проект «Новой газеты» и сайта postnauka.ru
Александр МАРКОВ
Вопрос о происхождении жизни относится к числу самых важных и актуальных проблем естественных наук. Когда-то давно наши предки не видели никакой проблемы, потому что считалось, что жизнь самопроизвольно зарождается из неживой материи. Потом это предположение было опровергнуто, в том числе известными опытами Пастера, и стало ясно, что сама собой живая материя из неживой так просто не образуется: скажем, в грязном белье или в протухшем бульоне.
П
еред учеными, которые не хотели включать гипотезу о сверхъестественном в естественнонаучные теории, встала нелегкая задача — объяснить, каким же образом возникло такое удивительное явление, как жизнь. В середине XIX века еще не умели получать органические вещества из неорганических, поэтому многие считали, что существует какая-то химическая непреодолимая пропасть: что есть органические вещества, которые встречаются только в живых организмах, и есть неорганическая, неживая природа, и превратить неорганическую химию в органическую невозможно. Но уже в начале второй половины XIX века удалось синтезировать из неорганики липиды, а потом наш великий химик Бутлеров открыл реакцию синтеза сахаров, углеводов из формальдегида, знаменитую автокаталитическую реакцию Бутлерова. И стало ясно, что этой грани нет, что органические вещества можно получить из неорганических. Дальше, естественно, встал вопрос: в каких естественных природных обстановках, в каких ситуациях на ранней Земле или, может быть, еще раньше, в космосе могли синтезироваться органические вещества? Прежде чем мы перейдем к рассмотрению деталей такого (абиогенного) синтеза, стоит сказать об основных этапах процесса абиогенеза, какими они сейчас представляются. Первый этап — это синтез простой органики из неорганических соединений. Второй этап — это синтез уже более сложных органических соединений, которые могли стать «кирпичиками» первой жизни (таких, например, как рибонуклеотиды). Третий этап — это формирование из этих «кирпичиков» первых репликаторов, то есть химических систем, которые способны катализировать синтез собственных копий (автокаталитический процесс) и при этом обладают тем, что биологи называют наследственной изменчивостью (это совершенно необходимое условие для начала жизни). Про любой автокаталитический процесс можно условно сказать, что в нем присутствует размножение. Даже реакция Бутлерова — это автокаталитическая реакция, которая выглядит как размножение. То есть мы берем некую реакционную смесь, добавляем в нее катализатор — простой углевод, и дальше углеводы начинают там «размножаться». Они катализируют синтез собственных копий, используя формальдегид в качестве пищи. Сахара получаются разные, то есть и изменчивость тоже присутствует. Проблема в том, что эта изменчивость не наследуется, потому что состав смеси продуктов на самом деле практически не зависит от катализаторов. Если бы в результате случайности синтезировался какой-то новый сахар, например рибоза, и она бы начала избирательно катализировать синтез именно рибозы, и если в результате случайности получится глюкоза, и она бы стала катализировать
РИА Новости
доктор биологических наук, Палеонтологический институт РАН
Жизнь могла зародиться в небольшом теплом пруду Открываем тайны добиологической эволюции синтез глюкозы — это уже было бы подобием наследственной изменчивости, которая в данной реакции отсутствует. Для того чтобы стартовала жизнь, способная развиваться на основе дарвиновского эволюционного механизма, должна была появиться система с размножением и наследственной изменчивостью, то есть первый репликатор. Четвертый этап процесса абиогенеза — это появление всего остального. Системы синтеза белка, системы транскрипции, трансляции, рибосомы, клетки с их клеточными оболочками — это все могло появиться позже. Исследователи предполагают, что с появлением первого репликатора уже стартовал дарвиновский эволюционный механизм, который благодаря наследственности, изменчивости и избирательному размножению тех вариаций, которые обладают лучшей способностью к размножению, за счет естественного отбора может совершенствовать живую систему. На сегодняшний момент доказано, что синтез простой органики из неорганических соединений может происходить в самых разнообразных естественных обстановках. Даже не обязательно это должно происходить на какой-то планете, этот синтез может происходить и в космосе, в протопланетном облаке1, на ранних стадиях формирования Солнечной системы. Катализаторами могут служить частицы, содержащие железо и никель, и может образовываться простая органика. Кроме того, в 1953 году американцы Стэнли Миллер и Гарольд Юри показали в эксперименте, что органические вещества, такие как аминокислоты, могут образовываться в смеси газов, имитирующей предполагаемый состав атмосферы древней Земли, если через эту смесь пропускать электрические разряды, которые имитируют молнии. В 60-е годы эти эксперименты были продолжены, в смесь газов добавили такие соединения, как цианистый водород, и получили азотистые основания, которые входят в состав ДНК и РНК. Возникли проблемы, связанные с тем, что в этих экспериментах не добавляли углекислый газ (CO2) в смесь, а позже геологи пришли к выводу, что в ранней атмосфере Земли углекислого
газа было достаточно много, а он затрудняет реакции. Однако выяснилось, что в некоторых вулканических газах, которые постоянно извергаются из недр, состав вполне миллеровский. Кроме того, стало известно, что хороший естественный реактор для производства органики — это разного рода гидротермальные источники, которые находятся в срединно-океанических хребтах. В 2012 году появились работы, которые показали, что наиболее вероятным местом, где шел синтез органических веществ и где могла зародиться жизнь, были мелководные континентальные водоемы с геотермальными источниками. В таких водоемах ионный состав раствора больше подходит для формирования первых живых существ, чем морская вода. Эти открытия заставляют вспомнить известное письмо Дарвина к своему другу, где он предположил, что жизнь могла самозародиться в каком-нибудь небольшом теплом пруду. При рассмотрении процесса синтеза из простейшей органики более сложных органических соединений, из которых могли потом образоваться первые химические репликаторы, встает проблема избирательности этого органического синтеза. Мы знаем, что существуют разные стереоизомеры2 у аминокислот и у сахаров, которые входят в состав важнейших биополимеров, скажем, в ДНК и РНК сахара правые, а в белках аминокислоты — левые, тогда как в большинстве реакций этого абиогенного синтеза получаются правые и левые формы3. Эта задача долго казалась очень сложной и неразрешимой, но потом для нее нашли довольно простые решения. 1 Протозвездное облако — сгусток межзвездного газа и пыли, из которого в результате сжатия под действием собственной гравитации образуется звезда и планетная система вокруг нее. 2 Стереоизомеры — изомеры, которые обладают идентичной химической структурой, но которые отличаются по расположению их атомов в пространстве. 3 Некоторые органические соединения обладают оптической активностью (способностью вращать плоскость поляризации света). Существуют пары стереоизомеров, представляющих собой зеркальные отражения друг друга, несовмещаемые в пространстве: d-форма (правый) и l-форма (левый).
страница 12
@