Вторая часть серии из трех статей об истории исследований происхождения жизни.
Будучи молодым студентом в России, Александр Опарин узнал о дарвиновской теории эволюции путем естественного отбора. Однако, несмотря на то, что это была убедительная теория о том, как развилась жизнь на Земле, она ничего не говорила о том, как она началась.
Опарин решил посвятить свою научную деятельность этой важной проблеме. В 1924 году он опубликовал небольшую книгу (на русском языке) с незамысловатым названием «Происхождение жизни». Вдохновленный Дарвином, Опарин в общих чертах изложил теорию химической эволюции.
Во-первых, Опарин заметил, что живые организмы в основном состоят из одних из самых распространенных во Вселенной элементов: углерода, водорода, кислорода и азота. Затем он предположил, что на ранней Земле окружающая среда была несколько иной, чем сегодня. В частности, он предполагал, что атмосфера состоит в основном из метана, аммиака, водорода и водяного пара. В то время это была совершенно новая идея. Наконец, он рассуждал о том, как эти различные элементы могли вступать в химические реакции под воздействием более высокой дозы ультрафиолетового излучения, достигавшего тогда Земли.
В результате этих химических реакций могли образоваться новые соединения, которые, в свою очередь, могли образовать еще более сложные соединения и так далее. В конце концов это может привести к некоторой форме конкуренции и отбора среди этих различных соединений, в результате чего те молекулярные сборки будут (вос)производиться быстрее всего или будут наиболее стабильными. Действительно, процесс истинной химической эволюции привел к появлению первых живых существ.
Поскольку книга Опарина вышла на русском языке, его теория поначалу оставалась неизвестной в западном мире. Однако удивительно похожая теория была независимо разработана британским ученым Дж. Б. С. Холдейном. Холдейн опубликовал свою собственную теорию в 1929 году в эссе, также озаглавленном «Происхождение жизни». Позже Холдейн полностью отдаст должное Опарину, который посвятил свою жизнь решению проблемы происхождения жизни, в то время как для самого Холдейна это было лишь одним из его многочисленных исследовательских интересов. Наряду с тем, что он самостоятельно представил первую настоящую научную теорию происхождения жизни, он также стал одним из основателей области математической популяционной генетики.
Опарин (слева) и Холдейн (справа)
В конце концов объединенные теории Опарина и Холдейна стали широко известны как гипотеза Опарина-Холдейна или, более ласково, как «теория первичных супов». Но потребовалось еще несколько десятилетий, прежде чем некоторые из этих идей удалось проверить экспериментально.
В 1953 году 23-летний американский аспирант Стэнли Миллер опубликовал в престижном журнале Science статью, в которой сообщил о проведенном им эксперименте. Вместе со своим научным руководителем, лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Юри, Миллер разработал аппарат для имитации того, что считалось атмосферно-океанской средой на ранней Земле. Пропуская пар через смесь метана, аммиака и водорода, электрические искры (имитация молнии) использовались для инициирования химических реакций. Оставив свой эксперимент на неделю, Миллер обнаружил в полученной смеси несколько аминокислот. Аминокислоты являются основными строительными блоками белков, незаменимых молекул в живых организмах.
Результаты Миллера оказали большое влияние на научное сообщество, поскольку они были расценены как экспериментальное подтверждение гипотезы Опарина-Холдейна. На протяжении многих лет Миллер продолжал работать над своим экспериментом, совершенствуя свой аппарат и совершенствуя свои методы. Его результаты подтвердили и другие ученые, независимо повторившие его эксперимент. В 1983 году, через пятьдесят лет после его первоначальной публикации, Миллер был награжден медалью Опарина Международным обществом по изучению происхождения жизни (ISSOL).
Стэнли Миллер
Эксперименты Миллера также подняли вопрос о том, какими на самом деле были условия на ранней Земле. Была ли исходная смесь Миллера правильной или хотя бы близкой? В настоящее время достаточно точно установлено, что Земля образовалась около 4,6 миллиарда лет назад. Примерно 4 миллиарда лет назад, в начале геологического периода, называемого архейским эоном, Земля достаточно остыла, чтобы образовались континенты. Самые ранние свидетельства жизни датируются 3,5-3,7 миллиарда лет назад. Хотя многое уже известно, точные условия в раннем архее, особенно в океанах и атмосфере, все еще являются областью активных исследований в области происхождения жизни. Интересно, однако, что результаты, подобные исходным Миллеру, также были получены с различными исходными смесями.
Введите Уотсона и Крика
В том же году, когда Миллер опубликовал свои результаты, исследователи Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали короткую статью в другом престижном журнале Nature. Уотсон и Крик предложили особую структуру молекулы, называемой дезоксирибонуклеиновой кислотой или ДНК. Уже предполагалось, что молекулы ДНК содержат генетическую информацию организма, которая передается из поколения в поколение. Но структура этой молекулы еще не была известна - и как она способна хранить генетическую информацию.
Реконструкция модели двойной спирали ДНК, построенной Уотсоном и Криком в 1953 году.
Уотсон и Крик предположили, что ДНК состоит из двух комплементарных нитей нуклеотидов, образующих двойную спиральную структуру. Таким образом, нуклеотиды являются основными строительными блоками ДНК, точно так же, как аминокислоты являются основными строительными блоками белков. Предложенная структура была критически основана на рентгеновском кристаллографическом изображении ДНК, полученном их коллегами Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом. В 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию за свое открытие. (До сих пор задаются вопросом, почему Франклин, умерший в 1958 году, не был включен в это признание.)
Теперь, когда структура ДНК известна, ученым не потребовалось много времени, чтобы выяснить, как она кодирует генетическую информацию. Как оказалось, ДНК транслируется в белки с помощью сложного молекулярного механизма. В частности, конкретная последовательность нуклеотидов в гене (участке ДНК) определяет конкретную последовательность аминокислот в белке. А конкретная последовательность аминокислот в белке определяет его химическую функцию. Например, один белок может стать частью мышечной клетки, а другой белок может помочь вам переваривать пищу и так далее.
Более того, некоторые белки становятся частью того же самого молекулярного механизма, который используется для трансляции ДНК в белок. Другими словами, существует круговая зависимость между ДНК и белками. Они оба нуждаются друг в друге, чтобы сформировать живую клетку. Из-за этого в течение нескольких десятилетий после открытий Миллера, Уотсона и Крика вопрос о происхождении жизни вращался вокруг проблемы курицы и яйца: что появилось раньше, ДНК или белок?
В конце концов стало общепризнанным, что ответ, вероятно, «ни то, ни другое». Как оказалось, есть еще одна важная молекула, участвующая в механизме трансляции ДНК-белка: рибонуклеиновая кислота или РНК. Как и ДНК, РНК состоит из нуклеотидов. Однако, в отличие от ДНК, РНК состоит всего из одной нити. Это позволяет ей быть химически более активной по сравнению с ДНК.
Сравнение одноцепочечной молекулы РНК и двухцепочечной молекулы ДНК с соответствующими нуклеотидами.
Из-за схожей структуры РНК также может хранить генетическую информацию, как и ДНК. А благодаря своим химически более активным свойствам РНК также может выполнять определенные химические функции, подобно белкам. Поэтому было вполне разумно предположить, что, возможно, РНК появилась раньше, чем ДНК и белки, но выполняла роль и тех, и других. Это предположение стало известно как гипотеза мира РНК - термин, введенный в одностраничную статью нобелевского лауреата Уолтера Гилберта в журнале Nature, опубликованную в 1986 году.
Эта гипотеза мира РНК быстро стала доминирующей в исследованиях происхождения жизни. Началась гонка за поиском или созданием самовоспроизводящейся молекулы РНК, т. е. такой молекулы РНК, которая может копировать себя сама, нуклеотид за нуклеотидом. Хотя в результате этой исследовательской программы было получено много интересного для науки, более 30 лет спустя такая самовоспроизводящаяся молекула РНК до сих пор не обнаружена.
Развитие других теорий
Несмотря на доминирование мировоззрения РНК, с годами разрабатывались и другие гипотезы и теории. Возможно, наиболее правдоподобным является то, что жизнь зародилась в гидротермальных источниках. Гидротермальный источник представляет собой трещину на дне океана, обычно вблизи границы тектонических плит, где геотермально нагретая вода поднимается в окружающую холодную воду. Эта горячая вода также богата всевозможными химическими веществами, полученными из горных пород и геотермальной активности в земной коре. Такое сочетание постоянного притока энергии и химических веществ вполне могло обеспечить подходящие условия для процесса химической эволюции в направлении строительных блоков жизни, таких как нуклеотиды и аминокислоты.
В 2008 году в одном из журналов Nature была опубликована обзорная статья некоторых из первых и наиболее известных исследователей теории. Совсем недавно была предложена альтернативная теория возникновения жизни в гидротермальных бассейнах горных пород на поверхности земли. В этом сценарии влажно-сухие циклы (например, циклы приливов или дождя и испарения) обеспечивают важную движущую силу для образования таких молекул, как РНК и белки.
Еще одна активная область исследований сосредоточена на мембранах. Все живое на Земле состоит из клеток, которые имеют четко выраженную границу в виде мембраны. Основными строительными блоками этих мембран являются липиды, такие как жирные кислоты. Как оказалось, при соответствующих условиях липиды спонтанно объединяются в слои, которые замыкаются сами на себя, образуя компартменты. Кроме того, эти липидные компартменты могут расти и даже делиться спонтанно. Это привело к идее липидного мира как начала (клеточной) жизни.
И мир РНК, и мир липидов сосредоточены главным образом на одном типе молекул. Однако пребиотическая химия была «беспорядочной» и включала в себя все виды молекул.
Вим Хордейк (@WanderingWim) описывает себя как «ученого-компьютерщика по образованию, эволюциониста по исторической случайности, академика вопреки здравому смыслу и профессионального странника по выбору». Его больше всего интересует стык вычислений и биологии, особенно в области возникновения, эволюции и происхождения жизни.