Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
14:45
25 сентября
Наука

Семь фактов о происхождении жизни на Земле

Рассказывает доктор биологических наук Александр Марков
5 015
2
Расписание
Следующий выпуск
4 декабря 16:00
воскресенье: 16:00
понедельник: 02:00, 06:00
вторник: 11:00
четверг: 13:00
суббота: 16:00

Вопрос о происхождении жизни относится к числу самых важных и актуальных проблем естественных наук. Ученые давно мечтают разгадать тайну этого удивительного события. История вопроса достаточно долгая, сложная и запутанная. Когда-то давно наши предки не видели никакой проблемы, потому что считалось, что жизнь самопроизвольно зарождается из неживой материи. Потом это предположение было опровергнуто, в том числе, известными опытами Пастера, и стало ясно, сама собой живая материя из неживой так просто не образуется.

Об этапах абиогенеза и проблеме происхождения жизни на Земле рассказывает доктор биологических наук Александр Марков.

Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука» 

Перед учеными, которые не хотели включать гипотезу о сверхъестественном в естественнонаучные теории, встала нелегкая задача — объяснить, каким же образом возникло такое удивительное явление как жизнь. Поначалу задача казалась многим практически неразрешимой. В середине XIX века еще практически не умели получать органические вещества из неорганических, и многие считали, что существует какая-то принципиальная химическая непреодолимая пропасть, что есть органические вещества, которые только в живых организмах встречаются, и есть неорганическая, неживая природа, и превратить неорганическую химию в органическую невозможно. Но уже в начале второй половины XIX века удалось синтезировать из неорганики липиды, а потом наш великий химик Бутлеров открыл реакцию синтеза сахаров, углеводов из формальдегида, знаменитую автокаталитическую реакцию Бутлерова. И стало ясно, что этой грани нет, что органические вещества можно получить из неорганических. Первое предсказание теории абиогенеза, таким образом, экспериментально подтвердилось. Дальше, естественно, встал вопрос — в каких естественных природных обстановках, в каких ситуациях на ранней Земле или, может быть, еще раньше, в космосе, могли синтезироваться органические вещества.

Прежде, чем мы перейдем к рассмотрению деталей абиогенного синтеза, стоит сказать об основных этапах процесса абиогенеза, какими они сейчас представляются. Первый этап это абиогенный синтез простой органики из неорганических соединений. Второй этап это синтез уже более сложных органических соединений, которые могли стать "кирпичиками" первой жизни (таких, например, как рибонуклеотиды).

Третий этап это формирование из этих «кирпичиков» первых репликаторов, то есть, химических систем, которые способны катализировать синтез собственных копий (способны к размножению) и, при этом, обладают тем, что биологи называют наследственной изменчивостью (это совершенно необходимое условие для начала жизни). Про любой автокаталитический процесс можно условно сказать, что в нем присутствует размножение. Даже реакция Бутлерова — это автокаталитическая реакция, которая выглядит, как размножение. То есть, мы берем некую реакционную смесь, добавляем в нее катализатор — простой углевод, и дальше углеводы начинают там «размножаться». Они катализируют синтез собственных копий, используя формальдегид в качестве пищи. Сахара получаются разные, то есть, и изменчивость тоже присутствует. Проблема в том, что эта изменчивость не наследуется, потому что состав смеси продуктов, на самом деле, практически не зависит от тех катализаторов, которые катализировали образование этих продуктов. Если бы в результате случайности синтезировался какой-то новый сахар, например, рибоза, и она бы начала избирательно катализировать синтез именно рибозы, и если в результате случайности получится глюкоза, и она бы стала катализировать синтез глюкозы — это уже было бы подобием наследственной изменчивости, которая в данной реакции отсутствует. Для того, чтобы стартовала жизнь, способная развиваться на основе дарвиновского эволюционного механизма, должна была появиться система с размножением и наследственной изменчивостью, то есть, первый репликатор.

Четвертый этап процесса абиогенеза — это появление всего остального. Системы синтеза белка, системы транскрипции, трансляции, рибосомы, клетки с их клеточными оболочками — это все могло появиться позже. Мы предполагаем, что с появлением первого репликатора уже стартовал дарвиновский эволюционный механизм, который, благодаря наследственности, изменчивости и избирательному размножению тех вариаций, которые обладают лучшей способностью к размножению, за счет естественного отбора может совершенствовать живую систему. Этот механизм хорошо изучен биологами, и мы знаем, что он очень мощный и способен создавать разные сложные структуры, главное, чтобы он стартовал. В конце XX века и в начале XXI века очень быстро идет процесс открытия возможных механизмов прохождения различных этапов этого долгого и трудного процесса, пути от неживой материи к первой живой системе.

На сегодняшний момент показано, что синтез простой органики из неорганических соединений может происходить в самых разнообразных естественных обстановках. Даже не обязательно это должно происходить на какой-то планете, этот синтез может происходить и в космосе, в протопланетном облаке, на ранних стадиях формирования солнечной системы, из тех простых молекул, которые присутствуют в этом протопланетном облаке. Катализаторами могут служить частицы, содержащие железо и никель, и может образовываться простая органика. Кроме того, в 1953-м году Миллер показал в эксперименте, что органические вещества, такие как аминокислоты, могут образовываться в смеси газов, которая имитировала предполагаемый состав атмосферы древней Земли, если через эту смесь пропускать электрические разряды, которые имитируют молнии.

В 60-е годы, эти эксперименты были продолжены, в смесь газов добавили такие соединения, как цианистый водород, и получили азотистые основания, которые входят в состав ДНК и РНК. Возникли проблемы, связанные с тем, что в этих экспериментах не добавляли углекислый газ (CO2) в смесь, а позже геологи пришли к выводу, что в ранней атмосфере Земли углекислого газа было достаточно много, а он затрудняет реакции. Однако, выяснилось, что в некоторых вулканических газах, которые постоянно извергаются из недр, состав вполне миллеровский.

Кроме того, выяснилось, что хороший естественный реактор для производства органики — это разного рода гидротермальные источники, которые находятся в срединно-океанических хребтах. В 2012-м году появились работы, которые показали, что наиболее вероятным местом, где шел синтез органических веществ, и где могла зародиться жизнь, были мелководные континентальные водоемы с геотермальными источниками. В таких водоемах ионный состав раствора больше подходит для формирования первых живых существ, чем морская вода. Эти открытия заставляют вспомнить известное письмо Дарвина к своему другу, где он робко предположил, что жизнь могла самозародиться в каком-нибудь небольшом теплом пруду.

При рассмотрении процесса синтеза из простейшей органики более сложных органических соединений, из которых могли потом образоваться первые химические репликаторы, встает проблема избирательности этого органического синтеза. Мы знаем, что существуют разные стереоизомеры у аминокислот и у сахаров, которые входят в состав важнейших биополимеров, скажем, в ДНК и РНК сахара правые, а в белках аминокислоты — левые, тогда как в большинстве реакций этого абиогенного синтеза получаются правые и левые формы. Эта проблема довольно долго казалась очень сложной и неразрешимой, но потом нашли довольно простые решения для этой задачи. В частности, оказалось, что аминокислоты могут хирально обогащаться, то есть, из рацемической смеси, где поровну левых и правых форм, может получиться смесь, где преобладают левые аминокислоты, просто под действием определенных видов излучения, которое есть в космосе. Такие аминокислоты со смещенным хиральным составом обнаружены в метеоритах.

Найдены и простые способы сделать абиогенный синтез сахаров избирательным и таким, чтобы получались преимущественно правые формы — некоторые простые добавки в реакционную смесь помогают этого достичь.

Самое интересное в проблеме изучения жизни — что приближение к разгадке, как кажется из чтения появляющихся статей, все ускоряется и ускоряется, все быстрее делаются открытия, закрывающие те или иные бреши в этой гипотетической схеме, на этом долгом пути от неживого к живому. И одной из таких проблем, которая недавно была решена блестящим образом, стала проблема абиогенного синтеза рибонуклеотидов, тех «кирпичиков», мономеров, из которых могли сложиться молекулы РНК, которые потом дали начало первым репликаторам. Составные части рибонуклеотида, азотистое основание и рибозу, можно синтезировать абиогенным путем. А вот соединить вместе рибозу с азотистым основанием никак не удавалось: два из четырех рибонуклеотидов получались (A и G), аденозин и гуанозин, а другие (C и U), цитидин и уридин, совсем не получалось изготовить.

В конце нулевых годов был найден очень изящный, красивый способ абиогенного синтеза рибонуклеотидов, и сделано сразу несколько замечательных находок. Во-первых, догадались, что можно получить рибонуклеотид не из готовой рибозы и азотистого основания, а непосредственно из очень простых органических соединений, которые легко формируются в разных естественных обстановках — простейшие углеводы и простейшие азотистые соединения. Авторы этого исследования догадались смешать сразу и простейшие углеводы, и простейшие азотистые соединения вместе. Раньше такие опыты всегда проводились по отдельности, потому что в таких условиях получается большая химическая комбинаторика, много лишних ненужных продуктов, из которых то, что нужно, получается в очень малом количестве, и трудно отделить одно от другого. Но оказалось, что если добавить в смесь с самого начала еще и фосфорную кислоту, то наоборот, комбинаторика резко снижается, и через ряд довольно неожиданных промежуточных этапов получаются рибонуклеотиды, активированные, пригодные для синтеза РНК. Причем, в этом химическом процессе все настолько изящно, что какие-то побочные продукты, получающиеся на ранних этапах процесса, потом оказываются нужными в качестве катализаторов для поздних этапов процесса, и добавлением фосфата там снимается сразу несколько химических проблем. Просто и красиво. Так что, складывается впечатление, что химики не придумали способ, как можно синтезировать рибонуклеотиды, а угадали тот самый способ, который и использован природой.

Изображение: depositphotos