Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Именно на основании этого Овертон предположил, что клеточные мембраны состоят из липидов. При смешивании с водой они самопроизвольно образуют нечто вроде пузырьков, так что это хороший материал для округлого заграждения на границе клетки.
Но тут есть и одна особенность. Овертон полагал (опять-таки верно), что клеточные мембраны состоят из липидов особого типа, так называемых фосфолипидов. Головка этих молекул являет собой фосфатную группу (ту же самую, что есть у ДНК, РНК, а также у АТФ). Фосфат представляет собой заряженную группу атомов, так что у фосфолипидов есть и полярная головка, и неполярные хвосты. Из этого следует, что головки гидрофильны и предпочитают находиться в воде, а вот их хвосты гидрофобны и избегают ее. Если поместить фосфолипиды
В 1925 году следующий важный шаг сделали двое голландских ученых. Эверт Гортер был педиатром и занимался проблемой детской смертности, но также вместе со своим коллегой Франсуа Гренделем проводил исследования в области биохимии. Гортер и Грендель выделили из клеток все имевшиеся в них фосфолипиды и распределили их единым слоем толщиной в одну молекулу. Занимаемая всеми фосфолипидами клетки площадь оказалась вдвое больше площади поверхности самой клетки, из чего ученые сделали вывод о том, что мембрана – это “сэндвич” из двух слоев фосфолипидов[304]. Их суждение оказалось верным и вскоре получило всеобщее признание[305].
Итак, к третьему десятилетию XX века уже стало известно, что мембраны образованы двойным слоем фосфолипидов. Однако возникло очередное затруднение: в них также обнаружили белки. Это навело британских биологов Джеймса Даниелли и Хью Дэвсона на мысль о том, что фосфолипидный бислой покрыт слоями белков. Эта их идея господствовала на протяжении более чем тридцати лет[306] – до тех пор, пока в 1972 году за проблему не взялись два американских исследователя, Сеймур Сингер и Гарт Николсон. Они предположили, что белки не размазаны по поверхности фосфолипидного сэндвича, подобно маслу, а скорее погружены в фосфолипиды – как шоколадная крошка в печенье[307]. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь и высовывают наружу только свои концы. Они выполняют работу каналов или насосов, которые перекачивают различные вещества с одной стороны мембраны на другую.
Модель клеточной мембраны как двойного слоя фосфолипидов, из которого местами торчат пронизывающие ее белки, остается общепринятой вот уже более сорока лет. Лишь после ее создания стало возможным сформулировать обоснованную гипотезу образования самой первой клеточной мембраны.
Разумеется, ученые и прежде не сидели сложа руки. Из главы 2 мы помним Опарина, который считал первыми подобиями клеток коацерваты, лишенные клеточной мембраны. Но тут сразу возникало два вопроса: достаточно ли устойчивы такие коацерваты для того, чтобы стать первой формой жизни, и каким образом их позже сменили клетки с настоящими мембранами? Затем Фокс создал гипотезу протеиноидных микросфер и посчитал предшественниками клеток именно их. Но опять-таки непонятно, каким образом на смену этим микросферам пришли фосфолипиды.
Одна из самых экзотических попыток создания мягких внешних покровов клеток связана с именем индийского исследователя Кришны Бахадура из Аллахабадского университета[308]. Нередко его соавтором бывала супруга, С. Ранганаяки, имя которой история не сохранила. В 1954-м (спустя год после знаменитого эксперимента Миллера) Бахадур описал альтернативный способ получения аминокислот из более простых соединений[309]. Благодаря этому ученого пригласили на московскую конференцию 1957 года, в которой, впрочем, он участвовать не смог.
За несколько следующих лет группа исследователей под руководством Бахадура создала напоминающие клетки частицы, названные им “Дживану”, от санскритского jeeva (“жизнь”) и anu (“мельчайшая частица”). Бахадур получал свои Дживану при смешивании
Бахадур впервые описал свои Дживану в 1963 году, опубликовав статью в малоизвестном индийском журнале[310]. Год спустя четыре статьи с подробными описаниями вышли в не менее сомнительном немецком журнале[311]. Прочитавшие их биологи испытывали интерес, смешанный с настороженностью. Статьи Бахадура наполнены цитатами из Вед – древнеиндийских священных писаний. Он даже видит прямую связь между Дживану и индуистскими воззрениями на природу жизни, согласно которым четких границ между живой и неживой природой не существует. Он рассматривал свои крошечные частицы как нечто живое и говорил об их метаболизме и даже способности к размножению. И если другие ученые не спешили называть такие простые системы настоящей жизнью, то у Бахадура, кажется, не было в этом ни малейших сомнений. Нетрудно догадаться, почему к его работам отнеслись скептически.
Тем не менее внимание NASA он привлек. Сирил Поннамперума и его коллега Линда Карен отправились в командировку для того, чтобы дать свой отзыв о работах Бахадура[312]. Они раскритиковали “запутанные” и “составленные ненадлежащим образом” протоколы экспериментов, из-за чего последние оказалось трудно воспроизвести. Ученые сделали вывод, что “приведенных доказательств недостаточно для того, чтобы считать Дживану живыми”. Иначе говоря, выводы Бахадура сочли преувеличенными. И хотя Поннамперума и Карен не стали опровергать их полностью, заключив, что “природа и свойства Дживану остаются невыясненными”, однако из-за этой авторитетной критики работы индийского ученого оказались забыты[313]. После смерти Бахадура его бывший ученик Винод Кумар Гупта, продолживший заниматься Дживану, публиковал статьи, в которых среди прочего описывал “субстанции наподобие фосфолипидов” на их внешней поверхности. Это еще больше сближало Дживану с настоящими клетками[314]. Так или иначе, но в историю науки Дживану вошли скорее как курьез, чем как настоящее достижение.
Первым продемонстрировал протоклетки с мембраной почти как у настоящих клеток американский биолог Дэвид Димер. Он родился в 1939 году, а исследованием мембран занялся в 1960-е. Его карьера складывалась на удивление удачно. Однажды, в 1989 году, когда Димер ехал по штату Орегон, его внезапно озарило: он понял, что последовательность нуклеотидов ДНК можно прочитать, заставив ее проходить через белковый канал с помощью электрического поля. Четыре разных азотистых основания при прохождении через пору должны вызывать характерные изменения электрического поля. Он поскорее свернул на обочину и записал эту идею, прежде чем ехать дальше. Позднее Димер и его коллеги разработали на основе этого технологию так называемого нанопорового секвенирования ДНК. Компактные версии подобного оборудования побывали даже на Международной космической станции.
Димер заинтересовался возникновением первых мембран в 1975 году, спустя несколько лет после публикации правильной модели их структуры. Весной того года он был в творческом отпуске в Институте Бабрахама неподалеку от Кембриджа, Великобритания. Компанию ему составлял его коллега (тоже специалист по мембранам) Алек Бэнгхэм[315]. Несколькими годами ранее Бэнгхэм прочел лекцию под названием “Первыми были мембраны”. “Мы направлялись вместе с Алеком в Лондон в его «мини-купере» и остановились пообедать, – вспоминал позже Димер. – И вдруг мы осознали, что никто никогда не задумывался о том, как образовались первые мембраны на ранней Земле”. Да, первые клетки обзавелись мембранами, однако как именно это произошло?