ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ: ПОИСК ПРОДОЛЖАЕТСЯ
Жизнь на Марсе и жизнь на Земле
Летом прошлого года средства массовой информации облетело сенсационное сообщение: американские ученые открыли жизнь на Марсе! Писали об этом, правда, столь невнятно, что специалисты разводили руками. Смущало и другое. Сообщение появилось меньше чем через месяц после окончания Международной конференции по проблеме происхождения жизни, проходившей во французском городе Орлеане. И на этой конференции не прозвучало никакого намека на подобное сенсационное открытие.
Невозможно представить, чтобы авторам открытия в момент проведения орлеанской конференции еще нечего было сообщить. Понятно, что такие открытия не делаются вдруг: они – итог длительной и кропотливой работы. Ученые обычно стараются в первую очередь информировать своих коллег, а уж потом – журналистов. Если, конечно, они озабочены поиском истины, а не выбиванием денег на научные программы. В данном случае, похоже, авторы сенсации преследовали вполне определенные цели. Косвенным подтверждением такого вывода может служить фраза о том, что сотрудники НАСА, “пользуясь моментом, развернули фронтовую атаку на Капитолий, добиваясь срочных ассигнований на научные программы” (“Известия” от 9 августа 1996 г.).
Знаменитая проблема “Есть ли жизнь на Марсе?”, похоже, волнует людей больше, чем вопрос “Как возникла жизнь на Земле?”. Может быть, с происхождением земной жизни все уже давно ясно? Ведь мы знаем из школьных учебников, что еще в 1924 г. советский ученый А.И.Опарин создал теорию происхождения жизни и что в 1953 г. американский ученый С.Миллер подтвердил эту теорию, доказав, что электрический разряд, пропущенный через смесь неорганических газов и паров воды, вызывает в ней образование аминокислот.
Остаются, правда, сторонники иной точки зрения. Они считают, что жизнь на Землю была занесена из Космоса (теория “панспермии”). Но большинство ученых, занимающихся происхождением жизни, отвергает этот взгляд. Во-первых, сторонники теории “панспермии” не объясняют, как возникла жизнь вне Земли. Во-вторых, пока нет свидетельств в пользу того, что живые организмы способны сохраняться при преодолении земной атмосферы.
Невозможно не упомянуть еще одно “научное направление”. С модой на религию пришла и мода на креационизм. Два года назад академик В.В.Струминский опубликовал в “Вестнике РАН” дискуссионную статью, в которой с помощью 12 теорем попытался ввести новое мировоззрение. В частности, одна из теорем гласила, что “живая материя и жизнь не могли появиться в процессе движения и преобразования мертвой материи”, и, таким образом, жизнь, по мнению этого специалиста в области аэродинамики, – продукт деятельности Высшего Разума. В заключение статьи академик, вероятно, чувствуя недостаточность своих аргументов, грозит противникам нового мировоззрения “карами Всевышнего в земной и неземной жизни”.
Происхождение земной органики
Но и с опаринской теорией дело обстоит не так благополучно, как это может показаться при чтении школьных учебников. Сам Опарин продолжал развивать свою теории до конца жизни (1980). По его инициативе возникло Международное общество по изучению проблемы происхождения жизни (ИССОЛ), которое регулярно проводит свои конференции. Конференция в Орлеане была одиннадцатой.
Одна из главных идей Опарина состоит в том, что жизнь возникла как результат химической эволюции соединений углерода. Подтверждением этой идеи и стал знаменитый опыт Миллера. Но беда в том, что Миллер использовал смесь восстановленных соединений – водорода, метана и аммиака. В то время полагали, что атмосфера Земли в момент, когда произошла жизнь, состояла из этих газов.
Позже стало ясно, что атмосфера Земли была нейтральной, то есть состояла в основном из азота и углекислого газа. Попытки получить органические соединения из этих газов с помощью электрического разряда или других источников энергии, которые могли действовать на первобытной Земле, пока не увенчались успехом.
Так что проблему происхождения органики на Земле еще нельзя считать полностью решенной. Есть разные подходы к ее решению. Одни исследователи (например, тот же Миллер) полагают, что на Земле всегда присутствовало хотя бы небольшое количество восстановленных газов (метан, окись углерода), из которых могли образоваться аминокислоты и другие необходимые для жизни соединения. Другие ищут пути образования этих соединений из углекислого газа и азота. Электрический разряд здесь не годится, необходимы другие источники энергии, например, энергия геоэлектрохимических процессов. В последнее время многие ученые склоняются к тому, что жизнь возникла не на поверхности океана, а в глубине, в зоне действия подводных вулканов.
Третья группа исследователей считает, что органика была занесена на Землю метеоритами. В отличие о теории “панспермии” такой поход вполне обоснован. В метеоритах действительно находят и аминокислоты, и многие другие органические соединения, образовавшиеся вне Земли. Подсчеты показывают, что количество органики, “упавшей” на Землю, сопоставимо с массой биосферы. Есть представления и о том, как эта органика могла образоваться в космосе.
Как возникли клетки
Образование простых органических соединений – лишь первый этап в возникновении жизни. Далее из них должны были возникнуть полимеры: линейные цепочки аминокислот и нуклеотидов. В этом направлении успехи ученых еще более скромны. Но наиболее сложным был и остается вопрос о том, как возникли первые клетки.
Опарин обсуждал возникновение протоклеток (предшественников полноценных клеток) на примере коацерватных капель. Но, как отмечал впоследствии сам Опарин, коацерваты, образованные из современных полимеров, – это лишь модель формирования протоклеток. Другие исследователи предложили новые модели: микросферы, маригранулы и т.п. Главная идея Опарина состояла в том, что для перехода химической эволюции в биологическую необходимо образование структур, фазово обособленных от окружающей среды.
Опарин считал, что протоклетки сформировались из полимеров, подобных белкам и нуклеиновым кислотам. Причем эти полимеры, возникшие в ходе химической эволюции, не могли быть специфичными (т.е. приспособленными для выполнения какой-либо функции). Специфичность должна была возникнуть уже в ходе естественного отбора протоклеток.
Однако вопрос о том, могли ли полимеры, подобные белкам и нуклеиновым кислотам, образоваться в ходе химической эволюции, остается открытым. В принципе нет необходимости считать, что первые протоклетки были обязательно построены из полимеров. Ведь согласно Опарину полимеры были неспецифическими, то есть выполняли просто роль барьера, отделяющего внутреннюю полость протоклетки от внешней среды. Такую же роль могли играть и другие вещества. Например, многие исследователи полагают, что первые протоклетки были сформированы из веществ, подобных липидам, и были похожи на липосомы. Правда, липосомы хорошо выполняют функцию барьера, но плохо – другую важную функцию современных биомембран: избирательный транспорт необходимых клетке веществ.
“Минеральная” гипотеза
Английский ученый А.Кэрнс-Смит проиллюстрировал проблему возникновения протоклеток красивым примером. Если мы хотим построить арку из камней, бесполезно пытаться просто соединять камни между собой. Арка – кооперативная система, ее устойчивость определяется взаимодействием всех элементов между собой. Чтобы построить такую систему, необходимо вначале использовать опору, а затем ее убрать.
Клетка – тоже кооперативная система, и для ее формирования тоже требовалась некая “опора”. Собственно говоря, неспецифические полимеры, о которых писал Опарин, – это один из вариантов такой “опоры”. А Кэрнс-Смит предположил, что “опорой” могли быть кристаллы глины. Далее он выдвинул гипотезу, что глина могла быть и носителем первичной генетической информации. Эта гипотеза не нашла поддержки у большинства ученых. Но идея о происхождении жизни “на минеральной основе” имеет своих приверженцев.
Глина и другие минералы давно привлекают внимание ученых, изучающих происхождение жизни. Предполагается, что они могли концентрировать образовавшиеся в океане органические вещества, а также катализировать синтез полимеров. Но сторонники идеи о происхождении жизни “на минеральной основе” предполагают большее.
Представим себе частицу глины размером в несколько микронов, пористую, богатую соединениями железа и других переходных металлов. Благодаря порам она легче воды и плавает по поверхности первобытного океана. Сорбируя липиды или аналогичные липидам молекулы, она покрывается оболочкой, подобной мембране. Поглощая простые органические молекулы, образовавшиеся в океане, она катализирует их дальнейшие превращения. А так как внутри частицы среда менее полярная, чем вода, то там легче идут процессы и синтеза, в частности, образования полимеров. Важно также то, что благодаря порам возникает возможность разделения процессов, поэтому внутри частицы протекают различные реакции, которые не могут идти одновременно в бесструктурной среде.
Такие гипотезы выдвигались еще в 80-х гг. советскими учеными М.Д.Нуссиновым и Л.Б.Меклером. Автор этих строк, развивая их идеи, предложил называть описанные выше частицы “регосомами”. Концепция “регосомы” лежит в общем русле теории Опарина и использует многие удачные идеи “минеральной” и “липосомной” концепций происхождения жизни.
Еще две большие и важные проблемы так же далеки от решения, как и проблема происхождения клетки. Это – возникновение генетического кода и хиральная чистота биополимеров. Но этим вопросам стоит посвятить отдельные статьи.
Разумеется, ученых волнует и проблема поиска следов внеземной жизни. Ведь закономерности процесса возникновения жизни должны быть везде одинаковы. И значит, там, где условия оказались такими же благоприятными, как на Земле, жизнь должна была возникнуть.
Понятно, что проблема происхождения жизни очень сложна. И над ее решением сообща трудятся представители многих областей науки: биохимики и биофизики, химики и геохимики, астрономы и палеонтологи, физики и математики. И значит, можно надеяться, что мы дождемся настоящей научной сенсации.
СЛОВАРИК ТЕРМИНОВ
КОАЦЕРВАТНЫЕ КАПЛИ (КОАЦЕРВАТЫ) – мелкие (несколько мкм) богатые коллоидными частицами капли, образующиеся при расслоении коллоидного раствора.
КООПЕРАТИВНАЯ СИСТЕМА - система, существующая за счет согласованного взаимодействия множества частиц (элементов системы).
КРЕАЦИОНИЗМ – концепция, рассматривающая жизнь как результат божественного творения.
ЛИПОСОМЫ – замкнутые пузырьки, образуемые липидами или липидоподобными молекулами.
МАРИГРАНУЛЫ – сферические частицы диаметром в несколько микронов, полученные японскими учеными при нагревании смеси аминокислот.
МИКРОСФЕРЫ – сферы диаметром около 10 мкм, полученные американским ученым С.Фоксом из протеиноидов (белковоподобных полимеров, образующихся при нагревании смеси аминокислот).
ПРОТОКЛЕТКИ - переходная ступень между неживой и живой материей, предшественники клеток, обладавшие некоторыми свойствами живых систем (в частности, способностью подвергаться естественному отбору).
А.Е. Любарев
Опубликовано в газете “Биология” (приложение к газете “Первое сентября”), № 20, май 1997