Текст книги "Тайна появления жизни на Земле (ЛП)"
Автор книги: Майкл Маршалл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 3 страниц)
Тайна появления жизни на Земле
1. Первые эксперименты
2. Раскол в рядах учёных
3. В поисках первого репликатора
4. Энергия протонов
5. Так как же всё-таки создать клетку?
6. Великое объединение
Тайна появления жизни на Земле
Оригинал статьи на BBC. Автор Michael Marshall. Перевод выполнен Ильёй Хель, для hi-news.ru.
Сегодня жизнь завоевала каждый квадратный сантиметр Земли, но когда планета только сформировалась, она была мертвым камнем. Как и когда произошел знаковый переход? С чего началась жизнь? Едва ли можно придумать более серьезный, большой и сложный вопрос. На протяжении большей части истории человечества никто не сомневался в том, что это дело богов. Любое другое объяснение было немыслимым.
Больше нет. За последнее столетие многие ученые пытались выяснить, с чего могла начаться первая жизнь. Они даже пытались воссоздать момент Сотворения в своих лабораториях: создать совершенно новую жизнь с нуля. Пока никому это не удалось, но мы прошли долгий путь. Сегодня многие ученые, изучающие происхождение жизни, уверены, что они на верном пути – и у них есть эксперименты, которые подкрепляют их уверенность в этом.
Это история наших попыток выяснить наше истинное происхождение. Это история одержимости, борьбы и блестящего творчества, которые привели к некоторым из величайших открытий современной науки. Стремление понять истоки жизни посылало мужчин и женщин в самые отдаленные уголки нашей планеты. Некоторых ученых считали дьяволами во плоти, другие же продолжали работать под пятой жестоких тоталитарных правительств.
Это история рождения жизни на Земле.
На самом деле динозавры жили не так давно
Жизнь стара. Динозавры – самые известные вымершие создания – появились 250 миллионов лет назад. Но жизнь появилась намного, намного раньше.
Древнейшим из известных окаменелостей порядка 3,5 миллиарда лет, в 14 раз больше, чем самым старым динозаврам. Но окаменевшая летопись может уводить нас еще дальше. К примеру, только в августе 2016 года ученые обнаружили окаменелых микробов, которым 3,7 миллиарда лет.
Этим волнистым узорам может быть 3,7 миллиарда лет
Сама Земля ненамного старше, ей 4,5 миллиарда лет.
Если предположить, что жизнь образовалась на Земле – что представляется разумным, учитывая, что мы до сих пор не нашли ее в другом месте, – то это должно было произойти в тот миллиард лет, который протекал между формированием Земли и появлением самых старых известных окаменелостей.
Сужая диапазон времени возможного появления жизни, мы можем делать обоснованные предположения о том, как это произошло.
Древо жизни: больше всего бактерий и архей
С 19 века биологи знают, что все живые существа состоят из «клеток»: крошечных мешочков живой материи, которые бывают разных форм и размеров. Впервые клетки были обнаружены в 17 веке, благодаря изобретению первых микроскопов, но потребовалось более ста лет, чтобы понять, что они были основой всей жизни.
Вы, конечно, не похожи на сома или тираннозавра, но микроскоп покажет, что вы сделаны практически из тех же клеток. Как и растения, и грибы. Но пока что самой многочисленной формой жизни являются микроорганизмы, состоящие из одной клетки. Бактерии – самая известная группа, их можно найти всюду на Земле.
В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: в некотором смысле фамильного древа каждого живущего вида. Почти все ветви представлены бактериями. Более того, форма этих ветвей говорит о том, что бактерии были общим предком всей жизни. Другими словами, каждое живое существо – включая вас – произошло от бактерий.
Выходит, мы можем точнее определить проблему происхождения жизни. Используя только материалы и условия, которые были на Земле 3,5 миллиарда лет назад, мы должны сделать клетку.
Насколько сложно это будет?
Целая живая клетка
1. Первые эксперименты
На протяжении почти всей истории никто не считал нужным задаваться вопросом, как появилась жизнь, поскольку ответ казался очевидным. До 1800-х годов большинство людей верили в «витализм». Это интуитивное представление, что живые существа наделены особым, магическим свойством, которое отличает их от неодушевленных предметов.
Витализм часто связывался с религиозными убеждениями. Библия говорит, что Бог использовал «дыхание жизни», чтобы оживить первых людей, и бессмертная душа является формой витализма.
Только вот есть одна проблема. Витализм – это полная чушь.
К началу 1800-х годов ученые обнаружили несколько веществ, которые казались уникальными для жизни. Одно из таких соединений было мочевиной, которую обнаружили в моче и выделили в 1799 году. Только это все так же укладывалось в концепцию витализма. Только живые существа были в состоянии производить эти химические вещества, поэтому они, видимо, были заряжены энергией жизни и это делало их особенными.
Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер нашел способ делать мочевину из распространенного химического вещества, цианата аммония, который не имел очевидную связь с живыми существами. Другие последовали его примеру, и вскоре стало ясно, что химические вещества жизни можно сделать из более простых химических веществ, не имеющих ничего общего с жизнью.
Фридрих Вёлер, немецкий химик
Это был конец для витализма в качестве научной концепции. Но людям оказалось трудно расстаться с этой идеей. Очень многим казалось, что говорить, что в химических вещества жизни нет ничего «особенного», это как отнимать у жизни ее магию, делать ее механической или бездушной. Ну и, конечно же, это противоречило Библии.
Даже ученые пытались спасти витализм. Еще в 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо проталкивал теорию «биотической энергии», которая была тем же витализмом, но с другим названием. У этой идеи был сильный эмоциональный подтекст.
Да и сегодня, впрочем, эта идея порой всплывает тут и там. Например, существует множество научно-фантастических историй, в которых «энергию жизни» можно увеличить или высосать. Вспомните «энергию регенерации», используемую Повелителями Времени в «Докторе Кто». Кажется необычным, но это очень и очень старая идея.
Тем не менее после 1828 года ученые получили здравые причины искать «безбожное» объяснение первого появления жизни. Но не искали. Казалось бы, эту тему нужно исследовать, но по факту тайну происхождения жизни игнорировали десятилетиями. Возможно, все еще были слишком привязаны к витализму, чтобы сделать следующий шаг.
Чарльз Дарвин показал, что вся жизнь произошла от одного общего предка
Вместо этого гигантским прорывом в биологии 19 века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и другими.
Теория Дарвина, изложенная в «Происхождении видов» в 1859 году, объяснила, как все это разнообразие жизни могло появиться из единственного общего предка. Каждый отдельный вид теперь уже не был создан Богом, а произошел от древнего организма, который жил миллионы лет назад: последний универсальный общий предок.
Эта идея оказалась чрезвычайно противоречивой, опять же, потому что не сходилась с Библией. Дарвин и его идеи оказались под шквалом атаки, отчасти возмущенных христиан.
Теория эволюции ничего не говорила о том, как появился самый первый организм.
Дарвин считал, что жизнь появилась в «маленьком теплом пруду»
Дарвин знал, что это глубокий вопрос, но – возможно, опасаясь новых нападок со стороны церкви – осмелился обсудить его лишь в 1871 году. Приподнятый тон письма показывает, что он знал глубокое значение этого вопроса:
«Но если бы (и ох какое это большое «если бы») мы могли представить себе небольшой теплый пруд со всеми видами аммиака и фосфорной соли – со светом, теплом, электричеством – в котором химически образовалось бы белковое соединение, готовое пройти через еще более сложные изменения…»
Другими словами, что если когда-то был небольшой водоем, наполненный простыми органическими соединениями и купающийся в солнечном свете? Некоторые из этих соединений, возможно, в совокупности образовали бы полуживое вещество вроде белка, который мог бы начать развиваться и становиться все более сложным.
Эта идея была поверхностной. Но она легла в основу первой гипотезы появления жизни.
Что любопытно, эта гипотеза появилась в СССР.
Александр Опарин жил и работал в СССР
Во времена Сталина все было под контролем государства. Даже идеи людей, биологов, не связанных с коммунистической политикой. Что примечательно, Сталин фактически запрещал ученым изучать обычную генетику. Вместо этого он продвигал идеи фермера Трофима Лысенко, которые, по его мнению, больше соответствовали коммунистической идеологии. Ученые, работающие в области генетики, были вынуждены публично поддерживать идеи Лысенко, чтобы не оказаться в лагерях.
Именно в такой репрессивной среде Александр Опарин проводил свои исследования в области биохимии. Он мог работать, поскольку был преданным коммунистом: поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина, высшую награду времен СССР.
В 1924 году Опарин опубликовал свою работу «Происхождение жизни». В ней он изложил свое видение зарождения жизни, которое было поразительно похоже на маленький теплый пруд Дарвина.
Океаны сформировались после того, как Земля остыла
Опарин пытался представить, какой была Земля после формирования. Поверхность была обжигающе горячей, поскольку на нее падали камни из космоса. Мешанина из полурасправленных пород, содержащих огромный спектр химических веществ, в том числе и на основе углерода.
В конце концов Земля остыла достаточно, чтобы водяной пар конденсировался в жидкую воду и пошел первый дождь. Он наполнил земные океаны, которые были горячими и богатыми углеродсодержащими химическими веществами. То, что нужно для жизни.
Сначала различные химические вещества взаимодействовали между собой с образованием множества новых соединений, некоторые из которых были сложными. Опарин предположил, что молекулы, важнейшие для жизни, сахара и аминокислоты, могли образоваться в водах Земли.
Затем некоторые химические вещества начали формировать микроскопические структуры. Много органических веществ не растворяется в воде: к примеру, масла образуют слой поверх воды. Но когда некоторые из этих веществ контактируют с водой, они образуют сферические шарики «коацерваты», которые могут быть до 0,01 сантиметра в поперечнике.
Если вы взглянете на коацерваты через микроскоп, они ведут себя весьма подвижно, как живые клетки. Они растут и меняют форму, иногда делятся на две части. Они также могут вбирать химические вещества из окружающей воды, поэтому в них могут оказаться подобные жизни химвещества. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.
Пятью годами позже, в 1929 году, английский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн независимо предположил очень похожие идеи в короткой статье, опубликованной в Rationalist Annual.
К тому времени Холдейн уже немало внес в теорию эволюции, помогая интегрировать идеи Дарвина в развивающуюся науку о генетике.
Английский генетик Дж. Холдейн
Как и Опарин, Холдейн описал, каким образом органические вещества могли бы накапливаться в воде, «пока первобытные океаны не дошли бы до консистенции горячего разбавленного супа». Это подготовило бы почву для «первых живых или полуживых вещей», которые сформировались и оказались в тонкой масляной пленке.
Показательно, что среди всех биологов мира только Опарин и Холдейн дошли до этого. Мысль о том, что живые организмы могут образоваться в процессе простых химических реакций, без бога или даже «жизненной силы», была радикальной. Как и теория эволюции Дарвина до нее, она тоже была плевком в лицо христианства.
Но в рамки СССР вписывалась отлично. Советский режим был официально атеистическим, а его лидеры с радостью поддерживали любые материалистические объяснения глубоких явлений вроде жизни. Холдейн тоже был атеистом и еще и коммунистом в придачу.
«В то время принятие или непринятие идеи зависело главным образом от человека: был ли он религиозным, поддерживал ли левые или коммунистические идеи», говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян из Университета Оснабрюк в Германии. «В Советском Союзе их принимали с радостью, потому что им был не нужен Бог. В западном мире, если взглянуть на людей, которые мыслили в этом направлении, все они были левыми, коммунистами и так далее».
Мысль о том, что жизнь сформировалась в первичном бульоне органических веществ, стала гипотезой Опарина-Холдейна. Она была аккуратной и убедительной, но была одна проблема. Ее не поддерживали никакие экспериментальные доказательства. И так продолжалось почти четверть века.
Гарольд Юри
К тому времени, когда Гарольд Юри стал интересоваться происхождением жизни, он уже получил Нобелевскую премию по химии 1934 года и помог построить атомную бомбу. Во время Второй мировой войны Юри работал над Манхэттенским проектом, собирая нестабильный уран-235, необходимый для сердечника бомбы. После войны он боролся, чтобы сохранить ядерные технологии под контролем граждан.
Также он заинтересовался химией космоса, в частности тем, что происходило во времена формирования Солнечной системы. Однажды он прочитал лекцию и отметил, что в атмосфере Земли, вероятно, не было кислорода, когда она впервые сформировалась. Это стало идеальным дополнением к первичному бульону Опарина и Холдейна: хрупкие химические вещества могли быть уничтожены при контакте с кислородом.
Докторант по имени Стэнли Миллер был в аудитории, а затем подошел к Юри с вопросом: можно ли проверить эту идею? Юри был скептичен, но Миллер настоял на своем. Поэтому в 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент на тему происхождения жизни.
Эксперимент Миллера-Юри
Настройки были простыми. Миллер соединил серию стеклянных колб и пустил по ним четыре химических вещества, которые могли присутствовать на ранней Земле: кипящая вода, газообразный водород, аммиак и метан. Затем он подверг газы многократному воздействию электрического тока, чтобы имитировать удары молнии, которые были обычным явлением на Земле в те времена.
Миллер обнаружил, что «вода во флаконах стала значительно розовее после первого дня, а к концу недели раствор стал красным и мутным». Очевидно, образовалась смесь химических веществ.
Проанализировав смесь, Миллер обнаружил, что в ней есть две аминокислоты: глицин и аланин. Аминокислоты часто называют строительными блоками жизни. Они используются для образования белков, которые управляют большинством биохимических процессов в наших телах. Миллер сделал два важнейших компонента жизни буквально с нуля.
Результаты были опубликованы в престижном журнале Science в 1953 году. Юри поступил весьма необычно для старших ученых, сняв свое имя с работы и отдав все лавры Миллеру. Несмотря на это, исследование часто называют «экспериментом Миллера-Юри».
Стэнли Миллер в лаборатории
«Сила Миллера-Юри в том, что вы можете произвести множество биологических молекул просто из атмосферы», говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания.
Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли была другой смесью газов. Но это не меняет факта. Эксперимент удался, простимулировал воображение публики и разлетелся на цитаты.
После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение тайны происхождения жизни, казалось, вот-вот появится.
Но потом выяснилось, что жизнь была сложнее, чем кто-либо думал. Живые клетки были не только мешками с химическими веществами: они были сложнейшими крошечными машинами. Внезапно создание клетки с нуля оказалось гораздо более сложной задачей, чем думали ученые.
2. Раскол в рядах учёных
К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь была подарком богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь на ранней Земле сформировалась стихийно и естественно – и благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи.
Пока Миллер пытался сделать материал жизни с нуля, другие ученые выясняли, из каких генов она состояла. К тому времени многие биологические молекулы стали известны. Сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты вроде «дезоксирибонуклеиновой кислоты», или ДНК, если коротко.
Сегодня мы уже привыкли к тому, что ДНК переносит наши гены, но для биологов 1950-х годов это было шоком. Белки более сложные, поэтому ученые думали, что они являются генами.
В 1952 году эту идею опровергли Альфред Херши и Марта Чейз из Института Карнеги в Вашингтоне. Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и которые должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они и выяснили, что в бактерию попадает вирусная ДНК, а белки остаются снаружи. Очевидно, именно ДНК была генетическим материалом.
Выводы Херши и Чейз запустили бешеную гонку по выяснению структуры ДНК и как она работает. В следующем же году эту проблему решил Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон из Университета Кембриджа в Великобритании – при неоценимой помощи их коллеги Розалинды Франклин.
Их открытие стало одним из величайших научных открытий 20 века. Оно также преобразило поиск происхождения жизни, раскрыв невероятную сложность, которая скрывалась внутри живых клеток.
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик с их моделью ДНК
Крик и Уотсон поняли, что ДНК представляет собой двойную спираль, как винтовая лесенка. Два «полюса» лестницы выстраивались молекулами-нуклеотидами.
Эта структура объяснила, каким образом клетки копируют свою ДНК. Другими словами, она раскрыла, как родители делают копии своих генов и передают детям.
Ключевой момент в том, что эту двойную спираль можно «распаковать». Это обнажает генетический код, состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, которые обычно заперты в ступеньках лесенки ДНК. Каждая цепочка затем используется как шаблон для воссоздания копии.
С помощью этого механизма гены передавались от родителей к ребенку с самого начала жизни. Ваши гены были переданы древней бактерией – и на каждом шагу копировались, используя механизм, обнаруженный Криком и Уотсоном.
Крик и Уотсон изложили свои выводы в статье в Nature в 1953 году. Следующие несколько лет биохимики пытались выяснить точно, какую информацию переносит ДНК и как эта информация используется в живых клетках. Впервые сокровенные тайны жизни были выставлены напоказ.
Оказалось, что ДНК делает только одну работу. Ваша ДНК говорит клеткам, как делать белки: молекулы, которые выполняют важнейшие задачи. Без белков вы не могли бы переваривать пищу, ваше сердце остановилось бы и дышать было бы невозможно.
Но процесс использования ДНК для создания белков оказался чрезвычайно запутанным. Это стало большой проблемой для любого, кто пытается объяснить происхождение жизни, поскольку трудно представить, как что-то настолько сложное вообще могло появиться само по себе.
Каждый белок представляет собой длинную цепь аминокислот, соединенных в определенном порядке. Последовательность этих аминокислот определяет трехмерную форму белка, а значит, и его назначение.
Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому когда клетке нужно сделать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот.
Но есть нюанс. ДНК очень ценная, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасности. Поэтому они копируют информацию из ДНК на короткие молекулы другого вещества, РНК (рибонуклеиновая кислота). Если ДНК – это библиотечная книга, то РНК – это клочок бумаги с важной выдержкой. РНК подобна ДНК, только у нее всегда одна цепь.
И, наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле под названием «рибосома». Этот процесс протекает в каждой живой клетке, даже у простейших бактерий. Он так же необходим для жизни, как еда и воздух. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица – ДНК, РНК и белок рибосомы – появилась и начала работать.
Клетки могут быть невероятно сложными
И внезапно идеи Опарина и Холдейна уже кажутся наивными и простыми, а эксперимент Миллера, который произвел несколько аминокислот, и вовсе дилетантским. Его исследование было лишь первым шагом на длинной дороге.
«ДНК заставляет РНК делать белок, и все это в закрытом мешочке химических веществ», говорит Джон Сазерленд. «Вы смотрите на это и поражаетесь тому, насколько это сложно. Что нам делать, чтобы найти органическую химию, которая будет делать все это за один раз?».
Первым человеком, который попытался прямо ответить на этот вопрос, стал английский химик Лесли Оргел. Он одним из первых увидел модель ДНК Крика и Уотсона, а позже помог NASA с программой «Викинг», по которой на Марс были отправлены посадочные модули.
Оргел намеревался упростить задачу. В 1968 году, при поддержке Крика, он предположил, что первая жизнь не имела белков или ДНК. Вместо этого она почти полностью была сделана из РНК. В таком случае первичным молекулам РНК приходилось быть особенно универсальными. С одной стороны, они должны были уметь создавать копии самих себя, по-видимому, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК.
Идея того, что жизнь началась с РНК, оказала колоссальное влияние. И разразила научную войну, которая продолжается по сей день.
ДНК лежит в основе всех живых существ
Предположив, что жизнь началась с РНК и кое-чего еще, Оргел по сути предположил, что один из важнейших аспектов жизни – ее способность воспроизводить себя – появился до всех остальных. В некотором смысле он предположил не только, как жизнь появилась: он предположил кое-что о самой сути жизни.
Многие биологи согласны с идеей Оргела «сперва воспроизводство». В дарвиновской теории эволюции способность производить потомство находится в центре: это единственный способ для организма «выиграть» – оставить после себя детей.
Но у жизни есть и другие функции, которые кажутся одинаково важными. Самая очевидная – это метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания своей жизни. Для многих биологов метаболизм определяет первичную суть жизни, а воспроизводство уже потом.
Поэтому начиная с 1960-х годов в рядах ученых, изучающих происхождение жизни, наблюдается раскол.
«Основное разделение представляло собой «сперва метаболизм» против «сперва генетика», говорит Сазерленд.
Между тем третья группа поддерживает гипотезу о том, что сперва появился контейнер для ключевых молекул, который не позволял им расплываться. «Компартментализация должна была появиться первой, поскольку нет смысла проводить метаболизм, если ты не компартментализован», говорит Сазерленд. Другими словами, должна была быть клетка – как подчеркивали Опарин и Холдейн за несколько десятков лет до этого – возможно, закрытая мембраной из простых жиров и липидов.
Все три идеи приобрели сторонников и сохранились до наших дней. Ученые страстно поддерживали свои идеи, иногда даже совершенно слепо. Неразбериха в рядах ученых достигла апогея, а журналисты, сообщающие о результатах, одни часто говорили, что «другие ученые тупые» или еще хуже.
Благодаря Оргелу, идея начала жизни с РНК освежила движение к разгадке. Затем наступили 1980-е, а вместе с ними произошло открытие, которое в значительное степени подтвердило идею Оргела.
РНК может быть ключом к началу жизни
3. В поисках первого репликатора
Итак, после 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые из них были убеждены в том, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточились на важности генетики и репликации. Эта последняя группа начала выяснять, как мог бы выглядеть первый репликатор, подразумевая, что он был сделан из РНК.
Уже в 1960-е годы ученые имели основания полагать, что РНК была источником всей жизни.
В частности, РНК может делать кое-что, чего не может ДНК. Это одноцепочечная молекула, поэтому, в отличие от жесткой, двухцепочечной ДНК, она может складывать себя в целый ряд различных форм.
Похожая на оригами, складывающаяся РНК в целом напоминала по поведению белки. Белки тоже в основном представляют длинные цепи – только из аминокислот, а не нуклеотидов – и это позволяет им создавать сложные структуры.
Это ключ к самой удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Такие белки известны как ферменты.
Множество ферментов можно найти у вас в кишках, где они разбивают сложные молекулы из пищи на простые типа сахаров, которые могут использовать ваши клетки. Без ферментов жить было бы невозможно.
Лесли Оргел и Фрэнсис Крик начали кое-что подозревать. Если РНК может складываться как белок, возможно, она может и образовывать ферменты? Если бы это было правдой, то РНК могла бы быть оригинальной – и универсальной – живой молекулой, хранящей информацию, как это делает сейчас ДНК, и катализирующей реакции, как это делают некоторые белки.
Это была прекрасная идея, но за десять лет она не получила никаких доказательств.
Томас Чех, 2007 год
Томас Чех родился и вырос в штате Айова. Еще ребенком он был очарован горными породами и минералами. И уже в младших классах средней школы он заглядывал в местный университет и стучался в двери геологов с просьбой показать модели минеральных структур.
Однако, в конце концов, он стал биохимиком и сосредоточился на РНК.
В начале 1980-х годов Чех и его коллеги по Университету Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм Tetrahymena thermophila. Часть ее клеточного механизма включает цепи РНК. Чех обнаружил, что отдельный сегмент РНК каким-то образом оказался отделен от остальных, словно его вырезали ножницами.
Когда ученые убрали все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать молекулярными ножницами, РНК продолжала выделываться. Так они нашли первый фермент РНК: короткий участок РНК, который способен вырезать себя из длинной цепи, частью которой является.
Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая группа ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент). Обнаружение двух ферментов РНК одного за другим указывало на то, что их должно быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начала выглядеть солидно.
Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт также стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека.
В 1986 году Гилберт написал в Nature, что жизнь началась в «мире РНК».
Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую деятельность, необходимую для сборки самих себя в бульон нуклеотидов». Копируя и вставляя различные биты РНК вместе, молекулы РНК могли создавать еще более полезные последовательности. Наконец, они нашли способ создавать белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни, которую мы имеем.
«Мир РНК» – это элегантный способ собрать сложную жизнь с нуля. Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна за всех» молекула могла сделать всю работу.
В 2000 году гипотеза «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств.
Рибосома делает белки
Томас Стейц провели 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру рибосомы.
Рибосома есть в каждой живой клетке. Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, чтобы сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую часть вашего тела.
Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК была каталитическим ядром рибосомы.
Это было важно, так как рибосома фундаментально важна для жизни и при этом очень древняя. Тот факт, что эта важнейшая машина была построена на РНК, сделал гипотезу «мира РНК» еще более правдоподобной.
Сторонники «мира РНК» восторжествовали, а в 2009 году Стейц получил долю Нобелевской премии. Но с тех пор ученые начали сомневаться. С самого начала у идеи «мира РНК» было две проблемы. Могла ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? Могла ли она образоваться на ранней Земле?
Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли твердых доказательств, что РНК может выполнять все, что от нее требует теория. Это маленькая умелая молекула, но она может не уметь всего.
Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была быть способна делать копии себя: она должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся.
Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Им нужен батальон ферментов и других молекул, чтобы создать копию или кусочек РНК или ДНК.
Поэтому в конце 1980-х годов несколько ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно.
Джек Шостак
Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, кто принял в этом участие. В детстве он был так очарован химией, что завел лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка.
В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа бесподобна», говорит он. «В принципе, вполне возможно, что РНК катализирует собственное воспроизводство».
В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который может строить короткую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов. Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли.
