История вопроса

историяДревние и средневековые ученые всего мира были уверены, что живые организмы постоянно самозарождаются из неживой материи: мухи из гниющего мяса, мыши из гряз­ных тряпок и так далее. Первым попробовал проверить это итальянец Франческо Реди в XVII веке. Он клал мясо в кувшины и закрывал некоторые из них тонкой кисеей. Оказалось, что черви заводятся только в незакрытых кувшинах, в которые могут залетать мухи. Так было показано, что самозарождение червей в мясе невозможно — они вылупляются из яиц, отло­женных мухами.

Затем были открыты микроорганизмы. Все считали, что хотя бы эти простейшие существа точно могут самозарождаться! Но и это было опровергнуто Спалланцани в XVIII веке и Пастером в XIX. Ладзарро Спалланцани кипятил бульон и запаивал его в стеклян­ных колбах. Бульон не прокисал месяцами и годами в запаянной колбе, но быстро портился после ее вскрытия, и в нем обнаружи­вались бактерии. Критики возражали, что для самозарождения в запаянной колбе недостаточно «упругости» (давления) воздуха. Тогда Луи Пастер повторил эксперимент Спалланцани, немного изменив его: вместо наглухо запаянной колбы он использовал открытую, вытянув ее горло в длинную и тонкую S-образно изо­гнутую трубочку. Этого было достаточно, чтобы бульон не портился, хотя воздух мог проходить внутрь. Так было показано, что даже микроорганизмы образуются путем размножения существующих микроорганизмов. Кстати, узнав об опытах Спалланцани, повар Николя Аппер создал технологию консервирования продуктов в стеклянных банках, за что получил большую премию и личную благодарность от Наполеона.

После успехов Пастера перед учеными встала задача: объяснить происхождение жизни, раз уж жизнь есть, а самозарождения в экспериментах не происходит.

Первые успехи в этом направлении были достигнуты А. И. Опариным и Джоном Холдейном в 1920-х годах. Опарин работал с коллоидными растворами белков и полисахаридов и обнаружил, что в некоторых условиях растворенные белки со­бираются в компактные капли — коацерваты, — которые могут расти, поглощая растворенные вещества из внешней среды, и делятся подобно клеткам. Также он предположил, что атмосфера древней Земли была бескислородной и поэтому в ней мог проте­кать абиогенный синтез органических веществ. Холдейн развил и конкретизировал идею «первичного бульона» — древнего океана, взаимодействующего с бескислородной атмосферой, в котором под действием разрядов молний, солнечного ультрафиолета и вулканических извержений идут разнообразные химические реакции, приводящие к образованию сложных органических молекул, а те, в свою очередь, образуют коацерватные клетки.

Идеи Опарина и Холдейна получили экспериментальное под­тверждение в 1953 году в опытах Стенли Миллера и Гарольда Юри. Они запаивали смесь газов, имитирующую древнюю атмос­феру Земли (СН4, NH3, H2S, CO2), в замкнутую стеклянную уста­новку, в которой были подогреваемая колба с водой, холодильник и электроды. Через электроды пропускали электрические раз­ряды, имитирующие молнии. По прошествии нескольких суток Миллер вскрыл установку и обнаружил в воде разнообразные органические молекулы, в том числе простейшие аминокислоты (глицин, аланин), сахара (глицеральдегид, гликолевый альдегид) и органические кислоты (уксусную, молочную), характерные для живых организмов. Последующие экспериментаторы, варьируя условия и совершенствуя методы анализа, расширили набор продуктов в таком синтезе. Были получены многие аминокисло­ты, пуриновые основания — аденин и гуанин (они появляются, если в смесь газов добавить синильную кислоту), четырех- и пятиуглеродные сахара.

В целом можно было считать, что большинство необходи­мых для жизни молекул синтезируются абиогенно в условиях древней Земли.

Тем временем глубокое изучение современной жизни био­химиками и молекулярными биологами показало, что живые клетки не так просты, как казалось ранее, и пропасть между живым и неживым весьма глубока.

Первой проблемой стала огромная сложность живых клеток. Геном даже самых простых бактерий состоит из более чем миллиона нуклеотидов и кодирует свыше тысячи белков. Иными сло­вами, бактериальная клетка содержит мегабайты информации. Для работы этого генома требуются специальные молекулярные машины синтеза белка (рибосомы), синтеза ДНК (репликативная вилка), энергоснабжения (как минимум 12 ферментов гликолиза, а обычно еще и электрон-транспортная цепь на мембране) и средства регуляции и управления (транскрипционные факторы и сигнальные белки). Сложность такой системы очень высока, а более простых самостоятельно реплицирующихся систем био­логия не знает. Вирусы не в счет—для их размножения требуется сложная живая клетка. Дарвиновский естественный отбор может порождать все более сложные системы, но для этого они с самого начала должны быть способны к репликации. Если естественный отбор начинается только с появлением первой клетки, то для ее образования случайным путем требуется гигантское время — на много порядков больше возраста Вселенной. В англоязычной литературе эта проблема называется «irreducible complexity», и ей много внимания уделяют сторонники идеи «разумного замысла» — креационисты, притворяющиеся учеными. Им принадлежит, например, аналогия «случайное самозарождение жизни так же вероятно, как случайная сборка Боинга-747 при прохождении урагана через мусорную свалку».

оптические изомерыОптические изомеры аминокислоты аланина

Вторая проблема чисто химическая, и связана она с оптиче­ской активностью молекул в живых организмах. Напоминаю, что «оптически активными» называются органические молекулы, в которых к одному атому углерода присоединены четыре разные группы. Посколь­ку связи атома углерода направлены к вершинам пирамиды, возможны два способа размещения четырех групп вокруг такого атома, которые являются зеркальными отражениями друг друга, подобно левой и правой руке. (Подобное свойство веществ называется еще хиральностью). Название «оптическая активность» напоминает о свойстве таких веществ поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света, если одного оптического изо­мера больше, чем другого. Это позволило уже упомянутому Луи Пастеру разделить левовращающий и правовращающий изомеры винной кислоты, просто сортируя их кристаллы пин­цетом: в поляризованном свете одни кристаллы были темными, а другие светлыми. Он же показал, что плесень может питаться только одним изомером винной кислоты.

Оптические изомеры многих веществ, например молочной кисло­ты, легко отличить по вкусу и запаху, потому что наши обонятельные рецепторы — белки, построенные из левых изомеров аминокислот. Правовращающие аминокислоты в белках не встречаются, хотя ино­гда бывают в клеточных стенках бактерий, олиго-пептидных антибиотиках и других экзотических местах. Кроме того, все природные ДНК и РНК содержат исключительно правый изомер сахара (рибозы или дезоксирибозы). Живое вещество, таким образом, хирально чистое, тогда как во всех абиогенных синтезах получаются левые и правые изомеры в равных долях, а синтезированные из такой смеси полипептиды и полинуклеотиды имеют беспорядочную структуру и не способны выполнять никакие функции.

Оптическая активность вещества проявляется либо при взаимодействии с поляризованным светом, либо при встрече с другим оптически активным веществом. Если мы хотим объяс­нить переход от смеси изомеров в абиогенно синтезированной органике к хирально чистому живому веществу, то оказываемся практически в положении Мюнхаузена, тащившего себя из болота за волосы, — ведь чтобы пошли стереоспецифичные биохимические реакции, нужен стереоспецифичный фермент из хотя бы 50—100 аминокислот одной оптической формы, который случайным соединением мономеров создать нельзя.

Можно попытаться найти источник поляризованного ультра­фиолетового излучения, которое избирательно разрушало бы один оптический изомер. По некоторым астрономическим гипотезам, таким источником могло быть молодое Солнце, обладавшее мощным магнитным полем. Возможные следы поляризованного ультрафиолета обнаруживаются в органи­ческом веществе метеоритов. Там содержится ряд аминокис­лот, похожих на те, что получались в опытах Миллера-Юри, и левовращающие изомеры преобладают — их около 60%. Эти данные критиковались с позиций возможного загрязнения ме­теоритов земными бактериями с их левыми аминокислотами, но преобладание левого изомера показано и для тех метеоритных аминокислот, которые не синтезируются и не поедаются бак­териями, — например, 2-метил-2-аминобутановой кислоты. Тем не менее соотношение изомеров 60:40 явно недостаточно велико для простого случайного перехода к хиральной чистоте, и надо искать дополнительные механизмы.

структура рибозимаСтруктура рибозима под названием hammer head, разрезающего другие РНК в определенном месте

Третью проблему подкинули геохимики и космохимики. Меж­планетные аппараты изучили Луну, Венеру, Марс и Меркурий, стал известен состав атмосферы Венеры и Марса. Применение новых аналитических методов к древнейшим земным горным породам позволило уточнить состав древней атмосферы Земли. Он оказался очень похожим на современные атмосферы Венеры и Марса — 98% СО2, 1,5% N2 и малые доли других газов, в основ­ном аргона и SO2. Из такой газовой смеси в аппарате Миллера не получается никакой органики. Опыт Миллера, по современным астрономическим представлениям, имитирует условия протопланетного облака, планет-гигантов и их ледяных спутников, где действительно много метана, аммиака и сероводорода; он может объяснить происхождение аминокислот в метеоритах, но не имеет никакого отношения к древней Земле. Для синтеза органики из СO2 необходим восстановитель, и ученые занялись его поисками.

Первое решение проблемы «неупрощаемой сложности» по­явилось в конце 70-х годов. Тогда были открыты РНК, обладаю­щие каталитической активностью, или рибозимы. До того РНК считалась лишь скромным посредником между ДНК и белками — ведь обычно в клетке генетическая информация копируется с ДНК на РНК и по «чертежу» РНК синтезируются белки. Были, правда, известны вирусы, хранящие генетическую информацию на молекулах РНК, а часть из них способна даже копировать РНК на ДНК. Но с открытием рибозимов стало понятно, что РНК может заменять белки в качестве катализаторов химических реакций.

Появилась теория «мира РНК», согласно которой, самокопирующиеся рибозимы (катализирующие синтез РНК на матрице РНК) начали естественный отбор задолго до появления клеток и со временем передали каталитические функции белкам, а длительное хранение наследственной информации — ДНК. В дальнейшем были открыты в природе и получены искусствен­но сотни рибозимов. Выяснилось, что рибозимом является и пептидил-транферазный центр рибосомы, катализирующий ключевую реакцию синтеза белков. Однако пока ни один рибозим не может создать копию себя из мономеров, так что теория РНК-мира доказана не полностью. Кроме того, для синтеза РНК нужна энергия, например, в виде нуклеотидтрифосфатов, и про­исхождение этой энергии теория РНК-мира также не объясняет.

М.А.Никитин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>