Откуда мы произошли? Русский след в истории жизни на Земле

Казалось бы, учёные уже разгадали многие тайны Вселенной. Нам известно, как работают звёзды, как устроена ДНК, но одна загадка продолжает нас мучить: как же всё-таки зародилась жизнь на Земле? Последние исследования российских учёных в области молекулярной биологии, особенно в изучении РНК, могут пролить свет на эту тайну.

Вопрос о происхождении жизни мучает человечество с незапамятных времён. Откуда всё это взялось? Одни ли мы во Вселенной? И, самое главное, как из кучки молекул получился человек, который способен задаваться такими вопросами?

Сегодня мы знаем, что ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это носитель генетической информации, своего рода чертёж жизни, но как появилась сама ДНК?

Зарождение

Есть ещё одна важная молекула, без которой бы ничего не получилось — РНК (рибонуклеиновая кислота). Она не только хранит генетическую информацию, но и участвует в биохимических процессах в качестве катализатора.

Академик Александр Сергеевич Спирин, один из основоположников молекулярной биологии, предложил теорию, что именно РНК могла быть первым шагом на пути к жизни — целый РНК-мир.

Вообще считается, что первыми о возможности существования такого мира написали учёные Френсис Крик и Лесли Оргел в 1968 году. Однако, мало кто знает, что за 11 лет до этого советский биохимик Андрей Николаевич Белозерский, учитель Спирина, высказал ту же самую идею на международном симпозиуме.

К сожалению, тогда его слова не привлекли особого внимания западных коллег.

Спирин же не просто озвучил идею, а разработал целостную концепцию мира РНК (на основе работ Белозерского и собственных исследований).

Итак, саму РНК часто считают лишь посредником между ДНК и белками, но, как оказалось, не всё так просто.

Во-первых, РНК может не только переносить генетическую информацию, но и хранить её, собственно как и ДНК.

Во-вторых, РНК способна ускорять химические реакции, подобно белкам-ферментам.

А ещё она может копировать саму себя (то есть реплицироваться), что, по мнению многих учёных, играет ключевую роль в зарождении жизни.

Космический суп

Представьте себе, что на ранней Земле, где царили экстремальные условия, молекулы РНК начали спонтанно собираться, реплицироваться и создавать всё более сложные структуры.

Но как же из простого «бульона» в первобытном океане могли появиться сами первые молекулы РНК?

Всё начинается с нуклеотидов — «кирпичиков», из которых состоят и РНК, и ДНК. Учёные полагают, что эти «кирпичики» могли возникать сами по себе, например, во время гроз в бескислородной атмосфере.

В 1992 году выяснилось, что нуклеотиды могут самопроизвольно объединяться в короткие цепочки.

А российские учёные в Пущино совершили ещё одно открытие: оказывается, молекулы РНК могут обмениваться своими частями, как бы «перетасовывая» генетическую информацию. Спирин предположил, что именно так и происходило удлинение молекул РНК на заре жизни.

Впрочем, для появления настоящей жизни нужно не просто создавать молекулы, а копировать их и передавать информацию по наследству. Спирин предложил следующий механизм: длинная молекула РНК служит как бы шаблоном, матрицей, на которой из коротких фрагментов собирается её копия.

Проблема в том, что такая двухцепочечная РНК похожа на застегнутую молнию — она становится неактивной и не может работать как матрица. Нужно «расстегнуть молнию», разделить двухцепочечную РНК на две половинки. Но как это сделать?

Нужна «молекулярная машина».

Молекулярная машина

Тогда Спирин стал изучать рибосомы: они синтезируют белок внутри клеток и состоят из двух частей, которые и соединяют аминокислоты в белки.

В своей модели, которую учёный разработал в 1968 году, он описал, как каждая новая аминокислота присоединяется к полипептидной цепи, что сопровождается размыканием и смыканием рибосомы и её перемещением вдоль матричной РНК.

Но рибосома — громадина по меркам микромира. Что же заставляет её двигаться?

Ученые долгое время считали, что рибосома работает на «батарейках» из молекул ГТФ (гуанозинтрифосфат), но оказалось, что рибосома может работать и без них (только очень медленно)...

Тогда-то и пришла мысль: а что, если рибосома использует энергию хаотичного движения молекул, так называемого броуновского движения? Ведь молекулы воды постоянно бомбардируют рибосому (как если бы она плавала в океане в шторм).

Но как превратить хаотичное движение в упорядоченное? Необходимо что-то, что будет направлять движение в нужную сторону.

И Спирин показал, что этим «чем-то» служит сам процесс сборки белка в рибосоме! Это как движение по эскалатору — можно стоять на месте, а можно идти, и тогда будешь двигаться быстрее.

Возможно, на ранней Земле такого механизма ещё не было и репликация РНК происходила очень медленно и использовала естественные перепады температуры, как в современных лабораториях используют ПЦР для копирования ДНК

ПЦР — полимеразная цепная реакция, широко используется для диагностики инфекций.

Но эволюция не стоит на месте: постепенно появились более совершенные «молекулярные машины» — прообразы современных РНК-полимераз, которые умеют «расстёгивать» двухцепочечную РНК и эффективно копировать её при постоянной температуре.

И по сей день наши учёные активно участвуют в подобных исследованиях и разрабатывают модели, которые объясняют, как простые молекулы смогли собираться в сложные структуры и начинать копировать самих себя.

От хаоса к порядку

Конечно, процессы самоорганизации молекул, их копирования и взаимодействия кажутся невероятно сложными, но раз жизнь существует, значит, она как-то да возникла!

У молекул были миллионы лет времени на эксперименты и ошибки, но для развития жизни важен не только хаос, но и порядок, не только случайность, но и закономерность.

На помощь приходит идея компартментализации — разделения пространства на отдельные «ячейки», где молекулы могли бы взаимодействовать друг с другом более упорядоченно.

Учёные предлагали разные варианты таких «ячеек»: белковые капли, липидные пузырьки... Но в «мире РНК» ещё не было ни белков, ни липидов!

И тут российские учёные из Института белка Российской академии наук (ИБ РАН) вновь совершили открытие: они обнаружили, что молекулы РНК могут образовывать своеобразные «колонии» в природных материалах, например, в глине.

Возможно, это было что-то вроде глиняной поверхности с микроскопическими углублениями, где собирались вместе молекулы РНК. Когда идёт дождь, эти колонии частично разрушаются и смешиваются, а когда вода высыхает — образуются новые, уже с другим составом молекулы.

Именно в таких колониях, считал Спирин, и мог начаться настоящий естественный отбор, который в итоге привёл к появлению той жизни, какую мы знаем.

Откуда мы?

Одна из самых захватывающих гипотез предполагает, что зарождение жизни могло произойти где-то в космосе — там, где условия для колебаний температуры были подходящие.

Сам Спирин считал, что вероятность самозарождения жизни на ранней Земле была крайне мала: слишком много случайностей должно было совпасть! Куда более вероятно, полагал учёный, что к нам попали уже готовые молекулы РНК, которые эволюционировали где-то в другом месте, в недрах какого-нибудь космического тела.

Но как доказать или опровергнуть эту гипотезу?

Конечно, в метеоритах находят какие-то органические молекулы: например, в Мурчисонском метеорите, который упал в Австралии в 1969 году. В нём обнаружили большое количество органических соединений, в том числе аминокислот.

Но найти в метеоритах не просто отдельные «кирпичики» жизни, а сложные молекулы типа РНК пока не удаётся.

Да и непонятно, как отличить такую находку от случайного загрязнения уже на Земле.

Экспериментально провернуть зарождение жизни тоже очень сложно. Как минимум — на это требуется миллионы лет, в пробирке такое не провернуть.

Да, есть эксперименты, где учёные создают самовоспроизводящиеся молекулы РНК или белковые структуры, способные к самоорганизации, но это скорее иллюстрации отдельных этапов, а не полная картина зарождения жизни.

Пока никто не знает, как в лабораторных условиях воспроизвести процесс, который занял миллионы лет эволюции. Любое вмешательство экспериментатора будет означать искусственный отбор, а не естественный.

Происхождение жизни — очень благодарная тема, потому что мысль работает, а свидетелей нет. И никто из нас при этом не присутствовал. Вот так. Пища для ума. лександр Сергеевич Спирин Советский и российский биохимик, доктор биологических наук, директор Института белка РАН с 1967 по 2001 год

Если мы вмешаемся в процесс, то возьмём на себя роль Творца, а нам же нужно понять, как жизнь могла возникнуть сама, без чьей-либо помощи, в результате долгой и непредсказуемой игры случайности и закономерности.

Можно пойти от противного: если не РНК, то что? Другие известные нам молекулы не обладают всем набором свойств, которые требуются для зарождения жизни: способностью к самовоспроизведению, изменчивостью, самоорганизацией.

Что ещё?

Конечно же, гипотеза мира РНК — не единственная.

Первичный бульон

Например, ещё есть гипотеза Александра Ивановича Опарина, который предложил в 1924 году свой вариант зарождения жизни на Земле.

Его теория описывает постепенный переход от неживой материи к живым организмам через химическую эволюцию.

Опарин представлял себе древний океан, который наполнен простейшими соединениями — «первичный бульон». Под воздействием энергии солнца, вулканов и молний эти неорганические компоненты образовывали всё более сложные органические молекулы.

Эти молекулы самоорганизовывались в коацерватные капли — протоклетки, которые способны к обмену веществ, росту и делению и проложили путь для развития первых живых организмов.

А в знаменитом эксперименте Миллера-Юри в 1953 году удалось синтезировать аминокислоты из неорганических соединений в условиях, которые имитируют раннюю Землю. Только вот такая система не может сама себя воспроизводить.

Чёрные курильщики

В противовес теории «первичного бульона» российский учёный Лев Михайлович Мухин выдвинул свою гипотезу о зарождении жизни вблизи подводных вулканов («чёрные курильщики»).

Мухин указывал на экстремальные условия в этих гидротермальных источниках — высокие температуры, давление и концентрации химических веществ, которые и могли ускорить развитие жизни.

Он полагал, что именно здесь из простых неорганических соединений, которые выбрасывают вулканы, синтезировались первые органические молекулы, а затем и протоклетки.

А богатая минералами среда послужила своеобразным инкубатором для жизни и обеспечила её необходимыми ресурсами и защитой от суровых условий древней Земли.

И это всё, конечно, хорошо: есть железо, сера, но как из них могла возникнуть жизнь? Пока непонятно.

Что дальше?

Тем не менее, учёных уже не остановить — каждый новый эксперимент что-нибудь да может дать. И российские учёные, вместе с коллегами из других стран, работают над тем, чтобы понять, как простые молекулы могли превращаться в сложные организмы.

А современные методы анализа позволяют нашим учёным изучать состав метеоритов и древних пород намного точнее, чем раньше.

Да и в наших лабораториях есть всякие новые штуки, которые позволяют не только анализировать химический состав образцов, но и моделировать древние условия Земли и космоса.

Например, масс-спектрометрия позволяет расшифровать состав даже крошечных фрагментов молекул, а компьютерное моделирование помогает создавать виртуальные модели ранней Земли и проигрывать разные сценарии зарождения жизни.

Но несмотря на все усилия, учёные пока не могут до конца понять, как в том первобытном хаосе зародилась первая искра жизни. Как неодушевлённые молекулы вдруг поняли, что им делать, как начали взаимодействовать и создавать всё более сложные структуры? Как произошёл тот самый скачок от химии к биологии, от инертной материи — к живому?

И где же всё-таки зародилась жизнь: на нашей планете или где-то в далёком космосе? А если в космосе, то как она смогла пережить такое путешествие и при этом еще и прижиться на новой планете?

Но каждый новый эксперимент, каждый найденный фрагмент метеорита, каждая древняя окаменелость — это ещё один шаг к разгадке величайшей тайны Вселенной — тайны происхождения жизни.