Тайна появления жизни на Земле (ЛП)

Стэнли Миллер в лаборатории

«Сила Миллера-Юри в том, что вы можете произвести множество биологических молекул просто из атмосферы», говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания.

Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли была другой смесью газов. Но это не меняет факта. Эксперимент удался, простимулировал воображение публики и разлетелся на цитаты.

После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение тайны происхождения жизни, казалось, вот-вот появится.

Но потом выяснилось, что жизнь была сложнее, чем кто-либо думал. Живые клетки были не только мешками с химическими веществами: они были сложнейшими крошечными машинами. Внезапно создание клетки с нуля оказалось гораздо более сложной задачей, чем думали ученые.

2. Раскол в рядах учёных

К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь была подарком богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь на ранней Земле сформировалась стихийно и естественно — и благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи.

Пока Миллер пытался сделать материал жизни с нуля, другие ученые выясняли, из каких генов она состояла. К тому времени многие биологические молекулы стали известны. Сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты вроде «дезоксирибонуклеиновой кислоты», или ДНК, если коротко.

Сегодня мы уже привыкли к тому, что ДНК переносит наши гены, но для биологов 1950-х годов это было шоком. Белки более сложные, поэтому ученые думали, что они являются генами.

В 1952 году эту идею опровергли Альфред Херши и Марта Чейз из Института Карнеги в Вашингтоне. Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и которые должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они и выяснили, что в бактерию попадает вирусная ДНК, а белки остаются снаружи. Очевидно, именно ДНК была генетическим материалом.

Выводы Херши и Чейз запустили бешеную гонку по выяснению структуры ДНК и как она работает. В следующем же году эту проблему решил Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон из Университета Кембриджа в Великобритании — при неоценимой помощи их коллеги Розалинды Франклин.

Их открытие стало одним из величайших научных открытий 20 века. Оно также преобразило поиск происхождения жизни, раскрыв невероятную сложность, которая скрывалась внутри живых клеток.

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик с их моделью ДНК

Крик и Уотсон поняли, что ДНК представляет собой двойную спираль, как винтовая лесенка. Два «полюса» лестницы выстраивались молекулами-нуклеотидами.

Эта структура объяснила, каким образом клетки копируют свою ДНК. Другими словами, она раскрыла, как родители делают копии своих генов и передают детям.

Ключевой момент в том, что эту двойную спираль можно «распаковать». Это обнажает генетический код, состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, которые обычно заперты в ступеньках лесенки ДНК. Каждая цепочка затем используется как шаблон для воссоздания копии.

С помощью этого механизма гены передавались от родителей к ребенку с самого начала жизни. Ваши гены были переданы древней бактерией — и на каждом шагу копировались, используя механизм, обнаруженный Криком и Уотсоном.

Крик и Уотсон изложили свои выводы в статье в Nature в 1953 году. Следующие несколько лет биохимики пытались выяснить точно, какую информацию переносит ДНК и как эта информация используется в живых клетках. Впервые сокровенные тайны жизни были выставлены напоказ.

Оказалось, что ДНК делает только одну работу. Ваша ДНК говорит клеткам, как делать белки: молекулы, которые выполняют важнейшие задачи. Без белков вы не могли бы переваривать пищу, ваше сердце остановилось бы и дышать было бы невозможно.

Но процесс использования ДНК для создания белков оказался чрезвычайно запутанным. Это стало большой проблемой для любого, кто пытается объяснить происхождение жизни, поскольку трудно представить, как что-то настолько сложное вообще могло появиться само по себе.

Каждый белок представляет собой длинную цепь аминокислот, соединенных в определенном порядке. Последовательность этих аминокислот определяет трехмерную форму белка, а значит, и его назначение.

Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому когда клетке нужно сделать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот.

Но есть нюанс. ДНК очень ценная, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасности. Поэтому они копируют информацию из ДНК на короткие молекулы другого вещества, РНК (рибонуклеиновая кислота). Если ДНК — это библиотечная книга, то РНК — это клочок бумаги с важной выдержкой. РНК подобна ДНК, только у нее всегда одна цепь.

И, наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле под названием «рибосома». Этот процесс протекает в каждой живой клетке, даже у простейших бактерий. Он так же необходим для жизни, как еда и воздух. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица — ДНК, РНК и белок рибосомы — появилась и начала работать.

Клетки могут быть невероятно сложными

И внезапно идеи Опарина и Холдейна уже кажутся наивными и простыми, а эксперимент Миллера, который произвел несколько аминокислот, и вовсе дилетантским. Его исследование было лишь первым шагом на длинной дороге.

«ДНК заставляет РНК делать белок, и все это в закрытом мешочке химических веществ», говорит Джон Сазерленд. «Вы смотрите на это и поражаетесь тому, насколько это сложно. Что нам делать, чтобы найти органическую химию, которая будет делать все это за один раз?».

Первым человеком, который попытался прямо ответить на этот вопрос, стал английский химик Лесли Оргел. Он одним из первых увидел модель ДНК Крика и Уотсона, а позже помог NASA с программой «Викинг», по которой на Марс были отправлены посадочные модули.

Оргел намеревался упростить задачу. В 1968 году, при поддержке Крика, он предположил, что первая жизнь не имела белков или ДНК. Вместо этого она почти полностью была сделана из РНК. В таком случае первичным молекулам РНК приходилось быть особенно универсальными. С одной стороны, они должны были уметь создавать копии самих себя, по-видимому, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК.

Идея того, что жизнь началась с РНК, оказала колоссальное влияние. И разразила научную войну, которая продолжается по сей день.

ДНК лежит в основе всех живых существ

Предположив, что жизнь началась с РНК и кое-чего еще, Оргел по сути предположил, что один из важнейших аспектов жизни — ее способность воспроизводить себя — появился до всех остальных. В некотором смысле он предположил не только, как жизнь появилась: он предположил кое-что о самой сути жизни.

Многие биологи согласны с идеей Оргела «сперва воспроизводство». В дарвиновской теории эволюции способность производить потомство находится в центре: это единственный способ для организма «выиграть» — оставить после себя детей.

Но у жизни есть и другие функции, которые кажутся одинаково важными. Самая очевидная — это метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания своей жизни. Для многих биологов метаболизм определяет первичную суть жизни, а воспроизводство уже потом.

Поэтому начиная с 1960-х годов в рядах ученых, изучающих происхождение жизни, наблюдается раскол.