Рецепт приготовления жизни


Ольга Орлова   среда, 9 марта 2011 года, 09.00

До ДНК на планете царила РНК

«Почему тебя так раздражает теория панспермии? Чем плохо, если окажется, что «семена жизни» были занесены на Землю из космоса?» — спросила я знакомого биолога. «Потому что эта версия банальная! Куда интересней понять, как могла зародиться жизнь без посторонней помощи», — парировал собеседник. И в последнее время этот вопрос заметно прояснился.

Так думает не только мой собеседник, но и сотни тысяч его коллег по всему миру, которые несколько десятилетий пытаются показать, как из химических элементов, имевшихся в «лаборатории» под названием «ранняя Земля», образовались первые молекулы, ставшие основой РНК-мира, из которого в свою очередь появился наш с вами общий предок с ДНК (или LUCA — last universal common ancestor — последний универсальный общий предок всего живого).
Дело в том, что из всех версий происхождения жизни собственно биологическая — самая сложная. К примеру, Дарвин и вовсе считал проблему происхождения первых живых молекул нерешаемой задачей. Он не видел возможности повторить точный эксперимент в современных земных условиях, полагая, что если в каком тёплом пруду из минимального набора (аммоний, соли фосфата, свет) и образуется нечто органическое, то тут же будет поглощено чем-нибудь другим не менее органическим с прекрасным аппетитом.
Время шло, но и в первой половине ХХ веке вопрос «Как из неживого могло получиться живое?» продолжал ставить в тупик естествоиспытателей. Не обошлось и без попыток решить проблему с наскока по-большевистски. Так, в конце 1930-х — 1940-х годах мать и дочь (обе Ольги) Лепешинские проводили безграмотные эксперименты, в которых «выращивали» из кристаллов биологические клетки, а клетки «превращали» в кристаллы. После этого тема происхождения первых «живых молекул» могла вызывать лишь иронию у любого исследователя, представлявшего всю сложность проблемы.

Хотя в это же самое время в СССР советский химик Александр Опарин предложил теорию абиогенеза. Он предположил, что первые формы жизни развились в первозданном «бульоне» из сложных химических соединений под действием электрических разрядов в условиях бескислородной атмосферы ранней Земли. Далеко не все коллеги отнеслись к гипотезе Опарина серьёзно, однако нельзя сказать, что она осталась незамеченной.

Химический анализ пара Энцелада показал, что в нём содержится метан, углекислый и угарный газы и частички силикатов. Часть пара спускается обратно на ледяную корку океана, по дороге взаимодействуя с частицами солнечного ветра, в результате чего образуются перекись водорода и метанол. Вся эта адская смесь не слишком аппетитна на человеческий вкус, но для микроорганизмов может оказаться исключительно питательной.

Воплотить её в эксперименте удалось лишь в 1953 году. Именно тогда американскому учёному Стэнли Миллеру с помощью искрового разряда, имитировавшего удар молнии, удалось синтезировать первые аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемой атмосферы древней Земли). Но и тогда скептики, считавшие эксперимент Миллера недостаточно корректным, продолжали утверждать, что тайну главного перехода — от безжизненного к живому — мы не узнаем никогда. Ведь Миллер собрал в своём опыте в специальные накопители аминокислоты. А это были всего лишь составные части белков, а не сами белки. Однако несколько ключевых открытий последних лет дают основание оптимистам потирать руки: «Загадка происхождения жизни скоро будет раскрыта!»
Итак, что нам надо для жизни? Во-первых, аминокислоты и сахара — простые «кирпичики», из которых потом получатся белки и нуклеиновые кислоты. Могут они произвольно образоваться? Могут. Этот процесс называется абиогенным синтезом. А вот как из них получились молекулы и комплексы молекул, которые умеют себя воспроизводить? Откуда взялось «вещество наследственности»? Ответ на этот вопрос и есть ключевое звено в цепи чудесных превращений мёртвой планеты в живую.
Только в 1980-х годах удалось понять, что роль первых таких самовоспроизводящихся молекул могла играть РНК (рибонуклеиновая кислота), одна из составляющих живой клетки. В её состав входят ортофосфорная кислота, рибоза и азотистые основания аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и урацил (У).
Но чтобы это подтвердить, для начала надо было показать, как же именно простые органические соединения превратились в РНК. И пока это не было показано, красивая гипотеза РНК-мира не могла превратиться в теорию, объясняющую раннюю эволюцию живого на Земле. А многочисленные опыты всё никак не приводили к успеху или могли быть признаны частично успешными.
И вот совсем недавно химики из Манчестерского университета поняли, что получить РНК можно из обычного формальдегида. Исследователи подобрали условия, схожие с теми, какие возникли бы в мелкой луже, периодически высыхающей, и смогли повторить необходимую реакцию. Это был значительный шаг, но не завершающий. Ведь «вещество наследственности» так и не получилось. Как эта вновь полученная молекула РНК научилась сама себя запоминать и воспроизводить, мы ещё не узнали.
Но тут калифорнийские учёные из Института Скрипса получили несколько молекул РНК (рибозимов), которые начали сами себя успешно воспроизводить. Количество молекул стало расти в геометрической прогрессии, казалось, нужно было лишь вовремя подбрасывать «дров» — первичные органические соединения. Более того, на глазах исследователей в процесс включились эволюционные механизмы, описанные Дарвином. В результате конкуренции за «питание» у рибозимов начались мутации и заработал отбор. В итоге даже появились рибозимы с повышенной скоростью размножения.

В середине XIX века, когда Дарвин опубликовал «Происхождение видов путём эволюции на основе естественного отбора», биология не имела ещё ни малейшего представления о материальных основах наследственности: не знали, что наследственная информация, передаваемая от предков к потомкам, состоит из дискретных единиц (генов), не говоря уже о ДНК! Именно поэтому простенький вроде бы, «детский» вопрос (впервые сформулированный Флемингом Дженкином) — почему новоприобретённый полезный признак не «растворяется» постепенно в череде последующих поколений? — преследовал Дарвина как «кошмар Дженкина» до конца его жизни. Вопрос был корректно разрешён лишь полвека спустя, уже в рамках пришедшей на смену классическому дарвинизму синтетической теории эволюции (СТЭ).

Казалось, можно уже праздновать победу. Опять не совсем. Проблема в «дровах» — в субстрате, которым питались рибозимы. В лабораторных условиях он был слишком хорош и удобен, чтобы быть признанным за естественный субстрат, имевшийся на молодой Земле.
И вновь британские химики из Манчестерского университета во главе с Джоном Сазерлендом сказали своё слово. Они изменили рецепт, по которому прежде готовился «бульон жизни». Во-первых, в «бульоне» появился новый ингредиент — фосфорная кислота. Во-вторых, то, что раньше «бросали» по отдельности, — углеводы и азотистые соединения — теперь решили добавлять вместе. Когда же «бульон» стали немного нагревать, имитируя воздействие солнечных лучей, то оказалось, необходимая химическая реакция пошла с помощью простой мочевины, самопроизвольно появившейся в этом «бульоне». (Именно так — когда б вы знали, из какого сора…)
В результате в «бульоне» под воздействием ультрафиолета, которого из-за отсутствия озонового слоя было на древней Земле в избытке, выделились цитидин (Ц) и уридин (У). То есть два из четырёх нуклеотидов, необходимых для получения полноценной РНК, были готовы. Условия использовались только те, что могли существовать в древности. Правда, у РНК помимо нуклеотидов У и Ц есть ещё и А и Г. Вот когда их так же красиво «выведут» в лабораторных условиях, мы получим ответ на важнейший вопрос, а авторы исследования, видимо, Нобелевскую премию.