Как появилась жизнь?
Испания, Бильбао. Наши дни. Учёного убивают за громкое открытие. Известно, что незадолго до этого он втайне поделился результатами исследований с представителями основных мировых конфессий: христианства, ислама и иудаизма. Что же это было за открытие? Ниже будет небольшой спойлер к книге Дэна Брауна «Происхождение».
Итак, по сюжету, учёный Эдмонд Кирш смоделировал происхождение жизни и показал, что её появление при определенных условиях неизбежно. Так он отнял последнее оправдание Бога у сторонников гипотезы сотворения. Это, конечно, вымышленная история, но наука о происхождении жизни реальна. Так что сегодня обсудим фундаментальный вопрос биологии: как появилась жизнь? Ниже предлагаю текст, а видео по теме есть не только на YouTube, но и на Substack.
Если честно, меня сюжетная завязка у Брауна впечатлила не очень сильно. Мало кто из ученых сомневается в том, что живое произошло из неживого в процессе химической эволюции. Если бы этот аргумент и правда уничтожал религии, то мы бы уже наблюдали их массовое отмирание. Либо настоящую охоту на ученых. Но религиозные проповедники, к счастью или к сожалению, отлично умеют игнорировать факты.
А вот что касается деталей происхождения жизни, мы действительно многого пока ещё не знаем. В своем романе Дэн Браун ссылается на классический эксперимент Миллера – Юри, проведённый ещё в 1953 году. В нём учёные попытались синтезировать самые базовые кирпичики жизни — нуклеотиды и аминокислоты — из смеси простых веществ, которые в достаточном количестве присутствовали на древней Земле. Они имитировали молнии — пропускали электрический ток через смесь водяного пара, метана, аммиака, водорода и угарного газа. В результате им удалось получить в этой смеси пять из двадцати классических аминокислот, которые входят в состав наших с вами белков.
Браун устами одного из персонажей справедливо отмечает, что в то время у Миллера и Юри не было современных приборов, которые могли обнаружить малые концентрации веществ. Когда этот эксперимент повторили в 2008 году, используя современные методы детекции, в смеси нашли уже двадцать две разных аминокислоты.
Что касается другого важнейшего компонента жизни — нуклеотидов, тех самых химических «буковок» A, T, G, C, из которых состоят молекулы наследственной информации ДНК, — то и здесь никаких чудес не требуется. В 2022 году в журнале Nature Communications вышла статья, авторы которой показали, что всё разнообразие нуклеотидных оснований можно обнаружить… в метеоритах. Конечно, это могли наследить какие-то инопланетяне, но мы о таковых не знаем, поэтому предполагаем, что нуклеотиды возникли сами по себе — без участия живых существ.
Это было наблюдение за естественными метеоритами, но есть и эксперимент 2019 года. Прямо в лаборатории симулировали возникновение биологических молекул с участием межзвёздного льда. Там смешивали водяной пар, угарный газ, аммиак и метанол в условиях, похожих на космическое пространство. И оказалось, что в этих условиях действительно можно получить необходимые для возникновения жизни нуклеотиды.
Итак, базовые кирпичики, которые нужны для жизни: и аминокислоты, из которых состоят белки, и нуклеотиды, из которых состоит ДНК, — всё это ни в каком божественном чуде не нуждается. Химия сама рождает биологию.
Но сделаем шаг назад. Мы взялись описать происхождение жизни. Но что это вообще такое — жизнь? Хотя жизнью можно называть разные вещи, мало кто сомневается, что живыми являются способные к делению клетки и организмы, которые из них состоят. То есть от кирпичиков жизни нужно как-то перейти к клеткам.
Теория эволюции Дарвина прекрасно объясняет, как из одной клетки могло развиться все многообразие жизни на Земле. Но теория эволюции не говорит нам ничего том, как должна была появиться первая клетка. Впрочем, кто сказал, что эволюция без клеток невозможна? Тут на сцену и выходят гипотезы абиогенеза — то есть происхождения живого из неживого.
Сразу оговорюсь. Происхождение от единого общего предка всех современных форм жизни на планете, от утконоса до кишечной палочки — это совершенно установленный факт. Среди биологов об этом уже давно не спорят. Но вот о том, как появилась жизнь, мы знаем гораздо меньше, и можем лишь предполагать различные сценарии. Поэтому мы и говорим «теория эволюции», но «гипотезы абиогенеза».
Даже если мы сегодня создадим жизнь в пробирке, это не будет автоматически означать, что мы узнали, как она появилась в прошлом, миллиарды лет назад. Но немного заглянуть в прошлое мы всё-таки можем.
Начнем с разбора ошибок. Первая гипотеза абиогенеза, которая была популярна среди ученых и алхимиков XVIII века — гипотеза спонтанного самозарождения жизни. Тогда учёные предполагали, что бактерии и даже многоклеточные организмы могут появиться из неживой материи — сразу в готовом виде. Некоторые мыслители прошлого всерьез полагали, что из гнилого мяса могут появиться личинки мух, а из старых тряпок — крысы и мыши.
Понадобились тщательно поставленные опыты Луи Пастера, который доказал, что в изначально стерильной колбе даже в самой подходящей питательной среде жизнь просто так возникать не будет. Микробы или мухи должны проникнуть туда извне. То есть всякая современная жизнь происходит из современной жизни.
Еще популярной была гипотеза панспермии — о том, что жизнь занесли на Землю из космоса. Эта теория не противоречит никаким наблюдаемым фактам. Но все же такое допущение лишь переносит интересный нам момент зарождения жизни на некую другую планету. То есть мало чего объясняет.
Один из аргументов против гипотез абиогенеза заключается в том, что современная клетка слишком сложна, чтобы получиться стихийно. В ее состав обязательно входят как минимум четыре класса важнейших биологических молекул. Это ДНК, РНК, белки и липиды.
Все они друг с другом взаимосвязаны: ДНК нужна для того, чтобы синтезировать РНК, РНК нужна для того, чтобы синтезировать белки, а белки регулируют работу генов. Тем временем липидные мембраны ограничивают это все в едином пространстве, чтобы не растеклось. Есть и другие биологические молекулы, но эти самые главные.
В одной современной клетке могут быть тысячи и даже десятки тысяч разных генов, каждый из которых кодирует отдельный белок. Не все гены обязательны, но многие из них необходимы для работы такой клетки. Даже у одного из самых простых современных организмов, у одноклеточной бактерии-микоплазмы — с очень маленьким геномом — все равно не меньше девятисот генов. Спонтанным самозарождением и не пахнет.
Есть знаменитая работа группы ученых под руководством Крейга Вентера за которую его обвинили в “Игре в Бога”.
Вентер и его команда первыми в истории человечества создали клетку с искусственно синтезированной ДНК. Причем с сильно урезанным «минимальным» геномом. Они предположили, что гены, встречающиеся у всех организмов, должны быть универсальными и критически необходимыми для жизни. А некоторыми уникальными генами, скорее всего, можно пренебречь, что и подтвердилось.
Но даже самых необходимых генов в их исследовании оказалось 473! Если сравнить это с числом генов у уже упомянутой микоплазмы (с которой и началось исследование), то созданная в лаборатории клетка получилась почти вдвое проще. Но даже такая примитивная клетка чересчур сложна, чтобы возникнуть спонтанно в готовом виде.
К счастью, никто из ученых и не считает, что современная клетка просто взяла и собралась сама собой.
Одно из крутейших открытий современной биологии заключается в том, что эволюционировать могут даже отдельные молекулы. Есть целая область исследований, которая называется химической эволюцией — в ней принципы дарвиновского отбора используются для того, чтобы получать молекулы с нужными свойствами. Например, есть методика SELEX (Систематическая эволюция лигандов экспоненциальным обогащением): биохимики берут случайные последовательности РНК и отбирают среди них те, которые, допустим, хорошо связываются с белком А — и плохо связываются с белком Б. Отобранные цепочки РНК копируют, причём специально вносят в процесс копирования случайные ошибки — и ещё раз устраивают им такой вот искусственный отбор.
Через несколько итераций мы получаем такие РНК, которые идеально связываются с белком А и совершенно не связываются с белком Б. Фактически это биохимические сенсоры, реагирующие на определенный белок. Таким же образом можно разрабатывать флуоресцентные метки и даже лекарства.
Все, что нужно для эволюции — системы, способные копировать самих себя, то есть репликаторы. И некоторые репликаторы могут быть устроены предельно просто. В качестве примера возьмём кристаллы. Они умеют расти, причем чем больше площадь поверхности кристалла, тем быстрее он растет и воспроизводит себя.
Самоподдерживающиеся — автокаталитические — химические реакции могут происходить в пробирке. В МГУ на парах по химии нам показывали реакцию Белоусова — Жаботинского. Это колебательный процесс, который сам себя поддерживает.
В кибернетике машина, которая может воспроизвести саму себя, называется машиной фон Неймана. И такие машины тоже близки к нашему пониманию жизни. В моем любимом сериале детства LEXX был антагонист по имени Мантрид. Он пользовался роботами-дронами, которые выглядели как руки и выполняли его приказы. Но когда они получили возможность воспроизводить самих себя, весь мир стал материалом для их самовоспроизведения — и роботы послушно превращали звезду за звездой в свои копии. Это, конечно, фантастика, но одновременно и очень показательный пример того, как единожды запущенный механизм самовоспроизведения может привести к глобальным последствиям.
Критикуя роль репликаторов, креационисты любят ссылаться на второе начало термодинамики: что мера неупорядоченности системы, энтропия, не может убывать. Только деградация и хаоc! А если никакое самопроизвольное и упорядоченное усложнение невозможно, никакой вам эволюции или зарождения жизни. Но жизнь, чего бы там ни хотели креационисты, — это открытая система, которая получает энергию и вещества извне. Поэтому в данном случае упоминать второе начало термодинамики — это просто безграмотно.
Итак, для эволюции нужны репликаторы. Но от какого именно репликатора произошла современная жизнь? Сегодня принято считать, что эволюция жизни на Земле началась не с белков и не с ДНК. Белки многофункциональны, имеют сложные трехмерные структуры, осуществляют массу химических реакций, но… категорически не умеют копировать себя. А ДНК отлично подходит для хранения и передачи генетической информации, но химически она слишком инертна. Поэтому большинство ученых склоняется к тому, что начало всему живому положили молекулы РНК – ну или какие-то похожие молекулы.
Дело в том, что РНК — это цепочка из четырёх типов нуклеотидов. Прямо как ДНК. Но в отличие от ДНК, РНК — это как правило не двойная спираль, а одиночная цепочка из нуклеотидов, которая легко сворачивается в сложные трехмерные структуры с разными свойствами. По сути, молекула РНК может взять лучшее из двух миров. Как и ДНК, РНК легко копируется. Как и белки, РНК легко ускоряет различные химические реакции.
На уроках биологии в школе обычно рассказывают, что РНК — это матрица, на основе информации из которой строятся белки. ДНК — книга рецептов, а РНК — копия одного рецепта на большой кухне, где варятся вкусные белки. Но РНК — это гораздо круче и гораздо больше. РНК — это целый мир. И в пользу версии, что именно РНК стала основной молекулой жизни, говорят сильные аргументы.
Во-первых, мы уже знаем, что образующие РНК нуклеотиды могут быть обнаружены даже в космосе, и вполне могут быть синтезированы химически, без участия каких-либо живых систем. Во-вторых, даже короткие цепочки РНК, возникшие в результате такого абиогенеза, вполне могут выполнять важные биологические функции. Например, существуют микро-РНК — короткие цепочки РНК, которые связываются с ДНК и так регулируют работу генов. В-третьих, какой важнейший процесс в клетке ни возьми, скорее всего, где-то там ошивается РНК.
Давайте посмотрим на рибосому — это одна из самых важных молекулярных машин в клетке, которая синтезирует белки.
Если мысленно разобрать её, то мы увидим, что она состоит из белков и молекул РНК. Причём в каталитических центрах, где происходят основные химические реакции, главные функции выполняет именно РНК. Получается, рибосомы — это по сути молекулы РНК, которые создают новые белки. А белки в составе рибосомы лишь помогают делать это более эффективно, а также поддерживают общую структуру.
Есть и другие важнейшие клеточные процессы, за которые отвечают именно молекулы РНК. Например, возьмем знаменитую теломеразу — фермент, который достраивает кончики хромосом. В его состав также входят молекулы РНК.
А теперь пример из продвинутой молекулярной биологии! Самые обычные молекулы РНК, которые кодируют белки, у нас с вами часто разрезаются и сшиваются обратно — этот процесс называется сплайсингом. Он повышает разнообразие белков: тут вырезали один кусочек, тут другой — и получили два разных белка, хотя ген в ДНК изначально был один. В основе молекулярной машины, которая отвечает за этот процесс — она называется «сплайсосома» — тоже лежат молекулы РНК. То есть одни РНК с пользой разрезают другие РНК. Еще молекулы РНК могут ускорят самые разные химические реакции. Такие РНК-молекулы назвали рибозимами, и за их открытие Томас Чек в 1989 году получил Нобелевскую премию по химии.
Именно рибозимы и легли в основу самых современных представлений о происхождении жизни — так называемых гипотез мира РНК.
Если клетки не могут самозарождаться, могут ли это делать молекулы РНК? Насколько большой и сложной должна быть молекула-рибозим, чтобы выполнять полезные функции, связанные с жизнью? Типичный ген в геноме современного человека состоит примерно из тысячи нуклеотидов. Такая длинная последовательность нуклеотидов едва ли соберется сама по себе — ей должна предшествовать какая-то ещё эволюция.
А самые короткие молекулы РНК, которые нам известны и обладают нетривиальными функциями, состоят всего лишь из пяти нуклеотидов! В статье 2011 года, которая опубликована в журнале Британского королевского общества, говорится, что подобный рибозим умеет навешивать аминокислоту на нуклеотидную последовательность. И это очень важная функция. Без нее невозможен синтез белков, а значит и современная жизнь. В современной клетке эту функцию выполняют специальные сложные белки — Аминоацил-тРНК синтетазы. Они берут аминокислоту, приделывают ее к особой транспортной РНК, а потом такие транспортные РНК доставляют аминокислоты в рибосомы, где происходит синтез белков.
Все это довольно сложный цикл со множеством участников и этапов. А когда оказывается, что малюсенькая цепочка РНК по сути выполняет эту функцию — пусть и не так хорошо, как современные белки — мы понимаем, что раньше жизнь могла бы устроена намного проще.
Но чтобы говорить об эволюции, РНК должна обладать не только функциями, но и способностью к самокопированию. И с этим у РНК всё очень хорошо! Структуры и ДНК, и РНК прекрасно подходят для самовоспроизведения. Молекула ДНК — это двойная спираль, в последовательности которой напротив буквы G всегда стоит C, а напротив A стоит Т. Это называется принципом комплементарности, или дополнения. Химически эти пары нуклеотидов буквально притягиваются друг к другу и легко образуют связи.
Благодаря этому принципу, если вы знаете последовательность нуклеотидов одной половины спирали, вы всегда знаете последовательность другой. И если расплести двойную спираль на две одиночных, то каждую из них легко достроить до двойной. Но то же самое справедливо и для РНК. Мы обычно думаем об РНК как об одиночной цепочке, но двойные спирали из РНК тоже возможны, как и гибридные спирали из ДНК и РНК.
Но все же в норме за копирование ДНК и РНК отвечают специальные ферменты, в состав которых входят белки. Возможно ли самокопирование РНК без белков — усилиями одних лишь рибозимов? В статье 2002 года авторы показали, что можно сделать рибозим, который собирает свои копии из нескольких более коротких молекул РНК. Но ему требовались готовые составные части — так что это круто, но для полноценной репликации ещё недостаточно.
А вот в нескольких недавних статьях есть примеры рибозимов, которые обладают очень хорошей способностью копировать разные РНК. И этот процесс возможен без участия белков. Причём получили такую удивительную молекулу с помощью химической эволюции. Забавно, что при создании таких молекул учёные могут даже сами не понимать, как они работают. А уже потом по результатам криоэлектронной микроскопии можно увидеть, как именно полученный рибозим связывается с другими цепочками РНК.
Рибозимы способны выполнять самые разные функции. Есть рибозимы, которые связываются с одной из самых важных для жизни малых молекул — АТФ. Кстати, это тоже нуклеотид. Есть рибозимы, которые влияют на течение ВИЧ. И есть рибозимы, которые синтезируют другие цепочки РНК — длиной до 95 нуклеотидов. Это значит, что все самые важные процессы, которые в современных клетках выполняют белки, на заре жизни могли выполнять рибозимы.
Хорошо, но это же все разные рибозимы. Где тот один, который сам себя копировал и дал нам жизнь во всём разнообразии? Оказывается, что не нужен нам никакой один-единственный рибозим. Например, статья 2012 года в журнале Nature рассказывает о комплексе из трёх рибозимов. Вместе они катализируют реакции, которые воспроизводят каждую из этих трёх молекул. То есть и в прошлом вполне могла зародиться система из нескольких рибозимов, которые жили вместе, зависели друг от друга и совместно эволюционировали. Потом они добавили себе белки, ну и ДНК для надежного хранения данных.
Вот теперь можно представить какую-нибудь конкретную модель, которая опишет нам, как на основе примитивных рибозимов могла запуститься полноценная дарвиновская эволюция. Я не утверждаю, что всё было именно так, как я сейчас расскажу. Но мне очень нравится модель, которую предложил нобелевский лауреат по биологии Джек Шостак.
Его лекция 2023 года про происхождение жизни начинается с обсуждения клеточных мембран. Он экспериментально показывает, что можно растворить в воде простые жирные кислоты — например, такие, которые входят в обычное мыло. Из них будут спонтанно формироваться пузырьки и капельки, похожие на клеточные мембраны.
Конечно, мембраны современных клеток устроены гораздо сложнее: они представляют собой двойной слой из липидов, который пронизан транспортными белками и рецепторами. Но кто сказал, что первые мембраны были такими? Самые простые мембраны получаются так же легко, как детские мыльные пузыри или капельки жира в бульоне. Более того, такие пузырьки могут расти и конкурировать друг с другом. Когда две капельки соприкасаются, одна может украсть липиды у другой, и за счёт этого увеличить площадь своей мембраны. И Джек Шостак предложил красивый механизм, который объясняет, как эти липидные мембраны могут коэволюционировать с молекулами РНК.
Мембраны современных клеток достаточно плохо проницаемы для нуклеотидов. И для того, чтобы нуклеотиды попадали внутрь клеток, в мембранах есть специальные каналы. Но не так сложно себе представить, что примитивные мембраны древних клеток были гораздо более проницаемы. Отдельные нуклеотиды могли проходить сквозь них и соединяться внутри в более крупные молекулы, размер которых уже не позволял им выйти обратно.
А теперь представьте себе, что внутри одной такой древней мембраны оказался какой-нибудь рибозим, который может соединять друг с другом нуклеотиды. Благодаря его работе внутри мембраны будут накапливаться более сложные и крупные молекулы РНК. И для этого не нужна ни генетическая регуляция, ни механизмы наследования. В тех пузырьках, в которых больше молекул РНК, будет расти поверхностное натяжение мембраны. Пузырек как бы распирает изнутри, и поэтому он как будто «стремится» стать больше. Из-за этого он будет эффективнее обворовывать более мелкие пузырьки. Прямо как здоровенный гопник отжимает мобилы у хлюпиков.
И уже в такой простой модели мы видим дарвиновскую эволюцию: больше растут те пузырьки, в которых активней происходят химические реакции синтеза РНК. Когда такой пузырь достигает критически большого размера, он может распасться на части чисто механически, причем некоторым дочерним пузырькам достанется часть содержимого большого. Это по сути примитивный аналог клеточного деления, позволяющий пузырькам с рибозимами размножаться.
Впрочем, некоторые ученые считают, что для зарождения жизни и липидные мембраны были не нужны. Вот какую гипотезу нам рассказывал академик Спирин, который был заведующим кафедрой молекулярной биологии биологического факультета МГУ. Он предлагал сценарий, в котором жизнь зародилась на литорали. Литораль — это прибрежная область, которую во время прилива заливает море, а во время отлива там остаются пересыхающие лужицы. Я в детстве часто бывал на Белом море и много гулял по таким литоралям. Концентрация попавших в такую лужицу органических молекул возрастает по мере того, как лужица пересыхает во время отлива.
Если в такую лужицу попадёт какая-то молекула или группа молекул РНК, способных при высокой концентрации полезных веществ создавать копии себя — пусть даже не идеальные копии, — то за один отлив эта система размножится. А потом наступает прилив – и всё, что успело насинтезироваться, сначала оказывается в океане, а потом разносится по другим лужицам. И вот уже не в одной, а в пяти или десяти лужицах идёт копирование этой молекулы РНК или группы молекул.
Какие-то варианты молекул РНК будут копировать себя лучше, какие-то хуже. Те, которые копируют себя лучше, за время отлива успеют произвести больше себе подобных. Более продвинутые эволюционно молекулы, попадая в одну лужицу с менее приспособленными молекулами, будут выигрывать гонку за ресурсы. То есть на литорали будет происходить типичный естественный отбор по Дарвину. А это уже понятный механизм эволюции.
Итак, мы поняли, что дарвиновский отбор может работать с одними лишь молекулами РНК, без белков и клеточных мембран. И вопрос только в том, какие для этого были нужны условия. Это вопрос открытый, которому посвящены тысячи научных статей.
Кто-то считает, что жизнь зародилась возле черных курильщиков — подводных горячих источников, у которых возникают градиенты температур. Кто-то склоняется к гипотезе, что жизнь зарождалась на поверхности минералов вроде глины, которые защищали биологические молекулы от действия ультрафиолета и способствовали ускорению некоторых химических реакций. Версий много, но это уже хоть важные, но детали.
Большинство современных гипотез абиогенеза говорят о том, что некоторые простые молекулы, способные копировать сами себя, выживали потому, что делали все больше и больше своих копий — так постепенно запустился эволюционный процесс. Под это описание вполне подходят молекулы РНК, которые способны к эволюции — и это доказано экспериментально. Они же могли синтезировать другие молекулы РНК.
Эволюционный процесс мог быть очень медленным и неэффективным. Но с момента формирования Земли до того момента, когда на ней появилась полноценная клеточная жизнь, по нашим оценкам, прошло несколько сот миллионов лет. И даже если химическая реакция проходит очень неэффективно, за сотни миллионов лет могло накопиться нужное количество продуктов этой реакции.
Чего не хватает, чтобы сейчас повторить зарождение жизни из неживой материи и посмотреть, как это происходило? У нас нет сотен миллионов лет и всего объёма Мирового океана со всем многообразием условий. А ведь ещё нужно, чтоб он был свободен от уже существующей жизни, для которой вся эта химическая эволюция — вкусненький суп. Странно было бы ожидать, что за условные десять или даже сто лет лабораторных экспериментов удастся воспроизвести то, на что в реальности потребовались несопоставимые хронологические и пространственные масштабы.
Но что мы имеем по итогу? Среди учёных-биологов встречаются две крайние и противоположные друг другу точки зрения. Одна, которой придерживался цитолог Кристиан де Дюв, заявляет, что жизнь — это космический императив. Иными словами, жизнь неизбежно возникает в любом месте, где физические условия это позволяют — как, например, на Земле. Вторая точка зрения, которой придерживался молекулярный биолог Фрэнсис Крик, один из открывателей структуры молекулы ДНК, говорит, что возникновение жизни — это все же очень маловероятное событие. Должно сильно повезти. Если это так, то мы существуем лишь потому, что во Вселенной есть множество планет, чтобы ставить подобные эксперименты. Вот на одной и получилось.
Наука до сих пор не знает, какая из этих крайностей ближе к истине и насколько на самом деле вероятно стечение обстоятельств, которое привело к появлению жизни на Земле. Но мы сильно продвинулись в этом направлении, а главное — поняли, что для объяснения этого «чуда» не нужно никаких сверхъестественных сил.
В «Происхождении» Дэна Брауна учёного убили именно потому, что идея о несверхъестественном происхождении жизни могла «отменить» все возможные религии. Я надеюсь, что никто не пострадает из-за того, что я раскрыл эту страшную тайну, которая столь радикально спорит с постулатами большинства конфессий.
Кстати, теория абиогенеза подводит нас к идее, что и на других планетах мы тоже когда-нибудь можем обнаружить жизнь. Возможно, другую, но тоже появившуюся за счет конкурирующих друг с другом репликаторов.
Источники: https://docs.google.com/document/d/1HllPBG3p6UTRb7150HgHSLGct0je641xUEUiYc7ww-k/edit
Мой телеграм: https://t.me/ScienceInquisition