Долгие десятилетия эволюционные биологи спорили о том, что появилось раньше: генетический код (РНК/ДНК) или клеточная мембрана. Но свежие научные обзоры все чаще возвращают нас к третьему, долгое время находившемуся в тени сценарию. Кажется, чтобы стать живым, первобытному «бульону» не нужны были ни сложные гены, ни защитные клетки — достаточно было случайных белковых обрывков, иона металла и базового метаболизма.
Планета Земля буквально переполнена жизнью — от дна Марианской впадины до разреженных слоев атмосферы. Вся эта невероятная биомасса (более полутриллиона тонн углерода) обладает бесконечным разнообразием форм, но если взглянуть в саму суть, то у любого живого существа на планете есть пять универсальных свойств:
- Способность собирать ресурсы из окружающей среды.
- Метаболизм (извлечение энергии для поддержания процессов).
- Способность к размножению.
- Граница между «внутри» и «снаружи» (клеточная мембрана).
- Генетический код (инструкция по сборке белков).
Абсолютно невероятно, чтобы все пять сложнейших механизмов появились одновременно в готовом виде. Что-то должно было стать первой искрой.
Известный астрофизик и популяризатор науки Итан Сигель в своей недавней колонке суммирует последние данные о зарождении жизни и объясняет, почему гипотеза «сначала метаболизм» может оказаться той самой недостающей деталью пазла.
Отсекая лишнее: математика общего предка
Долгое время ученые искали ответ в прошлом, пытаясь отследить родословную жизни. В 2010 году биолог Дуглас Теобальд опубликовал в журнале Nature революционную работу, которая поставила математическую точку в одном из главных споров биологии.
Раньше критики часто указывали на феномен горизонтального переноса генов. Возникало подозрение: а что, если жизнь на ранней Земле зарождалась много раз независимо, а затем эти первобытные организмы просто обменялись генами, слившись в единую «химеру»? Теобальд применил строгий байесовский статистический анализ к последовательностям белков, присутствующих во всех группах живых организмов. Результат оказался бескомпромиссным: модель Последнего универсального общего предка (LUCA) выигрывает у любых альтернативных сценариев с астрономическим отрывом.
Дополнительным доказательством стало то, что вся современная жизнь использует строго один и тот же базовый набор из 22 аминокислот (20 стандартных плюс две редкие). И это при том, что в природе их существует больше 80, а в метеоритах, падающих на Землю, в изобилии находят как левозакрученные, так и правозакрученные молекулы (жизнь на Земле использует только «левые»).
Но LUCA — это уже полноценная клетка с ДНК-геномом. Если сравнивать, то это скорее аналог первого смартфона, а нам нужно понять, как эволюция изобрела счеты.
Сценарий «кипящего океана» и случайных ферментов
Современная химия истоков жизни предпочитает идти другим путем: не от клеток в прошлое, а от условий мертвой Земли в будущее. И здесь на сцену выходят гидротермальные поля и пересыхающие приливные лужи.
Представьте себе водоем на ранней Земле, куда попадают базовые органические молекулы (многие из них, включая сахара и все пять нуклеобаз ДНК/РНК, регулярно находят в метеоритах). Вода испаряется — работает принцип «выкипающего океана», — и концентрация органики резко возрастает.
В таком густом «супе» аминокислоты неизбежно начинают сталкиваться и слипаться в короткие цепочки — пептиды. Большинство из них абсолютно бесполезны. Но, как показывают исследования, химия полна случайностей. Если к такой бессмысленной белковой цепочке присоединится ион тяжелого металла (например, магния), играющий роль кофактора, молекула внезапно превращается в простейший активный фермент.
Вдруг этот кусок белка обретает способность расщеплять другие молекулы, высвобождать энергию или превращать окружающий химический «мусор» в питательные вещества. Так появляется простейший метаболизм.
РНК-пептидная коэволюция: элегантный компромисс
Тут возникает закономерный вопрос: ну научилась молекула «переваривать» соседей, а дальше что? Без генов она не сможет передать свой навык потомкам. Как только молекула разрушится, ее «опыт» исчезнет.
Настоящим прорывом последнего десятилетия стала концепция РНК-пептидной коэволюции. Долгое время лагеря ученых воевали: одни кричали «сначала была РНК» (гипотеза РНК-мира), другие — «сначала был метаболизм». Теперь оказалось, что они могли появиться рука об руку.
В водной среде нуклеобазы (буквы генетического кода) способны выстраиваться вдоль уже существующей метаболической пептидной цепи. Фактически, каждая аминокислота химически «притягивает» к себе соответствующий ей кодон из трех букв РНК. Когда РНК-цепочка собрана, она может отсоединиться и стать шаблоном, по которому из окружающей среды будет собираться точная копия изначального удачного пептида.
Белок кормит систему, а РНК работает как «флешка» для сохранения прогресса. И только когда эта самовоспроизводящаяся химическая фабрика начала стабильно работать, вокруг нее сформировалась липидная мембрана, подарив нам первую настоящую клетку.
Контекст: гладко было на бумаге
Почему это открытие так будоражит научный мир? Если для старта жизни не нужна немедленная сборка сложной молекулы ДНК (вероятность чего ничтожно мала), а достаточно простых пептидов и базовых химических реакций, то шансы на зарождение жизни во Вселенной колоссально возрастают. Любая планета с жидкой водой, вулканической активностью и метеоритной бомбардировкой автоматически становится инкубатором.
Впрочем, стоит сделать важную оговорку. В научно-популярных статьях процесс описывается так, будто спонтанное возникновение таких ферментов — это «практически неизбежный» математический факт, подкрепленный законами комбинаторики. Физики часто так смотрят на мир.
Но биохимики, работающие руками в лабораториях, воспринимают это с долей здорового скепсиса. Да, in vitro (в пробирке) ученым удается показать, как аминокислоты и нуклеотиды «помогают» друг другу. Однако «первобытный бульон» был невероятно грязным местом. Реакции постоянно обрывались, молекулы разрушались ультрафиолетом и радиацией, а полезные ферменты рисковали бесконечно разбавляться в толще воды. Заставить химическую эволюцию не затухнуть на полпути и не проиграть молекулярным «паразитам» — сложнейшая термодинамическая задача, над деталями которой наука бьется до сих пор.
Заключение
Граница между мертвой химией и живой биологией с каждым годом становится все более размытой. Судя по всему, жизнь на Земле началась не с торжественного появления элегантной двойной спирали ДНК. Она началась с простейшего пищеварения — случайного, неловкого куска белка, который просто научился «откусывать» энергию от соседей в пересыхающей луже.
А это значит, что жизнь — это не столько уникальная генетическая программа, сколько упрямое химическое желание не исчезнуть. И прямо сейчас, в теплых водах далеких экзопланет, какие-то совершенно другие пептиды вполне могут пытаться повторить наш успех.
Читайте также: Ответ науки на главный вопрос: откуда мы пришли?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.