Клетки, способные поддерживать жизнь и размножаться, появились не на пустом месте. Конечно, до того, как появилась такая клетка, в череде биологических экспериментов было много неудачных попыток и тупиковых линий.

Один из способов, используемых учеными, чтобы понять, как на нашей планете появились жизнеспособные клетки, – симуляция древней химии первобытного пруда (или океана). Самый известный эксперимент такого рода в 1950-х годах провел Стэнли Миллер в лаборатории Гарольда Юри. Он поместил в воду химические элементы, которые, как он считал, присутствовали в первобытной атмосфере (водород, аммиак и метановые газы), и пропустил через этот раствор электричество (имитирующее молнию). Миллер надеялся, что ему удастся запустить цепочку превращения соединений на основе углерода в биологические соединения (рисунок 12.1). Спустя несколько дней Миллер обнаружил, что образовались аминокислоты, которые являются строительным материалом белков и ключевыми элементами жизни. Таким образом он доказал, что неорганические элементы в присутствии высокой температуры могут образовывать органические соединения. Дальнейшие исследования показали, что в древности атмосфера Земли, возможно, включала в себя не те газы, которые использовал Миллер, однако ученый продемонстрировал, что понимания того, как произошел переход от добиологической химии к биохимии можно достичь с помощью научных методов.

Рисунок 12.1. Эксперимент Миллера и Юри по воссозданию жизни в лабораторных условиях

В последние годы основной темой обсуждения стала первичность одного из элементов по отношению к другому. Эти два элемента – метаболизм (создающий энергию, необходимую биологическому организму на протяжении всего времени его существования) и репродукция (благодаря которой организм дуплицируется – воспроизводится – и таким образом выходит за пределы отдельной жизни). Согласно теориям, в которых во главу угла ставится воспроизведение, самовоспроизведение стало основой и в итоге привело к биологическому воспроизведению, а за этим последовал метаболизм. Все, что добиологической молекуле нужно было делать, чтобы поддерживать воспроизведение, – это выдавать новые копии самой себя быстрее, чем разрушались старые. Существует предположение, согласно которому на это были способны углеводные полимеры (сложные сахара). И хотя в то время химические условия на Земле, возможно, не могли поддержать протекание таких реакций, они могли совершаться в межзвездном пространстве. Может быть, «звездные сахара» в форме нуклеиновых кислот внесли свой вклад в появление биологического воспроизведения.

Как нам известно сегодня, биологическое воспроизведение зависит от кодирования генома ДНК, однако некоторые биологи, такие как Джералд Джойс, считают, что воспроизведение зависело от РНК еще до появления ДНК (рисунок 12.2). Для запуска биологической эволюции РНК было достаточно, а вот для продолжения жизни в дальнейшем – нет, поскольку ее стабильность ограничена и не способна поддержать большой геном; средством избавления от этих ограничений стала ДНК.

Рисунок 12.2. Теория возникновения жизни, согласно которой РНК первична

Считается, что ДНК возникла в результате изменений РНК, возможно, под влиянием вируса, превратившего ген РНК в ген ДНК. Приемлемость этой теории подтвердили исследования, продемонстрировавшие переход генов между вирусами на основе РНК и вирусами на основе ДНК в кислой воде – среде, которая, как полагают, близка по составу к жидкости в первых океанах, где зародилась жизнь.

Согласно теории, сторонники которой считают первичным воспроизведение, самовоспроизводящиеся молекулы РНК и ДНК изначально плавали свободно, но позже превратились в изолированные виды. В результате этого шага у белковых продуктов РНК и ДНК появилось преимущество – теперь они могли содержаться только внутри вмещавших их структур и использоваться исключительно этими структурами.

Возможно, изначально переход к изолированности выполнялся небиологическим переходным организмом – протоклеткой, сформированной, вероятно, внутри пор камней (об этом я подробно расскажу ниже). Но протоклетка в поре камня, даже содержащая ДНК, не смогла бы поддерживать сложную жизнь. Эволюция настоящих клеток зависела от определенной формы компартментализации за пределами таких ограниченных мест. Решением проблемы в итоге стала липидная оболочка (мембрана), установившая границы между РНК, ДНК и производимыми ими белками. В мембранах эти организмы могли продолжать свое свободное плавание в океанах, самовоспроизводиться, в том числе в различных формах (то есть эволюционировать), и в конечном итоге дать начало всем когда-либо существовавшим организмам.

Согласно другой теории, воспроизведение на основе нуклеиновых кислот (РНК и (или) ДНК) возникло после появления у биологических организмов способности к метаболизму. Согласно теории Гюнтера Вехтершойзера, который считал метаболизм первичным, горячая вода с вулканов попала на богатые минералами камни, выступив в роли катализатора и запустив химические реакции, в результате которых простые углеродные соединения сплавились в более крупные. Хотя каталитических ферментов – белков – на тот момент еще не существовало, содержавшиеся в камнях минералы могли играть роль добиологических катализаторов химических реакций. Согласно этой теории, посредством серии таких добиологических реакций произошло восстановление исходного соединения, и круг замкнулся. В результате этого процесса могли образоваться сложные биологические молекулы (белки, нуклеотиды, жиры и углеводы), которые и сформировали основу для простых протоклеток, способных образовывать энергию и воспроизводиться.

Идею Вехтершойзера критиковали на том основании, что температура теплых вулканических потоков, о которых речь шла выше, была слишком высокой и жизнь в них не могла просуществовать дольше нескольких секунд. Другой вариант теории, ставящей метаболизм на первое место, предложили Майк Рассел и Билл Мартин, а развил Ник Лейн. Она получила название «теория щелочного гидротермального выхода» и решала проблему своей предшественницы (рисунок 12.3).

Рисунок 12.3. Теория происхождения жизни в результате щелочного гидротермального выхода

Эта удивительная, но сложная идея объясняется кратко и упрощенно означает следующее: отправная точка – это общепринятое предположение, согласно которому из-за избытка положительно заряженных химических веществ вода первых океанов была холодной и кислой (с низким уровнем pH). Через трещины в ложе океана холодная кислая вода просочилась к мантии Земли, где нагрелась, и поднялась обратно в океан через минерализованные выходы из карбоната и пирита. Проходя через эти выходы, нагретая жидкость стала щелочной, в результате чего вырос уровень pH и, следовательно, появился отрицательный заряд. Подобным образом карбонатное соединение «Алка-Зельтцера» повышает pH и гасит изжогу, которую вызывает кислый желудочный сок. Эта щелочная жидкость задерживалась в порах выходов; от положительно заряженной океанской воды ее отделяла пена, состоявшая из сульфида железа.

Для того чтобы сформировать протоклетки, нужно было всего несколько элементов. Водород (Н) вступал в добиологические химические реакции с диоксидом углерода (CO₂), в результате чего появлялись простые углеродные молекулы – такие, как формальдегид (CH₂O) или ацетат (CH₃O₂). Однако в такие реакции водород вступает только в присутствии какого-нибудь катализатора, и хотя белковых каталитических ферментов тогда еще не было, существовали другие соединения. В частности, отличным добиологическим катализатором является сульфид железа, ставший основой предполагаемого пенного барьера протоклеток. Он и сейчас используется в метаболизме клеток. Значит, метаболические циклы находящихся в порах протоклеток, о которых говорил Вехтершойзер, могли хранить энергию, необходимую для создания сложных биологических соединений, включая белки, жиры и реплицирующие нуклеотиды. Когда протоклетка наконец обзавелась липидной мембраной, она смогла покинуть поры, начать вести метаболически самодостаточную жизнь в океане и воспроизводиться.

Нам только предстоит определить, что было первично – метаболизм или воспроизведение, или же они действовали в тандеме. Тем не менее все эти теории предоставляют вразумительное объяснение тому, почему каждая клетка – и LUCA, и все организмы, существовавшие после нее, – окружена липидной мембраной, имеет внутренний отрицательный заряд (этот факт приобрел исключительную важность, когда спустя примерно три миллиарда лет у первых животных появились нейроны), использует метаболические циклы, чтобы вырабатывать и хранить энергию, и воспроизводится, создавая белки под руководством ДНК.

Альтернативную точку зрения на вопрос о происхождении жизни недавно высказали Лерой Кронин и Сара Имари Уокер. Сторонники теорий о первичности воспроизведения над метаболизмом и наоборот оспаривают порядок возникновения этих процессов, но сходятся во мнении о том, что воспроизведение при помощи нуклеиновых кислот предшествовало жизни. Кронин и Уокер считают, что для этого потребовалась бы череда сложных событий, которая вряд ли имела место. А теперь представьте, что вместо образования РНК и ДНК из добиологических элементов информация в несложных сетях просто самокопировалась и жизнь зародилась как внезапная смена того, как обычная физическая химия обрабатывает и использует информацию. Вероятно, РНК и ДНК не были отправными точками, а появились позже в качестве усовершенствований процесса обработки такой информации. Интересная догадка, но все же теория о раннем возникновении РНК и ДНК остается доминирующей и, очевидно, верной, что станет понятно по мере того, как мы будем подниматься по ветвям древа жизни и изучать их.