Один из величайших вопросов, которые люди задавали себе с древних времен, заключается в том, как зародилась жизнь на Земле. Хотя мы, вероятно, никогда этого не узнаем, со временем удалось сузить сферу этого вопроса. Чарльз Дарвин был первым, кто задумался об этом с научной точки зрения, но этот вопрос стал настоящей темой исследования только несколько десятилетий спустя, с публикацией советского ученого Александра Ивановича Опарина «Происхождение жизни».
С тех пор многочисленные теоретические и экспериментальные достижения позволили нам предположить, как ключевые соединения могут быть синтезированы в пребиотических условиях: сначала мономеры, а затем биополимеры. Из них будут формироваться все более сложные молекулярные системы, которые в конечном итоге приобретут способность к самовоспроизведению и эволюции путем естественного отбора. Этими первыми живыми существами должны были быть протоклетки, содержащие геном (вероятно, РНК) и относительно простой метаболизм. Со временем некоторые из них дадут начало LUCA, общему предку всего нынешнего биоразнообразия.
Пионеры в исследованиях происхождения жизни
Астробиология — это междисциплинарный подход к изучению происхождения, эволюции и возможного распространения жизни во Вселенной, и в этой области мы находим два ключевых вопроса: как зародилась жизнь и могут ли живые существа существовать за пределами нашей планеты. Первым подлинно научным размышлением о происхождении жизни мы обязаны английскому натуралисту Чарльзу Дарвину, который в последнем абзаце своей книги «Происхождение видов» (опубликованной в 1859 году) предположил, что все живые существа могли возникнуть из «небольшое количество форм или только одна». Он также упоминал эту тему в некоторых письмах, которыми позже обменивался со своими друзьями и коллегами, в том числе в письме, адресованном ботанику и исследователю Джозефу Хукеру в 1871 году, в котором он представлял себе «небольшую лужу с теплой водой» в качестве места действия для появления жизни.
Но пионерской работой, конкретно посвященной этому вопросу и предложившей модель химического происхождения живых существ, стало эссе «Происхождение жизни», опубликованное в 1924 году русским биохимиком Александром Ивановичем Опариным (в прошлом году мы отметили его столетие многочисленными мероприятиями). В нем он отвел фундаментальную роль белковым агрегатам, которые он назвал «коацерватами», эта тема в настоящее время продолжает исследоваться. Вторым ключевым автором в начале этой научной области был английский биолог-эволюционист и генетик Джон Холдейн, который (не зная работы Опарина, поскольку она не была переведена на английский язык до 1938 года) опубликовал в 1929 году статью, также озаглавленную «Происхождение жизни». Его модель была частично похожа на модель Опарина, но придавала большее значение нуклеиновым кислотам.
В 1950-х годах «пребиотическая химия» зародилась как экспериментальная научная дисциплина благодаря работе двух других великих исследователей. Первым был американский химик Стэнли Миллер, который работая в лаборатории геохимика и лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри, опубликовал в 1953 году знаменитый эксперимент, демонстрирующий, что газы тогда считались составляющими примитивной атмосферы Земли (водяной пар, метан, аммиак и молекулярный водород), при воздействии электрических разрядов в закрытой стеклянной колбе они образовали множество органических молекул, в том числе несколько аминокислот, входящих в состав белков. Вторым фундаментальным исследователем был испанский биохимик и астробиолог Хоан Оро, который в 1960 году синтезировал азотистое основание аденин (присутствующее в некоторых нуклеотидах, образующих нуклеиновые кислоты) путем реакции пяти молекул синильной кислоты в растворе.
Семь десятилетий прогресса
Эти учёные-новаторы — гиганты, на чьих плечах мы ступаем с тех пор, совмещая различные направления исследований. Сегодня мы предполагаем, что система Земля-Луна (сформированная около 4510 миллионов лет назад) содержала на своей поверхности большое количество жидкой воды 4400 млн лет назад. В этих океанах, благодаря подводным вулканическим трубам и взаимодействию воды с горными породами или атмосферой, будет синтезироваться все большее количество молекул, представляющих пребиотический интерес. Они, а также те, что были доставлены из космоса метеоритами и ядрами комет, породили все более богатый и разнообразный «пребиотический суп» (метафора, которой мы также обязаны Опарину).
Некоторые из образовавшихся соединений могли выступать в качестве мономеров для синтеза полимеров — процесса, в котором также играли важную роль горные породы (главным образом глина) и другие гетерогенные среды. Таким образом, как мы сейчас изучаем в области «химии пребиотических систем», аминокислоты дали начало коротким пептидам, а нуклеотиды — цепочкам нуклеиновых кислот. Среди последних рибонуклеиновая кислота (РНК) гораздо более универсальна, чем дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), а также, вероятно, возникла раньше. Поэтому (как предполагает гипотеза «Мира РНК») при зарождении жизни этот биополимер мог функционировать как генотип (молекула с наследственной генетической информацией) и фенотип (благодаря своей структурной и функциональной пластичности).
Первые живые существа
Если мы определим живые существа как сложные химические системы, способные к самовоспроизведению и эволюции путем естественного отбора (само определение «жизни» — тема, над которой мы сейчас работаем), возможно, первыми из них были «рибоциты»: протоклетки с очень простыми мембранами и геном РНК, метаболизм которых был бы реализован РНК-ферментами (называемыми «рибозимами») при помощи неорганических катализаторов и коротких пептидов, образующихся абиотически.
В результате эволюции этого «Мира РНК и пептидов» сложность протоклеток увеличивалась бы, и в них образовывались бы все более эффективные рибосомы, синтезирующие белки на основе информации, закодированной в РНК. Позже возникла ДНК, которая, обладая более стабильной и неизменной структурой (знаменитая двойная спираль) и накапливая меньше мутаций при репликации, стала лучшим хранилищем генетической информации, чем РНК.
Таким образом, около 3900 млн лет назад (а возможно, и раньше) уже существовали «современные клетки», с потоком генетической информации в направлении ДНК → РНК → белки. Параллельно вирусы с РНК-геномом (которые могли возникнуть одновременно с рибоцитами, как генетические фрагменты, независимые от реплицирующихся геномов) и ДНК-вирусы (происходящие из новой клеточной организации) будут эволюционировать совместно с клетками и способствовать горизонтальному генному переносу между разными клеточными линиями. В результате эволюции некоторых из этих предковых клеток возник вид (или, возможно, их сообщество), известный нам как LUCA (аббревиатура от Последний универсальный общий предок, Last Universal Common Ancestor), от которого произошло все древо жизни.
В свете эволюции
Сравнительный анализ геномов и метаболизма известных живых существ показывает, что LUCA разделился на два типа микроорганизмов с прокариотической (т. е. безъядерной и относительно простой) клеточной организацией: бактерии и археи. Каждый из них «изобретал» разные типы метаболизма (в том числе фотосинтез) и приспосабливался к разным средам, в том числе и к тем, которые имели более экстремальные физико-химические характеристики. Около 2000 млн лет назад в результате слияния и эндосимбиоза некоторых их линий возникли эукариоты (клетки с определенным ядром, различными типами органелл и сложной внутренней архитектурой). Примерно 1000 млн лет спустя в некоторых ветвях эукариот многоклеточность стала выгодной эволюционной стратегией, давшей начало растениям, грибам и животным.
Современное биоразнообразие состоит из сотен миллионов видов, и все данные указывают на то, что наш (Homo sapiens) — один из многих плодов древа жизни, а не «вершина» несуществующей эволюционной пирамиды или результат заранее заданного тренда. Многие живые существа обитают в среде, похожей на ту, которую мы населяем: с умеренными температурами, атмосферным давлением, очень низкими дозами радиации, а также уровнями кислотности и солености, совместимыми со стабильностью наших клеток.
Но мы также знаем, что растет число бактерий и архей (хотя они также являются эукариотами), приспособленных к жизни в «экстремальных условиях» с точки зрения их физических характеристик: с температурами выше точки кипения воды или ниже точки замерзания, под давлением в сотни баррелей на морском дне, в средах, подверженных большим дозам радиации, или в скалистых глубинах недр. С точки зрения химических условий существуют экстремофильные организмы, развивающиеся в очень кислых водах (при рН даже ниже 1) или очень щелочных водах (до рН 12), в соленых водах и при наличии высоких концентраций металлов.
Параллельно с изучением происхождения, эволюции и разнообразия наземных живых существ в настоящее время мы исследуем, смогла ли жизнь, между случайностью и необходимостью, возникнуть в других средах, которые мы считаем «обитаемыми» в пределах Солнечной системы. Среди них биомаркеры (признаки прошлой или настоящей жизни) ищут в недрах Марса, в облаках Венеры или на спутниках Юпитера и Сатурна, имеющих под поверхностью океаны жидкой воды (таких как Европа, Энцелад и Титан). За пределами нашего космического соседства исследуется возможность существования жизни на внесолнечных планетах, из которых уже известно более 6000. Таким образом, в настоящее время мы задаемся вопросом, что более вероятно: мы одиноки... или Вселенная полна живых существ.
