Тайна появления жизни на Земле (ЛП)

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.

Горстки химвеществ недостаточно для жизни

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.

Жизни нужен настоящий рог изобилия химвеществ

«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.

ДНК состоит из небольших молекул — нуклеотидов

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.

В юности Землю постоянно бомбардировали метеориты

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.

У этого фермента в центре металл

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.

Жизнь могла появиться на мелководье

«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.