У другому розділі ми дізналися, як вчені розділилися на три школи думки, розмірковуючи про витоки життя. Одна група була переконана, що життя почалося з молекули РНК, але не змогла показати, як РНК або подібні молекули могли спонтанно утворитися на ранній Землі, а потім наробити копій самих себе. На перших порах їх зусилля надихали, але в кінцевому підсумку залишилося тільки розчарування. Проте інші дослідники походження життя, які рухалися в інший спосіб, прийшли до деяким результатам.
Частина перша: як зробити клітку?
Частина друга: розкол в рядах вчених
Частина третя: в пошуках першого репликатора
Теорія «світу РНК» спирається на просту ідею: найважливіше, що може зробити живий організм, це відтворити себе. Багато біологів з цим погодилися б. Від бактерій до блакитних китів, всі живі істоти прагнуть завести потомство.
Проте багато дослідників походження життя не вважають відтворення чимось фундаментальним. Перед тим як організм зможе розмножуватися, кажуть вони, він повинен стати самодостатнім. Він повинен підтримувати себе в живому стані. Зрештою, ви не зможете мати дітей, якщо спочатку помрете.
Ми підтримуємо себе в живих, поглинаючи їжу; зелені рослини роблять це шляхом добування енергії з сонячного світла. На перший погляд, людина, що поїдає соковитий стейк, сильно відрізняється від порослого листям дуба, але якщо розібратися, вони обидва потребують енергії.
Цей процес називається метаболізм. Спочатку вам потрібно отримати енергію; допустимо, з багатих енергією хімічних речовин на зразок цукру. Потім ви повинні використовувати цю енергію, щоб побудувати щось корисне на кшталт клітин.
Цей процес використання енергії настільки важливий, що багато дослідників вважають його першим, з якого почалося життя.
Вулканічна вода гаряча і багата мінералами
Як могли б виглядати ці призначені тільки для метаболізму організми? Одне з найцікавіших припущень було висунуто в кінці 1980-х років Гюнтер Вахтершаузер. Він не був штатним ученим, швидше за патентним юристом з невеликими знаннями в хімії.
Вахтершаузер припустив, що перші організми «радикально відрізнялися від усього, що ми знали». Вони не були зроблені з клітин. У них не було ферментів, ДНК або РНК. Ні, замість цього Вахтершаузер представив потік гарячої води, яка витікає з вулкана. Ця вода багата вулканічними газами на кшталт аміаку і містить сліди мінералів з серця вулкана.
Там, де вода текла через скелі, починали відбуватися хімічні реакції. Зокрема, метали з води допомагали простим органічних сполук зливатися в більш великі. Поворотним моментом стало створення першого метаболічного циклу. Це процес, в якому одне хімічна речовина перетворюється в ряд інших хімічних речовин, поки, зрештою, не буде відтворений исходник. В процесі цього вся система накопичує енергію, яка може бути використана для перезапуску циклу - і для інших речей.
Все інше, з чого складається сучасний організм - ДНК, клітини, мізки - з'явилися пізніше, поверх цих хімічних циклів. Ці метаболічні цикли взагалі мало схожі на життя. Вахтершаузер назвав свій винахід «прекурсорами організмів» і написав, що «навряд чи їх можна назвати живими».
Але метаболічні цикли на зразок тих, що описав Вахтершаузер, лежать в основі всього живого. Ваші клітини - це по суті мікроскопічні хімічні заводики, постійно переганяють одні речовини в інші. Метаболічні цикли не можна назвати життям, але вони мають основоположне значення для неї.
Але все це було суто теоретичним. Вахтершаузеру потрібно було реальне відкриття, яке надало б його ідеї. На щастя, його вже зробили десятьма роками раніше.
Джерела в Тихому океані
У 1977 році група під керівництвом Джека Корлісса з Університету штату Орегон занурилася на 2,5 кілометра в східній частині Тихого океану. Вони вивчали Галапагоські гарячі джерела в місцях, де з морського дна піднімалися високі хребти. Ці хребти були вулканически активними.
Корлисс виявив, що ці хребти були буквально всіяні гарячими джерелами. Гаряча, збагачена хімічними речовини вода піднімається з-під морського дна і струмує через отвори в скелях.
Неймовірно, але ці гідротермальні джерела були густо населені дивними тваринами. Там були величезні молюски, мідії і кільчасті черви. Вода також була густо просякнута бактеріями. Всі ці організми жили на енергії гідротермальних жерл.
Відкриття цих джерел зробило Корлісса ім'я. І змусило задуматися. У 1981 році він припустив, що подібні жерла існували на Землі чотири мільярди років тому і що вони стали місцем походження життя. Він присвятив левову частку своєї кар'єри вивчення цього питання.
У гідротермальних джерел живе дивна життя
Корлисс припустив, що гідротермальні джерела могли створювати коктейлі хімічних речовин. Кожен джерело, говорив він, був свого роду розпилювачем первинного бульйону.
У міру того, як гаряча вода текла через скелі, тепло і тиск приводили до того, що прості органічні сполуки зливалися в більш складні, такі як амінокислоти, нуклеотиди і цукру. Ближче до кордону з океаном, де вода була не такою гарячою, вони починали зв'язуватися в ланцюжка - формувати вуглеводи, білки і нуклеотиди кшталт ДНК. Потім, коли вода підходила до океану і остигала ще більше, ці молекули збиралися в прості клітини.
Це було цікаво, теорія привернула увагу людей. Але Стенлі Міллер, експеримент якого ми обговорювали в першій частині, не повірив. У 1988 році він писав, що глибоководні жерла були дуже гарячими.
Хоча сильне тепло може привести до утворення хімічних речовин на кшталт амінокислот, експерименти Міллера показали, що воно також може і знищити їх. Основні сполуки на зразок цукрів «змогли б вижити пару секунд, не більше». Більш того, ці прості молекули навряд чи зв'язалися б в ланцюзі, оскільки навколишня вода миттєво їх розірвала б.
У кар'єрі Расселла було багато цікавих речей - він робив аспірин, розшукуючи цінні мінерали - і в одному чудовому подію 1960-х років координував реагування на можливе виверження вулкана, незважаючи на відсутність підготовки. Але його більше цікавило, як змінювалася поверхні Землі протягом епох. Ця геологічна перспектива і дозволила сформуватися його ідеям про походження життя.
У 1980-х роках він виявив копалини свідоцтва менш бурхливого типу гидротермального джерела, в якому температури не перевищували 150 градусів за Цельсієм. Ці м'які температури, за його словами, могли дозволити молекулам життя жити довше, ніж вважав Міллер.
Більш того, викопні рештки цих «прохолодних» жерл містили щось дивне: мінерал пірит, що складається з заліза і сірки, сформувався в трубочках діаметром 1 мм. Працюючи в лабораторії, Расселл виявив, що пірит також може формувати сферичні краплі. І припустив, що перші складні органічні молекули могли утворитися всередині цих простих піритових структур.
Приблизно в цей же час Вахтершаузер почав публікувати свої ідеї, в основі яких був потік гарячої хімічно збагаченої води, що протікає через мінерали. Він навіть припустив, що в цьому процесі брав участь пірит.
Расселл склав два плюс два. Він припустив, що гідротермальні джерела на глибині моря, досить холодні, щоб дозволити утворитися піритовими структурам, прихистили прекурсори організмів Вахтершаузера. Якщо Расселл був прав, життя почалося на дні моря - і спочатку з'явився метаболізм.
Расселл навіть запропонував пояснення того, як перші організми отримували свою енергію. Тобто він зрозумів, як міг би працювати їх метаболізм. Його ідея спиралася на роботу одного із забутих геніїв сучасної науки.
Пітер Мітчелл, нобелівський лауреат
У 1960-х роках біохімік Пітер Мітчелл захворів і був змушений піти у відставку з Університету Единбурга. Замість цього він створив приватну лабораторію в віддаленому маєтку в графстві Корнуолл. Ізольований від наукового товариства, він фінансував свою роботу за рахунок стада молочних корів. Багато біохіміки, в тому числі і Леслі Оргел, чию роботу по РНК ми обговорили у другій частині, вважали ідеї Мітчелла абсолютно безглуздими.
Через кілька десятків років Мітчелла чекала абсолютна перемога: Нобелівська премія з хімії 1978 року. Він не став знаменитим, але його ідеї сьогодні в кожному підручнику з біології. Свою кар'єру Мітчелл провів, з'ясовуючи, що організми роблять з енергією, яку отримують з їжі. По суті, він задавався питанням, як всім нам вдається залишатися в живих кожну секунду.
Він знав, що всі клітини зберігають свою енергію в одній молекулі: аденозинтрифосфату (АТФ). До аденозину кріпиться ланцюжок з трьох фосфатів. Додавання третього фосфату вимагає багато енергії, яка потім замикається в АТФ.
Коли клітина потребує енергії - наприклад, коли скорочується м'яз - вона розбиває третій фосфат в АТФ. Це перетворює АТФ в аденозідіфосфат (АДФ) і вивільняє накопичену енергію. Мітчелл хотів дізнатися, як клітина взагалі створює АТФ. Як вона накопичує достатньо енергії в АДФ, щоб прикріпити третій фосфат?
Мітчелл знав, що фермент, який утворює АТФ, знаходиться в мембрані. Тому припустив, що клітина закачує заряджені частинки (протони) через мембрану, тому багато протонів знаходиться по одну сторону, а по іншу - немає.
Потім протони намагаються проникнути назад через мембрану, щоб врівноважити число протонів по кожну сторону - але єдине місце, через яке вони можуть пройти, це фермент. Потік поточних протонів, таким чином, забезпечував фермент енергією, необхідною для створення АТФ.
Вперше Мітчелл виклав свою ідею в 1961 році. Наступні 15 років він провів, захищаючи її з усіх боків, поки докази не стали незаперечними. Тепер ми знаємо, що процес Мітчелла використовується кожною живою істотою на Землі. Прямо зараз він протікає в ваших клітинах. Як і ДНК, він лежить в основі відомої нам життя.
Расселл запозичив у Мітчелла ідею протонного градієнта: наявність великої кількості протонів на одній стороні мембрани і небагато - на інший. Всі клітини потребують протонному градієнті, щоб зберігати енергію.
Сучасні клітини створюють градієнти, відкачуючи протони через мембрани, але для цього потрібен складний молекулярний механізм, який просто не міг з'явитися сам по собі. Тому Расселл зробив ще один логічний крок: життя повинна була сформуватися десь з природним протонним градієнтом.
Келлі довелося важко працювати, щоб стати вченим. Її батько помер, коли вона закінчувала середню школу, і вона була змушена працювати, щоб залишитися в коледжі. Але впоралася і вибрала предметом свого інтересу підводні вулкани і обпалюють гарячі гідротермальні джерела. Ця пара і привела її в центр Атлантичного океану. У цьому місці земна кора тріснула і з морського дна піднявся хребет гір.
На цьому хребті Келлі виявила поле гідротермальних джерел, яке назвала «Втраченим містом». Вони не були схожі на виявлені Корлісса. Вода витікала з них при температурі 40-75 градусів за Цельсієм і була злегка підлуженою. Карбонатні мінерали з цієї води злипалися в круті білі «стовпи диму», які піднімалися з морського дна подібно трубах органу. На вигляд вони страшні і примарні, але це не так: в них мешкає безліч мікроорганізмів.
Ці лужні жерла ідеально вписувалися в ідеї Расселла. Він твердо повірив у те, що життя з'явилася в таких «втрачених містах». Але була одна проблема. Будучи геологом, він знав не так багато про біологічних клітинах, щоб переконливо представити свою теорію.
Стовп диму «чорної курилки»
Завдяки Келлі, тепер вони знали, що породи лужних джерел були пористими: вони були усіяні крихітними отворами, наповненими водою. Ці крихітні кишеньки, припустили вони, діяли в якості «клітин». У кожному кишеньці знаходилися основні хімічні речовини, в тому числі і пірит. У поєднанні з природним протонним градієнтом від джерел, вони були ідеальним місцем для початку метаболізму.
Такий сюжет в даний час розглядається в якості однієї з провідних гіпотез про походження життя.
Клітини тікають з гидротермального джерела
Він досліджував ДНК 1930 сучасних мікроорганізмів і ідентифікував 355 генів, які були майже у всіх. Це переконливо свідчить про передачу цих 355 генів, через покоління і покоління, від загального предка - приблизно того часу, коли жив останній універсальний загальний предок.
Прихильники гіпотези «світу РНК» вказують на дві проблеми в цій теорії. Одну можна поправити; інша може бути фатальною.
«Люди, які вірять в те, що все почалося з відтворення, постійно знаходять нові експериментальні дані», говорить Армен Мулкіджанян. «Люди, які стоять за метаболізм, цього не роблять».
Друга проблема полягає в розташуванні джерел в глибокому морі. Як зазначав Міллер в 1988 році, довголанцюгові молекули на кшталт РНК і білків не можуть формуватися в воді без допоміжних ферментів.
Для багатьох вчених це фатальний аргумент. «Якщо ви добре розбираєтеся в хімії, вас не підкупити ідеєю глибоководних джерел, тому що ви знаєте, що хімія всіх цих молекул несумісна з водою», говорить Мулкіджанян.
І все ж Расселл і його союзники залишаються оптимістами.
І тільки в останнє десятиліття на перший план вийшов третій підхід, підкріплений серією незвичайних експериментів. Він обіцяє щось, чого не вдалося домогтися ні «світу РНК», ні гідротермальних джерел: спосіб створити цілу клітку з нуля. Про це в наступній частині.
Таємниця появи життя на Землі. Частина четверта: енергія протонів Ілля Хель