Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?

В письме своему другу Джозефу Хукеру (Joseph Dalton Hooker) Дарвин осторожно предположил, что жизнь могла зародиться из неживой материи в «маленьком теплом пруду». Вполне возможно, что он и на этот раз оказался прав. Рис. Katharine Sutliff из обсуждаемой статьи Карла Циммера в Science

Еще полвека назад размышления о происхождении жизни считались уделом «престарелых ученых, которые могут позволить себе просто сидеть в кресле и рассуждать». Сегодня экспериментальным изучением этой проблемы заняты сотни научных коллективов. Их впечатляющие успехи позволяют надеяться, что не за горами тот день, когда все этапы долгого и трудного пути от неживой материи к простейшему живому организму можно будет воспроизвести в лаборатории.

Журнал Science начал публикацию серии эссе, посвященных 200-летию Чарльза Дарвина и 150-летию выхода в свет его главного труда — «Происхождения видов». Первое эссе, написанное известным американским популяризатором науки Карлом Циммером (Carl Zimmer), рассказывает о проблеме происхождения жизни — предмете, о котором сам Дарвин почти ничего не написал, поскольку не располагал необходимыми данными. Хотя, разумеется, эта проблема не могла его не волновать.

Из дарвиновской теории следовало, что сходство в строении организмов во многих случаях объясняется их происхождением от общего предка. Но для вывода о едином происхождении всего живого во времена Дарвина данных было еще недостаточно. Обосновать наличие у всех пород домашних голубей общего предка — дикого голубя — было сравнительно легко; труднее было сделать такой же вывод обо всём классе птиц; ну а для того, чтобы постулировать общее происхождение таких далеких друг от друга групп организмов, как животные и растения, в те времена нужно было обладать немалой научной смелостью. Однако Дарвин рискнул сделать этот шаг. В заключительной части «Происхождения видов» он отметил, что «...на основании принципа естественного отбора, сопровождаемого дивергенцией признаков, представляется вероятным, что от какой-нибудь подобной низкоорганизованной и промежуточной формы могли развиться как животные, так и растения; а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы». (Ч. Дарвин, «Происхождение видов...», глава 15).

Представления Дарвина о родстве всего живого опирались на известные в то время факты («...все живые существа имеют много общего в их химическом составе, в их клеточном строении, в законах их роста и в их чувствительности по отношению к вредным влияниям...», там же). Однако последние сомнения в правильности дарвиновской догадки отпали лишь во второй половине XX века, когда обнаружилось, что все живые существа имеют один и тот же аппарат наследственности и генетический код. Сегодня мало кто сомневается в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка, уже имевшего такой наследственный аппарат и генетический код. Вопрос лишь в том, откуда этот предок взялся.

Сам Дарвин, по-видимому, почти не надеялся, что эту тайну когда-нибудь удастся разгадать. В некоторых изданиях «Происхождения видов» он даже упоминает о Творце, предположительно «вдохнувшем» жизнь в первый живой организм. Но это, однако, могло быть и не совсем искренней уступкой господствовавшим взглядам. Сохранились письма Дарвина коллегам и друзьям, из которых видно, что он склонялся к идее абиогенеза — самопроизвольного зарождения первых живых существ из органических соединений, как-то образовавшихся на древней Земле из неорганических веществ. Однако он полагал, что эту догадку едва ли удастся проверить, потому что в наши дни любое самопроизвольно образовавшееся «в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и т. д.» органическое вещество немедленно будет съедено и переварено живыми организмами — чего, конечно, не произошло бы в те времена, когда жизнь еще не зародилась.

Скептическое отношение к возможности разгадать тайну зарождения жизни сохранялось довольно долго. По словам Хендерсона Кливса (Henderson James Cleaves) из института Карнеги в Вашингтоне, еще лет 50 назад попытки разгадать тайну происхождения жизни считались уделом «престарелых ученых в конце их карьеры, когда они могут просто сидеть в кресле и рассуждать». Вспомним, как Н. В. Тимофеев-Ресовский ехидно отвечал на вопросы о происхождении жизни: «Я тогда маленький был, не помню, вы спросите лучше у академика Опарина, он знает».

Насмешки начали постепенно сходить на нет после экспериментов Стэнли Миллера, которому удалось в 1953 году синтезировать аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав древней атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии (см.: Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008). Позже, однако, значение экспериментов Миллера было поставлено под сомнение. Согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере древней Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Миллера. В присутствии CO₂ синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не хотел. Эту проблему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его коллегам. Они обнаружили, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO₂, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые вполне могли присутствовать в первичной атмосфере.

Кроме того, молнии были далеко не единственными производителями органики на древней Земле. На сегодняшний день известны еще по крайней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники (о первом из этих источников см.: В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?; о втором: Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006).

В целом на сегодняшний день абиогенный синтез простых органических веществ — «строительных блоков» для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, — уже не является проблемой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), а также другие важные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться первые репликаторы — молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.

Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий (см.: RNA world hypothesis). Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие эксперты признали необходимость поиска обходных путей.

На сегодняшний день удалось нащупать два таких пути. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК (см. Peptide nucleic acid), ТНК (см. Threose nucleic acid) и ГНК (см. Glycerol nucleic acid). Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности».

Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в которой будут разрешены основные проблемы синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции хорошо идут при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. Если такой водоем время от времени подвергается высыханию, это может сильно ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся мелких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», возможно, был недалек от истины.

Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению (см. об этом в заметке: Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Однако и эта проблема постепенно решается. Очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского исследовательского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья опубликована 8 января на сайте журнала Science.

Схема репликации рибозимов в опыте Линкольн и Джойса. Исходными субстратами служат 4 олигонуклеотида (два розовых в верхней части рисунка и два голубых — в нижней). Голубой рибозим служит матрицей для сборки розового рибозима из двух розовых олигонуклеотидов, а розовый рибозим — матрицей для сборки голубого рибозима из двух голубых олигонуклеотидов. Рис. с сайта www.rsc.org

Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго — для этого нужно только исправно снабжать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», то есть исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в благоприятных условиях вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.

В отличие от прежних опытов, в которых удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК (см.: Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008), в данном случае процесс идет без участия белковых ферментов. Единственное, что не позволяет назвать этот результат окончательным решением проблемы самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, то есть с довольно длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.

Таким образом, между результатами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из простой органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.

В заключительной части эссе Циммер рассказывает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных поглощать «пищу» (нуклеотиды) из окружающей среды и осуществлять репликацию РНК или ДНК. С новейшими результатами этих исследований читатели «Элементов» уже знакомы (см. Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Команда ученых из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки используют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью осуществить весь цикл репликации РНК (они выполняют только отдельные этапы этого процесса). Однако исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и размножались, но и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал?

Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы превращения косной материи в простейший живой организм.

Источники:
1) Carl Zimmer. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. 2009. V. 323. P. 198–199.
2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science. Published online January 8, 2009.

См. также:
1) Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008.
2) В. Н. Пармон. Новое в теории появления жизни, «Химия и жизнь» №5, 2005.
3) В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?. В кн.: Эволюция биосферы и биоразнообразия. К 70-летию А. Ю. Розанова. М.: КМК, 2006. С. 49–59.
4) Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006.
5) Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008.
6) Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008.

Александр Марков