В маленьком прудике. Новейшие подтверждения теории Дарвина
Элементарные ячейки жизни
Все организмы на Земле состоят из клеток — элементарных ячеек жизни. Главные функции, отличающие живое от неживого — метаболизм, рост, реакции на раздражители, адаптация, воспроизводство и передача генетической информации, — реализуются благодаря протекающим в клетках физическим и химическим процессам.
Но чтобы все это заработало, должна была появиться сама клетка. По мнению ученых, этому предшествовало накопление в окружающей среде органических веществ и возникновение в процессе их синтеза пребиотических форм — протоклеток, которые стали связующим звеном между живой и неживой материей.
Их следов нет в геологической летописи. Хотя бы потому, что не сохранились горные породы возрастом три с половиной — четыре миллиарда лет. А именно в тот период зарождалась жизнь на Земле.
Протоклетки должны были содержать как минимум два обязательных элемента: способную к саморепликации молекулу с наследственной информацией и оболочку, ограждающую ее от окружающей среды. Генетическая структура протоклеток была очень примитивной — ученые считают, что до определенного момента они только питались и размножались, никак не видоизменяясь.
В 2011 году биологи из Токийского университета создали в лаборатории из набора органических веществ синтетические аналоги протоклеток. В результате полимеразной цепной реакции (ПЦР) удалось добиться их полноценного самопроизвольного деления — аналогичного тому, что происходит в естественных условиях.
Возникавшие при делении новообразованные клеточные структуры были полностью идентичны первичным: вместе с оболочкой они наследовали от материнских "клеток" весь набор генов, определяющий их функции. Такие "организмы" еще нельзя назвать живыми, ведь у них нет эволюционной составляющей. Но они очень похожи на простейшие формы, появившиеся миллиарды лет назад.
Для приготовления первичного субстрата протоклеточных структур, или, по-научному, коацервата, авторы взяли десятки органических компонентов, соотношение которых предварительно рассчитали на компьютере. Соединившись, эти вещества сформировали в субстрате коацерватные пузырьки с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри.
Несмотря на прорывной характер исследования, его результаты не доказывают возможность абиогенеза — происхождения живого из неживого. Дело в том, что ферменты, пептиды и нуклеиновые кислоты, которые ученые использовали в качестве компонентов, были биологического происхождения — то есть образованы живыми организмами.
ДНК не способна к самовоспроизведению без участия определенных ферментов — специфических белков, которые катализируют все этапы ее репликации. Японским ученым удалось создать ее в лаборатории, но, опять же, с использованием биологических компонентов.
Материал для первых клеток
В новом исследовании ученые из Института наук о Земле и жизни при Токийском технологическом институте в сотрудничестве с коллегами из Малайзии, Чешской Республики, США и Индии решили найти потенциальные механизмы образования первых клеток "с нуля" — только в ходе химических процессов, без участия биологии.
Они изучили широкий спектр соединений, которые могли сформироваться в результате пребиотических реакций в условиях ранней Земли.
И обнаружили, что многие из этих веществ — эфиры, амины, азиды, имиды и другие — при определенных условиях полимеризуются легче, чем биологические соединения. А некоторые даже спонтанно создают клеточно-подобные структуры — компартменты. По мнению авторов, цепочки полимеров внутри таких компартментов, закручиваясь, могли образовать уникальные трехмерные формы — прообразы белков или РНК.
Компартменты — самоорганизующиеся макромолекулярные агрегаты в высушенном полимере глицина и гликолевой кислоты
Jim Cleaves, ELSI
Как известно, белки, представляющие собой гибкие цепочки полимеризованных аминокислот, играют роль катализаторов химических реакций в клетках. В живых организмах они синтезируются с помощью заложенного в РНК универсального кода. Как и когда он появился, ученые пока не знают. Но результаты исследования указывают — многие полимеризованные молекулы могут образовывать похожие цепочки и аналогичные каталитические формы.
Пример самовоспроизводящегося цикла полимеризации небиологических химических веществ
Paul Adamski et al. / Nature Reviews Chemistry, 2020
Для получения полимерных цепочек в лаборатории авторы использовали периодическую смену сухих и влажных условий. При испарении разбавленного раствора, как правило, начинался процесс полимеризации, но не все образовавшиеся полимеры выдерживали сушку. Некоторые распадались. А другие при добавлении воды продолжали самовоспроизводящийся цикл синтеза. В этом авторы видят самое раннее, еще на уровне молекул, проявление эволюционного отбора, который впоследствии стал неотъемлемым признаком всех живых организмов.
Просмотрев такие "эволюционно сильные" полимеры под микроскопом, исследователи с удивлением обнаружили: в некоторых образовались компартменты размером с клетку, содержащие от десяти до двадцати атомов. По мнению ученых, со временем эти клеточно-подобные агрегаты после долгих химических преобразований могли стать полноценными клетками — самоорганизующимися структурами, состоящими уже из миллионов атомов.
Этапы возникновения первых клеточных структур из небиологических веществ в условиях ранней Земли: 1 - периодическая смена сухих и влажных условий в мелководном водоеме создала среду для полимеризации химических веществ; 2 - на каждом этапе пересыхания в субстрате формировались сгустки полимеров - компартменты; 3 - последующие самопроизвольное деление и самосборка компартментов привели к возникновению протоклеток
Kuhan Chandru
Нестабильность — условие для жизни
То, что циклическое чередование влажных и сухих периодов способствует появлению в химической системе сложных пребиотических соединений, подтверждают и физики.
Американские ученые из Университета штата Пенсильвания вместе с коллегами из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета изучили на синхротроне APS Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, какие фазовые изменения претерпевают полимерные компартменты в циклах гидратации-дегидратации.
Авторы исследовали коацерваты полиэлектролитов в жидкой среде, имеющей такой же состав, как и вода в пруду. Они смоделировали условия, когда "пруд" то пересыхает, то снова наполняется дождевой водой. И выяснили: в первом случае концентрация нуклеиновых кислот и солей увеличивается, во втором — уменьшается. Внутри же полимерных компартментов она не меняется.
Это указывает на то, что в первичных клеточно-подобных структурах среда была постоянной, что способствовало поддержанию циклов химических реакций. По мнению исследователей, это стало ключевым фактором постепенного формирования внутри протоклеток сложных самовоспроизводящихся полимерных соединений, таких как РНК.
Сегодня химикам известно: в природе повторяющиеся циклы гидратации-дегидратации облегчают сборку молекулярных строительных блоков — аминокислот и нуклеотидов — в пептиды и белки за счет снижения термодинамического барьера, который в обычных условиях препятствует полимеризации. Примеры таких природных систем — неглубокие водоемы в регионах, где дожди периодически сменяются засухами, или эпизодически действующие термальные источники типа гейзеров.
Но удивительно, что первым идею о зарождении жизни в "мелком, прогретом солнцем пруду" высказал Чарльз Дарвин еще в середине XIX века.