Происхождение жизни
Шапка название кафедры

Начала эволюции: о происхождении жизни на Земле.

evol roots

Карл Циммер

Zimmer С., 2009. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. V. 323 (5911): 198-199).

Ниагара слов вытекала из под пера Чарльза Дарвина. Его книги охватывают широчайший диапазон – от моллюсков и орхидей до геологии и приручения животных. В то же самое время, он наводнил рабочие дневники своими размышлениями и набросал тысячи писем, переполненных наблюдениями и предположениями о природе. Однако, Дарвин посвятил всего несколько слов из своего огромного словесного потока одному из самых больших вопросов во всей биологии: как началась жизнь.

Единственная фраза, которую он опубликовал, появилась в конце "Происхождения видов". Дарвин писал: "Вероятно все органические существа, которые когда-либо жили на этой планете, произошли от какой-то первичной формы, в которую впервые вдохнули жизнь."

Дарвин верил, что жизнь появилась, вероятно, спонтанно из химических соединений, из которых и сегодня состоят живые формы: углерод, азот и фосфор. Однако, он не публиковал эти размышления. Английский натуралист выстраивал доказательства эволюции, в значительной степени, на основе процессов, которые он мог наблюдать вокруг себя. Он не предполагал, что в наши дни будет возможно увидеть происхождение жизни, потому что существующая жизнь не позволила бы проявиться этим процессам.

darwin

В 1871, он обрисовывал в общих чертах эту проблему в письме к своему другу, ботанику Джозефу Хукеру: "Но если (О! какое большое если!) мы могли бы вообразить себя в некотором теплом небольшом водоеме, со всеми видами аммиака и фосфорических солей, света, высокой температуры, электричества, и т.д., в таком состоянии, при котором структура белка была бы химически подготовлена к более сложным изменениям, то в наши дни такое состояние будет немедленно уничтожено или поглощено, и что никогда не произошло бы до формирования живых существ".

Те ученые, которые сегодня изучают происхождение жизни, не разделяют пессимизм Дарвина по отношению к нашим возможностям реконструировать те ранние моменты. "Сейчас подходящее время для проведения этих исследований потому, что вероятность успеха высока как ни когда прежде," - говорит Джон Сазерленд, химик Университета Манчестера в Великобритании. Он и другие ученые воспроизводят каждый из шагов, затрагивающих процесс перехода к жизни: каким образом произошли первичные органические молекулы, как сформировались сложные органические молекулы, такие как РНК, и как возникли первые клетки. Отвечая на эти вопросы, они медленно продвигаются к созданию первичной жизненной формы. "Когда я был в аспирантуре, люди, намеревавшиеся заниматься исследованиями происхождение жизни, были, по большей части, старыми учеными, работавшими на закате своей карьеры, когда они могли сидеть в кресле и размышлять", - рассказывает Хендерсон Джеймс Кливз из института Карнеги в Вашингтоне (округ Колумбия). "В наши дни создание искусственной клетки больше не походит на научную фантастику. Это – разумный поиск."

Первичные компоненты

Жизнь - или по крайней мере то, как мы ее знаем - вероятно, появилась на Земле только однажды. Практически все организмы используют двойную спираль ДНК для кодирования генетической информации. Они копируют свои гены в РНК и затем транслируют РНК на белки. Генетический код, который они используют для переноса информации с ДНК на белки, идентичен, вне зависимости от того, являются ли они страусами эму или хлебной плесенью. Самое простое объяснение этой универсальной биологии состоит в том, что все живые существа унаследовали ее от общего предка - а именно, от ДНК-содержащих микроорганизмов, живших более чем 3.5 миллиарда лет назад. Тот общий предок был уже довольно сложен, и многие ученые задаются вопросом, как он развился из более простого предшественника. Теперь полагают, что окруженные мембраной клетки, содержащие только РНК, предшествовали и ДНК и белкам. В последствие, основанная на РНК жизнь, возможно, приобрела способность собирать аминокислоты в белки. Это - маленький биохимический шаг в происхождении ДНК от РНК.

В современных клетках РНК удивительно гибкий инструмент. Например, она может улавливать уровни различных компонентов в клетке и включить и выключать гены для поддержания концентрации этих компонентов. Она также способна соединять аминокислоты – конструктивные элементы белков. Видимо, первые клетки, могли использовать РНК для всех процессов, от которых зависит жизнь.

В течение 60 лет исследователи оттачивали теории об источниках элементарных строительных блоков РНК и аминокислот. В течение долгого времени, они должны были усовершенствовать свои идеи, учитывая наиболее ясные представления о том, на что походила ранняя Земля.

miller

В каноническом эксперименте 1953-го года, Стэнли Миллер, в то время работавший в Университете Чикаго, вызывал разряд, распространявшийся через камеру, заполненную аммиаком, метаном, и другими газами. Разряд создал сгустки, богатые аминокислотами. Базируясь на этих результатах, Миллер предположил, что разряды на ранней Земле могли создать компоненты, которые позже будут собраны в живые существа.

Однако, к 90-ым годам двадцатого века, накопленные данные указывали на то, что древняя Земля была во власти углекислого газа, с включениями азота - два газа, не найденные в колбе Миллера. Когда ученые попытались воспроизвести эксперименты Миллера в сочетании с углекислым газом, их разряды, по-видимому, совершенно не создавали аминокислот. Они полагали, что первичные компоненты для создания жизни должны были бы прибыть из других мест.

Тем не менее, в 2008-ом году, электрические разряды стали снова выглядеть многообещающими. Кливз и его коллеги подозревали, что провалившиеся эксперименты были некорректны, так как разряды могли создать соединения азота, разрушающие любые вновь сформированные аминокислоты. Когда они добавили буферные компоненты, связывающие соединения азота, эксперименты произвели аминокислот в сотни раз больше, чем удавалось получить до этого.

Кливз допускает, что электрические разряды были только одним из нескольких путей, которыми простейшие органические компоненты создавались на Земле. Метеориты, падающие на Землю, содержат аминокислоты и органические углеродистые молекулы, такие как формальдегид. Гидротермальные источники извергают другие соединения, которые могут быть включены в первые формы жизни. Органические молекулы не были проблемой: "Реальное затруднение – это то, - говорит Кливз, - как Вы объедините органические соединения в живую систему."

Шаг первый: создание РНК

Молекула РНК - цепь связанных нуклеотидов. Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из трех частей: основа (который функционирует как "буква" в рецепте гена), молекула сахара, и группа атомов фосфора и кислорода, которые связывают один сахар со следующим. В течение многих лет исследователи безрезультатно попытались синтезировать РНК, производя сахар и основания, соединяя их вместе, и затем добавляя фосфаты. "Это просто не работает," - говорит Сазерленд.

Эта неудача вынуждала ученых рассматривать две другие гипотезы о том, как возникла РНК. Кливз с единомышленниками думают, что основанная на РНК жизнь могла произойти от организмов, использовавших иной носитель генетической информации, не существующий больше в природе. Химики были в состоянии использовать другие соединения, чтобы создать строительные блоки для нуклеотидов (Science, 17 November 2000, p. 1306). Теперь они пытаются выяснить могли ли созданные человеком молекулы – носители генетической информации, называемые ПНК и ТНК, самостоятельно возникнуть на ранней Земле легче, чем РНК. Согласно этой гипотезе, РНК появилась позже и заменила более раннюю молекулу.

Схема репликации рибозимов в опыте Линкольн и Джойса.

Возможно, однако, что РНК не возникла так, как об думали эти ученые. "Если Вы хотите добраться от Бостона до Нью-Йорка, есть очевидный способ это сделать. Но если Вы не можете пойти этим путем, есть другие возможности, которыми Вы могли бы воспользоваться," - говорит Сазерленд. Он и его коллеги пытались построить РНК из простых органических соединений, таких как формальдегид, которые существовали на Земле до возникновения жизни. Они обнаружили, что смогут добиться большего успеха в создании РНК, если будут комбинировать компоненты сахаров и оснований вместо того, чтобы сначала отдельно синтезировать полные сахара и основания.

За последние несколько лет ими воспроизведен почти весь путь от предбиотических молекул до РНК, и они готовятся опубликовать в мельчайших подробностях детали своего успеха. Открытие данных химических реакций заставило Сазерленда предположить, что не столь уж сложно для РНК непосредственно возникнуть из "органического бульона." "Мы получили эти молекулы в наше распоряжение," – говорит он.

Сазерленд не может с уверенностью сказать, где протекали эти реакции на ранней Земле, но он отмечает, что они должны срабатывать при тех температурах и уровне pH, которые могли быть в водоемах той эпохи. Если бы те водоемы периодически пересыхали, то в них повысилась бы концентрация нуклеотидов, создавая еще более благоприятные условия для возникновения жизни.

Существовали ли те дарвиновские теплые небольшие прудики? "Может быть он был не так далек от истины," - отмечает Сазерленд.

Шаг второй: клетка

Если бы жизнь действительно начиналась с одной только РНК, то подобная РНК должна была бы копировать себя без помощи белков. На этой неделе в журнале Science (www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1167856), Трэйси Линкольн и Джеральд Джойс из Научно-исследовательского института Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, показали, как это могло бы быть. Они создали пару молекул РНК, которые объединяются и собирают свободные нуклеотиды так, чтобы соответствовать молекуле-партнеру. Как только копирование завершалось, старые и новые молекулы РНК разобщались и соединялись с новыми молекулами-партнерами, чтобы формировать новую РНК. Линкольн и Джойс обнаружили, что за 30 часов, популяция молекул РНК может стать в 100 миллионов раз больше.

Линкольн и Джойс помещали молекулы РНК в пробирки. Однако, на древней Земле, реплицирующиеся РНК, возможно, были заключены в первые клетки. Джек Зостак и его коллеги из Гарвардской военно-медицинской школы в Бостоне занимались исследованием того, как жирные кислоты и другие молекулы на ранней Земле смогли поймать РНК в ловушку, образуя первую протоклетку. "Наша цель состоит в том, - говорит Зостак, - чтобы создать нечто способное копировать саму себя, используя только химические реакции."

first cells f

После двух десятилетий исследований, он и его коллеги придумали молекулы РНК, которые могут построить копии других коротких молекул РНК. Они смогли смешать РНК и жирные кислоты вместе таким образом, что РНК оказалась заключенной в пузырьке из жирных кислот. Пузырьки в состоянии включать жирные кислоты в свои мембраны и расти. В июле 2008, Зостак сообщил о том, что он выяснил, как протоклетки могли "есть" и поглощать нуклеотиды для построения РНК.

Все живые клетки зависят от сложных каналов, пропускающих нуклеотиды через клеточные мембраны. В связи с этим возникает вопрос, а как примитивная мембрана протоклеток обзавелась этими молекулами.

Экспериментируя с различными составами для мембран, Зостак и его коллеги создали протоклетку с достаточно проницаемой мембраной, позволяющей нуклеиновым кислотам проникать внутрь, где они могли быть собраны в РНК, но не достаточной для выхода наружу больших молекул РНК.

Их эксперименты также показывают, что эти пузырьки сохраняются до отметки 100°C. При высоких температурах протоклетки быстро захватывают нуклеотиды, и при более низких температурах, как обнаружил Зостак, они быстрее строят молекулы РНК.

Он допускает, что регулярные температурные циклы помогли выжить примитивной протоклетке на ранней Земле. Протоклетки поглощали нуклеотиды в тепле, а затем, когда температура снижалась, использовали их, чтобы построить РНК. В протоклетках Зостака нуклеотиды выстраивались вдоль матрицы РНК. Нити РНК имеют тенденцию склеиваться при низких температурах. Когда протоклетка нагревалась снова, высокая температура вызывала разделение нитей, позволяя функционировать новой молекуле РНК.

Теперь Зостак начал проводить эксперименты, приближающие его протоклетки к живому. Он разрабатывает новые формы РНК, которые могут быстрее копировать более длинные молекулы. Для него настоящая проверка его экспериментов будет состоять в том, чтобы его протоклетки эволюционировали, а не просто росли и размножались.

"Для меня, - говорит Зостак, - происхождение жизни и происхождение дарвинистской эволюционной теории - по существу одно и тоже." И если бы Дарвин был жив сегодня, то он точно пожелал бы написать гораздо больше о том, как зарождалась жизнь.

Список цитированной литературы

H. Cleaves et al., "A reassessment of prebiotic organic synthesis in neutral planetary atmospheres." Origins of Life and Evolution of Biospheres 38, 105 (2008).
R. J. Davenport, "Ribozymes: Making Copies in the RNA World." Science 292, 1278 (2001).
M. Hoffman, "Brave New (RNA) World." Science 254, 379 (1991).
W. Johnston et al., "RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension."Science 292, 1319 (2001).
S. S. Mansy et al., "Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell." Nature 454, 122 (2008).
S. S. Mansy and J. W. Szostak, "Thermostability of model protocell membranes." Proceedings of the National Academy of Sciences 105, 13351 (2008).
L. Orgel, "A Simpler Nucleic Acid." Science 290, 1306 (2000).
S. Rajamani et al., "Lipid-assisted synthesis of RNA-like polymers from mononucleotides." Origins of Life and Evolution of Biospheres 38, 57 (2008).
S. Rasmussen et al., Eds., Protocells: Bridging Nonliving and Living Matter. MIT Press (2009).
J. J. Sepkoski Jr., "Life from the Beginning." Science 268, 1206 (1995).
K.-U. Schoning et al., "Chemical Etiology of Nucleic Acid Structure: The a-Threofuranosyl-(3'--2') Oligonucleotide System." Science 290, 1347 (2000).