Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?

Еще полвека назад размышления о происхождении жизни считались уделом «престарелых ученых, которые могут позволить себе просто сидеть в кресле и рассуждать». Сегодня экспериментальным изучением этой проблемы заняты сотни научных коллективов. Их впечатляющие успехи позволяют надеяться, что не за горами тот день, когда все этапы долгого и трудного пути от неживой материи к простейшему живому организму можно будет воспроизвести в лаборатории.

Журнал Science начал публикацию серии эссе, посвященных 200-летию Чарльза Дарвина и 150-летию выхода в свет его главного труда — «Происхождения видов». Первое эссе, написанное известным американским популяризатором науки Карлом Циммером (Carl Zimmer), рассказывает о проблеме происхождения жизни — предмете, о котором сам Дарвин почти ничего не написал, поскольку не располагал необходимыми данными. Хотя, разумеется, эта проблема не могла его не волновать.

Из дарвиновской теории следовало, что сходство в строении организмов во многих случаях объясняется их происхождением от общего предка. Но для вывода о едином происхождении всего живого во времена Дарвина данных было еще недостаточно. Обосновать наличие у всех пород домашних голубей общего предка — дикого голубя — было сравнительно легко; труднее было сделать такой же вывод обо всём классе птиц; ну а для того, чтобы постулировать общее происхождение таких далеких друг от друга групп организмов, как животные и растения, в те времена нужно было обладать немалой научной смелостью. Однако Дарвин рискнул сделать этот шаг. В заключительной части «Происхождения видов» он отметил, что «...на основании принципа естественного отбора, сопровождаемого дивергенцией признаков, представляется вероятным, что от какой-нибудь подобной низкоорганизованной и промежуточной формы могли развиться как животные, так и растения; а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы».

Представления Дарвина о родстве всего живого опирались на известные в то время факты («...все живые существа имеют много общего в их химическом составе, в их клеточном строении, в законах их роста и в их чувствительности по отношению к вредным влияниям...», там же). Однако последние сомнения в правильности дарвиновской догадки отпали лишь во второй половине XX века, когда обнаружилось, что все живые существа имеют один и тот же аппарат наследственности и генетический код. Сегодня мало кто сомневается в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка, уже имевшего такой наследственный аппарат и генетический код. Вопрос лишь в том, откуда этот предок взялся.

Сам Дарвин, по-видимому, почти не надеялся, что эту тайну когда-нибудь удастся разгадать. В некоторых изданиях «Происхождения видов» он даже упоминает о Творце, предположительно «вдохнувшем» жизнь в первый живой организм. Но это, однако, могло быть и не совсем искренней уступкой господствовавшим взглядам. Сохранились письма Дарвина коллегам и друзьям, из которых видно, что он склонялся к идее абиогенеза — самопроизвольного зарождения первых живых существ из органических соединений, как-то образовавшихся на древней Земле из неорганических веществ. Однако он полагал, что эту догадку едва ли удастся проверить, потому что в наши дни любое самопроизвольно образовавшееся «в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и т. д.» органическое вещество немедленно будет съедено и переварено живыми организмами — чего, конечно, не произошло бы в те времена, когда жизнь еще не зародилась.

Скептическое отношение к возможности разгадать тайну зарождения жизни сохранялось довольно долго. По словам Хендерсона Кливса (Henderson James Cleaves) из института Карнеги в Вашингтоне, еще лет 50 назад попытки разгадать тайну происхождения жизни считались уделом «престарелых ученых в конце их карьеры, когда они могут просто сидеть в кресле и рассуждать». Вспомним, как Н. В. Тимофеев-Ресовский ехидно отвечал на вопросы о происхождении жизни: «Я тогда маленький был, не помню, вы спросите лучше у академика Опарина, он знает».

Насмешки начали постепенно сходить на нет после экспериментов Стэнли Миллера, которому удалось в 1953 году синтезировать аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав древней атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии. Позже, однако, значение экспериментов Миллера было поставлено под сомнение. Согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере древней Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Миллера. В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не хотел. Эту проблему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его коллегам. Они обнаружили, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые вполне могли присутствовать в первичной атмосфере.

Кроме того, молнии были далеко не единственными производителями органики на древней Земле. На сегодняшний день известны еще по крайней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники.

В целом на сегодняшний день абиогенный синтез простых органических веществ — «строительных блоков» для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, — уже не является проблемой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), а также другие важные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться первые репликаторы — молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.

Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий. Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие эксперты признали необходимость поиска обходных путей.

На сегодняшний день удалось нащупать два таких пути. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК , ТНК и ГНК. Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности».

Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в которой будут разрешены основные проблемы синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции хорошо идут при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. Если такой водоем время от времени подвергается высыханию, это может сильно ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся мелких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», возможно, был недалек от истины.

Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению. Однако и эта проблема постепенно решается. Очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья опубликована 8 января на сайте журнала Science.

Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго — для этого нужно только исправно снабжать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», то есть исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в благоприятных условиях вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.

В отличие от прежних опытов, в которых удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК, в данном случае процесс идет без участия белковых ферментов. Единственное, что не позволяет назвать этот результат окончательным решением проблемы самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, то есть с довольно длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.

Таким образом, между результатами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из простой органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.

В заключительной части эссе Циммер рассказывает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных поглощать «пищу» (нуклеотиды) из окружающей среды и осуществлять репликацию РНК или ДНК. Команда ученых из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки используют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью осуществить весь цикл репликации РНК (они выполняют только отдельные этапы этого процесса). Однако исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и размножались, но и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал?

Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы превращения косной материи в простейший живой организм.

Источники : 1) Carl Zimmer. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. 2009. V. 323. P. 198–199.

2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science. Published online January 8, 2009.

(Александр Марков elementy.ru)

Ещё в разделе

Биологи проследили эволюцию генных сетей дрозофилы

Биологи проследили эволюцию генных сетей дрозофилы

Команда ученых смогла проследить, как происходят изменения активности генов плодовой мушки дрозофилы в течение ее жизни.

Размер живых существ увеличивался скачками

Размер живых существ увеличивался скачками

Со времени появления жизни на Земле максимальный размер живых организмов увеличился на 16 порядков. Рост данного показателя приурочен в основном к двум коротким периодам: около 1,9 млрд лет назад (вскоре после появления эукариотической клетки) и 0,6–0,45

Обезьяны познали ценность денег

Обезьяны познали ценность денег

Орангутанги способны познать ценность денег и даже купить друг другу еду, в случае если такой "обмен" бананами будет равноценным, обнаружили шотландские учёные во главе с доктором Валери Дюфур (Valerie Dufour) из университета Сент-Эндрю

Ученые: эволюция происходила скачками

Ученые: эволюция происходила скачками

Американские ученые утверждают, что эволюция на Земле не была постепенным процессом, а усложнение организмов произошло в результате двух скачков, связанных с геологическими изменениями на планете.

Эволюция обошла пурпурную лягушку стороной

Эволюция обошла пурпурную лягушку стороной

Согласно теории эволюции, все животные развиваются, однако есть и такие, для которых процесс эволюции давно остановился. Пурпурная лягушка относится как раз к такому виду животных.

Кладбище мутантов. Древние люди уничтожали клонов

Кладбище мутантов. Древние люди уничтожали клонов

- Кости мутантов находили в слоях грунта, датируемых от 13 тысяч до 180 тысяч лет назад. Но, учитывая, что здесь была вырыта яма, можно думать, что кладбище появилось примерно 13-20 тысяч лет назад.

Ученые сравнили ДНК человека и шимпанзе

Ученые сравнили ДНК человека и шимпанзе

6 миллионов лет назад пути-дороги обезьян и людей разошлись. Насколько далеко? Это попытались выяснить исследователи британского института Сенгера.

Ученые переписали эволюцию птиц

Ученые переписали эволюцию птиц

Группа ученых из разных стран в результате пятилетнего исследования составила новое эволюционное дерево птиц.

Противники эволюционной теории озаботились правами учителей

Противники эволюционной теории озаботились правами учителей

В журнале Science опубликованы комментарии по поводу очередного витка сражений за легализацию преподавания креационистской версии эволюции в учебных заведениях.

История насекомых продолжается в глубь времени

История насекомых продолжается в глубь времени

История развития насекомых таит в себе множество загадок. Ученые до сих пор точно не знают, как и почему насекомые научились летать, однако пытаются восстановить по этапам этот процесс.

Окаменелости отбрасывают назад происхождение ключевых групп растений на миллионы лет

Окаменелости отбрасывают назад происхождение ключевых групп растений на миллионы лет

Палеоботаники, исследующие место у Мертвого моря, обнаружили удивительную связь между сегодняшними хвойными лесами в Южном полушарии и невообразимо отдаленным временем, разорванным глобальным катаклизмом. Изысканно сохранившиеся окаменелости растений показывают подокарпы, группу древних вечнозеленых растений, включающую древесину Желтого дерева Южной Африки (Podocarpus latifolius)  и красную сосну Новой Зеландии, которые процветали в Пермский период более 250 миллионов лет назад.

Обнаружены еще родственники динозавров

Обнаружены еще родственники динозавров

Группа ученых, в которую вошли представители из разных стран в том числе и с России, смогла доказать, что щелезубы – семейство млекопитающих из отряда насекомоядных – сохранились на нашей планете со времен древних ящеров. Установить этот факт удалось после анализа ДНК вышеупомянутого животного.

Карликовые головоногие моллюски «приписали» себе еще один вид

Карликовые головоногие моллюски «приписали» себе еще один вид

Биологи Ян-Мари Страгнел (Jan Maree Strugnell) из Университета Джеймса Кука и Мэнди Рейд (Mandy Reid) из Исследовательского института Австралийского музея смогли обнаружить и описать новый вид карликовых головоногих моллюсков, принадлежащих к отряду сепиолид.

Климатические условия отрицательно сказались на насекомых

Климатические условия отрицательно сказались на насекомых

Благодаря последнему исследованию удалось выяснить, что в связи с повышением средней температуры воздуха размеры тела у многих видов жуков начинают уменьшаться. Нет информации о том, как продолжался этот процесс на протяжении последних столетий, но стало известно, что за почти полвека длина тела у многих крупных жуков уменьшилась на 20%.

Появились новые космические путешественники

Появились новые космические путешественники

В одном авторитетном издании появилась статья о том, что вирусы способны путешествовать в космосе. До настоящего момента было принято считать, что вышеупомянутой способностью обладают только бактерии или археи. И теперь, по мнению ученых, наступило время поговорить о новом научном направлении – астровирусологии.

Эволюция человека: популярный «стереотип» – сломан!

Эволюция человека: популярный «стереотип» – сломан!

Группа ученых из Института Макса Планка и Гавайского университета в Маноа, после проведенного исследования, пришла к выводу, что древние Homo sapiens несколько раз покидали Африку и смешивались с другими гоминидами.

Имел ли тирекс уникальное смертельное оружие

Имел ли тирекс уникальное смертельное оружие

Палеонтолог Стивен Стэнли (Steven Stanley) из Гавайского университета в Маноа уверен, что маленькие передние лапы одного из самых страшных ящеров прошлого – тираннозавра, выполняли роль так называемой «машины для убийства». Ученый утверждает, что именно этими миниатюрными лапками динозавр наносил своей жертве смертельные раны.

Уникальная находка китайских ученых открыла новые грани в эволюции деревьев

Уникальная находка китайских ученых открыла новые грани в эволюции деревьев

Китайские ученые нашли несколько прекрасно сохранившихся окаменелостей деревьев, возраст которых составляет около 390 млн. лет. По всем признакам деревья принадлежали к вымершему классу кладоксилопсидов. Главным отличием этих растений, были внешние – по форме они напоминали грибы. Кроме того, были и отличия в строении, в частности, речь идет о структуре водопроводящих тканей.

Новое открытие в эволюции организмов

Новое открытие в эволюции организмов

Группа ученных из разных стран под руководством Ричарда Ленски опровергла общепринятую гипотезу, следуя которой эволюция прекращается, после максимального приспособления вида к окружающей среде. Говоря иными словами – после достижения эволюционного оптимума.

Английские палеонтологи нашли уникальные останки

Английские палеонтологи нашли уникальные останки

Палеонтологами из Бирмингемского университета были найдены останки древнего морского ящера – ихтиозавра. Уникальность находки состояла в том, что в животе ящера находилось огромное количество кальмаров. Исследователи полагают, что животное могло умереть в результате переедания. Ученые представили материалы своего исследования в одном из авторитетных научных изданий.

Оценка:

Alexander 14.01.2009 01:28

"Сегодня мало кто сомневается в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка" -

Чушь полнейшая! Миллиарды людей во всем мире не доверяют теории эволюции, не смотря на то, что так усиленно ее преподают в школах. Здравый смысл подсказывает, что на столько сложное существо как животное или человек не могло произойти в результате мутаций и естественного отбора, а имеет Создателя.

Пускай ученные сделают самую примитивную живую клетку имея все химические элементы! А все их сегодняшние результаты экспериментов доказывает на сколько все чудно создано Творцом.

Георгий 06.01.2013 18:34

Многие общие положения теории А.И. Опарина качественно согласуются с термодинамической теорией происхождения жизни и биологической эволюции. Несомненно, свою теорию зарождения жизни и эволюции А.И. Опарин хотел согласовать с законами термодинамики. Однако для этого необходимо было осознать «закон временных иерархий» и «принцип стабильности вещества», которые в его время были неизвестны. Сегодня можно утверждать, что А.И. Опарин выбрал правильный путь разработки общей модели зарождения жизни и ее эволюции.