Столетие исследованиям абиогенеза: великий квест продолжается

Жизнь — это удивительное явление. Она не только вызывает восторг, любопытство и эстетическое удовольствие, но и представляет собой притягательную загадку, которую человеческий ум неутомимо решает уже много веков. К началу XXI века биологи смогли очень многое узнать о живой материи и даже научиться ее остроумно использовать (для биотехнологий, медицины и не только), однако на месте разгаданных загадок всегда появляются все новые.

Примером сложных или даже нерешаемых задач науки о живом можно назвать проблему абиогенеза, то есть самопроизвольного образования живой клетки из исходно неживых компонентов.

Разумеется, возникновение Вселенной, живых существ и человека вызывала жгучий интерес у людей с древности, что породило множество замысловатых легенд и мифов-космогоний. Однако ученые, как ни странно, обратили свое внимание на проблему зарождения живого сравнительно недавно — лишь в прошлом веке, начиная с 1924 года, когда была впервые предложена концепция первичного бульона. Она положила начало череде гипотез, споров и экспериментов, за которыми стоят множество ярких личностей — самобытных ученых. Эту историю, которая длится вот уже сто лет, можно узнать благодаря только что вышедшей на русском языке книге Майкла Маршалла «Великий квест».

Книга Маршалла — это безусловно, научно-популярное издание в лучших традициях, из которого любитель биологии и химии (в том числе школьник) может почерпнуть много нового и полезного. В книге просто и увлекательно обсуждаются важные и отнюдь не простые концепции естественных наук — включая определение жизни, химические реакции, устройство клетки, процессы в ее мембране и даже ряд вопросов, касающихся астрономии и геологической истории Земли. При этом все они помещены в исторический контекст и описываются в связке с яркими персоналиями ученых, открывших или описавших их. Поэтому «Великий квест» — это не только научпоп, но и пример хорошей беллетристики, которая живым языком описывает хитросплетение человеческих судеб.

Разумеется, Майкл Маршалл начинает рассказ с хрестоматийного первичного бульона Александра Опарина, колоритного советского биохимика с противоречивой биографией. Согласно его гипотезе, первые подобия клеток — коацерваты — возникли сами по себе в древнем океане, который представлял собой насыщенный горячий раствор органики. Удивительно, но впервые свое предположение Опарин высказал не в научном труде, а в скромной научно-популярной брошюре. Она была озаглавлена «Возникновение жизни» и вышла в 1924 году.

Хорошие идеи порой витают в воздухе — и потому могут прийти разом в две светлые головы (или более). Так случилось и в этот раз — спустя всего пять лет ничего не знавший об Опарине британский эволюционист и генетик Джон Бердон Сандерсон Холдейн (или попросту JBS) опубликовал собственную, очень близкую гипотезу абиогенеза. Однако в ней больший акцент сделан на самокопирование протоклеток, а не их обмен веществ. С тех пор эта гипотеза носит имена обоих ученых, Опарина—Холдейна.

Таковы первые научные (хотя и чрезвычайно наивные по современным меркам) взгляды не абиогенез. Однако именно они вдохновили множество других, более сложных гипотез, и в самом скором времени — один простой эксперимент, ставший легендарным. В 1952 году совсем юный и не слишком успешный аспирант Стенли Миллер под руководством нобелевского лауреата Гарольда Юри решил воссоздать в лаборатории условия на юной Земле. Для этого потребовались всего лишь две запаянные колбы, две трубки, нагреватель и генератор электрических разрядов. 

Результаты поразили всех, включая мировую прессу и самих ученых. За считанные часы и дни из метана, воды, водорода, аммиака и угарного газа (самых что ни на есть неорганических соединений) экспериментаторы получили целый ряд аминокислот — тех самых, из которых состоят все белки. 

Однако сейчас понятно, что эффектный и чрезвычайно удачный эксперимент Миллера—Юри не воспроизводит условия на ранней Земле. Первичная атмосфера не была настолько восстановительной и имела другой газовый состав. Значит, и простого образования аминокислотного коктейля на ней скорее всего не происходило.

После этого настал черед Сидни Фокса, энергичного биохимика из США. Тот стремился вывести простую методологию Миллера и Юри «нагреть и посмотреть, что выйдет» на следующий уровень и добиться самопроизвольной сборки белков из свободных аминокислот. Полученные протеиноиды Фокса обладали целым рядом удивительных свойств, в том числе ускоряли химические реакции, однако они очень мало походили на белки и едва ли были прародителями живой клетки.

Тем временем биология перешла на новый уровень развития: в 1953 году мир узнал о структуре и механизмах работы ДНК — главного хранилища генетической информации и основе всего живого. Теперь исследователям абиогенеза приходилось разбираться еще и с самопроизвольным появлением этой уникальной биомолекулы…

В итоге в рядах исследователей абиогенеза, который ранее казался простым и почти понятым процессом, наступил хаос и даже раскол. Возникли непримиримые конкурирующие лагери — сторонников первичности белков, ДНК или липидной мембраны и так далее. Наступил кризис, однако, как это часто бывает в подобных ситуациях, кризис обернулся открывшимися возможностями.

Пришло время новых смелых предположений и новых действующих лиц. Среди них Майкл Маршалл удостоил внимания Грэма Кернса-Смита, шотландского химика и художника с непростой судьбой. Кернс-Смит обратил внимание на хрупкость и капризность биологических молекул, которые даже в условиях лабораторной пробирки быстро разрушаются. Как же они смогли уцелеть на юной Земле — раскаленной и выжженной ультрафиолетом? Это вдохновило Кернса-Смита на «глиняную гипотезу» — согласно ей, первые «организмы» представляли собой глину, обладающую свойствами живого, в том числе способную копировать себя.

Следующая необычная гипотеза — «сульфидный мир» Гюнтера Вэхтерсхойзера, немецкого химика-патентоведа и приятеля философа науки Карла Поппера. Полагая первоосновой жизни метаболизм, Вэхтерсхойзер задался вопросом: откуда черпала энергию самая древняя живая клетка? Ученый предположил, что ее источником могла быть широко распространенная на Земле и выделяющая много тепла реакция образования пирита, известного также как сульфид железа (II) и «золото дураков». На кристалле пирита, по мысли Вэхтерсхойзера, как раз и разворачивались первые события в истории жизни на Земле. 

К идеям Вэхтерсхойзера примыкают взгляды Майкла Рассела и его единомышленников — так называемых «глубоководников». Согласно их гипотезе щелочных гидротерм, первая жизнь обзавелась метаболизмом посреди насыщенных соединениями серы и другими солями горячих вод белых курильщиков. Это уникальные потоки на дне океана, возникающие не у срединно-океанических хребтов (как черные курильщики), а в местах, где происходит серпентинизация — специфическое преобразование горных пород. Несмотря на загадочность и  привлекательность гипотезы гидротерм, в настоящее время ее все чаще называют несостоятельной.

Наконец, нельзя не упомянуть прославленный Мир РНК — гипотезу абиогенеза, согласно которой жизнь началась с чистой РНК. Это предположение вполне оправдано, ведь молекула рибонуклеиновой кислоты может выполнять множество функций — от каталитической до кодирующей — и порой успешно заменяет собой ДНК и белки. Однако энергичные попытки ученых воспроизвести эту «прародительскую РНК» с основными свойствами живого так и не принесли результата.

К тому же Мир РНК не объясняет, как происходила эволюция, то есть отбор отдельных протоклеток с определенными свойствами — ведь он не предполагает изоляции скоплений молекул друг от друга. Чтобы справиться с этим ограничением, ученые предложили гипотезы первичной пиццы и первичного майонеза. Согласно первой, изолированные скопления биомолекул возникали в глине, согласно второй — в пузырьках из жироподобных соединений.

Подводя итог, нам стоит признать, что великий квест — попытки человечества узнать тайну зарождения жизни — отнюдь на завершен и в наши дни. Однако нет сомнений, что в этом вопросе наметился большой прогресс, связанный с новым подходом — с ним исследователи абиогенеза связывают особые надежды. Он предполагает, что все основные компоненты клетки — нуклеиновые кислоты, белки и липидные оболочки — возникли одновременно, были вместе с самого начала и помогали друг другу уцелеть в не самых уютных условиях юной Земли. 

Более того, первые клетки тоже могли быть не вполне автономны, иметь проницаемую оболочку и жить своеобразной «коммуной». Не исключено, что благодаря этому они обменивались друг с другом продуктами обмена и получали взаимную поддержку. 

Итак, исследования зарождения жизни имеют богатую вековую историю, и история эта продолжается. Познакомиться с ней — а заодно узнать много любопытного о ее основных действующих лицах — можно на страницах книги Майкла Маршалла «Великий квест». Читателю предстоит встреча с замечательными учеными, исследователями абиогенеза и не только. Он может подняться в Альпы в компании Луи Пастера, держащего в руках колбу с мочой и свекольным соком; вместе с экипажем научно-исследовательского суда «Кнорр» открыть в темных глубинах океана небывалую жизнь гидротерм; вместе с британским школьником Роджером Мейсоном случайно обнаружить древние остатки многоклеточного существа и многое другое. 

Все эти истории, пережитые вместе с учеными — «гениями и чудаками» согласно оригинальному заглавию книги — заставляют науку ожить и дают понять, до чего же это увлекательное занятие.