Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Яйцеклетка — это единственная клетка, выживающая при всех равных условиях, поскольку именно она порождает новое животное. Одна из основных функций всех клеток организма самки заключается в том, чтобы обеспечить питание яйцеклетки, и поэтому они легко жертвуют собой ради ее процветания. Таким образом, истоки нашего происхождения могут лежать, с одной стороны, в каннибализме, а с другой — в альтруистическом самопожертвовании клеток.

Все это, однако, не дает разгадки появления первой клетки, а значит, и происхождения жизни. Одно время ученые полагали, что в космосе присутствует особая сила, которая способствует самопроизвольному ее зарождению. Хотя эти взгляды восходят еще к Аристотелю, они были в ходу еще несколько столетий назад, пока изобретение микроскопа не произвело переворот в научных представлениях. Теория спонтанного самозарождения жизни была окончательно ниспровергнута в 1859 году, когда Луи Пастер сварил в колбе мясной бульон и затем изогнул узкое горлышко колбы так, что в колбу мог проникнуть воздух, но не могли попасть бактерии. Ни одной бактерии так и не удалось развиться в бульоне. Но когда Пастер наклонил колбу так, что в нее могли проникать из воздуха бактерии, то мясной бульон стал быстро кишеть бактериями. Ученые осознали, что бактерии попадали в бульон из окружающей воздушной среды, и теория спонтанного самозарождения жизни была отвергнута.

Подтверждение присутствия в воздухе бактерий явилось фактом исключительной важности. После этого ученые стали искать источник происхождения жизни в далеком прошлом, но так и не решили окончательно, возникла первая клетка благодаря длительному процессу или это было единичное явление, в ходе которого произошла самоорганизация материи.

Под понятием «жизнь» мы подразумеваем систему, которая размножается, обладает такой характеристикой, как наследственность, приносит потомство, имеющее отношение к своим родителям. Все эти качества являются необходимыми для осуществления эволюционного процесса в соответствии с учением Дарвина, и клетки ими обладают.

Самые старые каменные отложения, в которых удалось обнаружить присутствие следов жизни, имеют возраст примерно четыре миллиарда лет. Есть версия, что элементы первых клеток обязаны своим происхождением электрической активности в атмосфере Земли. Например, некоторые из минералов типа пирита, найденные в местах выходов на поверхность вулканов, способны преобразовывать двуокись углерода в такие вещества, как аминокислоты, являющиеся необходимым составным элементом белков, на которых основана земная жизнь. Имеются данные о том, что воздействие солнечного света на некоторые минералы способно породить прекурсоры РНК и ДНК. Самые древние клетки — бактерии — обходились без кислорода, поскольку в ту пору свободного кислорода практически не было. Они использовали механизм фотосинтеза и разлагали с его помощью химические вещества до тех пор, пока около двух миллиардов лет тому назад кислород наконец не появился в земной атмосфере.

Исходными веществами, из которых образовались клетки, являлись вода, двуокись углерода, азот и, возможно, небольшое количество аммиака — не слишком многообещающий набор материалов в не самой благоприятной среде. Число молекул, сыгравших ключевую роль в зарождении жизни и в том ее продолжении, которое мы наблюдаем сейчас, удивительно мало. Это нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК с их длинными нитями нуклеотидов, белки с их длинными нитями аминокислот, два основных типа сахаров для получения энергии, а также некоторые молекулы жиров.

В 1950-х годах ученые исследовали возможность зарождения жизни в земных морях под воздействием солнечного излучения. Но затем это предположение затмила гипотеза, выдвинутая лауреатом Нобелевской премии по химии Гарольдом Юри; она сводится к тому, что жизнь зародилась атмосфере под воздействием электрических разрядов. Один из учеников Юри — Стэнли Миллер поставил эксперимент с целью попытаться создать аминокислоты из составных частей древней атмосферы. Он сконструировал аппарат, соединявший сосуд с нагретой водой с газовым резервуаром, в котором находились метан, аммиак и водород. Газовая смесь пропускалась через два электрода, между которыми периодически проскакивал электрический разряд — искусственная молния. Через несколько дней вода приобрела желтый цвет, а на дне сосуда с нагретой водой появился черный осадок. Исследование этого осадка выявило наличие аминокислот — ключевых компонентов белков, а также других органических молекул. Публикация этих результатов в 1953 году вызвала настоящую сенсацию. Поразительным совпадением является то, что в том же году была открыта структура ДНК. С тех пор при помощи аналогичных методов были синтезированы другие жизненно необходимые молекулы — такие, как молекулы сахаров, обеспечивающие клетки энергией. Важным изменением при проведении новой серии экспериментов стало то, что они велись при более низких температурах. Спустя двадцать лет после опытов Миллера удалось добиться образования молекул, относящихся к классу нуклеиновых кислот.

Тем не менее какими бы поразительными и обнадеживающими ни были результаты подобных экспериментов, показавших, что по крайней мере часть органических молекул могла возникнуть в земных условиях далеких эпох, многие вопросы так и остались без ответа. Ученые не добились синтеза более крупных молекул — белков и нуклеиновых кислот типа ДНК. Неприятным фактом оказалось и то, что воздействие молний и солнца приводило скорее к расщеплению молекул, нежели к тому, чтобы они становились больше.

Новый взгляд на зарождение жизни стал возможен в 1977 году, когда геологи изучили дно моря в районе Галапагосских островов. Исследования проводились на глубине в полторы мили, в районе повышенной вулканической активности, где подогретая в трещинах вулкана горячая вода смешивалась с окружающей холодной морской водой. Здесь ученые обнаружили большое число одноклеточных организмов, и многие из них стали после этого склоняться к мысли, что ключевую роль в зарождении жизни на планете сыграли все-таки глубины океана, но поспособствовал им в этом не солнечный свет, а вулканы.

Это побудило ученых искать следы возникновения жизни на еще больших глубинах; так были обнаружены микробы под гигантским слоем арктического льда и в глубоководных горячих источниках. Однако это не дало ответов на поставленные вопросы и не позволило установить связь между образованием простейших молекул, появлением более крупных молекул и возникновением живой клетки. Не удалось прояснить и вопрос об образовании белков — основного компонента живой клетки, который обеспечивает синтез самих себя и большинства других молекул.

Обнадеживающие результаты принесли исследования камней, особенно ряда минералов. Их поверхность представляет собой благоприятное место для сборки крупных молекул. Особенно большие надежды ученые возлагали на глину, и действительно, было обнаружено, что аминокислоты формировали белки на поверхности глины, когда вода испарялась. Другие минералы могли оказать поддержку при синтезе относительно крупных белковых цепей. Более того, когда в смесь органических веществ, которые образовывали небольшие белки на поверхности глины, добавлялись РНК, это приводило к тому, что частицы глины, покрытые РНК, оказывались внутри формировавшихся пузырьковообразных белковых структур. Это была еще не клетка, но результат выглядел многообещающим. В этой связи были выдвинуты даже теории, гласящие, что частички глины могли сами сформировать первоначальную жизнь на Земле. Однако от всего этого до синтеза белка, кодируемого нуклеиновыми кислотами, чересчур большая дистанция.

Чтобы понять, как могла быть создана первая клетка, следует иметь в виду, что существование клетки невозможно без трех процессов — роста, размножения, или самовоспроизводства, и эволюции. Наибольшую сложность представляет размножение, которое связано с созданием структур на основе использования источника энергии и со способностью передавать такие структуры от одного поколения к следующему — это, собственно, и есть основа генетики. Многообещающими выглядят самовоспроизводящиеся цепи взаимодействующих молекул. Если выяснится, что входящие в них молекулы способствуют воспроизводству других молекул, то мы близко подходим к созданию примитивной клетки.