В колонках играет - АТФ — молекула номер один в процессе зарождения жизни
Алексей Торгашев
Новость не совсем свежая: четыре миллиарда лет назад на планете Земля появилась жизнь. Она эволюционировала до тех пор, пока естественный отбор не привел к появлению ученых-биохимиков. Эти высокоорганизованные существа стали решать вопрос, каким именно способом из мертвой материи появилось живая
Комната. Как множество других в старых институтах — длинная и узкая. Налево от входа — отгороженный простенком угол с хорошей вытяжкой. Здесь постукивает помпой установка: стеклянные и пластиковые трубки, металлические баллоны, железные штативы, переходники, вентили. Стеклянный цилиндр, внутрь которого методично бьет электрический разряд, является главной деталью этого хозяйства. В памяти почему-то всплывает слово «реторта», хотя реторта — всего лишь колба с изогнутой горловиной, удобная штука, широко использовавшаяся для перегонки еще алхимиками…
— Все это из помойки сделано, — кивает на установку один из двоих сильно немолодых мужчин.
— Вот, — кивает второй раз, указывая на стеллажик в углу, на котором разложены гаечные ключи и, по всей видимости, то, что можно назвать исходным материалом: те же железки и трубки, только в разобранном виде. Затем оборачивается ко второму мужчине и флегматично бросает: — Азот утек весь.
— Ну вы даете! — живо отвечает второй. — Раз так, подай воздух, корреспондентам посмотреть нужно.
В систему подается воздух, и установка опять начинает постукивать помпой и стрелять разрядом в реакционной колонке — мы имеем честь наблюдать эксперимент по зарождению жизни на лабораторном столе, один из серии экспериментов, идущих уже два года в московском Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ).
Первого из двух немолодых людей, следящих за установкой, зовут Валентином Стрижовым. Именно он, ведущий инженер института, разработал и построил агрегат, и сделал это хорошо, хотя и «из того, что было»: установка исправно производит сложные органические молекулы из «простой химии» — метана и азота. Тот, кто порадел о наших интересах, — Виктор Лупатов, старший научный сотрудник и глава экспериментальной группы. А идеологом всех исследований является директор института Эрик Галимов, один из координаторов программы РАН «Проблема возникновения и эволюции биосферы».
Дизайнер против грязного белья
Проблема зарождения жизни формулируется очень просто: как из мертвой материи появляются живые организмы? Сначала эту задачу решали умозрительно. Аристотель, например, считал, что есть некое «активное начало» всего живого, позволяющее мухам зарождаться в гниющем мясе. Затем пошли варварские эксперименты: в Средние века всерьез «зарождали» мышей из грязного белья, где в роли активного начала выступал человеческий пот (настолько силен был авторитет Аристотеля). И только изящные опыты Луи Пастера в XIX веке показали, что спонтанно ничего зародиться не может, даже бактерии. Собственно, это был тупик — непонятным оставалось, каким образом появилась на свет самая первая живая клетка, если не привлекать и сейчас популярную в некоторых кругах, но малопродуктивную гипотезу существования «создателя».
Из тупика науку вывел биохимик Александр Опарин, опубликовавший первую работу по этой теме еще в 1924 году. Гипотеза Опарина сводилась к следующему. Организмы, даже простейшие, появились на Земле не сразу, у них были еще более простые предшественники — небольшие группы сложных органических молекул. Эти молекулы синтезировались на древней Земле из простых веществ — углекислого газа, воды, метана и так далее, затем они объединялись и в водоемах образовывали «коацерватные капли», про которые мы все помним из школьного учебника биологии. Начинался естественный отбор, который в результате и привел к образованию полноценных одноклеточных организмов, и из них уже возникли многоклеточные. Вопрос «почему же жизнь не зарождается в наши дни?» снимался предположением, что теперь любая примитивная органика будет немедленно съедена вездесущими бактериями.
Гипотеза Опарина задала программу экспериментов на годы вперед, но все главное сделал Стэнли Миллер, который в 1953 году пропускал мощные электрические разряды через смесь газов, моделирующих первичную атмосферу. Миллеру и его последователям удалось получить аминокислоты — элементы белков — и даже короткие белковые цепочки, а также нуклеотиды, то есть участки наследственного материала ДНК. С тех пор прошло полвека, золотые полвека молекулярной биологии: были открыты структура ДНК, генетический код, механизмы синтеза белка в клетке, фотосинтеза сахаров за счет энергии солнечного света, найдены энергетические молекулы, в первую очередь АТФ, этот своеобразный клеточный «бензин»…
Трудно представить, чтобы вся эта внутриклеточная начинка собралась в одном месте случайно. Посчитали вероятность «поэтапной сборки» — получалось, что требуется больше времени, чем продолжительность жизни Вселенной, и при этом вся Вселенная должна быть битком набита органикой. Помнится, в начале девяностых академик Александр Спирин говорил в задумчивости студентам биофака МГУ: «Естественный отбор — это, конечно, правильно, но вот рибосома (главный молекулярный агрегат синтеза белка. — «РР») настолько сложна, что я не понимаю, как она могла эволюционировать. Если она, конечно, не возникла сразу, по готовому плану». Впрочем, сейчас академик — главный сторонник гипотезы под названием «мир РНК».
По этой гипотезе первыми молекулами, научившимися размножаться, были цепочки РНК, в современных клетках они задействованы в аппарате белкового синтеза. Некоторые из них действительно могут производить собственные копии, некоторые могут катализировать синтез белков. Так что можно представить и «мир РНК», и его эволюцию — допустим, отбор самых стабильных молекул или молекул, копирующих себя точнее. Какие-то молекулы РНК случайно оказались способными кодировать короткие белки, а затем среди этих белков оказались «нужные» для размножения и синтеза самих себя. Но даже интуитивно понятно, что вероятность таких событий чрезвычайно низка. В экспериментах, во всяком случае, ничего подобного не происходит.
Машина создания
— Наблюдения Дарвина не годятся для объяснения того, как же произошла жизнь, — говорит академик РАН Эрик Галимов. — Естественный отбор на молекулярном уровне должен выглядеть следующим образом: выживают более
быстрые или, например, более устойчивые молекулы. Но это обычная термодинамика. А обычная термодинамика ведет к максимуму энтропии, к разупорядочению! Как биологи выходят из положения? Они за отправную точку берут случайное событие: каким-то образом появились первые сложные молекулы, а затем уже начали эволюционировать. Меня же интересовал как раз этот момент — как произошло первичное упорядочение.
Концепция естественного отбора — главная догма современной биологии. Дарвинизм очень здорово объясняет, каким образом может происходить эволюция. Но он ничего не говорит о том, почему в ходе эволюции организмы становятся все сложнее. Логика теории в том, что случайные (и маловероятные) изменения могут накапливаться и привести к чему-то сложному, но могут и не привести. Какого-то специального механизма производства все более высокоорганизованных видов ни в дарвинизме, ни в современной генетике не описано. На эту проблему постоянно указывают критики теории, а в вопросе зарождения жизни она становится просто непреодолимой. Об этом мы и беседуем с академиком Галимовым в его директорском кабинете в ГЕОХИ, где этажом ниже лабораторная установка, оптимистично постукивая, «производит жизнь».
— Мне хотелось показать, что в природе есть такая «машина», которая делает обязательным процесс упорядочения, — говорит академик. — Упорядочение — это не усложнение, потому что может быть сложное, но неупорядоченное. Упорядочение — это нарастающая степень несвободности поведения. Все живые организмы высокоупорядочены. В полимерной молекуле каждая ее часть — мономер — ограничена в поступательной и вращательной степенях свободы. Белки-ферменты катализируют только определенный путь реакции, то есть ограничивают выбор пути. Генетический код устроен так, что каждому триплету оснований соответствует только одна аминокислота. И так далее. Разные части системы точно соответствуют друг другу, это и есть упорядочение. Так вот, по законам термодинамики такого быть не должно. Видите ли, есть второй закон термодинамики, который, на мой взгляд, не полностью описывает действительность. (Второй закон говорит, что энтропия, то есть мера беспорядка любой системы, может только возрастать. — «РР».) Второй закон описывает разупорядочение, а нужно описать упорядочение как обязательный процесс. Если бы я был помоложе, я бы, наверное, занялся еще и этим. Но сейчас я хочу показать, как это приводит к возникновению жизни.
— Есть ли доказательства, что такой процесс вообще существует?
— Есть серьезные основания так считать. Я занимался, да и сейчас занимаюсь геологическим фракционированием изотопов. В 80−е годы мы изучали поведение изотопов в биологической системе. У углерода два основных изотопа — 12−й и 13−й. До войны вообще считалось, что их соотношение — константа. Но довольно быстро поняли, что внутри организмов белки, жиры, углеводы различаются по изотопному составу. Как раз в это время мы занимались еще одной работой — происхождением нефти. Для нее нужно было знать термодинамические константы для разных углеводородов. Расчет этих констант к тому времени был сделан только для самых простых соединений, потому что он довольно трудоемок. Я искал метод попроще и нашел. Тогда я стал, можно сказать, для смеха вычислять константы для самых разных биологических молекул. И когда я сопоставил их с тем, что измерено, оказалось, что есть хорошая корреляция между ними и изотопным составом… Я вижу, вас никак не поражает это обстоятельство.
— А почему оно меня должно поражать?
— Потому что на самом деле это абсолютно невозможное явление — чтобы была такая корреляция между наблюдением и равновесными константами! Потому что организм в нашем понимании — это нечто абсолютно удаленное от равновесия! Вот когда организм погибает и превращается в совокупность газов — тогда это равновесие!
— Равновесие, насколько я помню из курса химии, это когда скорости прямой и обратной реакции равны. Сколько продуктов образуется, столько же и расходуется. Я думал, что в организме около этой точки все и крутится, там же идет много реакций. Каждая в отдельности должна быть близка к равновесию, а в целом — да, потихонечку накапливается необратимость.
— Ну вот если вы так считаете, то вы изначально мой союзник.
— Хорошо, но я все же не понимаю, какое отношение это имеет к упорядочению и к происхождению жизни.
— Я пришел к выводу, что химия живого — проста. Это множество реакций, которые сами по себе неравновесные, но недалеки от равновесия. Что происходит в живых системах? Они обмениваются с внешней средой. Вы все время добавляете в реакцию вещество, и реакция идет. И если вы будете давать вещество понемножку, то система будет все время находиться близко к состоянию равновесия. Такие процессы называют стационарными. И вот в них идет упорядочение.
— За счет чего?
— За счет сопряжения с внешней средой. Есть теорема Пригожина, которая говорит, что в такой системе производится минимум энтропии. Все именно так, как и происходит в жизни: система выбрасывает наружу высокоэнтропийный продукт, и за счет разупорядочения среды увеличивается упорядочение в данной системе. На все это обязательно нужна энергия. На любой приход вещества система отвечает производством низкоэнтропийного продукта внутри себя. А это и есть та самая машина, которая обязательно должна производить упорядочение.
— Здорово! Как это выглядит в реальности? В обстановке ранней Земли?
— Во-первых, нужна энергия, процесс упорядочения в системе должен сопрягаться с внешней средой. Самой подходящей для такого процесса является молекула АТФ, аденозинтрифосфат. Что мы имеем спустя четыре с половиной миллиарда лет после начала? Во-первых, молекулы АТФ обслуживают всю энергетику организма, то есть как раз сопрягают ферментативные реакции с расходом питательных веществ. Во-вторых, аденин входит в состав нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Поэтому я думаю, что АТФ — молекула номер один в процессе зарождения жизни. Она появилась на ранней Земле из простых веществ — метана, воды, азота.
— Ну, появилась. А что дальше? От довольно простой АТФ до клетки — как от Москвы до другой галактики.
— Дальше моя концепция состоит в том, что вся эволюция подчинена процессу упорядочения. Цели нет. Может возникнуть вопрос: почему вообще идет какой-то направленный процесс? И вот здесь жизнь связана с особенностями соединений углерода. С тем, что во Вселенной с самого начала очень много ограничений. Упорядочение может идти в огромном числе случаев: звезды, кристаллы, кремниевые цепочки… Но это все два-три шага: кристалл закристаллизовался — и все, у него нет путей эволюции. Но углерод — уникальный элемент во Вселенной. Он может создавать цепочки, двойные связи. Еще необходим водород, он дает водородные связи, которые связывают цепочки ДНК в двойную спираль… Вообще-то у природы было не так уж много вариантов. Допустим, кремний может создавать цепочки, но не дает двойных связей. Дальше. Появились углеродные соединения — аминокислоты, нуклеотиды, короткие цепочки. Машина продолжает работать. Чтобы степени свободы уменьшать, нужен катализ, он ограничивает выбор вариантов химических реакций. Так вот, лучших катализаторов, чем белки, в природе нет. Даже короткая цепочка из нескольких аминокислот обеспечивает очень высокую селективность. Но есть предел у пептидного упорядочения — они не могут передавать свою упорядоченность по наследству. Зато есть другие соединения — нуклеиновые кислоты. Лучше, чем они, ничего не реплицируется.
— Вот это, насколько я понимаю, один из самых сложных моментов: как установить соответствие между пептидами и, допустим, РНК.
— Если вы меня спросите, как это произошло, то ответить конкретно трудно. Но поскольку машина упорядочения работает, она все время ищет возможность упорядочивать дальше. Как легче всего создать низкоэнтропийный продукт? Из двух предшественников — низкоэнтропийных продуктов. Жизнь очень консервативна, она конструирует из того, что уже было. И дальнейшая возможность — установить соответствие между механизмом запоминания и механизмом катализа. То есть создать генетический код. Как только такая система сложилась, она двинулась дальше семимильными шагами вплоть до создания клетки. Представьте себе лабиринт, в котором масса тупиков и одна дорожка вперед. Упорядочение — это ваша возможность тыкаться вперед. Попробуйте в лабиринт заливать воду — она же пройдет! Наша дорожка состоит в том, чтобы пептиды стали себя воспроизводить через другие молекулы.
— Все, что вы рассказываете, очень хорошо в теории, но молекулярная биология — наука очень конкретная: молекула туда, фермент сюда… Пока экспериментов не будет, вам не поверят.
— Я думаю, что точные эксперименты на лабораторном столе поставить нельзя. Есть процессы, для которых требуются миллионы лет. По геологическим меркам это быстро, а в лаборатории даже при идеальных условиях могут понадобиться тысячи лет.
— А можно частями? Или нет?
— Смысла нет. Сейчас ведь тоже можно создать живое из неорганических молекул: подобрать катализаторы, синтезировать пептиды, нуклеиновые кислоты, потом отобрать из них те, про которые заведомо известно, что они соответствуют друг другу. И это ничего не даст, потому что вы будете делать это руками, а для доказательства нужно, чтобы процесс шел сам. Поэтому я думаю, что нужно сделать правильную математическую модель. Мы над этой моделью работаем. Не скажу, что полностью удовлетворен результатом, но он есть. В чем состоит? Мы задаем условия компьютеру и смотрим, найдет ли машина, что другого пути, кроме как установить соответствие между аминокислотами и основаниями, нет. Если найдет, это будет значить, что генетический код мог возникнуть сам собой. У нас пока этого не получилось. Только если мы начинаем подсказывать. Но мы хотим, чтобы машина сама изобрела алгоритм.
Подземная матрица
Однако гипотеза Галимова при всей своей стройности может оказаться неверной. Тогда у жизни остается всего две возможности произойти: случайно и по плану «дизайнера». Рассматривать второй вариант нет никакого смысла, потому что пока «дизайнер» не явится к нам лично, доказать его существование затруднительно. Первый вариант естественнее, и поэтому на нем сосредоточены усилия почти всех исследователей. Гипотез множество, но суть их примерно одинакова: они стараются продемонстрировать, что возникновение жизни не противоречит другим законам природы, а вероятность этого вполне приличная.
Самый простой способ радикально увеличить вероятность — панспермия (гипотеза о занесении живых существ на Землю из космоса. — «РР»). Жизнь возникает очень редко, может быть, всего один раз за всю историю Вселенной, а потом клеточные споры выбрасываются за пределы родительской планеты (например, мощным вулканом) и разносятся по всему космосу.
И все же большинство ученых мужей пытаются найти схемы происхождения жизни здесь, на Земле. «Мир РНК», о котором говорилось выше — теория из этой категории. Но где и как произошли самые первые РНК с нужными свойствами? Предлагаются различные варианты состава атмосферы, минеральные катализаторы, полимерные или кристаллические подложки и так далее. Удивительную по красоте гипотезу выдвинул совсем недавно Виктор Островский, химик-калориметрист с мировым именем, старший научный сотрудник Научно-исследовательского физико-химического института им. Л. Я. Карпова. Обзорную статью по этой гипотезе опубликовал журнал «Успехи физических наук». Главный редактор этого журнала нобелевский лауреат Виталий Гинзбург время от времени публикует такие статьи-провокаторы. При этом, разумеется, соблюдаются все требования к обоснованной логике и соответствие известным фактам.
— В физике существовало такое мнение, что, чем гипотеза более сумасшедшая, тем она интереснее. Если она не противоречит здравому смыслу, законам сохранения и не основана на неверных экспериментах. Думаю, Виталий Лазаревич следует этому правилу. Если же говорить о нашем обзоре, то мы отправили его Гинзбургу, зная, что он считает проблему редукции живого к неживому одной из трех великих проблем физики XXI века. Основной вопрос этой редукции — происхождение жизни, — объясняет Островский.
Его гипотеза заключается в следующем. Полимерные цепочки ДНК и РНК образовались не в «органическом бульоне», каким был Мировой океан ранней Земли, а под землей, внутри гидратов метана. Огромные их залежи существуют в земной коре и сейчас — это лед, в котором молекулы воды окружают молекулы метана. Кстати, эти же гидраты составляют реальную проблему для поставщиков газа, потому что часто недосушенный газ в трубах при низкой температуре создает пробки из такого льда. Главное свойство гидратов — правильная ячеистая структура, молекулярные соты: молекулы воды числом 20, 24 или 28 образуют полости, внутри которых находится метан. Островский предположил, что в эти соты могла проникать селитра из соседних залежей — источник азота. Затем внутри ячеек из селитры и метана образовывались азотистые основания и рибоза — составные части нуклеотидов, входящих в ДНК и РНК. Реакция образования очень проста. На следующем этапе в подземные гидраты диффундировали фосфаты, очень распространенные в земной коре. Фосфаты связывали между собой нуклеотиды — и цепочка ДНК или РНК готова!
Самое замечательное во всей этой несложной механике, что размер каждой большой ячейки гидрата точно соответствует размеру азотистого основания и немного больше молекулы рибозы. А размер малой ячейки как будто специально подогнан под фосфатную группу. К тому же они чередуются ровно так, чтобы нуклеотиды встали друг напротив друга и могли связаться в двойную цепь, а ведь именно двойная спираль ДНК — основа ее способности к самокопированию.
Но и это еще не все. Во-первых, такие структуры очень термодинамически стабильны, то есть выгодны энергетически, к чему природа всегда стремится. Значит, если этот процесс в принципе мог идти, то он был просто обязан идти. Учитывая большие залежи метана — просто повсеместно там, где рядом оказывались селитра и фосфат. Во-вторых, эта схема объясняет даже так называемую хиральность биологических молекул. Дело в том, что в обычной, небиологической химии существуют по две разновидности каждого нуклеотида, правая и левая, — как зеркальные отражения. Поскольку химически никакой разницы между ними нет, до сих пор непонятно, почему в живых организмах встречается только один тип — правый. Но если принять гидратную гипотезу, то выяснится, что для образования связей между нуклеотидами, расположенными в соседних ячейках, подходит как раз только правый вариант. Впрочем, это пока лишь догадка, и именно сейчас Островский с коллегами собирается ее проверить численно на компьютерных моделях.
— Очень важно, что одни и те же условия в залежах гидратов могут сохраняться очень долго. Это как раз преимущество нашей гипотезы, — говорит Островский. — Ведь идея Опарина о «первичном бульоне», вообще говоря, неосуществима. Представить себе, что сложные молекулы ДНК и РНК образуются на границе раздела фаз, я не могу. Слишком нестабильные там условия. Биологи почему-то считают, что обязательно нужна энергия, грозовые разряды, радиация. Но это не так! Реакции все равно будут идти, если они термодинамически разрешены. Пусть медленно, но природе некуда спешить.
После того как природа не спеша создала молекулы нуклеиновых кислот, условия в газовых гидратах могли поменяться. По чисто геологическим причинам могла, например, подняться температура, и лед растаял. Или в гидрат могла просочиться вода. (Температура «метанового» льда выше нуля, поэтому вода как раз вполне могла просочиться.) Согласно гипотезе, в этот момент возникает «органический бульон», но внутри этого бульона уже есть ДНК и РНК, а также отдельные нуклеотиды. Они способны самокопироваться, то есть размножаться. Могут образовываться аминокислоты и липиды, простейшие оболочки вокруг молекул, возникать протоклетки. Причем эти протоклетки по чисто физическим законам должны делиться, если концентрация нуклеиновых кислот внутри них возрастает, а она возрастает при самокопировании… В общем, жизнь налаживается.
— Мы ведь не просто умозрительно пришли к нашей гипотезе, — рассказывает Островский. — Я специалист в области каталитических и адсорбционных процессов. Последние два десятилетия мы занимались сорбцией воды на органических веществах. Изучали поглощение воды полиакриламидом — довольно простым полимером. И вот, анализируя результаты, мы пришли к выводу, что в конденсированных системах вода при сорбции структурируется. То есть вода сорбируется не беспорядочно, а вокруг функциональных групп за счет сил Ван-дер-Ваальса. Вокруг каждой функциональной группы структурируется 17 молекул воды. Образуются полости, аналогичные полостям в газогидратах. И здесь надо сказать, что полиакриламид — лучшая модель для изучения поведения ДНК и РНК, потому что он тоже содержит амидогруппы. Исследования полиакриламида рассматриваются как модельные. Сопоставив наши результаты с этим простым фактом, мы предположили, что ДНК могла размещаться и образовываться внутри полостей газогидратов.
Гипотеза Островского оставляет много вопросов, среди которых, например, такой важный как образование генетического кода. Но огромное преимущество этой гипотезы в том, что она может быть полностью проверена в экспериментах. Пожалуй, со времен Миллера не было такой хорошей экспериментальной программы. Сначала нужно показать, что циклические углеводороды могут образовываться из метана и селитры, затем в автоклаве воссоздать условия для образования гидратов и добавлять туда селитру.
Очень хотелось бы, чтобы такая программа привела к успеху. Кроме всего прочего, это будет означать, что жизнь и сейчас зарождается в огромных количествах.
P.S. Виктор Лупатов, ведущий эксперименты по синтезу АТФ, говорит, что аденин в реакционной колонке уже получен: «Вы думаете, зачем мы проводим эксперименты, если еще десятки лет назад показано, что нуклеотиды можно синтезировать? Затем, что у нас условия другие. Раньше аденин получали в окислительной атмосфере. Но представить аммиачную атмосферу на ранней Земле довольно трудно. И мы выбросили СО2 и аммиак. Остался метан и азот. Никто, конечно, точно не знает, что было четыре миллиарда лет назад, но даже из этих двух газов получается нуклеотид. Добавляем воду — и получаем рибозу и целый спектр органических молекул. Разве это не замечательно?»
