Як почалося життя? Навряд чи існує більш глобальне питання. Протягом більшої частини людської історії майже усі вірили у його божественне походження. Будь-яке інше пояснення було немислимим.
Однак тепер усе змінилося. Протягом останнього століття кілька вчених намагалися з'ясувати, як зародилося перше життя. Вони навіть намагалися відтворити цей момент у своїх лабораторіях: створити абсолютно нове життя з нуля.
Наразі з цим завданням ніхто не впорався, але людство пройшло довгий шлях. Сьогодні багато вчених, які вивчають походження життя, впевнені, що вони на правильному шляху - і вони проводять експерименти, щоб підкріпити цю впевненість.
Це історія нашого прагнення розкрити секрет нашого походження. Це історія одержимості, боротьби та блискучої творчості, яка включає найбільші відкриття сучасної науки. Прагнення зрозуміти витоки життя заводило чоловіків і жінок до найвіддаленіших куточків нашої планети. Деяких із науковців вважали монстрами, а іншим доводилось працювати під гнітом жорстоких тоталітарних режимів.
Це - історія зародження життя на Землі.
OLEKSIY MAKSYMENKO/ALAMYЖиття - дуже давня штука. Динозаври - мабуть, найвідоміші вимерлі істоти, і вони існували 250 мільйонів років тому. Але життя бере свій початок набагато раніше.
Найдавнішим відомим скам'янілим решткам - близько 3,5 млрд років. Це в 14 разів перевищує вік найдавніших динозаврів. Але можуть існувати і давніші докази. Наприклад, у серпні 2016 року дослідники виявили, на їхню думку, скам'янілих мікробів, чий вік сягає 3,7 млрд років.
NUTMAN ET AL, NATUREСама Земля не набагато старша -наша планета сформувалася 4,5 мільярда років тому.
Якщо припустити, що життя зародилося на Землі - а це припущення видається цілком обґрунтованим, враховуючи, що в інших місцях його досі не знайшли - це мало статися протягом мільярда років між виникненням Землі та існуванням найдавніших відомих викопних решток.
Разом з окресленням часового проміжку, коли життя зародилося, ми можемо також обґрунтовано припустити, що саме це було.
З XIX століття біологи знають, що все живе створене з клітин - крихітних мішечків живої речовини, які бувають різної форми та розміру. Клітини були вперше відкрили у XVII столітті, коли винайшли перші сучасні мікроскопи, але минуло багато років, перш ніж люди усвідомили, що вони лежать в основі всього життя.
Вам може здаватися, що ви не надто схожі на сома чи тиранозавра, але мікроскоп твердить, що ви всі складаєтеся з подібних клітин. Так само, як рослини та гриби.
Але найпоширенішою формою життя є мікроорганізми, кожен з яких складається лише з однієї клітини. Найвідоміша їхня група - бактерії, які зустрічаються всюди на Землі.
У квітні 2016 року вчені представили оновлену версію "дерева життя": своєрідного генеалогічного дерева для кожного живого виду. Майже усі його гілки є бактеріями. Ба більше, форма дерева говорить про те, що бактерія була спільним предком усього життя. Іншими словами, кожна жива істота - включно з вами - у кінцевому підсумку походить від бактерії.
Це означає, що проблему походження життя можна окреслити точніше. Потрібно зробити клітину, використовуючи лише матеріали та умови, що існували на Землі понад 3,5 млрд років тому.
Невже це так складно?
EQUINOX GRAPHICS LTD1. Перші експерименти
Протягом більшої частини нашої історії запитання про витоки життя не вважалося актуальним, оскільки відповідь здавалася очевидною.
До 1800-х років більшість людей вірили у так званий віталізм. Це інтуїтивне уявлення про те, що живі істоти були наділені особливою, магічною властивістю, що відрізняла їх від неживих предметів.
Віталізм часто пов'язували з релігійними віруваннями. У Біблії сказано, що Бог "вдихнув" життя у перших людей, а безсмертна душа - це форма віталізму.
Є лише одна проблема. Віталізм - відверто помилковий.
На початку 1800-х років вчені виявили кілька речовин, які здавалися унікальними для живих істот. Однією з них була сечовина, яку знайшли у сечі та виділили у 1799 році.
Це ще можна було сумістити з віталізмом. Як видавалося, тільки живі істоти здатні виробляти ці хімічні речовини, тому, можливо, вони були просякнуті життєвою енергією, і саме це робило їх особливими.
Але в 1828 році німецький хімік Фрідріх Вьохлер знайшов спосіб виготовити сечовину із хімічної речовини, яка називається ціанатом амонію, яка не мала явного зв'язку з живими істотами. За ним пішли інші, і незабаром було зрозуміло, що хімічні речовини, характерні для живих істот, можна виготовити з простіших хімічних речовин, які не мають нічого спільного з життям.
Це був кінець віталізму як наукової концепції. Але людям було дуже важко відмовитися від цієї ідеї. Для багатьох твердження, що у живих істотах немає нічого особливого, позбавляло життя магії і зводило його до простої механіки. І, звичайно ж, суперечило Біблії.
Навіть ученим було непросто забути про віталізм. Навіть у 1913 році англійський біохімік Бенджамін Мур гаряче проштовхував теорію про "біотичну енергію", що, по суті, було просто іншою назвою віталізму. Ця ідея міцно трималася на емоціях.
Втім, після 1828 року вчені отримали законні підстави шукати небожественне пояснення зародження життя. Але вони цього не зробили. Цей, здавалося б, очевидний предмет дослідження ігнорували десятиліттями. Можливо, людство ще мало занадто сильний емоційний зв'язок із віталізмом, щоб зробити наступний крок.
Натомість великим біологічним проривом ХІХ століття стала теорія еволюції, розроблена Чарльзом Дарвіном та іншими.
Теорія Дарвіна, викладена у роботі "Про походження видів" у 1859 році, пояснювала, як величезне різноманіття життя могло виникнути від одного спільного пращура. Замість ідеї, що кожен з різних видів Бог створив окремо, усі вони походили від прадавнього організму, який жив мільйони років.
Ця ідея виявилася надзвичайно суперечливою, знову ж таки тому, що вона суперечила Біблії. Дарвін та його ідеї зазнали лютої критики, особливо з боку обурених християн.
Однак теорія еволюції нічого не сказала про те, як виник цей перший організм.
LINDA REININK-SMITH/ALAMYДарвін знав, що це глибоке і важливе питання, і обговорював його в листі, написаному в 1871 році.
Він запитував себе - що, як колись була невелика водойма, ставок, наповнений простими органічними сполуками, куди був доступ сонячного світла. Деякі з цих сполук могли поєднатися і утворити подібну до життя речовину, таку як білок, яка потім могла почати розвиватися та ускладнюватися.
Це була схематична ідея. Але саме вона стане основою першої гіпотези про виникнення життя.
І виникла вона у доволі несподіваному місці. Можна було б припустити, що цей зухвалий приклад вільної думки виник у демократичній країні з традицією свободи слова: наприклад, у США. Але насправді першу гіпотезу про походження життя винайшли у цілковито тоталітарній країні, де свободу слова систематично придушували - у СРСР.
У сталінській Росії все було під контролем держави. Зокрема і думки людей, навіть з таких здавалося б, не пов'язаними з комуністичною політикою приводів, як біологія.
Так, Сталін фактично заборонив вченим займатися генетикою. Натомість він просував ідеї агронома Трохима Лисенка, які, на його думку, більше узгоджувалися з комуністичною ідеологією. Вчені, які вивчали генетику, були змушені публічно підтримувати ідеї Лисенка - або ризикували потрапити до трудового табору.
Саме в такому репресивному середовищі Олександр Опарін проводив свої дослідження з біохімії. Йому дозволяли працювати, бо він був вірним комуністом: він підтримував ідеї Лисенка і навіть отримав орден Леніна, найвищу нагороду в СРСР.
У 1924 році Опарін опублікував свою книгу "Походження життя". У ній він виклав гіпотезу народження життя, напрочуд схожу на дарвінівський теплий ставок.
RICHARD BIZLEY/SCIENCE PHOTO LIBRARYОпарін уявив, як виглядала Земля на світанку свого існування. Поверхня була дуже гарячою і являла собою мішанину напіврозтоплених гірських порід, що містили величезний спектр хімічних речовин - зокрема, багато з них містили вуглець.
Врешті-решт Земля достатньо охолола, щоб водяна пара конденсувалася у рідку воду, і пішов перший дощ. Невдовзі на Землі утворилися океани, які були гарячими і багатими на хімічні речовинами на основі вуглецю. Тепер могли статися дві речі.
По-перше, різні хімічні речовини могли реагувати між собою, утворюючи безліч нових сполук, деякі з яких були б більш складними. Опарін припускав, що молекули, які є центральними для життя, такі як цукри та амінокислоти, могли утворюватися у водах Землі.
По-друге, частина хімічних речовин почала утворювати мікроскопічні структури. Багато органічних хімікатів не розчиняються у воді: наприклад, олія утворює шар зверху води. Але коли деякі з цих хімічних речовин контактують з водою, вони утворюють сферичні кульки, які називаються коацервати, діаметр яких може досягати 0,01 см.
Якщо розглянути коацервати під мікроскопом, їхня поведінка дуже схожа на живі клітини. Вони ростуть і змінюють форму, а іноді діляться надвоє. Вони також можуть вбирати хімічні речовини з навколишньої води, тож у них можуть концентруватися речовини, подібні до живої матерії. Опарін припустив, що коацервати були пращурами сучасних клітин.
П'ять років потому, у 1929 році, англійський біолог Дж. Б. С. Голдейн виклав дуже схожі ідеї у короткій статті, опублікованій у щорічному журналі "Раціоналіст". Голдейн вже зробив величезний внесок в еволюційну теорію, поєднавши ідеї Дарвіна з генетикою.
Так само, як і Опарін, Голдейн окреслив, як органічні речовини можуть накопичуватися у воді, "поки первісні океани не досягли консистенції гарячого рідкого бульйону". Це стало основою для формування "перших живих або напівживих речей", кожну з яких огортала "масляниста плівка".
Ідея Опаріна і Голдейна про те, що живі організми були утворені суто хімічними засобами, без Бога чи навіть "життєвої сили", була радикальною. Як і теорія еволюції Дарвіна до неї, вона кидала виклик християнству.
Це цілком влаштовувало СРСР. Радянський режим був офіційно атеїстичним, і його лідери із задоволенням підтримували матеріалістичні пояснення таких всеосяжних явищ, як життя. Голдейн також був атеїстом й затятим комуністом.
"У той час прийняти чи не прийняти цю ідею безпосередньо залежало від персоналій - чи були вони релігійними, чи підтримували ліві чи комуністичні ідеї, - каже експерт з питань походження Армен Малкіджанян з Оснабрюкського університету в Німеччині. - У Радянському Союзі їх радо прийняли, бо вони не потребували Бога. У західному світі, якщо взяти людей, які думали в цьому напрямку, всі вони були ліваками, комуністами тощо".
Ідея про те, що життя утворилося у первинному бульйоні з органічних хімікатів, отримала назву гіпотези Опаріна-Голдейна. Вона була лаконічною і переконливою, але була одна проблема. Не було експериментальних доказів, які б її підтвердили. Щоб їх отримати, знадобилося майже чверть століття.
FRANCIS LEROYНа той момент, коли Гарольд Юрі зацікавився походженням життя, він уже отримав Нобелівську премію з хімії 1934 року і допоміг побудувати атомну бомбу. Під час Другої світової війни Юрі працював над проєктом "Мангеттен", збираючи нестабільний уран-235, необхідний для ядра бомби. Після війни він боровся за те, щоб ядерну технологію контролювали цивільні.
Він також зацікавився хімією космосу, особливо тим, що відбувалося під час формування Сонячної системи. Одного разу він прочитав лекцію і зазначив, що, скоріш за все, в атмосфері Землі від початку не було кисню. Це б створило ідеальні умови для формування первинного бульйону Опаріна та Голдейна - контакт з киснем міг зруйнувати крихкі хімічні речовини.
На лекції був присутній студент на ім'я Стенлі Міллер, який запропонував перевірити цю ідею. Юрі поставився до пропозиції скептично, але Міллер його вмовив.
Таким чином у 1952 році Стенлі Міллер розпочав найвідоміший в історії експеримент щодо походження життя.
Він з'єднав низку скляних колб і наповнив їх чотирма хімічними речовинами які, на його думку, були присутні на ранньому етапі існування Землі - окріп, водень, аміак та метан. Він діяв на гази електричним струмом, щоб імітувати удари блискавки, які також мали бути поширеним явищем на тодішній Землі.
Наприкінці першого дня вода в колбі стала рожевою, а до кінця тижня розчин був темно-червоним і каламутним - очевидно, утворилася суміш хімічних речовин.
Коли Міллер проаналізував суміш, він виявив, що вона містить дві амінокислоти: гліцин та аланін. Амінокислоти часто називають структурними елементами життя. З них утворюються білки, які контролюють більшість біохімічних процесів в нашому тілі. Міллер з нуля створив два найважливіших компоненти життя.
Результати опублікували в престижному журналі Science у 1953 році. Це дослідження увійшло в історію під назвою "експеримент Міллера-Юрі". І хоча пізніші дослідження показали, що атмосфера прадавньої Землі складалася з інших газів, цей експеримент, безумовно, став історичною подією.
Наслідуючи приклад Міллера, інші науковці почали робити спроби створити прості біологічні молекули з нуля. Та невдовзі стало зрозуміло, що життя складніше, ніж хтось міг уявити.
Живі клітини, як виявилося, були не просто мішечками з хімічними речовинами - вони були хитромудрими маленькими машинами. І створення такої машини з нуля почало виглядати набагато більшим викликом, ніж могли передбачити вчені.
EQUINOX GRAPHICS LTD2. Велика поляризація
На початку 1950-х вчені відійшли припущення, що життя - це дар богів. Натомість вони почали досліджувати можливість того, що життя виникло спонтанно і природно на ранньому етапі існування Землі - і завдяки знаковому експерименту Стенлі Міллера вони навіть мали певне практичне підтвердження цієї ідеї.
Поки Міллер намагався створити з нуля життя, інші вчені з'ясовували, з чого складаються гени.
На той час вже було відомо багато біологічних молекул - зокрема, цукри, жири й білки. А також нуклеїнові кислоти, такі як дезоксирибонуклеїнова кислота, або ДНК.
Сьогодні ми сприймаємо як належне, що ДНК містить наші гени, але для біологів 1950-х років це стало справжнім шоком. Білки були складнішими, тож вчені думали, що саме вони є генами.
Цю ідею в 1952 році спростували Альфред Герші та Марта Чейз з Інституту Карнегі у Вашингтоні. Вони вивчали прості віруси, що містять лише ДНК і білок, і які для розмноження мали інфікувати бактерії. Вони виявили, що до бактерій потрапляла саме вірусна ДНК, а білки залишилися назовні. Очевидно, саме ДНК містила генетичний матеріал.
Відкриття Герші та Чейз спонукало вчених з'ясувати структуру ДНК і те, як вона працює. Наступного року це зробили Френсіс Крік та Джеймс Вотсон з Кембриджського університету - зі значною допомогою їхньої колеги Розалінд Франклін, яку довгий час замовчували.
Їхнє дослідження стало одним з найбільших наукових відкриттів 20 століття. Воно також переформатувало пошуки походження життя, адже виявило неймовірні тонкощі, приховані всередині живих клітин.
GONVILLE AND CAIUS COLLEGE/SCIENCE PHOTO LIBRARYКрік та Вотсон виявили, що ДНК - це подвійна спіраль, схожа на скручену драбину. Дві "жердини" драбини побудовані з молекул, що називаються нуклеотидами.
Ця структура пояснювала, як клітини копіюють свою ДНК. Іншими словами, це відкриття виявило, як батьки роблять копії своїх генів і передають їх своїм дітям.
Ключовим моментом є те, що подвійну спіраль можна "розстебнути". Таким чином розкривається генетичний код - складений з послідовностей генетичних основ A, T, C і G - який, як правило, замкнений всередині "сходинок" драбини ДНК. Кожна ділянка потім використовується як шаблон для відтворення копії іншої.
За допомогою цього механізму гени передавались від батьків до дітей від самого початку життя. Зрештою, ваші гени походять від прадавніх бактерій - і на кожному кроці вони копіювалися за допомогою механізму, який відкрили Крік та Вотсон.
Протягом наступних кількох років біохіміки намагалися зрозуміти, яку саме інформацію містить ДНК, і як ця інформація використовується у живих клітинах.
Виявилося, що ДНК виконує лише одну роботу. ДНК каже клітинам, як виробляти білки - молекули, які виконують безліч основних завдань. Без білків ви не могли б перетравити їжу, ваше серце зупинилося б і ви не змогли б дихати.
Але процес використання ДНК для створення білків виявився надзвичайно складним. І це стало великою проблемою для тих, хто намагався пояснити походження життя - адже важко уявити, як колись могло утворитися щось настільки складне.
Кожен білок, по суті, є довгим ланцюгом амінокислот, з'єднаних у певному порядку. Послідовність амінокислот визначає тривимірну форму білка, а отже і те, що він робить.
Ця інформація кодується в послідовності основ ДНК. Отже, коли клітині потрібно створити певний білок, вона зчитує відповідний ген у ДНК, щоб отримати послідовність амінокислот.
Але є нюанс. ДНК дуже цінна, тому клітини намагаються сховати її подалі. Тож вони копіюють інформацію з ДНК на короткі молекули іншої речовини під назвою РНК (рибонуклеїнова кислота). Якщо ДНК - це бібліотечна книга, РНК - це клаптик паперу з виписаним на ньому ключовим уривком. РНК подібна до ДНК, за винятком того, що вона має лише одну ділянку.
Зрештою, процес перетворення інформації у цій ділянці РНК на білок відбувається у надзвичайно складній молекулі, що називається рибосома.
RUSSELL KIGHTLEY/SCIENCE PHOTO LIBRARYЦей процес відбувається у кожній живій клітині, навіть у найпростіших бактеріях. Це так само важливо для життя, як їжа та дихання. Будь-яке пояснення походження життя повинно показати, як ця складна триєдність - ДНК, РНК та білок рибосоми - виникли та почали працювати.
Першим, хто рішуче взявся за вирішення цієї проблеми, став хімік Леслі Орджел. Він припустив, що найперші форми життя не мали білків чи ДНК. Натомість вони майже повністю складалися з РНК. Для цього первинні молекули РНК мали бути універсальними. По-перше, вони мали вміти робити копії самих себе, імовірно, використовуючи той самий механізм, що і ДНК.
Ідея, що життя починалося з РНК, виявилась надзвичайно впливовою. Але вона також спричинила наукову війну різних таборів, яка триває до наших днів.
Припускаючи, що життя починалося з РНК, Орджел висловив думку, що один важливий аспект життя - його здатність до відтворення себе - з'явився до усіх інших.
EQUINOX GRAPHICS LTDОднак інші елементи життя видаються не менш важливими. Найочевиднішим є метаболізм - здатність отримувати енергію з довкілля та використовувати її, щоб підтримувати своє існування. На думку багатьох біологів, саме метаболізм був первинною визначальною рисою життя, а реплікація з'явилася пізніше.
Таким чином, з 1960-х років вчені, що вивчають походження життя, розкололися на два табори - одні обстоювали ідею первинності метаболізму, інші - реплікації.
Тим часом третя група стверджувала, що спочатку мав з'явитися контейнер для ключових молекул, щоб тримати їх разом. Іншими словами, мала утворитися клітина - як підкреслювали Опарін та Голдейн кількома десятиліттями раніше - можливо, огорнена мембраною з простих жирів та ліпідів.
Усі три ідеї здобули своїх прихильників і збереглися до наших днів.
Завдяки Орджелу, ідея про те, що життя почалося з РНК, мала дуже добрий старт. А потім прийшли 1980-ті - а разом з ними і неймовірне відкриття, яке, здавалося, цілком її підтвердило.
EQUINOX GRAPHICS LTD3. Пошуки першого реплікатора
Після 60-х років вчені, які намагалися зрозуміти витоки життя, розділилися на три групи. Одні вважали, що життя почалося з утворення примітивних версій біологічних клітин. Інші - що ключовим першим кроком стала метаболічна система, а треті зосереджуються на важливості генетики та реплікації. Ця остання група хотіла з'ясувати, як міг виглядати цей перший реплікатор - з акцентом на тому, що він складався з РНК.
Ще у 60-х роках вчені мали підстави вважати, що РНК - джерело всього життя.
Зокрема, РНК може зробити те, чого ДНК не може. Це одноланцюгова молекула, тому на відміну від жорсткої, дволанцюгової ДНК вона може скластись у цілу низку різних форм.
Таке складання РНК було дуже схоже на поведінку білків. Білки також в основному являють собою довгі ланцюги - утворені з амінокислот, а не з нуклеотидів - і це дозволяє їм утворювати складні структури.
Це ключ до найдивовижнішої здатності білків. Деякі з них можуть пришвидшити або «каталізувати» хімічні реакції. Ці білки відомі як ферменти.
Багато ферментів знаходяться у кишківнику, де вони розщеплюють складні молекули їжі на прості, такі як цукри, які можуть використовувати клітини. Людина не може жити без ферментів.
Леслі Орджел та Френсіс Крік висловили припущення: якщо РНК могла складатися як білок, можливо, вона могла б утворити ферменти. Якби це відповідало дійсності, РНК могла б бути первинною - і дуже універсальною - живою молекулою, що зберігає інформацію як ДНК і каталізує реакції, як це роблять деякі білки.
Це була гарна ідея, але на те, щоб підтвердити її доказами, знадобилось понад 10 років.
На початку 1980-х років Томас Чек та його колеги з Університету Колорадо в Боулдері під час вивчення одноклітинного організму під назвою Tetrahymena thermophila виявили першу ферментативну РНК - короткий шматочок РНК, який міг вирізати себе з більшого ланцюга, до складу якого він входив.
Наступного року інша група вчених знайшла другу ферментативну РНК - або рибозим, як її стали називати.
Таке швидке виявлення двох рибозимів могло говорити про те, що насправді їх набагато більше. Тепер ідея, що життя почалося з РНК, стала виглядати перспективно.
Ім'я цій ідеї дав Волтер Гілберт з Гарвардського університету в Кембриджі, штат Массачусетс - він назвав її "Світом РНК".
Перший етап еволюції, стверджував Гілберт, складався з "молекул РНК, що здійснюють каталітичну діяльність, необхідну для виокремлення себе з нуклеотидного бульйону". Врешті-решт вони знайшли спосіб створити білки та білкові ферменти, які виявилися настільки корисними, що значною мірою витіснили РНК-версії та породили життя таким, яким ми його знаємо сьогодні.
"Світ РНК" - витончений спосіб створити складне життя з нуля. Замість того, щоб покладатися на одночасне утворення десятків біологічних молекул із первинного бульйону, одна-єдина молекула могла б виконати роботу за їх усіх.
І в 2000 році гіпотеза світу РНК отримала серйозне підтвердження - коли команда біохіміка Томаса Стейца створила детальне зображення структури рибосоми, яке показало, що каталітичним ядром рибосоми була РНК.
LAGUNA DESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARYЦе було критично важливим, оскільки рибосоми - фундаментальна і прадавня основа життя. Той факт, що вона базується на РНК, зробив гіпотезу "Світу РНК" ще більш правдоподібною.
Прихильники "Світу РНК" були у захваті від цього відкриття, а сам Стейц у 2009 році отримав Нобелівську премію. Але згодом знову почали з'являтися сумніви.
Від самого початку у ідеї "Світу РНК" було дві проблеми: чи може РНК реально виконувати всі функції життя самостійно і чи могла вона сформуватися на ранньому етапі існування Землі?
Відтоді, як Гілберт сформулював свою гіпотезу, минуло 30 років - і ми досі не маємо переконливих доказів того, що РНК може робити все те, чого від неї вимагає теорія.
Одне з таких завдань є особливо важливим. Якщо життя почалося з молекули РНК, ця РНК повинна була вміти робити копії себе, тобто самореплікуватися.
Але жодна відома РНК не здатна до самореплікації. Так само, як і ДНК. Для створення копії шматочка РНК або ДНК потрібен цілий батальйон ферментів та інших молекул.
Тож наприкінці 1980-х кілька біологів поставили собі донкіхотське завдання - самостійно створити здатну до самореплікації РНК.
Одним із перших за це узявся Джек Шостак із Гарвардської школи медицини. Його захопили рибозими, відкриті Томасом Чеком. На його думку, теоретично РНК могла каталізувати власну реплікацію.
У 1988 році Чек виявив рибозим, який міг побудувати коротку молекулу РНК довжиною приблизно 10 нуклеотидів. Шостак вирішив удосконалити це відкриття шляхом створення нових рибозимів у лабораторії і перевірки їхньої каталітичної активності.
Йому вдалося створити рибозим, який пришвидшував реакцію у сім мільйонів разів у порівнянні з природними умовами. Це показало, що рибозими були дійсно потужними. Але він навіть близько не підійшов до його самореплікації.
Для багатьох учених, які скептично ставляться до гіпотези світу РНК, головний її недолік полягає саме у відсутності здатної до самореплікації РНК.
Інша проблема - нездатність учених створити РНК з нуля. Її молекула виглядає простішою, ніж молекула ДНК, однак створити її виявилось надзвичайно важко.
Саме через це багато біологів почали сумніватися у вірогідності гіпотези "Світу РНК" і припускати, що, можливо, на ранньому етапі існування Землі був якийсь інший тип молекули: щось простіше, ніж РНК, що справді могло б виокремитися з первинного бульйону й почати самореплікуватися. А вже згодом утворилися РНК, ДНК та решта.
MASPIX/ALAMYУ 1991 році Пітер Нільсен з Копенгагенського університету в Данії висунув свою версію первинного реплікатора.
По суті це була сильно модифікована версія ДНК. Нільсен зберіг основи - A, T, C і G, - однак замінив присутні у ДНК цукри на поліаміди. Він назвав нову молекулу поліамідною нуклеїновою кислотою, або ПНК. Однак із незрозумілих причин пізніше її стали називати пептидо-нуклеїновою кислотою.
ПНК ніколи не зустрічалася в природі, але її поведінка дуже подібна до ДНК.
Стенлі Міллер був заінтригований. Він дуже скептично ставився до гіпотези світу РНК, що ПНК є більш правдоподібним кандидатом на роль першого генетичного матеріалу.
У 2000 році він надав цьому вагомі докази. Він повторив свій класичний експеримент, про який йшлося у першій частині, цього разу з використанням метану, азоту, аміаку та води - і отримав поліамідну основу ПНК.
Це дозволяє припустити, що ПНК, на відміну від РНК, могла легко утворитися на ранньому етапі існування Землі.
ALFRED PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARYІнші хіміки придумали власні альтернативні нуклеїнові кислоти.
У 2000 році Альберт Ешенмозер створив треозо-нуклеїнову кислоту (ТНК), а Ерік Меггерс у 2005 виготовив гліколеву нуклеїнову кислоту, яка може утворювати спіральні структури.
Кожна з цих альтернативних нуклеїнових кислот має своїх прихильників, але жодна з них не зустрічається в природі. Тому, якщо вони дійсно існували на первинному етапі виникнення життя, то згодом повністю зникли, поступившись місцем РНК та ДНК. Можливо, саме так і сталося - але доказів цьому немає.
Очевидним висновком стало те, що гіпотеза світу РНК, якою б стрункою вона не була, не могла бути цілковито правдивою.
Тим часом, з 1980-х років неухильно набирала обертів суперницька теорія. Її прихильники стверджують, що життя не починалося ані з РНК, ані з ДНК, ані з будь-якої іншої генетичної субстанції. Натомість воно зародилося як механізм для використання енергії.
4. Енергія протонів
Отже, науковці, які вивчали походження життя, розділилися на 3 табори.Представники першого були переконані, що життя почалося з молекули РНК, але вони не змогли з'ясувати, як молекулам РНК або подібним до РНК вдалося спонтанно з'явитися на ранній Землі та розпочати самовідтворення. Успіхи вчених спочатку захоплювали, але зрештою дослідники зайшли у глухий кут. Однак, навіть коли ці дослідження були у самому розпалі, знайшлися ті, хто вважав, що життя зародилося зовсім інакше.
Теорія "Світу РНК" спирається на просту ідею: найважливіша функція організму - це здатність до продовження роду. З цим погоджуються більшість біологів. Усі живі істоти - від бактерій до синіх китів - прагнуть залишити потомство.
Проте, багато дослідників не погоджуються, що репродуктивна функція - головна. Вони кажуть, що до початку розмноження організм має стати самодостатнім, бути спроможним підтримувати життя в собі. Зрештою, не вийде завести дітей, якщо до цього померти.
Ми підтримуємо життя за допомогою їжі, тоді як рослини поглинають енергію з сонячного світла.
Так, хлопець, який апетитно ласує соковитим стейком, зовсім не схожий на віковий дуб, але насправді вони обидва поглинають енергію.
Говорячи про енергію живих істот, ми маємо на увазі метаболізм, який можна описати у кілька етапів:
- отримання енергії, приміром, з речовин, багатих на енергію (наприклад, з цукру)
- використання енергії для побудови корисних клітин в організмі.
Процес використання енергії надзвичайно важливий, і багато дослідників переконані, що саме з нього й почалося життя.
KSENIYA RAGOZINA/ALAMYАле як могли виглядати організми з однією лише функцією метаболізму?
Одну з найцікавіших гіпотез про первинність метаболізму висунув в кінці 1980-х років Гюнтер Вахтершаузер. Він припустив, що перші організми "разюче відрізнялися від усього, що ми знаємо". Вони не складалися з клітин. У них не було ферментів, ДНК або РНК.
Для наочності Вахтершаузер описав потік гарячої води, що витікає з вулкана. Вода була насичена вулканічними газами на зразок аміаку і містила частки мінералів з центру вулкана.
У місцях, де потік рухався по скелях, починалися хімічні реакції. Метали, що містяться у воді, сприяли синтезу великих органічних сполук з простіших.
Переломним моментом стало утворення першого метаболічного циклу.
Одна хімічна речовина перетворюється на кілька інших, і так далі, поки цикл не дійде до початкової фази - відтворення першої речовини.Під час процесу вся система, що бере участь в метаболізмі, накопичує енергію, яку можна використати для перезапуску циклу або ж для запуску нового процесу.
Метаболічні цикли фундаментально важливі для життя. Все решта, що мають сучасні організми (ДНК, клітини, мозок), з'явилося пізніше, при чому на основі цих хімічних циклів.
Метаболічні процеси не дуже нагадують життя у чистому вигляді. Тому Вахтершаузер називав свої винаходи "прекурсорними організмами" і підкреслював, що їх "навряд чи можна називати живими".
Але описані них цикли завжди в центрі будь-якого живого організму. Ваші клітини - це насправді мікроскопічні заводи, що безперервно розщеплюють одні речовини, перетворюючи їх на інші.
Два останні десятиліття 20-го століття Вахтершаузер присвятив своїй теорії, опрацьовуючи її в деталях. Його міркування знайшли своїх прихильників.
Але далі теорій справа не йшла. Потрібно було практичне відкриття, яке довело б його гіпотези. На щастя, його вже зробили за десять років до цього.
NOAA/PMEL-NOAA PHOTO LIBRARYУ 1977 році команда Джека Корлісса з Університету Орегону занурилася у води східного Тихого Океану на глибину 2,5 км. Вчені вивчали Галапагоське гаряче джерело в місці, де з дна підіймалися хребти гірських порід, що колись були вулканічно активними.
Корлісс виявив, що хребти були всіяні гарячими джерелами. Гаряча і насичена хімічними речовинами вода підіймалась з морського дна і витікала через отвори в скелях.
Вражало те, що ці гідротермальні жерла були щільно заселені дивними істотами. Це були величезні молюски кількох видів, мідії та кільчасті хробаки. У воді також було повно бактерій. Всі ці організми існували за рахунок енергії з гідротермальних жерл.
Джек Корлісс припустив, що подібні жерла існували на Землі 4 мільярди років тому, і саме навколо них зародилося життя. Всю свою подальшу кар'єру він присвятив розробці цієї ідеї.
DR KEN MACDONALD/SCIENCE PHOTO LIBRARYКорлісс вважав, що гідротермальні жерла могли створювати суміш хімічних речовин. Кожне жерло, стверджував він, було чимось на зразок розпилювача "первинного бульйону".
Поки гаряча вода текла крізь скелі, тепло і тиск перетворювали найпростіші органічні сполуки на складніші, на кшталт амінокислот, нуклеотидів і цукру. Ближче до виходу в океан, де вода була вже не такою гарячою, вони починали утворювати ланцюги, формуючи вуглеводи, білки і нуклеотиди на зразок ДНК. Потім, вже в самому океані, де вода була значно прохолоднішою, ці молекули утворювали прості клітини.
Теорія привернула увагу наукової спільноти. Але Стенлі Міллер, чий експеримент ми описували раніше, не поділяв цього ентузіазму. У 1988 році він писав, що жерла були надто гарячими для утворення в них життя.
Теорія Корлісса полягала в тому, що екстремальна температура могла запустити формування речовин на зразок амінокислот, але експерименти Міллера показували, що вона також могла знищити їх.
Ключові сполуки могли протриматися від сили кілька секунд. Ба більше, ці прості молекули навряд чи змогли б утворити хімічні ланцюги, оскільки вода практично миттєво розірвала б їх.
На цьому етапі до дискусії долучився геолог Майк Расселл. Він вважав, що теорія про жерла ідеально вписується в гіпотезу Вахтершаузера про прекурсорні організми. Це підштовхнуло його до створення однієї з найбільш популярних теорій про походження життя.
У молоді роки Расселл займався розробкою аспірину і вивчав мінерали. Але його завжди цікавило, як змінювалася поверхня Землі в процесі еволюції. Можливість поглянути на історію з точки зору геолога і сформувала його теорію про походження життя.
У 80-х він знайшов скам'янілості, які свідчили про те, що в давнину існували гідротермальні жерла, де температура не перевищувала 150 градусів за Цельсієм. Ці помірні температури, як він стверджував, могли дозволити молекулам протриматися набагато довше, ніж вважав Міллер.
До того ж на скам'янілостях цих менш гарячих жерл було дещо цікаве. Мінерал під назвою пірит, що складається з заліза і сірки.
У своїй лабораторії Расселл виявив, що пірит може формувати ще й сферичні краплі. Він припустив, що перші складні органічні молекули сформувалися саме всередині структур з піриту.
Приблизно тоді ж Вахтершаузер почав публікувати свої теорії, що базувалися на тому, що потік води, багатої на хімікати, вступав у реакцію з певним мінералом. Він навіть припустив, що цим мінералом міг бути пірит.
Расселлу залишалося лише додати 2+2.
Він припустив, що всередині теплих гідротермальних жерл, глибоко в морі, де могли утворитися піритові структури, сформувалися прекурсорні організми Вахтершаузера. Якщо Расселл не помилявся, то життя зародилося на глибині моря, і першим життєвим процесом був метаболізм.
Все це він описав у своїй статті, опублікованій в 1993 році, через 40 років після класичного експерименту Міллера. Расселл об'єднав дві різні ідеї (метаболічні цикли Вахтершаузера і гідротермальні жерла Корлісса) в одну доволі переконливу концепцію.
Концепція вразила ще більше, коли Расселл поділився своїми ідеями про те, як перші організми поглинали енергію. Іншими словами, він пояснив, як міг працювати їхній метаболізм. Його ідея спиралася на дослідження одного із забутих геніїв сучасної науки.
AFPУ 60-х роках біохімік Пітер Мітчелл через хворобу був змушений залишити Единбурзький університет. Він переобладнав маєток у графстві Корнуолл на лабораторію і фінансував свою роботу, продаючи молоко домашніх корів. Багато біохіміків, зокрема Леслі Орджел, чиї дослідження РНК ми описували раніше, вважали роботу Мітчелла абсолютно безглуздою.
Майже два десятиріччя по тому Мітчелл все-таки переміг, отримавши Нобелівську премію з хімії в 1978 році. Відомим він так і не став, але його ідеї можна побачити у будь-якому підручнику з біології.
Мітчелл присвятив своє життя вивченню того, на що організми витрачають отриману з їжі енергію.
Він знав, що всі клітини зберігають енергію у конкретній молекулі - аденозинтрифосфаті (АТФ). Важливим є те, що до аденозину прикріплений ланцюжок з трьох фосфатів. На приєднання третього фосфату йде багато енергії, яка пізніше "оселяється" в АТФ.
Коли клітині потрібна енергія (приміром, під час скорочення м'язів), вона відтинає третій фосфат від АТФ. Це перетворює АТФ на аденозиндифосфат (АДФ) і вивільняє накопичену енергію.
Мітчелл хотів зрозуміти, як клітинам вдалося створити АТФ. Як вони сконцентрували достатньо енергії в АДФ для того, щоб приєднався третій фосфат?
Він знав, що фермент, який утворює АТФ, лежить на мембрані. Він зробив висновок, що клітина закачує заряджені частки (протони) через мембрану, і тому з одного боку мембрани можна побачити багато протонів, тоді як з іншого боку їх майже немає.
Потім протони намагаються повернутися у мембрану, щоб відновити баланс з кожного боку, але потрапити вони можуть тільки у фермент. Цей рух протонів і дає ферменту необхідну енергію для створення АТФ.
Мітчелл вперше озвучив цю ідею у 1961 році. Наступні 15 років він захищав свою теорію від нападів, хоч і мав неспростовні докази.
Сьогодні відомо, що процес, описаний Мітчеллом, властивий кожній живій істоті на планеті. Він відбувається у ваших клітинах прямо зараз. Як і ДНК, це фундаментальна частина того життя, яке ми знаємо.
Будуючи свою теорію життя, Расселл звернув увагу на розподіл протонів, описаний Мітчеллом: безліч протонів на одному боці мембрани і лише кілька - на іншому.
Такий розподіл протонів потрібен всім клітинам - так вони зберігають енергію.
Сучасні клітини створюють такий розподіл, викачуючи протони з мембрани, але тут діє складна молекулярна механіка, яка не могла просто з'явитися в одну мить.
Отже, Расселл зробив ще один логічний висновок: життя сформувалося там, де є природний розподіл протонів.
Десь біля гідротермальних жерл. Але жерло мало бути конкретного типу.
Рання Земля мала кислі моря, а кисла вода насичена протонами. Для розподілу протонів вода біля гідротермальних жерл мала містити малу кількість протонів: іншими словами, вона мала бути лужною.
Гідротермальні жерла Корлісса не підходили під цю умову. Вони не лише були дуже гарячими, але й надто насичені кислотами.
Але 2000 року Дебора Келлі з Вашингтонського університету знайшла перші лужні гідротермальні жерла.
916 COLLECTION/ALAMYКар'єра науковця далася Келлі нелегко. Її батько помер, коли вона була в старших класах, і дівчині доводилося працювати після лекцій, щоб оплатити навчання в університеті.
Пристрасть до вивчення вулканів і підводних гарячих жерл привела її в серце Атлантики, де з глибин океану височів величний гірський хребет.
На цьому хребті Келлі знайшла цілу низку гідротермальних жерл, які назвала "Загублене місто". Вони не були схожі на ті, що знайшов Корлісс.
З них текла вода температурою 40-75 градусів за Цельсієм і з невеликим вмістом лугу. Карбонатні мінерали з такої води утворювали круті білі стовпи, схожі на стовпи диму. Попри моторошний і примарний вигляд, ці стовпи були домом для колоній мікроорганізмів, що мешкають у теплій воді.
Ці лужні жерла чудово підходили під теорію Расселла. Він був переконаний, що життя почалося в жерлах, схожих на жерла "Загубленого міста".
Але була одна проблема. Рассел був геологом і його знань про біологічні клітини було недостатньо, щоб зробити свою теорію максимально переконливою.
Тому він об'єднався з американським біологом Вільямом Мартіном.
У 2003 році вони представили вдосконалену версію ранньої концепції Расселла. І, мабуть, цю теорію про походження життя на Землі можна назвати найбільш вичерпною з усіх, що існують.
Завдяки Келлі вони знали, що скелі лужних жерл були пористими: вони були всіяні невеликими отворами, наповненими водою. Вчені припустили, що ці отвори виконували роль клітин. Кожен з них містив важливі речовини на кшталт піриту. Додайте сюди природний розділ протонів, який забезпечували жерла, і отримаєте ідеальне місце для зародження метаболізму.
Як тільки життя почало використовувати хімічну енергію води з жерл, припустили Расселл і Мартін, воно почало створювати молекули на зразок РНК. Потім вона створила власну мембрану, ставши справжньою клітиною, і залишила пористу скелю, попрямувавши у відкриті води.
Це наразі одна з провідних гіпотез щодо походження життя.
NOAA PMEL VENTS PROGRAM/SCIENCE PHOTO LIBRARYСерйозну підтримку ця теорія отримала в 2016 році, коли Мартін опублікував дослідження, що оновило характеристики "останнього універсального загального предка" (ОУЗП). Це умовна назва організму, що існував мільярди років тому і започаткував різноманіття сучасного життя.
Нам, можливо, вже не вдасться знайти скам'янілості цього організму, але на основі всіх наявних даних ми можемо припустити, як він виглядав і які характеристики мав.
Саме це і зробив Мартін. Він вивчив ДНК 1930 сучасних мікроорганізмів і виокремив 355 генів, що були майже в кожному з них.
Можна припустити, що саме ці 355 генів передавалися з покоління в покоління, оскільки всі ці 1930 мікробів мали спільного предка - імовірно, з тих часів, коли ще існував ОУЗП.
Серед цих генів були ті, що відповідали за використання розподілу протонів, але не було тих, що відповідають за створення цього розподілу.
Крім того, ОУЗП, схоже, зумів адаптуватися до речовин, подібних до метану, що припускало наявність вулканічно активного середовища навколо. Тобто, гідротермального жерла.
Однак прихильники ідеї "Світу РНК" знайшли дві проблеми в концепції Расселла-Мартіна. Одну ще можна було потенційно виправити, але інша могла означати крах всієї теорії.
RICHARD BIZLEY/SCIENCE PHOTO LIBRARYПерша проблема полягала у відсутності експериментальних доказів того, що описані Расселом і Мартіном процеси реально існували.
Так, вчені крок за кроком вибудували теорію, але жоден з кроків не був поки відтворений в лабораторних умовах.
"Прихильники ідеї про первинність реплікації регулярно надають результати досліджень, - говорить Армен Мулкіджанян, експерт з питань походження життя. - А от прибічники ідеї про первинність метаболізму цього не роблять".
Але колега Мартіна Нік Лейн з Університетського коледжу Лондона може виправити цей недолік. Лейн розробив своєрідний "реактор походження життя", який симулюватиме умови всередині лужного жерла. Він сподівається відтворити метаболічні цикли і, можливо, навіть РНК. Але поки про це зарано говорити.
Друга проблема полягає в тому, що жерла розташовані глибоко під водою. Як говорив Міллер у 1988 році, молекули з довгими ланцюгами, на зразок РНК і білків, не зможуть сформуватися у воді за відсутності ферментів, які не дозволять їм розпастися.
Для багатьох дослідників цей аргумент став вирішальним. "Хімік не може повірити в теорію з глибоководними жерлами, адже він розуміє, що всі ці молекули несумісні з водою", - пояснює Мулкіджанян. Проте, Расселл і його прихильники не поспішають відмовлятися від своїх ідей.
Але в останнє десятиліття на передній план вийшов третій підхід, який супроводжувався низкою вкрай цікавих експериментів. На відміну від теорій про "Світ РНК" і гідротермальні жерла, цей підхід у разі успіху обіцяв неймовірне - створення живої клітини з нуля.
5. Як створити клітину?
Кожна жива істота на Землі складається з клітин. Кожна клітина - це, по суті, м'яка кулька з жорсткою стінкою, або мембраною.
Завдання клітини - утримати всі життєво важливі елементи всередині. Якщо порветься зовнішня стінка, то "виллються" нутрощі, і клітина загине - як випотрошена людина.
Зовнішня стінка клітини настільки важлива, що деякі вчені вважають, що саме вона мала з'явитися першою. Вони переконані, що теорії про "первинну генетику", "первинний метаболізм" - абсолютно хибні.
Їхня альтернатива - "первинна компартменталізація"- спирається першою чергою на праці П'єра Луїджі Луїзі з Університету Рома Тре в Римі. Аргументи Луїзі прості й переконливі. Як можна уявити процес метаболізму або самовідтворення РНК, якщо ще не існує надійного контейнера для молекул?
Отже, на їхню думку, є тільки один варіант походження життя. Якимось чином посеред спеки і буревіїв ранньої Землі якісь вихідні матеріали сформували примітивні клітини, або протоклітини.
Щоб довести цю теорію, необхідно провести досліди в лабораторії - спробувати створити просту живу клітину.
CULTURA CREATIVE RF/ALAMYІдеї Луїзі базувалися на працях радянського вченого Олександра Опаріна, який вважав, що деякі речовини формують так звані коацервати - бульбашки, які можуть утримувати інші речовини. Луїзі припустив, що ці коацервати і були першими протоклітинами.
Будь-яка жирна або масляна речовина утворює бульбашки або плівку на воді. Цю групу речовин називають ліпідами, а теорію про те, що саме вони дали початок життю, - "Світом ліпідів".
Але одного лише формування бульбашок недостатньо. Вони мають бути стабільними, мати можливість створювати "дочірні" бульбашки, і хоча б трохи контролювати потік вхідних і вихідних речовин - і все це без білків, які відповідають за ці функції в сучасних клітинах.
Отже, треба було створити протоклітини з необхідних матеріалів. Саме цим і займався Луїзі кілька десятиліть, але нічого переконливого так і не представив.
У 1994 році Луїзі висловив сміливе припущення. На його думку, перші протоклітини могли утримувати РНК. До того ж ця РНК повинна була вміти самовідтворюватися всередині протоклітини.
Дане припущення означало відмову від "первинної компартменталізації", але Луїзі мав на те вагомі причини.
Клітина з зовнішньою стінкою, але без генів всередині не мала багатьох функцій. Вона була здатна ділитися на дочірні клітини, але не могла передавати інформацію про себе своєму потомству. Розвиватися клітина могла, маючи хоча б кілька генів.
Цю теорію підтримав Джек Шостак, чию роботу над гіпотезою "Світу РНК" ми обговорювали раніше. Багато років ці науковці були у різних таборах наукової спільноти - Луїзі підтримував ідею "первинної компартменталізації", а Шостак - "первинної генетики".
PUBLIPHOTO DIFFUSION/SCIENCE PHOTO LIBRARY"Ми зрозуміли, що клітинам необхідне і те, і інше - без компартменталізації і генетичної системи не могло б утворитися перше життя", - згадує Шостак.
У 2001 році Шостак і Луїзі об'єднали зусилля і продовжили дослідження. У статті в журналі "Nature" вони стверджували, що для створення живої клітини з нуля необхідно помістити самовідтворювану РНК у просту краплю жиру.
Ідея була сміливою, і незабаром Шостак повністю присвятив себе її реалізації. Справедливо розсудивши, що "не можна розписувати теорію без практичних доказів", він вирішив почати експерименти з протоклітинами.
Через два роки Шостак з двома колегами оголосили про великий науковий прорив. Досліди проводили на везикулах: сферичних краплях з двома шарами жирних кислот зовні та рідким ядром усередині.
Намагаючись прискорити створення везикул, вчені додали частки глинистого мінералу монтморилоніту. Це прискорило формування везикул у 100 разів. Поверхня глини слугувала каталізатором, виконуючи функцію ферменту.
Крім того, везикули могли поглинати як частки монтморилоніту, так і ланцюги РНК з поверхні глини.
Рішення додати монтморилоніт виникло не просто так. Десятиліття досліджень показували, що монтморилоніт та інші глинисті мінерали були дуже важливі під час зародженні життя.
Монтморилоніт - це звичайна глина. Нині його широко використовують у побуті, наприклад, як наповнювач для котячих туалетів. Формується він при розщепленні вулканічного попелу під впливом погодних умов. Оскільки на ранній Землі було чимало вулканів, логічно припустити, що монтморилоніту було також достатньо.
Ще 1986 року хімік Джеймс Ферріс довів, що монтморилоніт - це каталізатор, що сприяє формуванню органічних молекул. Пізніше він також виявив, що цей мінерал прискорює формування малих РНК.
Це навело Ферріса на думку, що непоказна глина була свого часу місцем появи життя. Шостак підхопив цю ідею і використав монтморилоніт під час створення протоклітин.
За рік команда Шостака виявила, що їхні протоклітини ростуть самі по собі. Коли нові молекули РНК додавали до протоклітини, зовнішня стінка прогиналася під тиском. Виглядало це так, немов протоклітина набила собі живіт і ось-ось лусне.
Щоб компенсувати тиск, протоклітини вибирали найбільш жирні кислоти і вбудовували їх в стінку, щоб рости і збільшуватись у розмірі.
Але важливо те, що жирні кислоти вони забирали в інших протоклітин з меншим вмістом РНК, через що ті починали стискатися. Це означало, що протоклітини змагалися, а вигравали ті, що містили більше РНК.
Це підштовхувало науковців до неймовірних висновків. Якщо протоклітини могли рости, то чи могли вони ділитися? Чи зможе Шостак змусити протоклітини самостійно відтворюватися?
SUSAN E. DEGGINGER/ALAMYПерші досліди Шостака виявили один зі способів поділу протоклітин. Під час руху протоклітин крізь маленькі отвори вони стискалися і набували трубчатої форми, а потім ділилися на дочірні протоклітини.
Це був успіх, адже в процесі не задіяли жодних клітинних механізмів, лише звичайний механічний тиск.
Але були й мінуси, оскільки під час експерименту протоклітини втрачали частину свого вмісту. Також виходило, що перші клітини могли ділитися лише під тиском зовнішніх сил, які проштовхували б їх крізь вузькі отвори.
Є багато способів змусити везикули ділитися: наприклад, додати потужний потік води. Але потрібно було знайти спосіб, при якому протоклітини ділилися б, не втрачаючи свого вмісту.
У 2009 році Шостак і його студент Тінь Чжу знайшли рішення. Вони створили трохи складніші протоклітини з кількома стінками, що нагадували прошарки цибулини.
Поки Чжу підживлював їх жирними кислотами, протоклітини росли і міняли вигляд, набуваючи ниткоподібної форми. Коли протоклітина ставала достатньо великою, варто було трохи натиснути, і вона розпадалася на маленькі дочірні протоклітини.
Кожна дочірня протоклітина містила РНК з материнської протоклітини, і практично жоден елемент РНК не губився. Крім того, протоклітини могли і далі продовжувати цей цикл - дочірні протоклітини росли і ділилися вже самостійно.
Чжу і Шостак також знайшли спосіб змусити протоклітини ділитися. Схоже, одна частина проблеми була вирішена.
Однак, протоклітини все ще не функціонували належним чином. Луїзі вважав протоклітини носіями самовідтворюваних РНК, але поки РНК просто були всередині й ні на що не впливали.
Щоб продемонструвати, що протоклітини дійсно були першим життям на Землі, Шостаку необхідно було змусити РНК створювати свої копії.
Завдання було не з легких, оскільки десятиліття досліджень інших вчених так і не привели до створення самовідтворюваної РНК.
Шостак вирішив знову перечитати доповіді Леслі Орджела, який багато років працював над гіпотезою "Світу РНК". У старих наукових доповідях несподівано знайшлися цінні підказки.
SCIENCE PHOTO LIBRARY/ALAMYУ 70-80-ті роки Орджел вивчав принцип копіювання ланцюгів РНК.
Суть його проста. Треба взяти один ланцюг РНК і помістити його у посуд з нуклеотидами. Потім використати ці нуклеотиди для створення іншого ланцюга РНК, який доповнить перший.
Наприклад, ланцюг РНК "CGC" сформує додатковий ланцюг "GCG". Наступна ж копія відтворить оригінальний ланцюг "CGC".
Орджел казав, що у певних умовах ланцюги РНК копіюються без допомоги ферментів. Цілком можливо, що перше життя копіювало свої гени саме у такий спосіб.
До 1987 року Орджел вже міг створювати додаткові ланцюги довжиною у 14 нуклеотидів у ланцюгах РНК, чия довжина також дорівнювала 14 нуклеотидам.
Далі він не просунувся, але цього було достатньо, щоб зацікавити Шостака. Його студентка Катаржина Адамала намагалася створити цей процес у протоклітинах.
Адамала і Шостак виявили, що для реакції потрібен магній. Це було проблематично, оскільки магній знищував протоклітини. Але був і вихід: використати цитрат, який практично ідентичний лимонній кислоті, що міститься в лимонах і апельсинах, і який є у будь-якій живій клітині.
У доповіді, опублікованій в 2013 році, Адамала і Шостак розповіли про дослідження, під час якого до протоклітини додали цитрат, що накладається на магній і захищає протоклітини, не перешкоджаючи при цьому копіюванню ланцюгів.
Іншими словами, вони досягли того, про що говорив Луїзі в 1994 році. "Ми запустили самовідтворення РНК всередині жирнокислотних везикул", - заявив Шостак.
JON SULLIVAN, PDPHOTO.ORGВчені створили протоклітини, які зберігають свої гени, водночас поглинаючи корисні молекули з навколишнього середовища. Протоклітини можуть рости і ділитися і навіть змагатися між собою. Вони мають РНК, що самовідтворюються. За всіма параметрами створені в лабораторії протоклітини дуже нагадують життєвий цикл.
Вони також були стійкими. У 2008 році команда Шостака виявила, що протоклітини можуть пережити температуру до 100 градусів за Цельсієм - температуру, при якій гине більшість сучасних клітин. Це лише підсилило впевненість у тому, що протоклітини подібні до першого життя, якому необхідно було якось виживати в умовах постійних метеоритних дощів.
"Успіхи Шостака вражають", - вважає Армен Мулкіджанян.
Однак, на перший погляд, підхід Шостака дуже відрізняється від інших досліджень походження життя, що тривали останні 40 років. Замість того, щоб фокусуватися на "первинному самовідтворенні" або "первинній компартменталізації", він знайшов спосіб поєднати ці теорії.
Це стало поштовхом для створення нового об'єднаного підходу до вивчення походження життя на Землі.
6. Велике об'єднання
У пошуках відповіді на питання про зародження життя, вчені XX століття розділилися на 3 табори. Кожен дотримувався тільки своїх гіпотез і критикував роботи інших. Такий підхід безумовно був результативним, але у підсумку кожен з таборів зіткнувся з нерозв'язними проблемами. Тому в наші дні кілька вчених наважилися випробувати об'єднаний підхід до даної проблеми.
Ідея об'єднання базується на недавньому відкритті, яке доводить традиційну теорію про "первинне самовідтворення" "Світу РНК", але лише на перший погляд.
До 2009 року прихильники "світу РНК" мали серйозну проблему. Вони не могли створити нуклеотиди (будівельні блоки РНК) так, як це відбувалося в умовах ранньої Землі.
Як ми бачили раніше, це підштовхнуло багатьох дослідників до думки, що перше життя ґрунтувалося зовсім не на РНК.
Джон Сазерленд розмірковував над цим ще з 80-х років минулого століття. "Було б добре, якби хтось зміг продемонструвати, як самостійно збирається РНК", - каже він.
Сазерленду пощастило - він працював у Кембриджській лабораторії молекулярної біології (LMB). Більшість дослідних інститутів постійно вимагають від своїх працівників нових відкриттів, але LMB дозволяла працівникам серйозно попрацювати над проблемою. Тому Сазерленд міг спокійно розмірковувати над тим, чому так складно створити нуклеотиди РНК, і протягом кількох років розробляв альтернативний підхід.
В результаті Сазерленд сформував абсолютно нові погляди на походження життя, які полягали в тому, що всі ключові елементи життя могли сформуватися одночасно.
NASA"В хімії РНК не працювали відразу кілька ключових аспектів", - пояснює Сазерленд. Кожен нуклеотид РНК складається з цукру, азотистої основи і фосфату. Але на практиці змусити цукор і основу взаємодіяти виявилося неможливо. Молекули були просто не тієї форми.
Тому Сазерленд почав експериментувати з іншими речовинами. В результаті його команда створила 5 простих молекул, що складаються з іншого виду цукру і ціанаміду, який, як видно з назви, споріднений з ціанідами. Ці речовини пропустили через низку хімічних реакцій, що призвело до створення двох з чотирьох нуклеотидів.
Безперечно, це був успіх, що вмить підняв наукову репутацію Сазерленда.
Багатьом спостерігачам здалося, що це черговий доказ на користь теорії про "Світ РНК". Але сам Сазерленд дивився на це інакше.
"Класична" гіпотеза "світу РНК" базувалася на тому, що у перших живих організмах РНК відповідала за всі життєві функції. Але Сазерленд називає це твердження "безнадійно оптимістичним". Він вважає, що РНК брала в них участь, але не була єдиним важливим для життєздатності компонентом.
Його надихнула остання робота Джека Шостака, який об'єднав концепцію "первинного самовідтворення" "Світу РНК" з ідеями П'єра Луїджі Луїзі про "первинну компартменталізацію".
Але Джон Сазерленд пішов ще далі. Він хотів, щоб клітина могла самостійно формуватися з нуля. Його підхід базувався на ідеї, що "первинним було все".
Увагу вченого привернула цікава деталь у синтезі нуклеотидів, яка спочатку здавалася випадковою.
SCIENCE LAB/ALAMYОстаннім кроком у підході Джона Сазерленда було поєднати фосфати і нуклеотиди. Але пізніше він зрозумів, що додавати його слід з самого початку, оскільки фосфат прискорює реакції на ранніх етапах.
Початкове додавання фосфату, здавалося, лише збільшує хаотичність реакції, але Сазерленд зрозумів, що це корисна хаотичність. Це змусило його замислитись над тим, наскільки хаотичними мають бути суміші.
На ранній Землі, найімовірніше, в одній калюжі плавало безліч хімічних речовин. Суміші, звичайно, не повинні нагадувати болотяні води, адже потрібно знайти оптимальний рівень хаотичності.
Створені в 1950 році суміші Стенлі Міллера, про які йшлося раніше, були значно хаотичнішими, ніж суміші Сазерленда. Вони містили біологічні молекули, але, як каже Сазерленд, їх "було небагато, і супроводжувалися вони великою кількістю небіологічних сполук".
Підхід Міллера не задовольняв Сазерленда. На його думку, суміш була надто хаотичною, тому необхідні речовини просто губилися в ній.
Тому науковець прагнув отримати суміш, яка була б не надто хаотичною, щоб не зіпсувати весь процес, але й не надто простою, щоб не обмежувати його.
Іншими словами, уявіть собі, що 4 мільярди років тому на Землі був невеличкий ставок. Протягом багатьох років в ньому утворювалися необхідні речовини, аж поки суміш не набула хімічного складу, який і потрібен, щоб запустити процес. А потім сформувалася перша клітина, можливо, лише за кілька хвилин.
Це може звучати фантастично, як заяви середньовічних алхіміків. Але у Сазерленда почали з'являтися докази.
З 2009 року він демонстрував, що за допомогою тих самих речовин, на основі яких сформувалися його перші два нуклеотиди РНК, можна створювати інші молекули, важливі для будь-якого живого організму.
Очевидним наступним кроком мало стати створення інших нуклеотидів РНК. З цим Сазерленд поки не впорався, але в 2010 році продемонстрував молекули, які потенційно могли перетворитися на нуклеотиди.
А в 2013 році він зібрав прекурсори амінокислот. Цього разу для створення необхідної реакції він додав ціанід міді.
Речовини на основі ціаніду були в багатьох експериментах, і в 2015 році Сазерленд знову використав їх. Він показав, що з тим самим набором речовин можна створити прекурсори ліпідів - молекул, з яких складаються стінки клітин. Реакція відбувалася під впливом ультрафіолету, до неї додали сірку і мідь, які прискорювали процес.
RADIUS IMAGES/ALAMY"Все будівельні блоки [сформувалися] із загального ядра хімічних реакцій", - пояснює Шостак.
Коли вчені побачили, наскільки складною була конструкція клітини, вони вирішили, що перші клітини збиралися докупи поступово, елемент за елементом.
"Відтоді, як Леслі Орджел озвучив думку про те, що першою з'явилася РНК, дослідники намагалися брати за основу один елемент, а потім змушували його створювати інші", - каже Сазерленд. Сам він вважає, що створювати потрібно все одночасно.
"Ми поставили під сумнів ідею про те, що клітина надто складна, щоб виникнути відразу, - пояснює Сазерленд. - Як бачите, можна одночасно створити будівельні блоки для всіх живих систем".
Шостак навіть підозрює, що більшість спроб створити молекули життя і зібрати їх у живі клітини були невдалими з тієї ж причини: надто стерильні умови експериментів.
Вчені брали необхідні речовини і зовсім забували про ті, що, можливо, також існували на ранній Землі. Але робота Сазерленда показує, що при додаванні нових речовин у суміш виникають більш складні сполуки.
Шостак і сам зіткнувся з цим у 2005 році, коли намагався додати фермент РНК до своїх протоклітин. Ферменту потрібен був магній, який знищував мембрану протоклітин.
Рішення було елегантним. Замість того, щоб створювати везикули з однієї лише жирної кислоти, їх почали створювати із суміші з двох кислот. Отримані везикули могли впоратися з магнієм, а отже, могли виконувати роль "носіїв" ферментів РНК.
Крім того, Шостак говорить, що першим генам, ймовірно, була властива хаотичність.
Сучасні організми використовують чисту ДНК для передавання генів, але, найімовірніше, спочатку чистої ДНК просто не існувало. На її місці могла бути суміш з нуклеотидів РНК і нуклеотидів ДНК.
У 2012 році Шостак показав, що подібна суміш може збиратися в "мозаїчні" молекули, які виглядають і поводяться, як чиста РНК. І це доводить, що теорія про перемішані молекули РНК і ДНК має право на існування.
Ці досліди свідчили про наступне - неважливо, чи могли перші організми мати чисту РНК або чисту ДНК. "Я повернувся до ідеї про те, що перший полімер був схожий з РНК, але виглядав трохи хаотично", - говорить Шостак.
Цілком можливо, що альтернатив РНК тепер могло стати більше, на додачу до вже існуючих ТНК і ПНК, про які йшлося раніше. Ми не знаємо, чи існували вони на ранній Землі, але навіть якщо й існували, то перші організми цілком могли використовувати їх разом з РНК.
Це був уже не "Світ РНК", а "Світ всього, чого завгодно".
Отже - поява першої живої клітини зовсім не була такою вже складною справою, як нам здавалося раніше. Так, клітини - це комплексні механізми. Але, як з'ясувалося, вони працюватимуть, хай і не ідеально, навіть якщо їх "зліпити абияк" з підручних матеріалів.
Здавалося б, такі клітини мали небагато шансів вижити на ранній Землі. Але, з іншого боку, вони не мали конкурентів, їм не загрожували ніякі хижаки, тому що в багатьох сенсах життя на первозданній Землі було простішим, ніж зараз.
CHRIS BUTLER/SCIENCE PHOTO LIBRARYАле існує одна проблема, яку не змогли вирішити ані Сазерленд, ані Шостак, і вона доволі серйозна.
Перший організм повинен був мати якусь форму метаболізму - здатність отримувати енергію, а інакше це життя загинуло б.
У цей момент Сазерленд погодився з ідеями Майка Расселла, Білла Мартіна та інших прихильників "первинного метаболізму".
"Прихильники теорій про "Світ РНК" і "первинного метаболізму" даремно сперечалися між собою. В обох сторін вистачало вагомих аргументів", - пояснює Сазерленд.
"Метаболізм так чи інакше з чогось почався, - пише Шостак. - Але що стало джерелом хімічної енергії - це велике питання".
Навіть якщо Мартін і Расселл помиляються у тому, що життя почалося в глибоководних жерлах, багато в чому їхня теорія близька до істини. Найперше - це важлива роль металів у зародженні життя.
LAGUNA DESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARYБагато ферментів у природі мають у своєму ядрі атом металу. Зазвичай це активна частина ферменту, тоді як інша частина молекули - допоміжна структура.
Перші форми життя не могли мати складні ферменти, тому, найімовірніше, функцію каталізаторів виконували "голі" метали.
Про те саме говорив і Гюнтер Вахтеншаузер, коли припустив, що життя сформувалося на залізному піриті. Расселл також підкреслює, що вода в гідротермальних жерлах насичена металами, які можуть бути каталізаторами, а дослідження Мартіна на тему останнього універсального загального предка у сучасних бактерій свідчить про те, що він мав багато ферментів на основі заліза.
Все це доводить, що багато хімічних реакцій Сазерленда були вдалими лише за рахунок міді (і сірки, як підкреслив Вахтершаузер), і що РНК в протоклітинах Шостака потрібен магній.
Цілком може виявитися, що гідротермальні жерла також важливі для створення життя.
"Якщо поглянути на сучасний метаболізм, то можна побачити елементи, які говорять самі за себе, приміром, кластери із заліза та сірки, - пояснює Шостак. - Це вписується в ідею про те, що життя зародилося всередині або біля жерла, де вода насичена залізом і сіркою".
Цілком можливо, що Сазерленд і Шостак на вірному шляху, але один аспект їхньої теорії про жерла є все-таки помилковим: життя не могло зародитися на глибині моря.
ARTESUB/ALAMY"Відкриті нами хімічні процеси дуже залежать від ультрафіолетового випромінювання", - пояснює Сазерленд.
Єдине джерело такого випромінювання - це Сонце, тому реакції мають відбуватися безпосередньо під його променями. Це викреслює версію з глибоководними жерлами.
Шостак погоджується, що глибини моря не можна вважати колискою життя. "Найгірше те, що вони ізольовані від взаємодії з атмосферою, яка є джерелом вихідних матеріалів, багатих енергією, на зразок ціаніду".
Але всі ці проблеми не роблять теорію про гідротермальні жерла марною. Можливо, ці жерла лежали на мілководді, де мали доступ до сонячного світла і ціаніду.
Армен Мулкіджанян запропонував альтернативу. Можливо, життя зародилося у воді, але не в океані, а на суші? А саме - у вулканічному ставку.
COTHRON PHOTOGRAPHY/ALAMYМулкіджанян звернув увагу на хімічний склад клітин: зокрема, які речовини вони беруть, а які відкидають. З'ясувалося, що клітини будь-якого організму містять багато фосфату, калію та інших металів, за винятком натрію.
Сучасні клітини зберігають баланс металів, викачуючи їх з навколишнього середовища, але у перших клітин такої можливості не було - механізм викачування ще не був розвинений. Тому Мулкіджанян припустив, що перші клітини виникли там, де був приблизний набір речовин, з яких складаються теперішні клітини.
Це відразу викреслює океан зі списку потенційної колиски життя. У живих клітинах набагато більше калію і фосфату і набагато менше натрію, ніж міститься в океані.
Під цю теорію більше підходять геотермальні джерела поблизу вулканів. Ці ставки містять ту ж суміш металів, що і клітини.
Шостак ідею підтримує. "Гадаю, що озеро або ставок в геотермально активній області підходять ідеально, - підтверджує він. - Потрібні гідротермальні жерла, але не глибоководні, а схожі на ті, що є у вулканічно активних областях на кшталт Єллоустоуну".
BROCKEN INAGLORY, CC BY 3.0У такому місці могли б утворюватися хімічні реакції Сазерленда. Джерела містять необхідний набір речовин, рівень води коливається, деякі ділянки часом пересихають і багато сонячних ультрафіолетових променів.
Ба більше, Шостак каже, що такі ставки чудово підходять для його протоклітин.
"Протоклітини переважно зберігають низьку температуру, що добре впливає на копіювання РНК та інші види простого метаболізму, - стверджує Шостак. - Але час від часу вони ненадовго нагріваються, що сприяє поділу ланцюгів РНК і готує їх до подальшого самовідтворення".
Ділитися протоклітинам також можуть допомогти потоки холодної або гарячої води.
DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE PHOTO LIBRARYАле Сазерленд пропонує третій варіант - місце падіння метеорита.
На Землю регулярно падали метеоритні дощі у перші 500 мільйонів років існування. Місце падіння метеорита могло створити ті ж умови, що й ставки, про які говорив Мулкіджанян.
По-перше, метеорити здебільшого складаються з металу, а місця падіння часто багаті на метали типу заліза і сірки. І, що найголовніше, в місцях падіння метеорита продавлюється земна кора, що веде до геотермальної активності та появи гарячої води.
Сазерленд описує невеликі річки і струмки, що біжать по схилах новоутворених кратерів, які вбирають речовини з ціанідом з каменів - і все це відбувається під впливом ультрафіолетових променів. Кожен струмок містить відмінну від інших суміш речовин, тому в підсумку відбуваються різні реакції і з'являється ціла низка органічних речовин.
Зрештою струмочки об'єднуються у вулканічний ставок на дні кратера. Можливо, саме в такому ставку свого часу зібралися всі потрібні речовини, з яких сформувалися перші протоклітини.
"Це дуже специфічний процес, - погоджується Сазерленд. - Але це єдиний сценарій, що містить усі реакції, представлені в моїх експериментах".
Шостак поки не до кінця певен, але погоджується, що ідеї Сазерленда заслуговують на увагу: "Гадаю, що ці події могли відбуватися на місці падіння метеорита. Але мені також подобається ідея з вулканічними системами. На користь обох версій є міцні аргументи".
A. D. ROGERS ET AL, PLOS BIOLOGY, CC BY 2.5Дискусія, схоже, не скоро завершиться, і до спільної думки вчені дійдуть не відразу. Але вперше в історії ми стоїмо на порозі найповнішого пояснення того, як зародилося життя.
Поки що підхід з умовною назвою "все і відразу" від Шостака і Сазерленда - це лише грубі нариси.
Ми не знаємо напевно, що відбувалося 4 мільярди років тому.
Найкраще, що ми можемо зробити - це уявити перебіг подій, підкріпивши своє бачення доказами: дослідами з хімії, знаннями про ранню Землю та ранні форми життя.
Після століть напружених зусиль ми побачимо, як почне вимальовуватися реальна історія зародження життя.
NASA/ESA/SAMANTHA CRISTOFORETTIЦе означає, що ми наближаємося до найбільшого поділу в історії людства: поділу на тих, хто дізнається історію появи життя, і тих, хто не дожив до цього моменту.
Всі ті, хто не дожив до публікації "Походження видів" Дарвіна в 1859 році, померли, не маючи жодного уявлення про походження людини, оскільки вони нічого не знали про еволюцію.
Так само всі, хто народився після виходу Юрія Гагаріна на орбіту Землі, стали членами суспільства, яке може подорожувати до інших світів. І нехай за межами планети побував далеко не кожен її житель, але космічні подорожі вже стали сучасною реальністю.
Ці факти непомітно змінюють наше світовідчуття. Вони роблять нас мудрішими. Еволюція вчить нас цінувати будь-яку живу істоту, оскільки всіх нас можна вважати родичами, нехай і далекими. Космічні подорожі вчать нас дивитися на рідну планету з боку, щоб зрозуміти, наскільки вона унікальна.
Деякі з сучасних людей незабаром першими в історії людства дізнаються про свого єдиного предка і про те, де він мешкав.
Це знання змінить нас. Із суто наукової точки зору воно дасть нам уявлення про шанси зародження життя у Всесвіті і про те, де його можна шукати. Воно також розкриє перед нами сутність життя.10
Але нам залишається лише здогадуватись, яка мудрість постане перед нами у мить, коли таємниця походження життя буде розкрита.
Джерело: BBC News
