Тайна появления жизни на Земле

Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, по всей видимости, просто не может взять и начать жизнь.

Также проблему усугубила неудача химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая молекула по сравнению с ДНК, но сделать ее чрезвычайно трудно.

Проблема лежит в сахаре и основании, которые составляют каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них по отдельности, но они упорно отказываются связываться. К началу 1990-х годов эта проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, что гипотеза «мира РНК», несмотря на всю привлекательность, может быть не совсем верной.

Вместо этого, возможно, на ранней Земле был какой-то другой тип молекулы: что-то проще, чем РНК, которая на самом деле могла собрать себя из первичного бульона и начать самовоспроизводиться. Сначала могла быть эта молекула, которая затем привела к РНК, ДНК и остальным.

В 1991 году Питер Нильсен из Университета Копенгагена в Дании придумали кандидата в первичные репликаторы.

Это была по существу сильно модифицированная версия ДНК. Нильсен сохранил те же основы — A, T, C и G, имеющиеся в ДНК, — но сделал основную цепь из молекул под названием полиамиды, а не из сахаров, которые также имеются в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Непонятным образом с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.

ПНК никогда не встречали в природе. Но ведет она себя практически как ДНК. Цепочка ПНК даже может занимать место одной из цепей молекулы ДНК, и основания спариваются как обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спираль, как ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к РНК-миру, он подозревал, что ПНК была куда более вероятным кандидатом на первый генетический материал.

В 2000 году он произвел несколько уверенных доказательств. К тому времени ему уже стукнуло 70 и он пережил несколько инсультов, которые могли отправить его в дом престарелых, но не сдался. Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду — и получил полиамидную основу ПНК.

Это позволило предположить, что ПНК, в отличие от РНК, вполне могла образоваться на ранней Земле.

Другие химики придумали собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.

В 2000 году Альберт Эшенмозер сделал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК). Это та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Цепи ТНК могут образовывать двойную спираль, а информация копируется в обоих направлениях между РНК и ТНК.

Более того, ТНК может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. Это намекает на то, что ТНК может действовать как фермент, подобно РНК.

В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту, которая может формировать спиральные структуры.

У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники. Но никаких следов их в природе не найти, поэтому если первая жизнь действительно использовала их, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но никаких доказательств нет.

В итоге к середине 2000-х годов сторонники мира РНК оказались в затруднительном положении.

С одной стороны, РНК-ферменты существовали и включали одну из важнейших частей биологической инженерии, рибосому. Хорошо.

Но самовоспроизводящуюся РНК найти не удалось и никто не мог понять, как РНК сформировалась в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, что они существовали в природе. Не очень хорошо.

Очевидный вывод был таким: «мир РНК», несмотря на свою привлекательность, оказался мифом.

Между тем с 1980-х годов постепенно набирала обороты другая теория. Ее сторонники утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или другого генетического вещества. Вместо этого она началась с механизма использования энергии.

Теория «мира РНК» опирается на простую идею: самое важное, что может сделать живой организм, это воспроизвести себя. Многие биологи с этим согласились бы. От бактерий до голубых китов, все живые существа стремятся завести потомство.

Тем не менее многие исследователи происхождения жизни не считают воспроизводство чем-то фундаментальным. Перед тем как организм сможет размножаться, говорят они, он должен стать самодостаточным. Он должен поддерживать себя в живом состоянии. В конце концов, вы не сможете иметь детей, если сначала умрете.

Мы поддерживаем себя в живых, поглощая пищу; зеленые растения делают это путем извлечения энергии из солнечного света. На первый взгляд, человек, поедающий сочный стейк, сильно отличается от поросшего листвой дуба, но если разобраться, они оба нуждаются в энергии.

Этот процесс называется метаболизм. Сначала вам нужно получить энергию; допустим, из богатых энергией химических веществ вроде сахара. Затем вы должны использовать эту энергию, чтобы построить что-нибудь полезное вроде клеток.

Этот процесс использования энергии настолько важный, что многие исследователи считают его первым, с которого началась жизнь.

Как могли бы выглядеть эти предназначенные только для метаболизма организмы? Одно из самых интересных предположений было выдвинуто в конце 1980-х годов Гюнтер Вахтершаузер. Он не был штатным ученым, скорее патентным юристом с небольшими познаниями в химии.

Вахтершаузер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знали». Они не были сделаны из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК. Нет, вместо этого Вахтершаузер представил поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Эта вода богата вулканическими газами вроде аммиака и содержит следы минералов из сердца вулкана.

Там, где вода текла через скалы, начинали происходить химические реакции. В частности, металлы из воды помогали простым органическим соединениям сливаться в более крупные. Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество превращается в ряд других химических веществ, пока в конце концов не будет воссоздан исходник. В процессе этого вся система накапливает энергию, которая может быть использована для перезапуска цикла — и для других вещей.

Все остальное, из чего состоит современный организм — ДНК, клетки, мозги — появились позже, поверх этих химических циклов. Эти метаболические циклы вообще мало похожи на жизнь. Вахтершаузер назвал свое изобретение «прекурсорами организмов» и написал, что «едва ли их можно назвать живыми».

Но метаболические циклы вроде тех, что описал Вахтершаузер, лежат в основе всего живого. Ваши клетки — это по сути микроскопические химические заводики, постоянно перегоняющие одни вещества в другие. Метаболические циклы нельзя назвать жизнью, но они имеют основополагающее значение для нее.

В течение 1980-х и 1990-х годов Вахтершаузер работал над деталями своей теории. Он изложил, какие минералы подошли бы больше всего и какие химические циклы могли иметь место. Его идеи начали привлекать сторонников.

Но все это было сугубо теоретическим. Вахтершаузеру нужно было реальное открытие, которое подкрепило бы его идеи. К счастью, его уже сделали десятью годами ранее.

В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон погрузилась на 2,5 километра в восточной части Тихого океана. Они изучали Галапагосские горячие источники в местах, где с морского дна поднимались высокие хребты. Эти хребты были вулканически активными.

Корлисс обнаружил, что эти хребты были буквально усеяны горячими источниками. Горячая, обогащенная химическими вещества вода поднимается из-под морского дна и струится через отверстия в скалах.

Невероятно, но эти гидротермальные источники были густо населены странными животными. Там были огромные моллюски, мидии и кольчатые черви. Вода также была густо пропитана бактериями. Все эти организмы жили на энергии гидротермальных жерл.

Открытие этих источников сделало Корлиссу имя. И заставило задуматься. В 1981 году он предположил, что подобные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они стали местом происхождения жизни. Он посвятил львиную долю своей карьеры изучению этого вопроса.

Корлисс предположил, что гидротермальные источники могли создавать коктейли химических веществ. Каждый источник, говорил он, был своего рода распылителем первичного бульона.

По мере того, как горячая вода текла через скалы, тепло и давление приводили к тому, что простые органические соединения сливались в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начинали связываться в цепочки — формировать углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК. Затем, когда вода подходила к океану и остывала еще больше, эти молекулы собирались в простые клетки.

Это было интересно, теория привлекла внимание людей. Но Стэнли Миллер, эксперимент которого мы обсуждали в первой части, не поверил. В 1988 году он писал, что глубоководные жерла были слишком горячими.

Хотя сильное тепло может привести к образованию химических веществ вроде аминокислот, эксперименты Миллера показали, что оно также может и уничтожить их. Основные соединения вроде сахаров «смогли бы выжить пару секунд, не больше». Более того, эти простые молекулы вряд ли связались бы в цепи, поскольку окружающая вода мгновенно их разорвала бы.

На этом этапе к битве подключился геолог Майк Расселл. Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Более того, ему показалось, что эти источники будут идеальным домом для прекурсоров организма Вахтершаузера. Это вдохновение привело его к созданию одной из самых широко признанных теорий происхождений жизни.

В карьере Расселла было много интересных вещей — он делал аспирин, разыскивая ценные минералы — и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал реагирование на возможное извержения вулкана, несмотря на отсутствие подготовки. Но его больше интересовало, как менялась поверхности Земли на протяжении эпох. Эта геологическая перспектива и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни.

В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного типа гидротермального источника, в котором температуры не превышали 150 градусов по Цельсию. Эти мягкие температуры, по его словам, могли позволить молекулам жизни жить дольше, чем полагал Миллер.

Более того, ископаемые остатки этих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал пирит, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, что пирит также может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур.

Примерно в это же время Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был поток горячей химически обогащенной воды, протекающей через минералы. Он даже предположил, что в этом процессе участвовал пирит.

Расселл сложил два плюс два. Он предположил, что гидротермальные источники на глубине моря, достаточно холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря — и сначала появился метаболизм.

Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера. Она не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, но была, возможно, более важной. Расселл объединил две, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса — в нечто по-настоящему убедительное.

Расселл даже предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. То есть он понял, как мог бы работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки.

В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти в отставку из Университета Эдинбурга. Вместо этого он создал частную лабораторию в отдаленном поместье в Корнуолле. Изолированный от научного общества, он финансировал свою работу за счет стада молочных коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы обсудили во второй части, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми.

Спустя несколько десятков лет Митчелла ждала абсолютная победа: Нобелевская премия по химии 1978 года. Он не стал знаменитым, но его идеи сегодня в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, что организмы делают с энергией, которую получают из пищи. По сути, он задавался вопросом, как всем нам удается оставаться в живых каждую секунду.

Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате (АТФ). К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем запирается в АТФ.

Когда клетка нуждается в энергии — например, когда сокращается мышца — она разбивает третий фосфат в АТФ. Это превращает АТФ в аденозидифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию. Митчелл хотел узнать, как клетка вообще создает АТФ. Как она накапливает достаточно энергии в АДФ, чтобы прикрепить третий фосфат?

Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится в мембране. Поэтому предположил, что клетка закачивает заряженные частицы (протоны) через мембрану, поэтому много протонов находится по одну сторону, а по другую — нет.

Затем протоны пытаются просочиться обратно через мембрану, чтобы уравновесить число протонов по каждую сторону — но единственное место, через которое они могут пройти, это фермент. Поток текущих протонов, таким образом, обеспечивал фермент энергией, необходимой для создания АТФ.

Впервые Митчелл изложил свою идею в 1961 году. Следующие 15 лет он провел, защищая ее со всех сторон, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс Митчелла используется каждым живым существом на Земле. Прямо сейчас он протекает в ваших клетках. Как и ДНК, он лежит в основе известной нам жизни.

Расселл позаимствовал у Митчелла идею протонного градиента: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и немногого — на другой. Все клетки нуждаются в протонном градиенте, чтобы хранить энергию.

Современные клетки создают градиенты, откачивая протоны через мембраны, но для этого нужен сложный молекулярный механизм, который просто не мог появиться сам по себе. Поэтому Расселл сделал еще один логический шаг: жизнь должна была сформироваться где-то с естественным протонным градиентом.

Например, где-то у гидротермальных источников. Но это должен быть особенный тип источника. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде много протонов. Чтобы создать протонный градиент, вода из источника должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной.

Источники Корлисса не подходили. Они не только были слишком горячими, но еще и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные источники.

Келли пришлось тяжело трудиться, чтобы стать ученым. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и она была вынуждена работать, чтобы остаться в колледже. Но справилась и выбрала предметом своего интереса подводные вулканы и обжигающие горячие гидротермальные источники. Эта пара и привела ее в центр Атлантического океана. В этом месте земная кора треснула и с морского дна поднялся хребет гор.

На этом хребте Келли обнаружила поле гидротермальных источников, которое назвала «Потерянным городом». Они не были похожи на обнаруженные Корлиссом. Вода вытекала из них при температуре 40–75 градусов по Цельсию и была слегка подщелоченной. Карбонатные минералы из этой воды слипались в крутые белые «столбы дыма», которые поднимались с морского дна подобно трубам органа. На вид они жуткие и призрачные, но это не так: в них обитает множество микроорганизмов.

Эти щелочные жерла идеально вписывались в идеи Расселла. Он твердо поверил в то, что жизнь появилась в таких «потерянных городах». Но была одна проблема. Будучи геологом, он знал не так много о биологических клетках, чтобы убедительно представить свою теорию.

Поэтому Расселл объединился с биологом Уильямом Мартином. В 2003 году они представили улучшенный вариант прежних идей Расселла. И это, наверное, самая лучшая теория появления жизни на данный момент.

Благодаря Келли, теперь они знали, что породы щелочных источников были пористыми: они были усеяны крошечными отверстиями, наполненными водой. Эти крошечные кармашки, предположили они, действовали в качестве «клеток». В каждом кармашке находились основные химические вещества, в том числе и пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом от источников, они были идеальным местом для начала метаболизма.

После того, как жизнь научилась использовать энергию вод источников, говорят Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы вроде РНК. В конце концов, она создала себе мембрану и стала настоящей клеткой, сбежав из пористой породы в открытую воду.

Такой сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной из ведущих гипотез о происхождении жизни.

В июле 2016 года он получил поддержку, когда Мартин опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали «последнего универсального общего предка» (LUCA). Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь.

Едва ли мы когда-нибудь найдем прямые окаменевшие доказательства существования этого организма, но тем не менее вполне можем делать обоснованные предположения о том, как он выглядел и чем занимался, изучая микроорганизмы наших дней. Это и проделал Мартин.

Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех. Это убедительно говорит о передаче этих 355 генов, через поколения и поколения, от общего предка — примерно того времени, когда жил последний универсальный общий предок.

Эти 355 генов включают некоторые для использования протонного градиента, но для генерации оного — нет, как и предсказывали теории Расселла и Мартина. Более того, LUCA, похоже, был адаптирован к присутствуют химических веществ вроде метана, что наводит на мысли, что он населял вулканически активную среду — по типу жерла.

Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Одну можно поправить; другая может быть фатальной.

Первая проблема в том, что экспериментальных доказательств описанных Расселлом и Мартином процессов нет. У них есть пошаговая история, но ни один из этих шагов не наблюдался в лаборатории.

«Люди, которые верят в то, что все началось с воспроизводства, постоянно находят новые экспериментальные данные», говорит Армен Мулкиджанян. «Люди, которые стоят за метаболизм, этого не делают».

Но это может измениться, благодаря коллеге Мартина Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», который имитирует условия внутри щелочного источника. Он надеется увидеть метаболические циклы, а может даже и молекулы вроде РНК. Но пока еще рано.

Вторая проблема заключается в расположении источников в глубоком море. Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы вроде РНК и белков не могут формироваться в воде без вспомогательных ферментов.

Для многих ученых это фатальный аргумент. «Если вы хорошо разбираетесь в химии, вас не подкупить идеей глубоководных источников, потому что вы знаете, что химия всех этих молекул несовместима с водой», говорит Мулкиджанян.

И все же Расселл и его союзники остаются оптимистами.

И только в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Он обещает нечто, чего не удалось добиться ни «миру РНК», ни гидротермальным источникам: способ создать целую клетку с нуля. Об этом в следующей части.

Каждое живое существо на Земле состоит из клеток. Каждая клетка — это по сути мягкий шарик, мешочек, с жесткой внешней стенкой, или «мембраной». Задача клетки — удерживать все предметы первой необходимости вместе. Если наружная стенка порвется, внутренности выльются наружу и клетка умрет — так же, как и выпотрошенный человек.

Наружная стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни даже считают, что она появилась прежде всего. Они считают, что подходы «сперва генетика», который мы обсудили во второй части, и «сперва метаболизм», который мы обсудили в четвертой части, ошибочны. Их альтернатива — «сперва компартментализация» — представлена Пьером Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме, Италия.

Идея Луизи проста, и с ней трудно спорить. Каким образом вы собрались создавать рабочую метаболическую систему или самовоспроизводящуюся РНК, каждый из которых опирается на наличие большого количества химических веществ в одном месте, если вы сначала не сделаете контейнер, который удерживает все молекулы вместе.

Если вы с этим согласны, есть только один способ, с которого могла начаться жизнь. Каким-то образом, в жаре и буре ранней Земли, неколько сырых материалов сложились в грубые клетки, или «протоклетки». Осталось только повторить это в лаборатории: создать простую живую клетку.

Идеи Луизи можно проследить аж до Александра Опарина и рассвета науки о происхождении жизни в СССР, которых мы обсудили в первой части. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют сгустки — коацерваты — которые могут держать другие вещества внутри. Он предположил, что коацерваты были первыми протоклетками.

Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать сгустки или пленки в воде. Эти химические вещества известны в общем как липиды. Соответственно, гипотезу о том, что с них начала жизнь, назвали «липидным миром».

Но просто сформировать сгустки недостаточно. Они должны быть стабильными, уметь делиться на «дочерние» сгустки и хоть немного контролировать, что проходит внутрь и выходи наружу — и все это без сложных белков, которые используют современные клетки для этих задач.

Появилась задача собрать такие протоклетки из всего необходимого материала. Несмотря на множество попыток за много лет, Луизи так и не сделал ничего хоть мало-мальски убедительного. И тогда, в 1994 году, он осмелился сделать дерзкое предположение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки.

И вот, его гипотеза стала очень сложной и отошла от чистого подхода «сперва компартментализация». Но у Луизи были веские доводы.

Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов.

Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части. Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз.

«Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак. «Наконец, мы поняли, что у клеток было и то и другое. Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему».

В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира.

Это была радикальная идея. Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей. Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками.

Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе.

Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент.

Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки. Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так. За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни.

Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают. Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой. Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита.

Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК.

И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток. Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе.

Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому. Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение.

Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя?

Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть. Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки. Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия.

Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки. В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука. Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать.

Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток.

Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК родительской протоклетки и не теряла ни одной РНК. Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблемы, похоже, решили.

В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться. Но все равно протоклеткам многого недоставало. Луизи хотел, чтобы протоклетки тиражировали РНК, но РНК просто сидела в них и ничего не делала. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться.

Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить. Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки.

Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК.

По сути все просто. Возьмите одну цепь РНК и набор свободных нуклеотидов. Затем, используя эти нуклеотиды, соберите вторую цепь РНК, комплементарную первой. Например, цепь РНК «CGC» произведет комплементарную цепь «GCG». Сделав это дважды, вы получите копию оригинальной «CGC», только окольным путем.

Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь создала копии своих генов.

К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов. Больше ему сделать не удалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катажина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках.

Они обнаружили, что для работы такой реакции нужен магний. Но магний уничтожил протоклетки. Впрочем было и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках.

В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться. Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. «Мы запустили химию репликации РНК внутри этих жирно-кислотных везикул», говорит Шостак.

Всего за десять лет исследований команде Шостака удалось совершить невероятное.

Они создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они были похожи на первую жизнь.

Еще они были весьма устойчивыми. В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. Следовательно, эти протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была переживать сильное тепло от постоянных ударов метеоритов.

«Шостак делает большую работу», говорит Армен Мулкиджанян.

Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака идет вразрез с 40 годами исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу.

Это открывает путь к новому подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу. Он должен охватить все функции первой жизни сразу и одновременно. Эта гипотеза «сперва всё» уже насобирала достаточно свидетельств и может решить все проблемы существующих идей. Подробнее о ней — в следующей части.

Несколько лет назад эта идея получила мощный толчок, благодаря результату, поддерживающему устоявшуюся теорию «мира РНК».

К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Они не могли сделать нуклеотиды, строительные блоки РНК, как если бы это происходило в условиях ранней Земли. Это и привело людей к мысли, что первая жизнь вовсе не была построена на РНК, как мы выяснили в третьей части.

Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х. «Я думал, что продемонстрировать, что РНК может самособираться, было бы очень круто», говорит он.

К счастью для Сазерленда, он получил работу в Лаборатории молекулярной биологии (LMB) в Кембридже. Большинство научно-исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно генерировать новые работы, но LMB нет. Поэтому Сазерленд мог хорошенько обдумать, почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход.

Его решение привело его к совершенно новой идее о происхождении жизни: все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно.

«В химии РНК были определенные аспекты, которые не работали», говорит Сазерленд. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно. Молекулы просто не той формы.

Поэтому Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества. В конечном счете его команда пришла к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. Эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания.

Это был ослепительный успех, который сделал Сазерленду имя.

Многие наблюдатели интерпретировали эти результаты как еще одно доказательство в пользу мира РНК. Но сам Сазерленд так не считал.

«Классическая» гипотеза мира РНК утверждает, что в первых организмах РНК отвечала за все функции жизни. Но Сазерленд говорит, что это безнадежно оптимистично. Он считает, что РНК принимала важное участие, но на ней все клином не сходилось.

Вместо этого он вдохновился одной из последних работ Шостака, которая (как мы выяснили в пятой части) совмещала РНК-мир «сперва воспроизводства» с идеями «сперва компартментализации» Пьера Луиджи Луизи.

Сазерленд пошел еще дальше. Его подход представлял собой «сперва всё». Он хотел, чтобы цельная клетка собралась сама по себе с нуля. К этому его привела странная деталь в его синтезе нуклеотидов, которая сначала казалась случайной.

Последним шагом в процессе Сазерленда было забросить фосфат в нуклеотид. Однако он выяснил, что лучше всего было включать фосфат в смесь с самого начала, поскольку он ускорял первые реакции. Казалось, что включение фосфата до того, как он понадобится на самом деле, было слегка «грязноватым» действием, но Сазерленд выяснил, что этот хаос — это хорошо.

И так он задумался о том, насколько беспорядочными должны быть смеси. Во времена ранней Земли должны были существовать десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Рецепт шлама? Возможно. Но беспорядок может быть важным условием.

Смеси, которые Стэнли Миллер приготовил в 1950-х годах, о которых мы говорили в первой части, были куда грязнее сазерлендовых. Они включали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в небольших количествах и сопровождались огромным количеством других, не биологических соединений».

Сазерленд считал, что подход Миллера был недостаточно хорош. Он был слишком грязным, поэтому хорошие химические вещества просто терялись в смеси.

Поэтому Сазерленд вознамерился найти «химию Златовласки»: не слишком грязную, чтобы стать бесполезной, но и не слишком простую, чтобы быть ограниченной в возможностях. Получить достаточно сложную смесь — и все компоненты жизни смогут сформироваться одновременно и найти друг друга.

Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он существовал годами, пока в нем не собрались нужные химические вещества. Затем, возможно, за какие-нибудь пару минут появилась первая клетка.

Это может показаться совершенно неправдоподобным, словно заявления средневековых алхимиков. Но у Сазерленда только прибавляется доказательств. В 2009 году он показал, что та же химия, которая позволила собрать два его нуклеотида РНК, также может создавать многие другие молекулы жизни.

Очевидным следующим шагом было сделать больше нуклеотидов РНК. Пока этого сделать не удалось, но в 2010 году он собрал тесно связанные молекулы, которые потенциально могут превратиться в нуклеотиды. Точно так же, в 2013 году он сделал прекурсоры аминокислот. На этот раз ему пришлось добавить цианид меди, чтобы заставить реакцию протекать.

Связанные с цианидом химические вещества оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд сделал с ними еще больше. Он показал, что в том же горшке с химическими веществами могут появиться и прекурсоры липидов, молекул, из которых состоят стенки клеток. Все эти реакции полагались на ультрафиолетовый свет, включали серу и медь как катализатор.

«Все строительные блоки вышли из общего ядра химических реакций», говорит Шостак.

Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был в корне неверным. С тех пор, как стала очевидной сложность клетки, ученые начали работать с предположением, что первые клетки должны были собираться постепенно, по частям.

Вслед за предложением Лесли Оргела о том, что сначала появилась РНК, ученые пытались «поставить одно перед другим, а потом как-то получить порядок», говорит Сазерленд. Но он думает, что лучше всего — сделать все и сразу.

«Мы, по сути, усомнились в мысли о том, что сделать все разом слишком сложно», говорит он. «Определенно можно сделать строительные блоки всех систем сразу».

Шостак теперь подозревает, что большинство попыток сделать молекулы жизни и собрать их в живые клетки провалились по одной причине: эксперименты были слишком чистыми.

Ученые использовали несколько химических веществ, которые были им интересны, и оставляли все прочие, которые тоже, вероятно, присутствовали на ранней Земле. Но работа Сазерленда показала, что добавляя больше химических вещей в смесь, можно создать больше сложных явлений.

Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался разместить фермент РНК в своих протоклетках. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембраны протоклеток. Решение оказалось на удивление простым. Вместо того чтобы делать везикулы из одной только жирной кислоты, их сделали из смеси обоих веществ. Новые, «грязные» везикулы справлялись с магнием и могли размещать работающие ферменты РНК.

Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли включать беспорядок.

Современные организмы используют чистую ДНК для переноса генов, но чистой ДНК, вероятно, не существовало поначалу. Нужна была смесь нуклеотидов РНК и нуклеотидов ДНК.

В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаику» молекул, которая выглядит и ведет себя почти как чистая РНК. Эти перемешанные цепочки РНК/ДНК даже можно было аккуратно сложить.

Выходит, не имеет значения, могли первые организмы иметь чистую РНК или чистую ДНК. «Я даже вернулся к мысли о том, что первый полимер был очень похож на РНК, такой более грязной версией РНК», говорит Шостак. Альтернатив РНК могло быть еще больше, вроде ТНК и ПНК, о которых мы говорили в третьей части. Мы не знаем, существовали они на Земле или нет, но если да, то первые организмы вполне могли использовать и их.

Это уже был не «мир РНК», а «мир вперемешку».

Урок этих исследований в том, что сделать первую клетку может быть было не так сложно, как кажется. Да, клетки — сложные машины. Но оказывается, что они продолжают работать, хоть и не так хорошо, если их слепить небрежно, как снежок.

Кажется, что такие неуклюжие клетки не имели шансов выжить на ранней Земле. Но у них практически не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, поэтому во многих отношениях жизни было проще, чем сейчас.

Однако существует одна проблема, которую не смогли решить Сазерленд или Шостак, и это серьезная проблема. Первый организм должен был иметь какой-то метаболизм, обмен веществ. С самого начала жизнь должна была получать энергию, либо умереть.

В этом Сазерленд согласен с Майком Расселлом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий «сперва метаболизм» из четвертой части. «Пока РНК-ребята бодались с метаболизм-ребятами, у обоих сторон были веские аргументы», говорит Сазерленд.

«Метаболизм должен был где-то протекать, — вторит ему Шостак. — Источник химической энергии — это огромный вопрос».

Даже если Мартин и Расселл ошибаются на тему того, что жизнь началась у глубоководных источников, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них — значение металлов для рождения жизни.

В природе у многих ферментов есть атом металла в ядре. Зачастую это «активная» часть фермента; остальная часть молекулы выступает поддерживающей структурой. Первая жизнь не могла иметь таких сложных ферментов, поэтому почти наверняка использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.

Гюнтер Вахтершаузер подметил это, когда предположил, что жизнь образовалась на основе железного пирита. Аналогичным образом, Расселл подчеркивал, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут выступать в качестве катализаторов — и исследование Мартина выявило множество ферментов на основе железа у последнего универсального общего предка (LUCA).

В свете этого имеет смысл, что многие химические реакции Сазерленда полагаются на медь (и — как и подчеркивал Вахтершаузер — на серу), а РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии.

Может быть и так, что гидротермальные источники окажутся вдруг важнейшими элементами головоломки. «Если посмотреть на современный метаболизм, в нем имеются такие красноречивые вещи, как железосерные кластеры», говорит Шостак. Это говорит в поддержку идеи возникновения жизни у жерл, где вода богата железом и серой.

Но если Сазерленд и Шостак действительно находятся на верном пути, один аспект гидротермальной теории совершенно не имеет смысла: жизнь не могла появиться в глубоком море.

«Химия, к которой мы пришли, очень зависит от ультрафиолетового света», говорит Сазерленд. Единственным источником ультрафиолетового излучения является Солнце, поэтому его реакции могут протекать только в освещенных солнечных местах. Это исключает глубоководный сценарий.

Шостак согласен: глубокие воды вряд ли были колыбелью жизни. Кроме того, они изолированы от атмосферной химии, которая является источником высокоэнергетических стартовых материалов вроде цианида.

Но эти проблемы не исключают гидротермальную теорию полностью. Возможно, эти источники были на мелководье, купаясь в солнечном свете и цианидах.

У Армена Мулкиджаняна есть альтернатива. Возможно, жизнь появилась на земле, в вулканическом пруду.

Мулкиджанян обратил внимание на химический состав клеток: в частности, какие химические вещества они впускают и какие нет. Оказалось, что клетки, вне зависимости от организма-носителя, содержат много фосфата, калия и других металлов — но не натрия.

В настоящее время клетки получают их, закачивая материалы в себя, но первые клетки не могли этого делать, поскольку не обладали нужным механизмом. Поэтому Мулкиджанян предположил, что первые клетки образовались где-то, где был примерно такой же состав химических веществ, что и у современных клеток.

Океан сразу же отпадает. В клетках намного больше калия и фосфата, чем в океане, и намного меньше натрия. Но на ум приходят геотермальные пруды вблизи активных вулканов. Эти пруды обладают именно тем коктейлем металлов, который находят в клетках.

Шостаку нравится эта идея. «Думаю, мой любимый сценарий на данный момент будет включать мелководное озеро или пруд на поверхности в геотермально активной области, — говорит он. — Тогда у нас будут гидротермальные источники, но не те, что в глубине океана, а какие-нибудь похожие на источники в вулканически активных зонах по типу Йеллоустоуна».

Химия Сазерленда вполне могла бы сработать в таком месте. У этих источников подходящий химический состав, уровень воды колеблется, местами все пересыхает, а ультрафиолетового излучения солнца вполне достаточно.

Более того, Шостак говорит, что такие пруды подошли бы его протоклеткам.

«Протоклетки были бы относительно холодными большую часть времени, что хорошо для копирования РНК и других типов простого метаболизма», говорит Шостак. «Но им понадобился бы периодический нагрев,к который помогал бы цепочкам РНК отпадать ради следующего раунда воспроизводства».

Потоки холодной или горячей воды помогали бы протоклеткам делиться.

Опираясь на многие из этих аргументов, Сазерленд предлагает и третий вариант: место падения метеорита.

Метеориты падали на Землю постоянно в течение ее первого полумиллиарда лет существования — и с тех пор тоже иногда падают. Хороший удар создал бы условия, подобные прудам Мулкиджаняна.

Во-первых, метеориты в основном сделаны из металла. Зоны воздействия, как правило, богаты полезными металлами вроде железа, а также серой. И самое главное, удары метеоритов плавят земную кору, что приводит к геотермальной активности и нагреву воды.

Сазерленд представляет небольшие ручейки и реки, стекающие по склонам ударного кратера, выщелачивающие химвещества на основе цианида из пород, пока ультрафиолетовое излучение проливается свыше. Каждый поток приносит ту или иную смесь химических веществ, так что начинают различные реакции и производится целый ряд органических химических веществ.

В конце концов, потоки стекают в вулканический пруд на дне кратера. В таком пруду, возможно, все элементы головоломки сложились бы вместе и образовались первые протоклетки.

«Это довольно специфический сценарий», говорит Сазерленд. Но он предпочел его на основе химических реакций, с которыми столкнулся. «Пока этот сценарий единственный совместимый по части химии».

Шостак не уверен настолько, но согласен с тем, что идея Сазерленда заслуживает внимания. «Думаю, сценарий с ударом прекрасен. Думаю, идея вулканических систем также может сработать. У обеих теорий есть хорошие аргументы».

Пока что дебаты будут разворачиваться и дальше. Но решение будет зависеть от химии и протоклеток. Если выяснится, что одному из сценариев недостает важного химического вещества или что-то разрушает протоклетки, от него придется отказаться.

Но впервые в истории мы можем получить всеобъемлющее объяснение того, как начиналась жизнь.

Пока что подход «все и сразу» Шостака и Сазерленда предлагает лишь отрывочные повествования. Но эти шаги были разработаны на основе десятилетий экспериментов. Также этот подход опирается на все другие гипотезы происхождения жизни. Он пытается использовать все их хорошие стороны, вместе с тем решая всех их проблемы. К примеру, он не разрушает гипотезу Расселла о гидротермальных источниках, а скорее включает ее лучшие элементы.

Конечно, мы не можем знать наверняка, что происходило четыре миллиарда лет назад. «Даже если вы построили реактор и из него вышла кишечная палочка… это не доказывает, что все так и было», говорит Мартин.

Лучшее, что мы можем сделать, это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами: с экспериментами в области химии, с нашими познаниями о ранней Земле, с тем, что говорит биология о самых древних формах жизни. Наконец, после столетия напряженных усилий, история начинает вырисовываться.

И это значит, что мы приближаемся к одному из важнейших переломных моментов в человеческой истории: после которого мы узнаем историю появления жизни на Земле. Все люди, умершие до того, как Дарвин опубликовал «Происхождение видов» в 1859 году, понятия не имели, откуда взялся человек, потому что ничего не знали об эволюции. Но любой живущий сегодня может узнать правду о нашем родстве с животными.

Точно так же любой рожденный после выхода Юрия Гагарина на орбиту Земли в 1961 году, жил в обществе, которое может отправиться к другим мирам. Космические путешествия стали реальностью, даже если мы сами в них не участвовали.

Эти факты меняют наш взгляд на мир. Они делают нас мудрее. Эволюция учит нас беречь каждое живое существо, потому что мы все произошли от одного предка. Космические путешествия позволяют нам смотреть на другие миры издалека, видеть всю их уникальность и хрупкость.

Некоторые из живущих сегодня людей станут первыми в истории, которые смогут с уверенностью заявить, что мы точно знаем, откуда пришли. Они будут знать, каким был наш первый предок и где жил.

Это знание изменит нас. На чисто научном уровне оно расскажет нам о том, насколько вероятно появление жизни во Вселенной и где ее искать. И оно расскажет нам о сущности жизни. Но можем ли мы знать, какие знания откроются нам после того, как мы узнаем тайну появления жизни? Вряд ли.

Оригинал статьи на BBC. Автор Michael Marshall. Перевод выполнен Ильёй Хель