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

Однако все это – лишь первые шаги, и до настоящего метаболизма пока еще очень далеко. Даже простой метаболический путь Вуда – Льюнгдаля (самый первый в истории жизни, по мнению Билла Мартина) является куда более сложным. Сегодня еще трудно сказать, может ли в принципе подобный процесс происходить в протоклетках.

Хотя Шостаку и не удалось создать жизнь “с нуля” (как, впрочем, не удалось это и никому другому), глупо отрицать важность его работы на концептуальном уровне. Предполагая, что простые протоклетки могли иметь мембрану, нуклеиновые кислоты (хотя и не содержащие генов), а возможно, и метаболизм, Шостак стимулирует объединение трех гипотез, долгое время рассматривавшихся лишь по отдельности.

Однако первым такое предположение выдвинул не Шостак – что признает и он сам[481]. Историю этой идеи можно проследить до 1970-х годов, когда венгерский биолог-теоретик Тибор Ганти предложил модель “хемотона”, представляющую собой самую простую форму живого. Ход мысли двух этих ученых на удивление сходен, однако труды Ганти долгие годы оставались без внимания – они дождались признания лишь во второй половине 1990-х.

Ганти, родившегося в 1933 году, с раннего возраста интересовала природа и в том числе вопрос о том, чем живая материя отличается от неживой[482]. Решив, что ответ ему подскажет химия, он стал химиком-инженером и с 1958 по 1974 год проработал промышленным биохимиком, параллельно изучая микробиологию. (Он даже нашел время написать первый в Венгрии учебник по молекулярной биологии.)

В 1971 году за авторством Ганти вышли “Основы жизни” (The Principles of Life), где он впервые описал свою модель хемотона[483]. К сожалению, книга была издана только на венгерском языке. Впрочем, и в самой Венгрии его идеи встретили лишь “полное безразличие, непонимание, насмешки и неприязнь”, как утверждает его ученик и последователь Эрш Сатмари[484]. Однако это первое описание все равно было неполным, и через несколько лет Ганти опубликовал новую версию[485]. Вторая его книга увидела свет в 1979-м и была переведена на английский, но ее вновь проигнорировали[486]. И лишь в 1995 году, когда Сатмари подробно рассказал о работах Ганти в своей получившей известность статье об истории эволюции, о хемотоне наконец-то заговорили[487]. В 2003 году книга “Основы жизни” вышла на английском языке. После этого идеями Ганти заинтересовались всерьез.

В основе концепции хемотона – мысль о том, что по отдельности гены, метаболизм и состоящие из мембран протоклетки имеют очень ограниченные возможности. Сутью жизни следует считать взаимодействие всех трех компонентов[488]. В то время большинство исследователей зарождения жизни были заняты выделением подсистем в составе живого, надеясь, что одна из них сама по себе окажется простой формой жизни. Ганти же, напротив, рассматривал элементарный организм как совокупность всех трех компонентов[489]. Именно так он представлял себе самую простую систему, которую можно назвать живой.

Модель Ганти описывает метаболическую систему в виде способного поддерживать себя цикла из химических реакций. Эти реакции повторяются вновь и вновь и создают компоненты других наиболее важных систем живого: генов и мембраны. Гены, в свою очередь, зашифрованы в последовательности какой-то длинной молекулы (скорее всего, РНК). Они способны копировать себя, соединяя в цепочки маленькие молекулы; при этом в качестве побочного продукта образуются компоненты мембраны. Это последнее обстоятельство может казаться несущественным, но в действительности оно чрезвычайно важно, поскольку сообщает о главенствующей в этой системе роли генов. Чем выше скорость самокопирования генов, тем быстрее идет образование мембраны, – оба процесса продолжаются до тех пор, пока протоклетка не будет готова к делению на две.

Если считать хемотон элементарной формой жизни, то Шостак уже сейчас на две трети создал ее в своей лаборатории. Он получил самокопирующиеся гены, находящиеся внутри образованной мембраной протоклетки, а также нашел способ связать этот процесс с делением протоклетки. Единственный недостающий элемент – это метаболизм, отстающий в развитии от других компонентов протоклетки (именно поэтому она, по Ганти, не может считаться по-настоящему живой).

Как же встроить метаболизм в протоклетки Шостака?[490] Ожидать, что настолько простые структуры способны создать все свои компоненты из самых доступных химических соединений, пожалуй, не стоит. Но, возможно, им под силу создать некоторые из этих компонентов – либо научиться синтезировать какие-то особо значимые молекулы вроде простых белков. Не исключено, что РНК могли приобрести способность поглощать энергию солнечного света и использовать ее для синтеза своих новых копий[491]. Теоретическое моделирование показывает, что подобный “метаболический репликатор” способен превзойти лишенную метаболизма РНК[492]. С другой стороны, есть данные о том, что наборы молекул РНК могут разрушать отдельные собственные цепочки и создавать из их фрагментов рибозимы[493]. Также не исключено, что в протоклетках возможны те метаболические реакции, о которых говорили Вэхтерсхойзер и Мартин. Рассматривается и идея о том, что первые клетки использовали в качестве источника энергии цепочку связанных фосфатов, а не более “современный” АТФ (см. главу 11).

Но, возможно, мы излишне все усложняем. По своей сути регуляция метаболизма – это способ организма контролировать происходящие в нем химические реакции, “включая” одни реакции и “выключая” другие. А для этого необходимо иметь катализаторы, которые избирательно ускоряют отдельные химические превращения. В современных организмах такими катализаторами служат ферменты. Но ведь многие ферменты имеют в своей основе нечто предельно простое: отдельные атомы или кластеры атомов металлов. Одна из таких структур представляет собой конструкцию из железа и серы. В 2017 году Клаудиа Бонфио и ее группа (куда входил и Шостак) показали, что такие железо-серные кластеры могут присоединиться к простым белкам, находящимся внутри протоклеток[494]. Сочетание железа и серы наводит на мысль о Железо-серном Мире Гюнтера Вэхтерсхойзера, о котором мы говорили в главе 10.

Все эти пути развития теоретически кажутся перспективными, но на практике связаны со сложностями. Именно поэтому попытки предсказать, когда именно ученые смогут создать полноценный хемотон, представляются нелепыми. И все же хемотон – это не неосуществимая мечта. Такая максимально упрощенная клетка стала бы наиболее реалистичной из всех моделей первого организма на Земле, когда-либо созданных человеком.

Можно задаться вопросом: если существование подобной минимальной клетки возможно, то почему ее никто и никогда не видел? Ведь даже самая простая бактерия имеет сразу сотни генов и организована неизмеримо сложнее, чем протоклетки Шостака. Наверное, дело в большей пластичности и устойчивости сложноорганизованных организмов. При таких условиях протоклетки-хемотоны могли бы выдержать конкуренцию только с другими протоклетками-хемотонами – если бы те уже не были давно и безжалостно уничтожены организмами посложнее. Несколько проведенных Шостаком опытов действительно свидетельствуют о том, что имеющие более высокую организацию протоклетки выходят победителями из соревнования с собратьями попроще.

Не стоит также забывать, что наши знания о мире микробов по-прежнему остаются очень поверхностными. Наиболее информативной иллюстрацией этого является, пожалуй, открытие гигантских вирусов. Уже из названия понятно, что они намного крупнее обычных вирусов: некоторые из них сравнимы по размеру с клетками бактерий. Такие огромные вирусы впервые описали в 2003 году, хотя первый из них (известный сейчас как Mimivirus) обнаружили еще в 1992-м, ошибочно приняв тогда за бактерию[495]. В отличие от большинства вирусов, эти гиганты имеют довольно много генов, среди которых есть и те, что кодируют машинерию, нужную для “прочтения” генов и синтеза белков[496]. Для самовоспроизводства им тоже необходимо проникнуть в живую клетку, но во всех прочих отношениях они являются чем-то средним между вирусами в привычном понимании и клетками. Возможно, когда-то они были клетками, перешедшими к паразитическому образу жизни; возможно – просто устроенными вирусами, которые постепенно эволюционировали и стали сложнее; а возможно, гигантские вирусы – это нечто совершенно своеобразное[497]. Пока что трудно говорить определенно, но несомненно одно: гигантские вирусы делают границу между живым и неживым еще более размытой. В каком-то смысле они устроены сложнее, чем хемотон, хотя их неспособность к самостоятельному размножению все же заставляет отнести их к неживым объектам[498]. Ну и разумеется, существование гигантских вирусов расширяет наши представления о самых простых формах жизни.