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

Подводя итог сказанному, нельзя не упомянуть одно удивительное свойство этой гипотезы: попытку одновременно объяснить появление сразу двух компонентов живого – и метаболических циклов, и компартментализации. Такой подход представляется куда более целостным, чем стремление собрать “все и сразу” на основе только РНК или только белков. Рассел рассматривает формирование чего-то, что гораздо больше напоминает полноценную клетку, и уже одно это делает его гипотезу лидером среди тех, что объясняют возникновение жизни на нашей планете. В XXI веке многие ученые, вдохновившись примером Рассела, отказываются от попыток добиться “всего и сразу” на основе молекул одного типа. Вместо этого они ищут способы получить все компоненты жизни одновременно. И даже если гипотеза Рассела окажется ошибочной, его работы, несомненно, уже легли в основу этого нового подхода.

Часть IV

Воссоединение

Вот клетка. Как и все подобные ей, она возникла от уже имевшейся клетки. Обобщая, мы можем сказать, что все клетки берут свое начало от одной клетки: около 4 миллиардов лет назад она была одинокой, единственной на всей планете Земля, а то и во всей Вселенной.

“Аннигиляция”, сценарий Алекса Гарленда

по мотивам романа Джеффа Вандермеера

Глава 12

Зеркальные отражения

Как мы убедились, на заре эпохи открытий, показавшей нам подлинную сложность устройства живого, ученые создали ряд новых гипотез возникновения жизни. Каждая из них сосредоточила свое внимание на одной определенной функции или на каком-то конкретном компоненте живого, считая, что именно этот аспект жизни возник первым. Остальные части живой клетки должны были присоединиться к нему позже. А еще мы убедились, что на самом деле подобные идеи не работают. Будь то гипотеза “вначале был белок” Фокса или Мир РНК – все эти простые системы так и не смогли стать по-настоящему похожими на жизнь. Настало время для нового подхода – подхода, позволяющего собрать все компоненты воедино. Важным шагом в этом направлении стала гипотеза щелочных гидротермальных источников, не лишенная, впрочем, некоторых недостатков.

Первые намеки на появление этого нового подхода появились в последнее десятилетие XX века, когда биохимики наконец взялись за одну очень коварную химическую проблему, неразрывно связанную с вопросом зарождения жизни. Эта проблема стала известна еще в XIX веке, и о ней прекрасно знали такие экспериментаторы, как Стэнли Миллер и Лесли Орджел. Однако попыток разобраться в ней с помощью экспериментов почти не предпринималось до самых 1990-х годов. Оставалась она в тени и когда расцвела теория щелочных гидротермальных источников, и когда бесследно растворился первичный бульон Опарина – Холдейна.

Проблема эта состоит в следующем. Каждый из нуклеотидов и почти любая аминокислота могут существовать в двух формах. Такие разновидности выглядят как зеркальные отражения друг друга – примерно как левая и правая ладони человека. Если все эти соединения имеют возможность образоваться естественным образом, то в результате мы всегда получаем смесь обоих в равных количествах. Но процессы жизни оказались привередливы: они используют одну – и только одну – из таких форм. Казалось бы, перед нами неразрешимый парадокс. Однако же решение было найдено и в дальнейшем открыло перед исследователями зарождения жизни новые горизонты.

Первые намеки на решение проблемы зеркально отраженных молекул связаны с именем французского физика Жана-Батиста Био. Био стал известен в 1803 году, ещё в двадцатидвухлетнем возрасте, когда описал космическое происхождение упавших на один небольшой город во Франции камней. Это описание положило начало активному изучению метеоритов[417]. Десять лет спустя Био уже вовсю занимался оптикой, то есть исследовал свет.

Его особенно заинтересовал поляризованный свет, отличающийся от обычного своими свойствами. Свет, исходящий из какого-то источника (скажем, лампы) и движущийся к вашим глазам, ведет себя как волна – наподобие той, которую можно пустить по натянутой веревке, подергав за ее конец. Как правило, свет колеблется сразу во всех направлениях: вверх-вниз, влево-вправо и т. д. Но в случае поляризованного света колебания волны происходят только в одной плоскости. Словно кто-то все их аккуратно повернул так, чтобы они приняли одно направление.

В 1815 году Био провел опыт, в котором освещал поляризованным светом различные вещества, в том числе раствор сахара в воде[418]. Выяснилось, что прошедший через них свет приобретает очень необычные свойства. Его поляризованные волны оказались повернуты по часовой стрелке (либо против нее) после взаимодействия как с раствором сахара, так и с некоторыми другими веществами. Каким-то неизвестным образом их молекулы “повернули” свет. Это и само по себе выглядело очень странно, но еще более странным оказалось то, что направление вращения менялось. Как так получилось, что свет поворачивал плоскость поляризации то по часовой стрелке, то в противоположном направлении? Складывалось впечатление, что сахар имеет две разновидности и те по-разному воздействуют на свет, хотя во всех остальных отношениях они идентичны.

Следующий важный шаг сделал в четвертом десятилетии XIX века Луи Пастер – это произошло за десять лет до его дебатов с Пуше о самопроизвольном зарождении (см. главу 1)[419]. Пастер изучал разновидности тартрата – это вещество тоже способно вращать плоскость поляризации света. Пастер получил кристаллы тартрата и скрупулезно их исследовал. Он выяснил, что такие кристаллы и вправду имеют две формы и различаются тем, направо или налево обращены некоторые из их граней. И хотя число этих граней было одинаковым, развернуть кристаллы так, чтобы они совпали, оказалось невозможно. Ситуация та же, что при попытке совместить левую и правую руки человека: мы никогда не добьемся их полного совпадения. Пастер сделал вывод о существовании двух разновидностей молекулы тартрата, которым каким-то образом удавалось быть “правыми” и “левыми”.

Объяснить это Пастер не смог[420]. В те времена химики ничего не знали о форме молекул: структуры ДНК и подобных веществ установили лишь век спустя. Под сомнением оставалась даже идея о том, что молекулы состоят из атомов. Понять результаты Пастера удалось лишь спустя четверть века. Верный ответ нашли двое работавших независимо молодых ученых, которые опубликовали свои исследования в 1874 году. Первым из них был Жозеф Ашиль Ле Бель, 27-летний химик из Франции.

Имя же второго поистине знаменито: это Якоб Хендрик Вант-Гофф-младший, голландский химик, которому в то время было всего двадцать два – он еще даже не обзавелся научной степенью. В 1901 году Вант-Гофф стал первым в истории лауреатом Нобелевской премии по химии[421].

И Ле Бель, и Вант-Гофф понимали, что решающую роль играют в этом случае именно атомы углерода[422]. Они знали, что каждый углерод может образовывать одновременно до четырех связей с другими атомами. В простейшем случае все четыре могут быть одинаковыми – скажем, водородами. У такой молекулы не может быть “правой” и “левой” версии. И в самом деле: молекула, в которой углерод находится в окружении 4 водородов, – это метан, а он поляризованный свет не вращает. В этом легко убедиться, нарисовав молекулу метана на бумаге ярким фломастером. Если потом перевернуть бумагу, то проступающее через нее изображение не изменится.

Теперь рассмотрим молекулу посложнее – глицин, самую простую аминокислоту. Атом углерода в центре его молекулы соединен с карбоксильной группой, аминогруппой и, что самое важное, с двумя водородами. Несмотря на более замысловатую структуру, глицин тоже имеет всего одну форму молекулы – никаких “правых” и “левых” разновидностей и поворота поляризованного света. Причиной тому являются два водорода. Имея две молекулы глицина, их всегда можно повернуть так, чтобы их структуры совпали. То же произойдет и в случае, если вы повторите трюк с бумагой: изображения окажутся идентичны.