Новая история происхождения жизни на Земле - Киршвинк Джозеф - Страница 16

Существует еще один довод в пользу марсианской теории происхождения жизни, основанный на исследовании Дэвида Димера из Университета Калифорнии[77]. Одной из самых больших проблем в создании РНК является необходимость объединения многих сегментов, называемых нуклеотидами РНК, в длинный «полимер». Димер показал, что замораживание раствора с нуклеотидами вызывает их объединение по краям кристаллов льда. На Земле в древности не было льда. Но на полюсах Марса его было много, особенно на ранних стадиях, когда Солнце было менее ярким.

Возникновение жизни — представления 2014 года

Развитие наших представлений о том, как сформировалась из неживых соединений жизнь на Земле, во многом зависело от того, насколько успешно нам удавалось создавать жизнь в пробирке. Еще пять лет назад почти никак не удавалось. Но благодаря гарвардской группе ученых, возглавляемых Джеком Шостаком, мы теперь так близки к успеху, что общественность и представить себе не может[78]. Шостак и его коллеги экспериментировали с РНК на протяжении почти двух десятилетий. На Земле первичной молекулой, несущей информацию, была РНК или что-то очень близкое к ней, что потом развилось в РНК в ее современном виде. Шостак с командой сделал великое открытие именно в этой области.

Фокус в том, чтобы заставить нуклеотиды соединиться друг с другом в цепочки РНК. Объединить их значительно легче, чем заставить размножаться после объединения. Однако они это сделают, если в цепочку объединятся 30 и более нуклеотидов, поскольку с такой или большей длиной молекула РНК приобретает совершенно новое свойство — она становится катализатором, химическим соединением, которое убыстряет реакцию. А в нашем случае речь идет ни о чем ином, как о реакции репродуцирования молекулы РНК в две идентичные копии.

Чтобы создать цепочку РНК, состоящую не менее чем из 30 нуклеотидов, на (или в) Земле потребовалась, возможно, глинистая порода в качестве заготовки. Подходящей представляется монтмориллонитовая глина. Согласно этой гипотезе, отдельные нуклеотиды, растворенные в жидкости, сталкивались с глиной. Они становились слабо связанными с глиной и больше не перемещались. В некоторых местах глинистой породы образовывались скопления из 30 и более нуклеотидов. Поскольку связи с глиной были слабы, происходило отделение цепочек, и если возникала какая-то концентрация этих цепочек, то они объединялись в некий пузырь с насыщенной липидами жидкостью, что служило первой протоклеткой.

Двумя необходимыми для жизни компонентами являются клетка, способная к воспроизведению, и некая молекула, способная нести в себе информацию, а также служить катализатором для реакции, которая иначе — без этой молекулы — не произойдет. Если в клетку попадает достаточно новых компонентов для РНК, каталитическое действие РНК приводит к появлению еще большего количества РНК уже в самой клетке. В более ранних представлениях клетки и информационные молекулы формировались отдельно друг от друга, а затем сливались. Теперь понятно, что они развивались в тандеме.

Многие биологи утверждают, что жизнь появилась по-простому, вот так: «голая» молекула РНК плавала в бульоне из нуклеотидов и самовоспроизводилась. Но, согласно более распространенной точке зрения, клетки и РНК появились как единое целое — клетки с двойными стенками из жиров и нуклеотидами РНК внутри росли, поглощая все больше жиров и нуклеотидов. Последние могли проникать внутрь сквозь жировые стенки клеток, но более крупные объединенные нуклеотиды уже не могли пройти обратно наружу. На древней Земле было много веществ, которые могли реагировать друг с другом и создавать жировые молекулы, которые в свою очередь с готовностью объединялись в листы, а затем и шары.

Благодаря своим химическим свойствам скопления жировых молекул при физическом волнении легко создают полые сферы, так же как вода на короткий миг формирует маленькие капли на своей поверхности. Эти полые шары наполняются молекулами, которые могут производить РНК, если эти молекулы (то есть нуклеотиды) есть в растворе. Вот тут-то факт концентрации особенно важен, поэтому и аналогию с «бульоном» используют так часто: должно было существовать очень много нуклеотидов, заключенных в стенки протоклетки, чтобы возник шанс образования РНК. Если, конечно, у этой новой протоклетки не было такого свойства, которое позволило бы ей самой перемещать нуклеотиды из раствора внутрь себя.

Стенка клетки не только поглощала нуклеотиды. Она еще собирала все больше молекул-липидов и постепенно приобретала форму сосиски. В конце концов она расщеплялась, и появлялись две сферы, каждая — со своей долей РНК. И не только РНК, конечно, но и прочие молекулы, ведь чтобы существовать, клетке необходима энергия, которую могут вырабатывать другие внутриклеточные «машины»-молекулы. Таким образом, внутренняя среда клетки располагала множеством химических веществ, которые действовали определенным упорядоченным образом, чтобы обеспечить приток веществ внутрь клетки, ненужные молекулы выбрасывались наружу, а вокруг при этом должно было находиться множество молекул, пригодных для поглощения.

Вот на этом этапе и началась эволюция. Некоторые клетки могли размножаться быстрее, основываясь на качестве молекул, находящихся внутри. Таким образом возник естественный отбор, и завелся моторчик жизни в привычном для нас виде: клетки, которые автономны, имеют обмен веществ, воспроизводятся и эволюционируют. Все остальное, по знаменитому выражению Фрэнсиса Крика, стало историей.

Порог Дарвина

Первые земные клетки были как сборные домики, в которых все части изготовляются в разных местах, как самостоятельные секции, а затем свозятся в одно место. Транспортными путями могли служить вода или воздух. «Работа» последнего в этом качестве получила серьезное подтверждение в исследованиях по изучению органического материала в верхних слоях атмосферы последних, начиная с 2010 года, лет.

Самые ранние формы жизни, возможно, имели очень пористое строение стенок клетки, что позволяло пропускать целые геномы — этот процесс известен как горизонтальный перенос генов. Но пришло время, когда клеточные системы от недолговечных перешли к постоянным. Это момент биолог Карл Вёзе назвал «порогом Дарвина». Это период, когда уже можно различать виды в том смысле, в каком они понимаются сегодня, и когда начался естественный отбор, иными словами, эволюция. Естественный отбор предпочитал функционально более усложненные клетки, с большим количеством внутренних связей, чем у их простых предшественников, и более сложные виды распространились, поглотив простые, составленные из «модульных секций».

Современная земная жизнь началась в тот момент, когда закончились радикальные изменения генов. Исследователи ранних этапов эволюции, такие как Вёзе, считают, что достижение этой стадии организации крайне важно для жизни за всю историю ее эволюции. Те первые клетки наверняка не были однообразными, вероятно, существовали целые экосистемы, наполненные протоклетками самых разных свойств, вирусами, и кто знает, что там было еще в этой процветающей экосистеме жизни и околожизни: РНК-белковые организмы, РНК-ДНК-организмы, ДНК-РНК-белковые создания, РНК-вирусы, ДНК-вирусы, липидные протоклетки, белковые протоклетки — это было время самого большого разнообразия видов за всю историю Земли, возможно, 3,9 или 4,0 млрд лет назад. Хотя, согласно новейшему подходу, это было скорее позже, чем раньше 3,9 млрд лет назад. Естественный отбор отдавал очко в пользу лишь одного из тысячи возможных живых вариантов.

Нобелевский лауреат Кристиан де Дюв утверждал, что как только все ингредиенты и нужное количество энергии объединились вместе на древней Земле, жизнь возникла из неживого материала очень быстро. Возможно, за минуты.

Глава 5

От происхождения до кислородного насыщения:

3,5–2 миллиарда лет назад

Северо-западная часть Австралии — один из самых малонаселенных регионов мира. Эта территория почти равна по площади западной части США — от Скалистых гор до тихоокеанского побережья, и представляет собой гигантскую безводную пустыню, в основном «ржавого» цвета. Именно там находится очень важное для понимания истории развития жизни на Земле место — здесь были обнаружены самые древние (на сегодняшний день) формы жизни. Пилбара (так называется это место) пустынна, в ее древних холмах содержится много окисленного железа. Эта темно-коричневая земля служит ложем для останков форм древнейшей земной жизни. Красные холмы Пилбары сформированы большими массивами железной руды, и поэтому здесь располагается большое горнодобывающее производство, которое оставляет открытые карьеры, проникая в самую глубь железоносных слоев. Затем руда в основном уходит в Китай — так быстро, как только могут загрузиться многочисленные суда.