Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Маршалл Майкл

Исследованием этого вопроса занялся аспирант Димера, Уильям Харгривз. В 1977 году Харгривз, Димер и еще один их коллега опубликовали результаты экспериментов, из которых следовало, что фосфолипиды могли образоваться на юной Земле из более простых соединений^[316]. Ученые представили себе небольшой водоем на песчаном берегу, наполняемый приливами и содержащий различные растворенные вещества. Их внимание привлек глицерин – простое соединение из группы спиртов, который может быть использован для получения липидов. Его иногда также называют “глицерол” и используют в качестве подсластителя для продуктов. Исследователи смешали глицерин с химически активным соединением – цианамидом, а также водой. После этого они нагрели смесь до 65 °C, получив несколько

липидов, в том числе фосфолипиды.

Ученые также доказали, что полученные ими фосфолипиды способны к самому главному для этих веществ трюку: самопроизвольному образованию структур, напоминающих клетки. Димер и его коллеги растворили полученную фосфолипидную жижу в солевом растворе и хорошенько потрясли. В результате фосфолипиды собрались в крошечные сферические пузырьки, которые внешне напоминали клетки. При ближайшем рассмотрении оказалось, что каждый из пузырьков имеет внешнюю мембрану, образованную двойным слоем фосфолипидов, – совсем как у настоящей клетки. Такие структуры называются “везикулы” – их можно обнаружить в любой живой клетке, которой они нужны для хранения различных важных субстанций (вроде питательных веществ).

Команда Димера нашла подтверждения тому, что простые подобия клеток, состоящие из тех же химических соединений, что и современные мембраны, могли самопроизвольно образоваться и миллиарды лет назад. Как и в случае других подобных экспериментов, возникает вопрос – действительно ли использованные реакции могли происходить в прошлом? Но в данном случае все выглядит правдоподобно. Цианамид и глицерин представляют собой простые и очень распространенные молекулы, так что они наверняка были и на древней Земле. А мест, где вода имеет температуру 65 °C, немало и на Земле современной.

За этим последовали эксперименты с использованием других липидов^[317]. И в результате в начале 80-х годов Димер имел уже право утверждать, что “напоминающие современные мембраны структуры могут быть с легкостью получены из липидных компонентов, которые наверняка были и на пребиотической Земле”^[318].

И все же везикулы – это еще не клетки. Недостаточно просто создать внешнюю мембрану и придать ей форму правильной сферы – а в то время Димеру и его коллегам не удалось добиться чего-то большего. На следующем этапе предстояло выяснить, могут ли везикулы служить хранилищем для биологических молекул вроде ДНК. Над этой проблемой он работал совместно с Гейлом Барчфелдом. Они тоже представили себе небольшое озерцо, которое бесконечно то пересыхало на солнце, то вновь наполнялось дождевой водой. Димер и Барчфелд смешали фосфолипидные везикулы с ДНК и подвергли их подобным циклам высыхания и повторного увлажнения. При высыхании везикулы резко изменили свою форму: фосфолипиды превратились в плоские слои, которые напоминали стопки начиненных ДНК блинчиков. После повторного увлажнения везикулы возвращались в исходную форму – но теперь уже с ДНК внутри. Такие протоклетки по-прежнему нельзя назвать живыми, однако этот опыт Димера и Барчфелда стал шагом вперед^[319].

Димер был тогда уже не единственным сторонником гипотезы “вначале был компартмент”. В 1980-е это направление привлекло и других ученых^[320]. Среди них был и Гарольд Моровиц, который занимался вопросом зарождения жизни с 1960-х, – его идеи нам еще предстоит обсудить. К концу 1980-х годов Моровиц уверился в том, что Димер выбрал правильный путь и что именно простые клетки (вероятно, везикулы вроде полученных Димером) сформировались первыми.

В 1988 году Димер и Моровиц вместе с биохимиком Беттиной Хайнц (впоследствии успешной художницей)^[321] назвали такие везикулы “минимальными протоклетками”, то есть самой простой из возможных форм жизни^[322]. Чтобы еще больше походить на живое, им был необходим какой-то источник энергии. Та же группа ученых предположила, что везикулы могли содержать в своих мембранах окрашенные молекулы пигментов. Когда на пигменты попадают солнечные лучи,

они высвобождают электроны, способные запускать различные химические реакции. В том числе реакции, приводящие к образованию новых липидов для построения мембран. Поэтому далее Димер занялся исследованием особых групп пигментов^[323].

Моровиц развивал свои собственные идеи и в 1992 году выпустил книгу “Начало клеточной жизни” (Beginnings of Cellular Life)^[324]. Ее суть сводится к тому, что даже самые простые везикулы могут обладать многими свойствами клетки. Внешняя мембрана способна служить поверхностью со свойствами катализатора и ускорять химические реакции. Внутри везикулы могут накапливаться различные вещества, в то время как нежелательные соединения остаются снаружи. Моровиц был убежден, что все началось с везикул и что к ним вскоре присоединились химические реакции метаболизма и, наконец, гены.

Ключевым элементом гипотезы Моровица являются представления о везикулах как исходной основе жизни, сделавшей возможным формирование остальных ее компонентов. Нельзя сказать, что тут-то и наступал момент “а затем возникли белки”. Речь скорее о том, что везикулы могли вобрать из окружающей среды какие-то новые молекулы, которые были чувствительны к свету, и встроить их в свою мембрану. Позднее такие молекулы под воздействием солнечных лучей могли переходить в возбужденное состояние и создавать определенное распределение электрического заряда, что запускало новые химические реакции. Предполагается, что именно это положило начало метаболизму, поскольку сделало возможным превращение углекислоты в более сложные соединения, что позволяло в итоге синтезировать нечто наподобие аминокислот.

В наши дни мысль Моровица о том, что первые формы жизни использовали энергию солнечного света, кажется несколько сомнительной. Дело в том, что благодаря молекулярной генетике и реконструкциям родословной последнего универсального общего предка LUCA мы теперь лучше понимаем, что из себя могли представлять первые микроорганизмы. Самые древние из них питались за счет химических реакций, а способность использовать солнечный свет развилась позже в ходе эволюции. Моровиц не мог знать этого в те годы, когда создавал свои труды.

В 1980-е концепцию протоклеток развивал также Пьер Луиджи Луизи – итальянский биохимик, работавший главным образом в Швейцарии. Луизи был своего рода энциклопедистом, писавшим и о философии науки, и о том, можно ли говорить о каком-либо предназначении природы^[325]. Он стал соавтором книги о природе реальности, где представлены воззрения и Далай-ламы, и актера Ричарда Гира^[326].

В начале 1980-х годов группа Луизи исследовала мицеллы. Это сферические пузырьки из липидов, которые на первый взгляд напоминают везикулы. Однако мицеллы имеют не два, а всего один слой липидов. В 1989 году Луизи и его коллектив предположили, что мицеллы могут поддерживать свою целостность в том случае, если внутри них происходит синтез новых липидов^[327]. Такой процесс может даже позволить везикулам создавать собственные копии, то есть “размножаться”.

В начале 1990-х годов группа Луизи продемонстрировала, как именно это может происходить. В первой версии опыта использовались мицеллы из жирной кислоты с восемью атомами углерода (октановая кислота), а также из очень похожего на нее октанола. Внутри самих мицелл находилось соединение посложнее – октилоктаноат. При взаимодействии с водой оно распадалось с образованием тех самых октановой кислоты и октанола. А при попадании наружу эти вещества спонтанно собирались в новую мицеллу. В результате из одной мицеллы получались две^[328]. Это была упрощенная форма размножения. Данная модель является довольно искусственной, поскольку в ее состав входят вещества, отсутствующие в настоящих клеточных мембранах, так что о прямой аналогии с клеточным делением речи не идет, но все равно это впечатляет^[329].