Откуда взялась жизнь. Гипотезы и догадки.
Среди тысячи явлений и фактов, будоражащих воображение человека, зарождение жизни на нашей планете относится к самым загадочным. Возможно, столь пристальный интерес к этому поистине переломному моменту связан с тем, что в нем мы видим связующее звено между жизнью на Земле и жизнью во Вселенной, пытаемся обрести уверенность в том, что в космосе мы не одиноки, и где-то есть и другие, возможно, отличные от нашей, формы жизни. Подобно взрослому человеку, с тоской вспоминающему свое детство, мы мысленно возвращаемся к тем временам, когда только что рожденная жизнь начала осваивать свой дом, пытаемся представить, что предшествовало этому, что побудило еще неживую материю сделать этот первый шаг по новому, неизведанному пути.
Множество предположений, от самых поэтичных до сугубо рациональных, выдвигается для объяснения этого явления. Здесь и гипотеза креационизма, связывающая факт существования множества живых организмов с божественным замыслом, и так называемая панспермия, говорящая о том, что жизнь на Землю занесена из Космоса, и представления о случайном самозарождении живой клетки, не выдерживающая, однако, никакой критики из-за крайне низкой вероятности такого события. Сегодня, опираясь на современные представления об эволюции углеродистых соединений и принципы самоорганизации сложных систем, сформулирован кажущийся вполне правдоподобным сценарий возникновения первых признаков жизни на Земле. Не стоит, однако, обольщаться и думать, что все загадки зарождения жизни уже разгаданы - несмотря на все успехи, и сейчас вопросов на эту тему гораздо больше, чем ответов.
Согласно данным науки, первые протоорганизмы могли появиться на Земле приблизительно 3,5 миллиарда лет назад. Полный же возраст нашей планеты оценивается в 4,6 миллиардов лет; и в моменты зарождения жизни совсем еще юная Земля представляла собой не вполне остывший шар, большая часть его поверхности была покрыта водой, а атмосфера состояла из водорода, азота, аммиака, метана и других газов, части молекул и атомы которых мы сейчас можем видеть в качестве составных частей живой материи; атмосферную толщу пронизывали космические лучи и электирческие разряды.
Как оказалось, в этих условиях легко образуются основные классы органических веществ, среди которых есть те, которые входят во все без исключения живые существа на Земле. Но от органической молекулы до живого организма, хотя бы даже одноклеточного, лежит колоссальный путь. Что же отделяет живой организм от сложной органической молекулы?
Признаки живого.
Что такое живой организм - набор химических веществ? Вовсе нет. Более того, для его роста и развития совершенно несущественно то, какие конкретно молекулы его составляют. “Пометив” молекулу, входящую в состав клетки (например, с помощью радиоактивности), можно обнаружить, что через некоторое время она заменится другой, непомеченной. Образно говоря, мы живем в постоянном потоке материи, точнее, являемся некой формой, структурой этого потока, и не можем существовать вне него. Как водный бурун в разные моменты времени состоит из разных частичек воды, сохраняя, тем не менее, свою форму, так и некоторые органы человека полностью обновляют свой химический состав за несколько недель. Системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией, в физике называются открытыми.
На живые организмы можно смотреть как на нравномерности в распределении вещества по пространству, как на “сгустки” вещества, умеющие усваивать и упорядочивать поступающую к ним энергию. Мы существуем за счет равновесия между притоком вещества и энергии и их тратой. И это равновесие мы должны уметь поддерживать. В качестве “строительного материала” может использоваться далеко не все, что угодно: мы не всеядны, а усваиваем лишь те вещества, которые легко расщепляются на нужные нам “кирпичики”, и с пользой для себя поглощаем энергию лишь определенного диапазона. Обмен веществ, обспечивающий жизнь организма, называется метаболизмом.
Понятно, что такой сложный процесс неминуемо сопровождается некоторым количеством ошибок. Для того, чтобы первая же из них не стала фатальной, организм должен уметь обезвреживать, нейтрализовать их последствия. Этого можно добиться, например, элементарной блокадой, когда “ошибочная” молекула или клетка просто изолируется от всего организма, но тогда со временем груз таких ошибок неминуемо приведет к гибели. Значит, большинство ошибок надо уметь распознавать и удалять. И действительно, примеров действий такого рода мы знаем предостаточно: у нашего организма масса защитных реакций, в результате которых его внутренняя среда поддерживается в рамках “физиологической нормы” – гомеостаза – равновесия между созидательными и разрушительными тенденциями, постоянно отслеживаемого специальными сигнальными системами.
Итак, организм “знает”, в чем заключается его нормальное состояние, он помнит, какой структуре составных частей оно соответствует. Кажется, остается один только шаг для того, чтобы воплотить эту память в форме своей копии. Так и есть, в определенных условиях организм умеет воспроизводить самого себя. Но насколько же сложны механизмы этой памяти и этого копирования!
“Кирпичики” протожизни.
Итак, мы договорились, что жизнь возможна тогда, когда система открыта, обладает необходимым уровнем метаболизма, является гомеостатичной и может самовоспроизводиться. Вернемся к моменту рождения живых организмов на нашей планете и подумаем о том, какие элементы могут служить составными частями системы, обладающей этими свойствами.
Вещества, из которых состоят живые организмы на нашей планете, можно разбить на три основных класса. Первый составляют аминокислоты, из них образованы белки. Второй класс – так называемые жирные кислоты, составляющая часть мембран, клеточных оболочек. Наконец, третий класс – нуклеотиды, то, из чего построен наш генетический аппарат. Воспроизведя в лаборатории условия, близкие к тем, что были на Земле в первый миллиард лет ее истории, мы убеждаемся, что все эти вещества довольно легко могут возникать самостоятельно.
Нетрудно, однако, догадаться, что, помимо аминокислот и нуклеотидов, в бурной среде, бушевавшей на поверхности нашей планеты три с половиной милиарда лет назад, могло возникнуть и еще целая гамма других веществ, не получившая столь широкого распространения. Что же позволило рожденным органическим веществам стать кирпичиками новой формы - живых организмов?
Механизм самовоспроизводства и изменчивости.
Оказывается, нуклеотиды и аминокислоты легко вступают в специфические химические реакции – реакции полимеризации, образуя в результате достаточно длинные и устойчивые цепочки полимеров – так называемые полинуклеотиды – молекулы ДНК и РНК, несущие генетическую информацию, и полипептиды – белки. Важнейшей с точки зрения эволюции особенностью этих полимеров является способность уже синтезированной цепочки катализировать, то есть ускорять синтез новых полимеров. При определенных условиях это свойство приводит к колоссальной скорости роста числа полимерных цепочек. Особенно это относится к полинуклеотидам - молекулам ДНК и РНК. Попарно связываясь при помощи слабых химических связей, нуклеотиды одной цепочки определяют такую же последовательность нуклеотидов в другой, дочерней цепи.
Хотя в принципе любые типы нуклеотидов способны связываться попарно, среди них есть пары, подходящие друг к другу как ключ к замку. В результате достигается очень высокая точность копирования.
Неизбежные ошибки в процессе копирования приводят к мутациям, т.е. генерированию новой информации. “Полезность” этой информации для эволюции определяет то, насколько удачно происходит взаимодействие нового организма со средой, иными словами, насколько он жизнеспособен: насколько он способен поддерживать собственное нормальное состояние и насколько эффективно он может передавать свои признаки потомству. То есть в результате взаимодействия измененной системы с окружающей средой происходит отбор наиболее приспособленных к данным условиям.
Благодаря отбору разделились и фукнкции ДНК и РНК. На каталитическую активность молекул сильно влияет их пространственная структура (она задается последовательностью нуклеотидов в цепочке). И хотя РНК и ДНК лишь слегка отличаются друг от друга (типом сахаристого основания), это отличие приводит к тому, что молекула РНК устойчива в виде одинарной цепочки, а молекула ДНК – в виде двойной. Но в результате именно ДНК превратилась в хранилище генетической информации, а РНК стала посредником между этим хранилищем и белками – основной компонентой жизни. Видимо, полимеры РНК каким-то образом могли направлять синтез белков, и благодаря этому в ходе эволюции сложился сложнейший механизм транскрипции – передачи генетической информации с языка полинуклеотидов на язык полипептидов. Вся наша генетическая информация на первичном уровне записывается с помощью всего четырех типов нуклеотидов, а все белки строятся из ограниченного множества типов аминокислот, их всего двадцать. “Перевод” с одного языка на другой осуществляется с помощью соответствия между “азбукой” нуклеиновых кислот, содержащей всего три “буквы”, и “азбукой” пептидов, где “слово” – это одна аминокислота. Механизм такого перевода весьма непрост.
Сами же белки удивительно приспособлены для выполнения самых разных функций: они являются и строительным материалом (наши мышцы), и катализаторами всех процессов в нашем организме (ферменты), и выполняют транспортные функции (перенос веществ через мембраны).
Таким образом, мы видим, что уже система полинуклеотидов и полипептидов, взаимодействуя со средой, обеспечивает такие свойства организма, как хранение, воспроизведение и генерирование информации.
Как появилась клетка.
Но даже самовоспроизводящиеся и эволюционирующие молекулы, хотя и достаточно сложные - еще не живой организм. Остается еще вопрос, есть ли в природе механизмы, благодаря действию которых возникла живая клетка, со своей структурой, обеспечивающей не эволюцию химических элементов, а эволюцию жизни, хотя грань между ними, может быть, весьма расплывчата.
Очевидно, что если взаимодействующие комплексы молекул будут как-то “держаться вместе”, то синтез новых будет идти успешнее. Формирование клеточной мембраны, видимо, и было ключевым моментом для эволюции клетки. Решающую роль в этом принадлежит так называемым амфипатическим молекулам. Они обладают интересным свойством – один конец этой молекулы гидрофобный (нерастворимый в воде), а другой – гидрофильный (наоборот, растворимый в воде). Молекулы такого типа в водной среде сами по себе образуют двойной слой, где гидрофильные концы выходят в водную фазу, гидрофобные обращены друг к другу (рис.2). Получаются такие пузырьки - везикулы, ограничивающие внутренний слой воды от всего внешнего объема.
Не ясно, в какой момент эволюции предбиологических систем сформировались первые клетки. Можно предположить, что клетки образовались из тех везикул, внутрь которых попадали смеси полипептидов и полинуклеотидов. И теперь нуклеотидная последовательность влияла на признаки целой клетки. Эволюция самих полинуклеотидов шла не только на основе их собственной структуры, но и опосредованно, через синтезированные на их основе белки. Судьба клетки сильно стала зависеть от функциональной активности белков. Они стали проявлением признаков, закодированных полинуклеотидами. Т.о. сформировалась единая, взаимосвязанная система, где появилась обратная связь со средой, и начался новый этап эволюции - жволюции живых организмов.