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

Маршалл Майкл

Те же ученые вскоре выяснили, что многие липиды способны образовывать мицеллы и реплицироваться, подобно этим “нелипидным” мицеллам. Но более важно то, что эти опыты удалось повторить без использования готовых мицелл. Вместо них использовался щелочной раствор этилоктаноата, который и образует мицеллы. Первые мицеллы молниеносно соединяются с остающимися в растворе молекулами этилоктаноата, ускоряют их распад и тем самым порождают новые мицеллы^[330]. Этот метод позволяет создавать популяцию мицелл “с нуля”^[331].

Во второй половине 1990-х годов Луизи сфокусировал свое внимание на процессах, которые могут протекать внутри мицелл и везикул.

Способны ли эти примитивные подобия клеток содержать в себе нормально работающий фермент или же стать местом, где идет копирование нуклеиновой кислоты (скажем, РНК)? Если способны, то это будет свидетельствовать о том, что именно они были предшественниками клеток.

Как выяснилось, внутри таких протоклеток происходит множество биологических процессов. Например, в везикулах возможен синтез ферментами тех самых липидов, из которых они состоят^[332]. Аналогично команда Димера показала возможность синтеза РНК внутри везикул – при наличии в них нуклеотидов и необходимого фермента^[333]. Но самым поразительным оказалась способность везикул вмещать в себя рибосомы, несмотря на их гигантский по меркам молекул размер^[334]. Более того: эти рибосомы способны синтезировать белки – если им предоставить запас аминокислот.

Все эти исследования следует рассматривать скорее как доказательство принципиальной возможности. Маловероятно, что первые клетки могли иметь под своей простой внешней мембраной крупные современные рибосомы. Это выглядело бы, как персональный компьютер из восьмидесятых с процессором от суперкомпьютера 2020 года. Но сути дела это не меняет: процессы жизнедеятельности достаточно устойчивы для того, чтобы разворачиваться внутри даже самой простой протоклетки. “Данные эксперименты можно рассматривать как первые шаги в направлении создания минимальной возможной клетки”, – пишет Луизи^[335].

Многим современным исследователям кажется вполне вероятным, что везикулы или мицеллы могли образоваться на юной Земле самопроизвольно и даже начать копировать себя. Подобные протоклетки могли состоять из липидов, отличающихся от обнаруженных в составе современных клеток, однако Луизи и Димер доказали, что это не такая уж и проблема. Мало того: когда клетка развивала определенную дополнительную машинерию, исходные примитивные липиды могли быть постепенно отбракованы эволюцией и заменены более подходящими фосфолипидами.

Тем не менее одна очевидная сложность все же оставалась. Каким образом такие протоклетки воссоединились с остальными компонентами жизни? Представим себе на секунду, что к тому времени где-то – скажем, в геотермальных источниках – уже возник Мир РНК. Как и почему он оказался внутри липидных везикул, возникших, предположительно, в каком-то ином месте? Суть проблемы в том, что Мир РНК, везикулы и что-то вроде метаболического цикла могли образоваться в абсолютно разных локациях. А без РНК, белков и других компонентов живого везикулы не сумели бы развиваться. Они могли понемногу изменяться в сторону усложнения, но стать настоящими клетками им бы не удалось.

Израильский ученый Дорон Ланцет считал, что эта проблема вполне решаема. Большую часть своей карьеры Ланцет посвятил генетике и исследованию обоняния, но со временем заинтересовался и возникновением жизни. Начиная с 2001 года, он отстаивал концепцию, обозначенную им как Мир Липидов^[336]. Подобно Гилберту, который полагал, что РНК способна самостоятельно выполнять все функции живого, Ланцет считал, что на это же способны липиды. Ланцет развивал данную идею вместе с несколькими другими коллегами, включая Димера. Суть ее в том, что липидные везикулы “умеют” передавать своим потомкам некую информацию –

даже не имея при этом привычных носителей наследственности вроде ДНК. Иными словами, состоящие исключительно из смеси липидов везикулы могут вступить в конкуренцию друг с другом и начать примитивную эволюцию. Благодаря чему это возможно? Во-первых, известно большое число различных липидов и есть химические основания считать, что многие из них присутствовали и на юной Земле. Это означает, что, в отличие от современных клеточных мембран, первые везикулы не состояли из липидов исключительно одного типа – речь шла скорее о смеси. Подобные везикулы, полученные в лаборатории, зачастую прекрасно работают. Согласно этому сценарию, исходные везикулы вряд ли имели постоянный липидный состав.

Во-вторых, везикулы могут иметь каталитические свойства, то есть ускорять химические процессы. Иногда это становится возможным просто потому, что реагирующие вещества одновременно оказываются внутри одной везикулы, которая сближает их и повышает вероятность химического взаимодействия. Подобно тому, как каталитические молекулы РНК назвали рибозимами, Ланцет обозначил свои каталитические везикулы как “липозимы”.

В итоге Ланцет создал целый сценарий возникновения жизни на основе исключительно липидов. Согласно ему, любые везикулы, которые были способны катализировать образование собственных липидов, становились более распространенными. По мере приобретения ими новых каталитических возможностей эти мицеллы приобретали и более сложный липидный состав. В конце концов они научились катализировать и образование других биологических молекул – например, белков. Именно тогда такие состоящие исключительно из липидов протоклетки, начав больше походить на современные клетки, стали вести себя соответствующим образом.

Команда Ланцета разработала математическую модель этих гипотетических сообществ липидов. Данные показывают, что подобные везикулы действительно могли эволюционировать и постепенно усложняться. Однако пока модель не получила экспериментального подтверждения. По словам Ланцета, этому препятствуют “непреодолимые трудности”, связанные со сложностью химической основы этих процессов^[337]. Такая сложность, безусловно, наличествует, но отсутствие даже пробных экспериментов все-таки делает эту модель довольно сомнительной.

Очевидно, что Мир Липидов оказался в своеобразном тупике. Подобно протеиноидным микросферам Фокса и “радикальной” версии Мира РНК, он попытался заставить биологические молекулы одного типа взвалить на себя сразу все функции. Чтобы подобная модель сработала, такие молекулы должны быть способны выполнять множество функций, для которых они, как правило, не предназначены. И потому сейчас для большинства исследователей зарождения жизни попытки создать живое на основе молекул всего одного типа – это нечто устаревшее и нереалистичное. Однако Мир Липидов остается важной концепцией – хотя бы благодаря тому, что она ярко иллюстрирует пределы возможностей отдельных биологических молекул. Другими словами, эта гипотеза скорее всего ошибочна – но разве ошибки не помогают нам найти новые и лучшие решения?

Посвященные липидам и протоклеткам работы Димера и Луизи оказались чрезвычайно важны. Они показали, что сложную структуру клетки не так уж трудно воссоздать при помощи набора самых простых соединений, и это свидетельствует о том, что свою роль в зарождении жизни липидные протоклетки наверняка сыграли.

Ну а теперь нам следует обратиться к четвертой и последней из конкурирующих теорий, которая возникла в конце XX века. Она изначально полнилась энергией – причем в буквальном смысле слова, и ее приверженцы намеревались призвать всех остальных исследователей этой области знаний пересмотреть самые основы своих о ней представлений.