|
Александр ГРУДИНКИН
«Out of Arctica»
Сполохи северного сияния взвивались тогда, словно праздничный салют в честь первых обитателей нашей планеты. Пронизывающий ледяной ветер дул над их колыбелью, как будто отгоняя злых духов от пристанища перворожденных. В оправе хрустальных льдин, в обрамлении серебристых снежинок жили они, поживали, хозяева пробужденной Земли — самые примитивные организмы, появившиеся под нашим Солнцем.
Жизнь зародилась в полярных морях, в толще льда — такую неожиданную гипотезу выдвинул в 1999 году немецкий физик, норвежец по национальности, Хауке Тринкс.
Поначалу идея казалась абсурдной. Многие его коллеги и теперь не принимают ее всерьез. Все прежние догадки о происхождении жизни, — в каких бы декорациях ни заставляли биологи свершаться это знаменательное событие, будь то на поверхности океана, возле глубоководного источника или же в космосе, далеко от нашей планеты, — объединяло общее начальное условие: жизнь зарождалась в тепле.
Еще памятный эксперимент Стэнли Миллера, проведенный в 1953 году (см. «З-С», 2/09), подтвердил, что в доисторические времена в атмосфере нашей планеты (в данном случае воздушной оболочкой служила смесь аммиака, водорода, метана и водяных паров) при температуре в несколько десятков градусов выше точки замерзания в самом деле могут возникать аминокислоты — составные части протеинов (белков).
Однако этот эксперимент вскоре перестал устраивать самих ученых. В дальнейших опытах Миллеру и его последователям так и не удалось получить сложные биомолекулы. Кроме того, состав атмосферы Земли в тот памятный миг, как выяснилось теперь, был иным. Она состояла не из аммиака и метана, которые быстро разлагаются под действием солнечных лучей, а из углекислого газа, азота и водяных паров, а этого недостаточно, чтобы образовались части «молекул жизни».
В конце концов, сам Миллер в 1998 году перечеркнул прежние надежды, проведя еще один знаменательный опыт — исследовав влияние температуры на компоненты одной из важнейших биомолекул, РНК. В этом эксперименте аденин, гуанин, цитозин и урацил — элементы, содержащиеся во всех живых клетках в составе рибонуклеиновой кислоты, — оказывались то на жаре, то на холоде. При 100 градусах Цельсия эти части РНК быстро гибли. В то же время при 0 градусов большинство их, по словам Миллера, были, в принципе, «достаточно стабильны», чтобы образовать рибонуклеиновые кислоты. Данный эксперимент окончательно убедил его в том, что молекулы жизни вряд ли могли сформироваться, например, в геотермальных источниках.
Что ж, неужели мы обязаны теперь отправиться на Крайний Север, чтобы там задуматься о том, как пробуждались к жизни частицы органического вещества? А рядом с теорией «Out of Africa» (популярным сценарием «исхода человека из Африки», см., например, «З-С», 6/01) должна занять свое достойное место гипотеза «Out of Arctica» («Исход из Арктики»)?
Конечно, тот самый «первородный бульон», над которым колдовал Миллер, закипит в тепле гораздо быстрее. С этим простодушным мнением любого кулинара согласится всякий биолог. Однако образовавшиеся соединения будут столь же стремительно разрушаться. Чтобы сохранить эти органические молекулы до того момента, когда они начнут размножаться, следует на какое-то время законсервировать их. Необходима, по словам исследователей, «энергетическая впадина», например, низкотемпературная фаза, когда процессы разложения молекул почти приостановятся.
Биореактор в белом безмолвии
«Нужно помнить следующее, — пишет Тринкс в книге «Шпицбергенский эксперимент». — Важнейшие химические реакции, необходимые для зарождения жизни, хоть и протекают в тепле быстрее, чем на холоде, но зато и образовавшиеся вещества так же быстро распадаются. Как показывают исследования, при температуре от 10 до 20 градусов Цельсия определенные биомолекулы разлагаются в считаные недели, в то время как при пяти градусах ниже нуля — в течение десятков тысяч лет». Так что жизнь может зародиться в любой среде, но лишь в оцепенении и покое — при очень низких температурах — она способна сохраниться. Лед можно рассматривать как идеальный инкубатор «молекул жизни». Он консервирует их; в его толще они могут пусть очень медленно, но зато стабильно развиваться.
Способствует этому и особая структура морского льда. Это — не монолитный блок, где на всех уровнях, во всех слоях господствуют одни и те же условия. Наоборот, при замерзании морская вода, в отличие от пресной, ввиду высокого содержания соли расслаивается. Между кристалликами льда — самые крохотные из них достигают в поперечнике 10 — 100 тысячных долей микрометра и состоят из чистой замерзшей воды — неизменно сохраняются крохотные пузырьки и канальцы, где циркулирует солевой раствор, содержащий определенные кислоты, простые сахара, минеральные вещества и углекислый газ. По меткому сравнению Тринкса, этот раствор — словно кровь, пульсирующая в наших жилах. Жидкость и лед разделены тончайшими пленками, которые напоминают клеточные мембраны. Все вместе это впрямь выглядит каким-то подобием живых клеток. Благодаря такой структуре лед подолгу удерживает сложные молекулярные комплексы, однажды образовавшиеся в нем; они скапливаются между отдельными его «клетками».
«Морской лед ведет себя, как тесто, в которое добавили дрожжи. В нем протекают разнообразные биохимические процессы. Рано или поздно, в чем я уверен, они приведут к образованию структур, напоминающих «кирпичики жизни», — полагает Тринкс.
Стоит отметить, что ультрафиолетовые лучи, опасные для всего живого, почти не проникают в толщу льда. Их поглощают близ его поверхности попавшие сюда аминокислоты. Сами они при этом частично разрушаются, а их фрагменты погружаются вглубь льда, где могут быть использованы для синтеза других сложных биологических молекул. Там же, в ледяных глыбах, отмечено поразительно высокое содержание углекислого газа, а его молекулы играют важную роль в подобном синтезе. Разность электрических потенциалов, химические различия и постоянный перепад температур лишь способствуют протеканию важнейших химических реакций, словно в настоящем биореакторе.
Подкрепляет гипотезу «холодного» зарождения жизни и мнение ряда геологов, полагающих, что около четырех миллиардов лет назад значительная часть морей на нашей планете была скована льдом. Данная гипотеза нашла поддержку даже у редакции авторитетного журнала Science. Одна из статей, появившихся на его страницах, была озаглавлена так: «Некоторые любят погорячее — но не первые биомолекулы». Разумеется, в ней говорилось о возможности зарождения жизни при низких температурах.
Итак, некоторые исследователи готовы назвать лед «холодным первородным бульоном». В полярных льдах, кстати, обнаружены разнообразные формы жизни, а это лишний раз свидетельствует о том, что биота может существовать в данной среде.Почему бы ей не зародиться там?
Вопрос отнюдь не академический. Если эта гипотеза найдет подтверждение, то, очевидно, жизнь гораздо шире распространена в Солнечной системе, чем считалось прежде. «Везде, на любой планете, где образовался лед, в его толще, возможно, зародилась и существует жизнь», — заявляет Тринкс. В таком случае следы живых организмов следует искать во льдах Марса, на спутниках Юпитера и, конечно, на кометах — этих припорошенных пылью льдинах, снующих по нашей планетной системе и, может быть, всюду — успешно или нет — сеящих жизнь. Если же вспомнить, что кометы порой вылетают за пределы Солнечной системы, то они могут уносить семена жизни и к другим планетным системам, распространяя их на просторах Галактики, как предполагали когда-то сторонники гипотезы панспермии.
«Курица или яйцо»
Так неужели первые биомолекулы в самом деле возникли в толще морского льда? И как они выглядели? При ответе на этот вопрос ученые вновь сталкиваются с пресловутой проблемой «курица или яйцо». Важнейшие биологические молекулы, известные нам, — это протеины и ДНК. Однако их возникновение невозможно без неких молекул-предшественниц.
Протеины (см. «З-С», 5/04) порой называют «рабочими лошадками» клеток. Они управляют всеми процессами обмена веществ, а также делением клеток. Однако эти работники не могут сами копировать себя и передавать свою структуру последующим поколениям протеинов.
В молекуле ДНК как раз и записан план, по которому из отдельных аминокислот будут собраны сотни различных протеинов. Подобная молекула может себя тиражировать, передавая информацию своим копиям, но для этого ей нужна помощь… именно протеинов.
Так что вряд ли жизнь на нашей планете зародилась с появления протеинов или ДНК. И тут вспоминается третья важнейшая биомолекула — РНК. Когда-то ее считали чем-то вроде простого посыльного, передающего «планы сборки» протеинов от молекулы ДНК туда, где те будут изготавливаться. Сегодня мы знаем, что рибонуклеиновые кислоты способны на большее.
Они могут быть носителями наследственной информации (многие вирусы и теперь используют эту их способность) и при определенных условиях готовы копировать сами себя.
Кроме того, особые цепочки РНК — рибозимы — служат катализаторами химических процессов. Иными словами, они выполняют роль ферментов. Американский биолог Джеральд Джойс, опираясь на эти факты, разработал модель возникновения жизни на основе РНК. «Молекулы РНК широко распространены в природе. Они лишь незначительно отличаются от молекул ДНК, хранящих наследственную информацию, и выполняют самые разные задачи в живых клетках. Многие ученые полагают, что зарождению жизни на планете, появлению протеинов и ДНК предшествовала особая эпоха — мир РНК». Это было время примитивных организмов, состоявших из рибонуклеиновой кислоты и обходившихся без ДНК.
Как показывают исследования, подобная схема вполне правомерна. Со временем РНК трансформировалась в ДНК. Самое же любопытное в том, что модель Джойса и гипотеза Тринкса прекрасно сочетаются друг с другом. «Похоже, именно холод — наиболее благоприятная среда для формирования из нуклеотидов таких молекул, как РНК, — отмечает Джеральд Джойс. — Минеральные вещества, вмерзшие в лед, лишь способствуют протеканию необходимых химических реакций».
А вот еще одна цитата из Хауке Тринкса: «Вновь и вновь задаются вопросом, что же все-таки было вначале, курица или яйцо? Вначале наследственная информация, а уже потом клеточная мембрана? Или же, как все это случилось на самом деле? Нам кажется, что в толще льда эти процессы протекали одновременно. С одной стороны, лед способствовал формированию клеточных мембран, а с другой стороны, образованию РНК. Те и другие элементы соединялись, и потом возникала своего рода первоклетка. А когда этот лед таял, подобные первоклетки попадали в окружающую среду, они могли распространяться в морской воде (точнее, в воде доисторических морей) и проникать туда, где сложились гораздо более благоприятные условия для существования жизни. И эти совершенно, совершенно примитивные предшественницы настоящих клеток продолжали развиваться и усложняться, пока не превратились, например, в бактерию».
Поток РНК по Джойсу
В середине уходящего десятилетия немецкий биохимик Кристоф Бибрихер у себя в лаборатории, в Институте биофизической химии в Геттингене, поставил знаменательный опыт, чтобы выяснить, что происходит с молекулами РНК, вмороженными в лед. Он насытил глыбу морского льда цепочками РНК и свободными нуклеотидами и принялся ждать.
Прошел почти год. Все это время Бибрихер и его коллеги, Тринкс и Вольфганг Шрёдер (в 2003 году ими втроем была издана книга «Лед и происхождение жизни»), регулярно меняли температуру льда, имитируя естественные капризы погоды и заставляя его то оттаивать, то снова смерзаться. Как оказалось, это лишь способствовало слиянию отдельных «кирпичиков» биомолекул в единое целое.
Терпение экспериментаторов было вознаграждено. В толще льда обнаружилось поразительно много новых РНК. Образовалась даже цепочка, насчитывавшая свыше четырех сотен нуклеотидов, а этого достаточно для того, чтобы РНК выполняла свои функции (пространственная структура различных рибонуклеиновых кислот содержит от 75 до 10 тысяч нуклеотидов. — Прим. ред.). «Это гораздо больше, чем показали все предшествующие опыты, — отмечает Бибрихер. — Ранее лучшим результатом была цепочка из семнадцати нуклеотидов». При этом все протекало даже быстрее, чем он надеялся. «Мы ждали целый год, поскольку думали, что холод замедляет все реакции. Теперь же знаем, что уже через месяц нуклеотиды начинают сцепляться друг с другом. По-видимому, какие-то поверхностные эффекты ускоряли все, что происходило в толще льда».
Разумеется, от появления первых саморазмножающихся РНК до первоклетки «дистанция очень велика, но все-таки теперь мы определенно представляем себе, в каком направлении должны двигаться» (К. Бибрихер), чтобы понять, как зародилась жизнь на нашей планете.
Сами экспериментаторы, кстати, не верят, что весь процесс превращения неорганического материала в живой организм протекал исключительно в толще льда. Допустимы различные вариации этого сценария. Например, при извержении подводных вулканов в полярных областях лед таял, и биомолекулы, зародившиеся здесь, оказывались в воде. Прежде чем снова вмерзнуть в лед, они реагировали между собой. После нескольких подобных циклов продукты их реакции могли, например, попасть в другую среду — в ту же воду или на дно моря — и уже здесь продолжить свою эволюцию.
Итоги еще одного знаменательного опыта были подведены в первые дни этого года. В лабораторных условиях — в Институте Скриппса (США) — удалось создать искусственную рибонуклеиновую кислоту, которая копировала саму себя с помощью подобных себе молекул. С ее появлением отпадает извечная дилемма: «Что было раньше?..» Эта РНК — сама себе и «курица», и «яйцо».
Как сообщалось в электронной версии журнала Science, Трейси Линкольн и Джеральд Джойс, сотворившие эту биомолекулу, сумели в ходе эксперимента буквально-таки «запустить механизм эволюции». Ведь случайные мутации улучшали или ухудшали способность данной молекулы к размножению. Довольно быстро в популяции РНК возобладали именно те ее разновидности, что размножались особенно быстро.
Конечно, эта РНК из пробирки ничуть не напоминает живое существо. Но она обладает его характерными свойствами, то бишь содержит некую биологическую информацию и размножается. «Эта молекула состоит из шестидесяти компонентов. Мы предоставляем их сами себе, и молекулы РНК собирают из них единое целое — свои копии. За пять часов каждая молекула изготавливала примерно сто своих копий. И каждая из них, в свою очередь, производит за пять часов 100 копий и так далее и так далее, — отмечает Джойс. — Возможно, нечто подобное произошло в природе около четырех миллиардов лет назад. Разумеется, сейчас в природе нет молекул РНК, которые размножаются сами собой».
Попутно исследователи убедились, что одной-единственной формы РНК недостаточно, чтобы она могла себя копировать. Понадобилось еще две молекулы, которые служили ферментами. «У нас имеются два различных фермента РНК: плюс-РНК и минус-РНК. Первая производит вторую, и наоборот. Минус делает плюс, плюс делает минус и так далее. В естественных условиях ведь происходит то же самое, ничего другого. У наследственной молекулы ДНК, двойной спирали, есть две цепи, так сказать, «плюс» и «минус». Информация неизменно передается от одной цепи к другой».
Конечно, полученные результаты вовсе не доказывают, что первыми биомолекулами, возникшими на Земле, являлись именно РНК и что они зародились в полярных льдах, но все-таки подобные опыты могут стать важным шагом на пути к пониманию происхождения жизни на нашей планете и в космосе вообще. Они свидетельствуют о том, что в решении этой проблемы наметился некий прорыв. Возможно, когда-нибудь из этих разрозненных экспериментальных данных сложится целостная картина — подлинная биография первого, самого примитивного микроорганизма, появившегося на Земле. Эта удивительная история Первомикроба непременно будет написана. А где ему лучше увидеть свет — под тропическим небом или сполохами северного сияния, — подскажут последующие эксперименты, новые компьютерные модели, научные теории и гипотезы.
Жизнь зародилась…
… на морском дне. «Черные курильщики» — геотермальные источники на дне океана, открытые лишь три десятилетия назад, — привлекают особое внимание ученых. Они изобилуют минеральными веществами и по праву могут считаться «колыбелью жизни».
…в глине. В некоторых глинистых породах, как выяснил американский биолог Джек Шостак, на основе жирных кислот могут формироваться мембранные пузырьки — «везикулы», заполненные жидкостью. Это — также возможные прообразы первых клеток. Подобные пузырьки, содержащие молекулы РНК, спонтанно увеличиваются в размерах, всасывая оказавшиеся рядом с ними другие пузырьки — «поедая» их: настоящий пример естественного отбора по Дарвину (см. «З-С», 8/07).
…в земной коре. В недрах Земли сложилась своя уникальная фауна, представленная очень многочисленными и разнообразными колониями микробов (см. «З-С», 8/09). По мнению ряда биологов, жизнь могла зародиться именно здесь, ведь в то время на поверхности планеты любые живые организмы неминуемо погибли бы, уничтоженные ультрафиолетовым излучением, вулканической лавой или ударами метеоритов.
…в атмосфере. Исследователи из американского национального управления по атмосфере и океану (NOAA) обнаружили, что в атмосфере встречаются капельки органических материалов, заключенные в маслянистую оболочку. Подобные капли поглощают частицы таких металлов, как никель и железо. На свету в присутствии этих катализаторов начинаются реакции, которые могут привести к образованию сложных биомолекул.
Все эти сценарии имеют свои слабости — зачастую те же, что и идея «горячего» зарождения жизни. Не случайно все больше ученых в последнее время интересуются возможностью «сотворения» жизни при низких температурах, когда процессы распада биомолекул чрезвычайно замедлены.
Пять ступеней творения
Появление биомолекул (4,2 миллиарда лет назад)
Первые биомолекулы образовались после того, как поверхность Земли остыла. Кроме того, эти молекулы могли попасть на Землю вместе с кометами, прилетающими сюда.
Эпоха РНК (3,8 миллиарда лет назад)
Возникают нуклеотиды — составные части «молекул жизни». Они соединяются в длинные цепочки — рибонуклеиновые кислоты, способные копировать сами себя.
Первые микроорганизмы (3,6 миллиарда лет назад)
На основе РНК образуются дезоксирибонуклеиновые кислоты, содержащие наследственную информацию. Молекулы ДНК, заключенные в пузырьки жирных кислот, становятся прообразом первых примитивных клеток.
Эукариоты (1,7 миллиарда лет назад)
Появляются клетки, которые содержат оформленные ядра, — так называемые эукариоты. Из этих клеток состоят все высшие животные и растения.
Становление высших форм жизни (0,6 миллиарда лет назад)
Через три миллиарда лет после зарождения жизни на нашей планете образуются первые многоклеточные животные — так называемые эдиакарские организмы. Начинается эволюция высших форм жизни.
Источник: inauka.ru.
Рейтинг публикации:
|
