В рамках VII Фестиваля науки доктор биологических наук, профессор Оснабрюкского университета (Германия), сотрудник НИИ физико-химической биологии МГУ имени А. Н. Белозерского Армен Мулкиджанян прочитал лекцию «Происхождение жизни: реконструкция первых клеточных организмов и их среды обитания». Slon публикует семь фрагментов этой лекции.
1. Существует пять основных гипотез возникновения жизни: Концепция креационизма: человечество и мир в целом были созданы сверхъестественными существами: Творцом или Богом; Концепция самозарождения: жизнь возникала неоднократно из неживого существа; Теория стационарного состояния: жизнь существовала всегда;Теория панспермии: жизнь занесена на нашу планету извне;Теория биохимической эволюции: жизнь возникла однажды в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Именно эта теория в первую очередь интересует биологов.
2. РНК – это рибонуклеиновая кислота, одна из трех основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), содержащихся в клетках всех живых организмов. РНК представляет собой полимер, образованный мономерами, низкомолекулярными веществами. В свою очередь каждый мономер (их также называют нуклеотидами) состоит из трех частей: азотистого основания, пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и фосфатной группы. Благодаря фосфатной группе нуклеотиды связаны между собой в одну цепочку. Основные нуклеотиды, которые используются в РНК, это аденин, гуанин, урацил и цитазин. Если сравнивать РНК и ДНК, то все у них очень похоже. Тем не менее не надо забывать про два существенных различия: в сахаре ДНК вместо гидроксильной группы содержатся протоны, которые повышают уровень стабильности молекулы от воздействия воды. Кроме того, урацил в ДНК заменяется тимином.
3. Есть основания предполагать, что ансамбли молекул РНК могли быть самыми первыми живыми самодостаточными организмами. В одной из своих работ советский биолог, основоположник молекулярной биологии в СССР Андрей Белозерский писал: «Вряд ли на ранних этапах развития жизни возникли одновременно и РНК, и ДНК. Нам представляется, что возникновение рибонуклеотидов и затем РНК было первичным, ДНК же возникло значительно позже и параллельно с уложением функции и все большей дифференциацией протоплазмы».
4. Если мы имеем биологическую систему, например, рибосомы, то с помощью химических и физических реакций можно без проблем определить, из каких частей она состоит, какова ее структура. Гораздо сложнее выяснить, какова связь между всеми живыми организмами и как ее установить. В 1970-е годы решением этой проблемы занимался замечательный биолог Карл Везе. Сравнив последовательность нуклеотидов молекул РНК, он обнаружил, что все клеточные организмы разделяются на три суперцарства-домена: бактерии, археи, эукариоты.
5. Еще один очень известный биолог Евгений Кунин вместе со своими сотрудниками однажды проделал работу, заключавшуюся в сравнении археи и бактерии. В процессе работы выяснилось, что они содержат 60–70 общих кодирующих белки генов. Из этого следует, что археи и бактерии имеют общего предка. Этим предком является LUCA – консорциум, сообщество репликаторов, обитавших в пористых неорганических отложениях.
6. Первые клетки, скорее всего, обитали в среде с соотношением K+>Na+, богатой переходными металлами и фосфорными соединениями. Ученые исследовали химический состав океана и выяснили, что он на протяжении веков не менялся: там всегда было в 40 раз больше натрия, чем калия. Поэтому морская среда как место возникновения древних клеток не подходит.
7. Оставался еще один вариант – континентальные системы, связанные с вулканической деятельностью, которая могла бы обеспечить приток переходных металлов. В итоге наиболее подходящей средой оказались геотермальные источники, которые образуются, когда дождевая вода попадает по расщелинам вглубь Земли. Вымывая за собой переходные металлы и нагреваясь до 400 градусов, она кипит и разделяется на две фазы: жидкую и газообразную. В газообразную фазу входят летучие вещества: сероводород, аммиак, углекислота. Поднимаясь на поверхность, эти вещества образуют некие природные системы, где в паровом конденсате калия содержится как раз больше, чем натрия. Таким образом, мы можем прийти к выводу, что жизнь, скорее всего, зародилась в геотермальных источниках.
