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

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].

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.