарат, где электрические вспышки выполняли роль молний. В образовавшемся растворе обнаружились предшественники органики: цианид водорода, альдегиды и простые аминокислоты, но пока без полимеров. Самого по себе разбавленного бульона, вероятно, не достаточно для появления биомолекул — требуется еще и емкость, в которой ингредиенты будущей жизни булькают в нужной концентрации.
Колыбель творения
В 1871 году Дарвин писал, что первые организмы возникли «в небольшом теплом пруду». С тех пор ученые выдвигали различные места на роль прародины всего живого: одни считают, что жизнь родилась в горячих геотермальных источниках; другие убеждены, что она развивалась в порах пемзы, вылетающей из вулканов.
Многие исследователи полагают, что жизнь зародилась под водой — отчасти потому что на Земле в те времена еще не было суши в современном понимании, отчасти в силу того, что дожди разбавили бы любой питательный водоем-бульон. Современная теория предлагает в качестве колыбели жизни подводные гидротермальные источники, подобные тем, что обнаружены вдоль срединно-атлантического хребта, где перегретые щелочные растворы, богатые железом и серой, прорываются с бульканьем через морскую воду, а минеральные соли формируют горы из пористых осадочных пород. Окружающая вода достигает почти точки кипения, но достаточно прохладна для поддержания стабильности экосистемы. Согласно теории британского геохимика Майкла Рассела, выдвинутой в 1997 году, эти источники соединяют два необходимых для жизни элемента — энергию и строительные материалы.
Генетика или метаболизм?
По поводу первого шага на пути к жизни пока нет единого мнения. Вплоть до середины XX века многие ученые считали генетическим материалом белки. Опарин и Холдейн были убеждены, что именно белки кодируют инструкции по созданию органических капель, которые образуют многомолекулярные комплексы — коацерваты. Опарин полагал генетическую информацию первым шагом в формировании жизни, а Холдейн считал, что прежде возникла метаболическая реакция. По сей день, исследователи разделены на два эти лагеря: сторонники первичности генетики и приверженцы первичности метаболизма.
Страсти кипят и по поводу применения энергии и материалов. «Генетисты» утверждают, что все живые системы воспроизводятся, поэтому пребиотические системы должны иметь инструкции для создания определенных веществ (например, ферментов), объединяющих различные элементы и позволяющих генам копировать себя. «Метаболисты» настаивают на том, что жизнь — это процесс, потребляющий энергию, поэтому для использования энергии и создания молекул необходимы метаболические реакции. «Генетисты» спрашивают: как соединяются элементы? «Метаболисты», в свою очередь, вопрошают: откуда берется энергия для этого? Теория гидротермальных источников предполагает сценарий первичности метаболизма: морская вода имеет большую кислотность по сравнению со щелочными потоками подводных источников, это создает электрохимический градиент между порами в залежах минералов, и ионы водорода (Н+) в кислой морской воде стремятся по градиенту концентрации внутрь источника. Подобно тому как вода заставляет двигаться турбины гидроэлектростанции, этот градиент создает энергию, которую потребляют молекулы в порах.
Мир РНК
Впрочем, все исследователи сходятся на том, что первая генетическая система была нисколько не похожа на нынешнюю. Современные клетки хранят информацию в ДНК, используют белки-ферменты в качестве катализаторов для осуществления своих функций. Но поскольку белки создает именно ДНК, возникает парадокс «курицы и яйца». Ключ спрятан в центре рибосомы, молекулярного механизма, который клетка использует для синтеза протеинов, где обнаружены ферментоподобные «рибозимы», молекулы РНК. Американский химик Томас Чек в 1982 году открыл, что рибозимы обладают каталитическими свойствами, а в 2002 году молекулярный биолог Джералд Джойс синтезировал РНК-фермент, который может копировать сам себя, осуществляя постепенный рост и самоподдерживающуюся эволюцию. Это подтверждает предположение, высказанное еще в 1960-х британцами Фрэнсисом Криком и Лесли Оргелом, что пребиотические системы могли иметь только РНК—так называемую «гипотезу мира РНК».
Но почему РНК, а не иная молекула? Ответ дали в 2009-м британские химики Мэтью Раунер и Джон Сазерленд, которые «сварили» суп с «убедительными пребиотическими» характеристиками. Под воздействием ультрафиолетового излучения ингредиенты «супа» трансформировались в цитозин и урацил, две из четырех «букв» РНК. Вероятно, первые генетические системы появились в результате «солнечного отбора».
Протоклетки
Клетка — это основная единица жизни, структура, защищающая гены и метаболизм от воздействия окружающей среды. Нынешние клетки окружены двойной фосфолипидной мембраной, но первичные «протоклетки», вероятно, использовали для этих целей пузырьки жирных кислот. Подобно капелькам масла в воде, жирные кислоты склеиваются, образуя сферы. Канадский биолог Джек Шостак исследовал, каким образом самовоспроизводящиеся РНК воздействуют на протоклетки. Поскольку мембраны проницаемы для крошечных молекул, строительные блоки РНК проникают в пузырьки, там связываются друг с другом, становятся слишком большими и уже не могут выйти наружу. В 2004-м Шостак обнаружил, что жидкость внутри протоклеток становится более концентрированной и вода просачивается вследствие осмоса, заставляя пузырьки раздуваться, пока не лопнут, и тогда жирные кислоты должны вновь соединяться, образуя все новые пузырьки. Рост клетки и ее деление, таким образом, являются результатом физических процессов, стимулируемых самовоспроизводящейся РНК.
«До зарождения жизни [органическое вещество] накапливалось в первичном океане, который в конце концов достиг консистенции горячего разбавленного бульона» Дж. Б. С. Холдейн
Ученые научились готовить пребиотический «суп», воспроизводящий условия начала жизни, они обнаружили экосистемы, похожие на первоначальные, но все равно мы по сей день не знаем точно, как и почему зародилась жизнь. Где бы это ни происходило, но в какой-то момент первые самовоспроизводящиеся пузырьки покинули уют своих минеральных убежищ и превратились в свободно живущие клетки — первые живые организмы.
Панспермия
Согласно гипотезе панспермии семена жизни рассеяны во Вселенной повсюду. В 1903 году физико-химик Сванте Аррениус предположил, что микробы сквозь космические пространства переносит солнечный ветер. Едва ли просто так, в открытой форме, поскольку генетический материал был бы уничтожен, но вероятнее всего на поверхности космических объектов - например, метеоритов. Многие из земных видов (бактерии и крошечные медленно передвигающиеся животные) вполне способны выдержать путешествие в космосе. Большинство подобных идей - всего лишь пустые рассуждения: к примеру, «управляемая панспермия» предполагает преднамеренное вмешательство инопланетян, а астрономы Фред Хойл и Чандра Викрамасингх вообще считают жизнь чем-то вроде инфекционного заболевания, занесенного из космоса. Единственная относительно научная из этих концепций - гипотеза «псевдопанспермии», она допускает, что на Землю были занесены органические компоненты, но не организмы целиком. Химический анализ таких объектов, как мурчисонский метеорит, обнаружил на их поверхности жирные кислоты, аминокислоты и нуклеиновые основания. Теория состоит в том, что строительные блоки будущей жизни оказались на Земле в результате Поздней Тяжелой Бомбардировки, случившейся около 4 миллиардов лет назад, когда крупные астероиды регулярно врезались в нашу планету.
