История происхождения жизни на Земле и химической эволюции в девяти главах

Поговорим о происхождении жизни на Земле и химической эволюции. Без химических формул.

Глава первая, в которой мы предаемся шовинизму

Энгельсовская формулировка «жизнь есть способ существования белковых тел» страдает неточностью: сегодня можно было бы сказать, что жизнь – способ существования соединений углерода в воде. По крайней мере, если речь идет о биологической жизни в понятных нам формах. Иногда этот взгляд называют «углеродно-водным шовинизмом». Фантасты развивают теории построения организмов на совершенно иной химии, с использованием соединений кремния или даже бора, и в других универсальных растворителях – например, жидком аммиаке или метане. Но когда речь идет о серьезных научных поисках, ученые все-таки ориентируются на углерод и на планеты, богатые водой.

Дело тут в самой природе химических элементов, наполняющих нашу Вселенную. Вспомним, что «первичным», появившимся вскоре после Большого взрыва, является лишь водород. Все прочие элементы образуются в ходе термоядерных реакций в недрах звезд, а особенно тяжелые требуют для рождения условий, которые появляются лишь во взрывах сверхновых и разносятся по космосу их ударными волнами. В целом можно сказать, что чем тяжелее элемент, тем обычно реже он встречается, хотя некоторые из них, которые служат конечными точками превращений более тяжелых ядер (например, свинец или железо), выбиваются из этого правила. Немало в космосе и элементов с особо стабильными ядрами, поэтому следом за водородом по распространенности идут гелий, углерод и кислород. Соединение кислорода с вездесущим водородом дает воду, которая встречается также повсюду.

Зато вот бор не слишком устойчив. Еще в недрах звезд значительная его часть превращается в углерод (и гелий), так что во Вселенной он встречается на много порядков реже, чем углерод или кислород. Это, соответственно, снижает и шансы на возникновение «боровой» жизни. Кремния в космосе вполне достаточно, но против него выступает уже химия: в присутствии кислорода он образует нерастворимые, инертные и очень устойчивые силикаты. Они способны сложить кору нашей планеты, но вряд ли подходят для активной жизни. Их мог бы растворить фторводород, в котором силикаты демонстрируют возможности довольно сложной химии, но фтор встречается в десятки тысяч раз реже, чем кислород. Так что если делать серьезные ставки, можно уверенно сказать: жизнь – это углерод и вода. Но вот дальше начинаются проблемы.

Глава вторая, в которой мы встречаем первые трудности

И углерода, и воды на просторах Вселенной предостаточно. Вода встречается на далеких планетах и складывает огромные ледяные глыбы комет. Простейший углеводород – метан – входит в состав атмосфер наряду с углекислым газом, а также ключевыми источниками других важнейших для жизни элементов – сероводородом, фосфатами и аммиаком (азот). Еще в 1920-х Александр Опарин и Джон Холдейн развили представления о том, как «первичный бульон» на молодой Земле мог стать источником ключевых соединений жизни. Тридцатью годами позже Стенли Миллер воспроизвел предложенную ими концепцию в лаборатории, имитировав в колбе гипотетическую атмосферу молодой Земли (бескислородную, богатую аммиаком, метаном, углекислым газом и сероводородом) над теплым водным океаном, через пару электродов подавая внутрь разряды-молнии.

Через несколько суток в воде стали появляться простейшие сахара, органические кислоты, аминокислоты. Слегка меняя условия работы установки, последующие поколения экспериментаторов сумели получить и другие важные для жизни «строительные блоки» – например, добавление синильной кислоты (HCN), также широко распространенной в космосе, открывает путь к синтезу пуриновых оснований нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), аденину и гуанину. Это впечатляет, но этого мало. Начать хотя бы с того, что в таких химических реакциях образуется смесь оптических изомеров аминокислот и сахаров.

Эти соединения могут существовать в двух формах – одинаковых, как зеркальные отражения друг друга, как правая и левая рука. Химически они равноценны, и в опытах Миллера и его последователей, действительно, появляются примерно в равных количествах. В живых организмах на Земле это не так: белки у всех нас, от кишечной палочки до премьер-министра (за экзотическими исключениями некоторых аминокислот у некоторых архей), построены только из одной формы, L-аминокислот; а РНК и ДНК – с использованием только D-рибозы и D-дезоксирибозы. Белковые ферменты оперируют не с химией, а с пространственной формой молекул, поэтому правая и левая форма для них – вещи совершенно разные, и раз начав с какой-то из них, перейти на другую уже невозможно. Но как начался этот «оптический шовинизм»? Невозможно представить, чтобы какой-то активный белок взял и сложился из 500 или 1000 L-аминоксилот, если в смеси присутствует одинаковое количество L и D. К этой проблеме нам еще предстоит вернуться, но и она оказалась далеко не единственной.

L- и D-изомеры аминокислот – зеркальные отражения друг друга / ©Wikipedia

Глава третья, в которой трудности нарастают

Другая проблема возникла по мере улучшения наших знаний о Венере, Марсе и о прошлом нашей собственной планеты. Оказалось, что сегодняшние атмосферы соседей близки по составу к атмосфере молодой Земли, которая, видимо, почти целиком состояла из углекислого газа. Серьезных количеств аммиака в ней не было, азот существовал лишь в форме чистого молекулярного газа (N2), а сера – как инертный оксид (SO2). Этот набор очень далек от того, что представляли себе Опарин, Холдейн и Миллер, и прежде всего тем, что не содержит вещества, подходящего на роль восстановителя (как аммиак, например), необходимого для фиксации углекислого газа и получения из него хотя бы простейшей органики.

Ну и, наконец, главное – проблема, которая в философии называется «неупрощаемой сложностью». Она сопровождает любые споры о появлении и развитии жизни. Взять хотя бы птичий полет: перья и крылья, полые кости и отсутствие зубов. Без каждой из этих (и многих других) деталей полет был бы невозможен, но могли ли они появиться одновременно у еще нелетающего существа? Конечно, вряд ли. Сегодня показано, что перья служили средством теплоизоляции еще их предкам-ящерам, крылья позволили планировать с веток, ловко спасаясь от лазающих хищников, и так далее. Если же разобраться с деталями строения пусть и самой простейшей живой клетки, то они окажутся намного сложнее истории с полетом.

Даже у бактерий геном насчитывает миллионы нуклеотидов, которые кодируют тысячи белков. Его работа требует сложной машинерии, необходимой для копирования ДНК и чтения ее для превращения в РНК, а затем и в белок с помощью хитроумно устроенных рибосом, и т. д. Все это окружено мембраной, пронизанной постоянно работающими белками, обеспечивающими избирательный транспорт веществ в клетку и из нее. Здесь мало лишних деталей: без каждой из них клетка жить неспособна. А главное, она неспособна жить без инструкций, которые содержит ДНК и которые реализуют белки. Сама по себе ДНК неспособна ни катализировать химические реакции, ни удваиваться. Это довольно инертное вещество, служащее лишь удобным носителем информации. С другой стороны, белки не размножаются и не могут выступать в этой роли. Еще одна философская проблема – курицы и яйца – только, кажется, совсем неразрешимая?..

©Wikipedia

Глава четвертая, в которой появляется надежда на РНК

Дилемма с курицей и яйцом – то есть с ДНК и белком – разрешилась только в 1970-е, когда были обнаружены рибозимы, молекулы РНК, обладающие собственной каталитической активностью. РНК не так хорошо подходит для хранения и копирования информации, как ДНК, она далеко не так замечательна в катализе, как белки, но она может и то, и другое. Это привело к появлению гипотезы о «мире РНК», первичном бульоне, в котором мог стартовать отбор наиболее эффективных молекул и все большее усложнение, которое привело к использованию ДНК и белков, оставив РНК их современные, во многом посреднические, функции. Значит, проблему «первичной химии» можно свести к проблеме появления достаточного количества РНК из ее компонентов – сахара D-рибозы, содержащего пять атомов углерода, фосфата, а также четырех видов азотистых оснований – аденина, гуанина, урацила и цитозина.

Самым вероятным путем появления рибозы сегодня считается формозная реакция Бутлерова – нагревание водного раствора формальдегида. В присутствии гидроксида кальция и под действием ультрафиолета он образует сложную смесь разных сахаров, которые могли осаждаться на разных неорганических поверхностях. Например, силикаты накапливают (и выделяют из среды) лишние четырех- и шестиуглеродные сахара, а гидроксиапатит – так нужную нам рибозу. Более того, если в среде присутствуют цинк и аминокислота пролин, то они катализируют появление почти чистого продукта, «правых» сахаров.

Удалось химикам и решить проблему с появлением всех четырех азотистых оснований. Если использовать не синильную кислоту, а другое довольно распространенное в космосе и несложное соединение – формамид, – то в отсутствие воды под действием ультрафиолета и на поверхности частиц оксида титана он даст все нужные основания. И если в нашей жизни такие условия выглядят экзотикой, то в космосе они встречаются не так уж и редко; диоксид титана то и дело улавливается в верхних слоях атмосферы, где нет воды, зато ультрафиолетового излучения предостаточно.

Чтобы азотистые основания, фосфат и рибоза образовали РНК, они должны объединиться в нуклеотиды, а те, в свою очередь, в достаточно длинные цепочки. Аденин сравнительно легко присоединяет рибозу, а затем и одну за другой три фосфатные группы. Видимо, по этой причине аденозинтрифосфат (АТФ) стал универсальной молекулой-носителем энергии: остальные азотистые основания не удавалось запустить по этому пути несколько десятилетий. Решить эту проблему получилось только в 2009 г., когда Джон Сазерленд из Манчестерского университета нашел изящную и сложную реакцию, на входе которой используются не сами основания и рибоза, а их предшественники – гликольальдегид, глицеральдегид, цианамид, и т. д., – а на выходе получаются нужные нуклеотиды. Уже через несколько лет было показано, что в присутствии L-аминокислот такая реакция дает преимущественно соединения с D-рибозой.

©Wikipedia

Глава пятая, где РНК встречается с «цинковым миром»

Такие реакции должны были происходить на юной Земле непрерывно: вряд ли такой нестабильный источник веществ, как астероиды или кометы, могли принести их в достаточном количестве, постоянно обновляя запасы. Для этого требуется восстанавливать углекислый газ до простейших соединений углерода, как это делают растения, используя воду и солнечный свет. Другой способ демонстрируют метаногенные микробы, которые вообще не терпят присутствия кислорода и используют восстановитель – сероводород, поступающий из-под земной коры с богатыми минералами и горячими водными растворами.

Отсюда родилась первая из гипотез о происхождении молекул-предшественниц РНК, включая формальдегид, гликольальдегид, цианамид и другие знакомые нам соединения. Согласно идее Карла Ваштерхаузера, все происходило на океанском дне, в условиях, близких к современным гидротермальным источникам. Их до сих пор населяет чрезвычайно богатая, очень необычная и практически независящая от внешнего мира жизнь, которая питается «дымом» этих черных курильщиков – перегретой водой, богатой сероводородом и сульфидами, причем сульфиды цинка и марганца тут же осаждаются беловатым налетом. Как мы скоро убедимся, это особенно важно.

Как показали эксперименты, в этих условиях сероводород восстанавливает сульфид железа до пирита (FeS2), на поверхности которого удерживаются протоны, способные восстанавливать и азот до аммиака, и углекислоту до метилмеркаптана. Реализуются здесь и более сложные реакции, ведущие к появлению органических кислот и вообще целого спектра органики, более богатого, чем в реакциях Миллера.

Дальнейшие превращения могли протекать уже на свету, когда «черные курильщики» обнажались. Чрезвычайно плотная атмосфера молодой Земли создавала повышенное давление, которое позволяло воде не закипать и не испаряться даже при температуре намного выше 100 °С, а отрицательно заряженные молекулы – органические кислоты, включая РНК, – оставались связанными на положительно заряженной поверхности сульфида цинка, накапливаясь в достаточных количествах и продолжая реагировать друг с другом.

Важным подтверждением гипотезы о «цинковом мире» (как продолжении «мира РНК») служит состав внутренней среды живых клеток, их цитоплазмы, который близок не просто морской воде, а морской воде близ черных курильщиков, насыщен ионами калия, марганца, магния и цинка. Кроме того, показано, что рибозимы требуют для работы присутствия тех же металлов. Они же встречаются и у подавляющего числа древнейших белков и содержат цинк и марганец: в 2008 г. было показано, что из 49 каталитических доменов, которые содержатся во всех известных на тот момент организмах, 37 содержат цинк и 19 – марганец.

©Depositphotos.com

Глава шестая, в которой образуется рибосома

Итак, на дворе – архейская эра. Геотермальные источники – «черные курильщики» – накапливают отложения сульфидов цинка, марганца и других металлов, которые выносятся на поверхность и выносят с собой связанную органику. Здесь, в плотном и горячем воздухе, состоящем в основном из углекислого газа, абиогенный синтез продолжается под действием ультрафиолета, который проникает сквозь атмосферу, еще лишенную кислорода и озонового слоя. Формируются цепочки РНК, рибозимы, и некоторые из них могут катализировать определенные реакции, а избранные – образование собственных копий. При таких условиях они могут стремительно размножиться и мало-помалу выдавливать конкурентов, перехватывая их «строительные блоки». Но разве это жизнь?

В самом деле, хоть Энгельс и не был прав полностью, нам все-таки придется перейти к белкам, без которых не существует ни одна известная нам форма настоящей жизни. Сегодня синтез белка из отдельных аминокислот обеспечивается сложным молекулярным комплексом, рибосомой, а также примерно 40 транспортными РНК. Каждая из них доставляет определенную аминокислоту и присоединяется к определенной последовательности из трех нуклеотидов на матричной РНК. Реакции соединения аминокислот в белковую цепочку проводят рибосомы, которые включают в себя несколько десятков белков и три молекулы РНК.

Сегодня известно, что именно рибосомная РНК выполняет ключевые функции этой органеллы, а в самой РНК определены домены, фрагменты, более или менее важные для ее работы. В работах ученых, среди которых нельзя не упомянуть нашего бывшего соотечественника, работающего в Монреальском университете Сергея Штейнберга, показано, что рибосомная РНК могла «вырастать», добавляя к себе новые фрагменты, но некоторые из них должны быть ключевыми – и самыми древними.

Такой рибозим способен синтезировать белковые цепочки из отдельных аминокислот – неловко, неточно, не слишком быстро, особенно в сравнении с современными сложными биохимическими системами, которые отточены миллиардами лет эволюции, – но все-таки способен. Он мог походить на домен V рибосомной РНК и даже не использовать матрицу, синтезируя случайные пептидные цепочки. Лишь затем он научился связывать матричную и транспортные РНК. Но как это могло помогать самому рибозиму выжить и вытеснить конкурентов – даже тех, что катализировали появление собственных копий?

Глава седьмая, про генетический код

Тут нам придется вспомнить, что РНК не является таким удачным носителем информации, как ДНК – и прежде всего за счет своей довольно высокой химической лабильности. Ее больное место – та самая гидроксильная (2′) группа рибозы, которой нет у дезоксирибозы ДНК. Предполагается, что некоторые белки могли связываться с РНК, закрывая – и защищая – опасный участок. Альфа-спираль, весьма обычная для белков структура, отлично для этого подходит. Остается, чтобы среди матричных РНК, кодирующих защитные белки, нашлись и другие, которые кодирут белки, расщепляющие другие РНК и поставляющие новые нуклеотиды, и третьи, для копирования самих РНК – дело у нас почти в шляпе.

Начинается размножение, изменчивость и отбор – гонка вооружений, которая зовется эволюцией. В этой системе генетическое кодирование обеспечивают молекулы транспортных РНК, которые связывают тройки соседних нуклеотидов (кодоны) с той или иной аминокислотой. Считается, что эта связь появилась более или менее случайно и, например, тройка аденин – урацил – урацил соответствует аминокислоте изолейцину.

С другой стороны, определенные закономерности в этом коде можно найти: скажем, изолейцин кодируют также кодоны аденин – урацил – цитозин и аденин – урацил – аденин, структурно довольно близкие и оставляющие пространство для ошибок. Даже при не очень точном связывании каждого отдельного нуклеотида близкие тройки обеспечивают появление нужной аминокислоты с достаточной точностью. У нас получился минимальный набор: матричные РНК белков для копирования РНК, прото-рибосомные РНК для синтеза белков и транспортные РНК.

Глава восьмая, где жизнь помещается в клетку и получает ДНК

Правда, до жизни мы еще не добрались: нам нужна клетка, а клетку делает мембрана, которая ограничивает ее от внешнего мира и обеспечивает контролируемый обмен веществ. Ограничившись мембраной, жизнь обрела форму и смогла объединять и накапливать внутри нужные молекулы РНК и вести синтез белков, покинуть плоскость сернистых отложений и перейти к трехмерному существованию в форме пузырьков в жидкости, расселяться и осваивать новое пространство.

Мембраны современных организмов устроены по общему принципу: это довольно длинные молекулы с полярными, стремящимися к воде, «головками» и гидрофобными «хвостами». Двойной слой их ориентируется в воде хвостами друг к другу, легко образуя пузырьки. Сравнение белков, необходимых для синтеза таких молекул у максимально непохожих друг на друга групп организмов, позволило определить те из них, которые максимально близки, а значит, имелись у последнего общего предка.

Эта работа была проведена под руководством московского биофизика Армена Мулкиджаняна. И действительно, среди таких ферментов нашлись те, что необходимы для синтеза терпеновых спиртов (подходящих для «хвостов» молекул мембраны), а также для того, чтобы присоединять к ним полярные фосфатные «головки». Благодаря этому мы прибыли к предпоследнему этапу. Наша протожизнь состоит из ограниченных мембраной клеток, внутри которых – коктейль из множества белков и разрозненных молекул РНК, легко переходящих из одной клетки в другую, кодирующих те или иные белки для синтеза РНК и липидов мембраны. Казалось бы, ДНК здесь и не пахнет. Но давайте приглядимся повнимательнее: в этом наборе уже вовсю размножились вирусы.

Внутриклеточные паразиты-вирусы терзают жизнь еще с эпохи «мира РНК». Сегодня они настолько разнообразны, что отличаются друг от друга больше. Некоторые до сих пор используют РНК в качестве носителя информации, другие давно перешли на ДНК – и, видимо, сделали это первыми. Предполагается, что именно у них появились белки, способные получать РНК на матрице ДНК, – а с ними и сама возможность использовать эту устойчивую молекулу для хранения информации. Как и многое другое ценное (а также бесполезное и вредное) в нашем организме, ДНК была заимствована клетками у вирусов.

Глава девятая, последняя, но не последняя

С этого момента мы можем говорить уже о биологической эволюции в полном смысле этого слова. По мере того как атмосфера остывала и становилась менее плотной, протоорганизмы вовсю столкнулись с проблемой истощения старых запасов минеральных отложений. Одни из них ушли в изолированные, труднодоступные участки, став предками современных архей, до сих пор населяющих черные курильщики или гейзеры. Другие жили повыше и научились защищаться от солнечного ультрафиолета пигментами, а затем смогли использовать эти пигменты для фотосинтеза, став окончательно независимыми от своей геотермальной прародины. Им понадобилось развить системы транспорта минералов в клетку и из нее. Они слились с другими бактериями, которые освоили эффективный синтез АТФ из глюкозы и впоследствии стали митохондриями. Еще одна «гибридизация» привела к образованию ядра и появлению эукариот, но это будет когда-то в будущем. С образованием клетки, механизмов белкового синтеза и появлением ДНК предыстория жизни закончена и начинается ее история.

Источник naked-science.ru