Форма жизни белковая: Белковая форма жизни

Возможна ли неуглеродная форма жизни?


Можно ли выстроить жизнь на основе других атомов? Наиболее вероятной альтернативой углероду принято считать кремний. Он находится в той же периодической группе, свойства этих элементов во многом схожи. К тому же кремний тоже достаточно распространён во Вселенной. Однако его атом тяжелее, чем у углерода, а больший диаметр делает невозможным образование стабильных двойных и тройных связей. Поэтому «обычные» аналоги органики из кремния менее устойчивы.


Тем не менее возможность существования кремниевой жизни исключить нельзя — но в других условиях. Хотя водородные соединения кремния менее устойчивы по сравнению с углеводородами,
силиконы — полимеры с чередующимися атомами кремния и кислорода — более жаропрочны. Поэтому принято считать, что жизнь на основе кремния возможна на планетах со средней температурой значительно выше земной. Однако в этом случае вода на роль растворителя не подойдёт — выкипит прежде, чем сделает своё дело. Учёные считают, что подходящей средой мог бы стать расплав из оксида кремния.


Жизнь можно попытаться построить и на основе соединений
бора (B): он образует длинные устойчивые цепочки, при этом бороводородов достаточно много. Но, будучи элементом третьей группы, бор способен образовывать только три ковалентные связи, что уменьшает количество вариантов . К тому же некоторое (гораздо меньшее, чем углеродное) разнообразие «боровых» молекул реально создать только в сочетании с азотом (тем не менее «неорганический бензол» — боразол B3N3H6 — вполне себе существует). Последнее «но» состоит в том, что бор, а также литий (Li) и бериллий (Be), как правило, образуются во Вселенной весьма хитрым способом — скалыванием: космические лучи откалывают куски от более массивных ядер. Поэтому литий, бериллий и бор распространены гораздо меньше, чем их соседи по таблице Менделеева.


Современные астробиологи склоняются к тому, что без углерода нам всё-таки не обойтись. Постулирование тезиса, что жизнь возможна только на основе углерода, знаменитый астроном, астрофизик и выдающийся популяризатор науки
Карл Саган назвал углеродным шовинизмом.


Впрочем, это не единственно возможная точка зрения. Международная исследовательская группа под руководством
Вадима Цытовича в 2007 году опубликовала статью в журнале New Journal of Physics. Учёные с помощью компьютерного моделирования показали, что плазма, содержащая взвешенные заряженные частички пыли (типичные для космоса условия), может образовывать самовоспроизводящиеся структуры.


Такие работы ставят вопрос: что, собственно, мы подразумеваем под словом «жизнь»? Если речь идёт о сложных эволюционирующих структурах, которые способны воспроизводить себя и развиваться, в таком случае «живой» можно назвать и компьютерную программу.


Жизнь может принимать самые невероятные формы. Простор для фантазии огромный: в обозримой Вселенной около 20 триллионов (20 000 000 000 000) галактик, и только в нашей — Млечном Пути — от 200 до 400 млрд звёзд.


А ещё есть так называемая инфляционная модель, согласно которой в каждый момент времени рождается множество Вселенных с разными законами природы. Быть может, в одной из них атомы, появившиеся в результате Большого взрыва, оказались совсем другими — и создали совершенно иную жизнь. Кто знает?..

«Нашим предкам много раз просто повезло»

О самозарождении мышей из ила, любви к котикам и нелюбви к обезьянкам, азотной жизни в ядрах газовых гигантов, властолюбивых РНК, «завихрениях в голове» и нашем космическом (в прямом и переносном смысле) везении — в интервью с Михаилом Никитиным, дебютная книга которого «Происхождение жизни: от туманности до клетки», вышедшая недавно в издательской серии Primus фонда «Эволюция», вошла в лонг-лист премии «Просветитель» 2016 года.

— Расскажите об истории идей происхождения жизни. Как они развивались со временем?

— В древности были два основных варианта. Первый — что тот или иной бог эту жизнь однажды сотворил и с тех пор живые организмы размножаются и производят себе подобных. Второй — идеи, связанные с философией и наблюдением, характерные для древних греков. Например, что жизнь возникает постоянно на наших глазах (Аристотель писал про самозарождение мышей из речного ила при разливах Нила в Египте). Другие философы утверждали, что вопрос о происхождении жизни ставить нельзя, ведь жизнь, Земля и Солнце существуют вечно и начала у них никогда не было.

Так было примерно до Нового времени, когда первые ученые стали экспериментировать с самозарождением мух в гниющем мясе, мышей в грязной одежде с зерном и показали, что в наше время самозарождения жизни не происходит — если кувшин накрыть марлей, мухи туда попасть не могут, и никакие червячки в мясе не заводятся.

К XIX веку первыми научными экспериментами, как ни парадоксально, укрепилась идея религиозная, что жизнь сотворена Богом, и это было сделано один раз.

Окончательно это закрепил Луи Пастер, показавший, что даже микробы не зарождаются сами в запаянной колбе с прокипяченным бульоном.

— А что было потом?

— Ученым это не понравилось, и они стали искать пути, как бы в этом месте обойтись без бога. Здесь надо отметить достижения уже в начале XX века российского академика Опарина и англичанина Холдейна, которые независимо друг от друга догадались, что самозарождению жизни сейчас мешает кислородная атмосфера. Все живые молекулы в кислородных условиях неустойчивы, и рано или поздно они превратятся в углекислый газ и воду. Но кислородная атмосфера была не всегда. Кислород — продукт жизни (конкретно — растений и цианобактерий). До появления жизни, скорее всего, в атмосфере Земли кислорода не было. На безжизненных планетах — Венере, Марсе — мы тоже не видим кислорода в атмосфере, там преобладает углекислый газ и азот. С именами Опарина и Холдейна была связана важная идея, что на древней Земле в бескислородной атмосфере могли самопроизвольно получаться органические вещества, необходимые для клеток, и они не разрушались, пока из них как-то случайно не сложились первые живые организмы. Эти гипотезы опубликовали примерно 90 лет назад, в 20-е годы XX века, но почему-то экспериментально проверять это сразу не стали. Только в 50-е годы был проведен знаменитый опыт Миллера – Юри. Они взяли смесь газов, напоминающую древнюю атмосферу Земли (метан, аммиак, водород, сероводород, синильная кислота), запаяли в герметичную стеклянную установку и несколько дней пропускали там электрические разряды, имитируя грозы. Затем они проверяли, что получилось: получались некоторые аминокислоты, некоторые простые сахара, азотистые основания, входящие в состав ДНК, — это подтвердило идеи Опарина и Холдейна.

— И что же дальше?

— Дальше было открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком, и за следующие 10–15 лет ученые узнали об устройстве живой клетки больше, чем за всю предыдущую историю развития биологии. Стало понятно, что самая простенькая клетка — очень сложная штука, и возникнуть полностью случайно она, наверное, может, но для этого всего возраста Вселенной не хватит, потому что вероятность слишком маленькая. Если взять клетку средней свободно живущей бактерии, то у нее в геноме несколько мегабайт информации, кодирующей несколько тысяч видов белков. Из этих белков строятся «наномашины», состоящие из нескольких десятков разных белковых молекул — например, рибосома, которая собирает новые белки, «наномашина» для копирования ДНК — репликативная вилка. Еще у клетки есть мембрана, которая отделяет ее от внешней среды, и, чтобы из внешней среды получать нужные вещества, в мембране есть транспортные белки, которые работают как система насосов. Из этой системы никаких компонентов выкинуть нельзя, чтобы она не потеряла жизнеспособность. Даже самая простая самостоятельная клетка очень сложна. Вирусы проще, но они не могут жить вне клеток, на которых они паразитируют.

Новые открытия создали проблемы для понимания происхождения жизни: клетка оказалась сложнее, чем считалось во времена Опарина.

И известная цитата астронома Фреда Хойла, что вероятность случайного получения живой клетки примерно равна вероятности самосборки Боинга-747 от торнадо на мусорной свалке, математически верна.

Биологам на тот момент было понятно, что способ возникновения сложных систем, который не требует большого времени и везения — эволюция по Дарвину, путем случайных мутаций и естественного отбора. Эволюция привела жизнь от бактериальных клеток к животным, растениям и человеку разумному. Возник соблазн попробовать продолжить эту тенденцию в прошлое: возможно, клетки тоже развились путем дарвиновской эволюции из чего-то более простого. Чтобы дарвиновская эволюция шла, ее объекты должны уметь создавать собственные копии. Клетки делятся, многоклеточные размножаются. Надо было найти что-то более простое, чем клетка, и более самостоятельное, чем вирус. И в конце 70-х годов несколькими учеными была опубликована одновременно и независимо идея мира РНК.

— Расскажите, пожалуйста, о концепции РНК-мира.

— В живой клетке есть три самых важных типа молекул, без которых она не работает. Это полимерные молекулы, они похожи на нитки бус из отдельных звеньев: белки, состоящие из аминокислот, ДНК, которая состоит из азотистых оснований, и РНК — рибонуклеиновая кислота, которая похожа на ДНК, но немножко отличается от нее. ДНК сделана, чтобы хранить наследственную информацию, и делает это хорошо. ДНК очень устойчива. Белки выполняют всю «грязную работу»: ускоряют все нужные клетке химические реакции, выполняют транспортные функции, защитные, они же образуют что-то вроде скелета клетки. Белки все делают, а последовательность белков хранится в ДНК. Поначалу (до 60-х годов) считалось, что РНК — посредник между ДНК и белками. РНК образует прежде всего временные копии участков ДНК (генов), необходимые в белковом синтезе. Информация в ДНК переписывается на РНК, которая потом используется в построении белков.

Позже были найдены вирусы, у которых наследственная информация хранится в РНК (то есть РНК у них заменяет ДНК), а потом были открыты такие замечательные штуки, как рибозимы, которые могут заменять белки, вызывая ускорение химических реакций, то есть работать ферментами. Возникла идея, что в древние времена был вариант жизни, использующий лишь один тип полимерных молекул из трех современных. Эта идея развивалась, искали способы получать искусственные рибозимы разной ферментативной активности. Их наоткрывали сотни, и это считалось подтверждением реальности мира РНК. Было открыто, что рибосома — машинка, собирающая белки, — в своем активном центре содержит рибозим. То есть сборка белков происходит полностью под контролем РНК, которая не уступила белкам все функции, а кое за чем главным по-прежнему следит в клетках единолично.

— А мог бы и дальше существовать мир без ДНК, основанный только на РНК?

— Скорее всего, мог бы, но недолго. Жизнь, не использующая белки, использующая РНК, могла жить только в определенных необычных местообитаниях, например, как я этого в книге касаюсь, в горячих источниках около вулканов. Она не могла заселять моря и океаны, была ограничена в расселении по планете, и любое резкое изменение условий ее могло бы погубить. Жизнь в РНК-мире была довольно уязвима, и нам очень повезло, что она довольно быстро прошла все необходимые шаги: завела белки, завела ДНК, оделась клеточными оболочками и могла уже существовать в самых разных условиях. Сейчас идея мира РНК считается не предположением, а хорошо подтвержденной теорией.

В книге я несколько глав посвящаю ее современному развитию (в 2000-е годы ее довольно сильно дополнили).

— Также в книге вы рассказываете об уравнении Дрейка, которое рассчитывает вероятность контакта с внеземной разумной жизнью. Это уравнение было создано еще в 60-х. Как изменилось его понимание теперь, с открытием экзопланет и другими достижениями астрономии?

— Дрейк считал (и его оценка была взята полностью с потолка), что примерно половина звезд в нашей Галактике имеет планеты, и в каждой планетной системе есть одна планета, пригодная для жизни. Первая оценка сейчас полностью подтверждена, а вот со второй частью гораздо хуже. Подавляющее большинство экзопланет, которые астрономы понаоткрывали за последние 15 лет, находятся очень близко к своим звездам. Они очень горячие — еще горячее, чем Венера и Меркурий в нашей Солнечной системе, поэтому для жизни непригодны. С поиском пригодных для жизни планет есть куча технических сложностей. Они должны быть не слишком горячие и не слишком холодные, не слишком маленькие, чтобы они могли удержать воду и атмосферу, но и не слишком большие, чтобы превращаться в газовые гиганты типа Урана, Нептуна, Юпитера или Сатурна. Планеты, которые близки к звезде и горячи, искать намного проще. Если же планета далекая от звезды и холодная, открыть ее легче, когда она массивная, сильно тяжелее Земли. С современными приборами технически очень трудно найти планеты, похожие на нашу, даже если они есть. С расстояния в 100 световых лет в Солнечной системе мы смогли бы обнаружить только Венеру и Землю. Следующее поколение телескопов должно это исправить.

— Вы говорите о планетах, где могли бы существовать углеродные формы жизни. А что если подумать о вариантах, где вместо углерода находятся другие атомы, например кремний? Какие условия для таких форм подходят? Возможно ли существование таких форм жизни на уже известных нам планетах — может быть, не в Солнечной системе, а на экзопланетах?

— Жизнь, не основанная на углероде, мне кажется нереальной. Мне кажется более вероятной жизнь, которая не будет использовать воду, но вот от углерода уйти практически некуда. Все химические элементы, которые использует наша жизнь, не случайны. Они в ходят в первую десятку самых распространенных элементов во Вселенной: водород, гелий, углерод, кислород, азот, неон, магний, кремний, сера и железо. Из этой десятки наша жизнь использует семь, кроме инертных газов (гелий, неон) и кремния, который и в условиях Земли, и в условиях метеоритов, и в условиях известных планет Солнечной системы образует устойчивые связи с кислородом: кремензем и силикаты.

Подавляющее большинство драгоценных и полудрагоценных камней — соединения кремния с кислородом. Они очень устойчивы, а для жизни нужны вещества, которые входили бы в обмен веществ. У кремния таких соединений в присутствии кислорода и воды не бывает. И в метеоритах, и в космической пыли, которую астрономы наблюдают в далеких туманностях, кремний содержится в виде тех же устойчивых соединений, как и на Земле: силикаты, кварц, иногда карбид кремния (но он еще более устойчивый). А углерод может образовывать и устойчивые соединения, и с достаточной реакционной способностью (как, например, сахара). Поэтому кремний в качестве химической основы жизни подходит очень плохо.

По химии в качестве альтернативы углерода мог бы подойти бор, соседний элемент по Периодической таблице, но бор подводит ядерная физика: его ядро недостаточно устойчиво, поэтому его во Вселенной в миллионы раз меньше, чем углерода. Бора просто нет столько.

Еще углерод в принципе можно заменить азотом, но для этого нужны сверхвысокие давления — в сотни тысяч атмосфер. При этих давлениях азот образует сложные разветвленные молекулы подобно углероду в наших условиях, но такие условиях бывают только в недрах каких-нибудь планет-гигантов.

— То есть теоретически там возможно возникновение подобных форм жизни?

— Теоретически, но проблема в том, что углерод там тоже есть — в виде метана. Скорее всего, углерод этой жизнью тоже будет на каких-то правах использоваться. Таких мест во Вселенной, где бы углерода не было, а другие элементы, подходящие для создания жизни, были — их просто нет. Поэтому жизнь совсем без углерода я представить себе не могу. Наша углеродная жизнь использует в очень важных местах азот. Без азота невозможны ни белки, ни ДНК, но все-таки углерода по массе больше. В недрах газовых гигантов можно представить себе жизнь, где будет главным элементом азот, но, скорее всего, на вторых ролях углерод там все равно будет. И критичное отличие от Земли там не температура, а давление, которое должно быть очень высоким — таким, какое в лаборатории мы можем получить на специальном прессе с алмазным столиком в очень-очень маленьком объеме.

— Расскажите, пожалуйста, как вы относитесь к парадоксу Ферми? Как вы объясняете то, что мы не можем «засечь» другие формы жизни, если за время существования Вселенной они могли возникнуть?

— Как я писал в своей книге, мне кажется, что не все стадии возникновения разумных существ были закономерными и неизбежными. В биологической эволюции есть труднообъяснимая стадия, когда произошел переход от прокариотических клеток к клеткам с ядром, как животные и растения.

— То есть этого перехода могло не произойти и жизнь бы не развивалась по тому направлению?

— По тем деталям этого перехода, которые мы можем установить, это выглядит как довольно-таки случайный и маловероятный процесс, в котором много раз нашим предкам просто повезло. Я допускаю, что во Вселенной есть миллионы планет, населенных чем-то вроде наших бактерий, но клетки с ядром там не появились, поэтому многоклеточных животных и растений не возникло тоже. Это первая причина.

Вторая причина, почему мы можем быть единственным разумным видом во Вселенной (или, по крайней мере, в нашей Галактике точно) — часть этапов развития жизни требует очень большого времени, которое зависит от внешних по отношению к этой жизни факторов (строения и состояния планеты). Для появления клеток с ядром нужно было, чтобы сначала в окружении возник кислород.

Чтобы появился фотосинтез с выделением кислорода и кислородная атмосфера, микробам понадобилось полтора миллиарда лет, когда они довольствовались примитивными вариантами фотосинтеза, в которых нет выделения кислорода, но затрачиваются относительно дефицитные вещества вроде сероводорода или солей железа. И только когда все соединения серы и железа из древнего океана потратили и осадили в виде будущих железных руд, им за недостатком ресурсов пришлось переходить на более сложный, кислородный вариант фотосинтеза. Нашим предкам снова очень повезло: если бы наша планета была больше или более богата железом, у них бы это заняло не 1,5 миллиарда лет, а 3 или 4, и к моменту появления животных светимость Солнца возросла бы, потому что Солнце стало бы старым, и было бы глобальное потепление, глобальная засуха и превращение Земли в подобие Венеры, и разумная жизнь просто не успела бы возникнуть.

— А в чем, на ваш взгляд, эволюционный смысл возникновения сознания и разума?

— Биологи считают, что разум — это побочный продукт способности к обману сородичей и распознавания обмана с их стороны — то, чем занимаются обезьяны очень активно. Это называется теорией макиавеллевского интеллекта. У физиков есть своя идея, что человек или любое другое разумное существо — инструмент Вселенной для познания самой себя. У них еще такая шутка на эту тему была: раз в 15 миллиардов лет физики собираются вместе и строят большой адронный коллайдер. Так что ответ зависит от плоскости, в которой вопрос рассматривать.

— Вы пишете, что занимаетесь преподаванием в Летней экологической школе. Возможно, вам удавалось сталкиваться с лженаучными взглядами у детей, переубеждать их. Кому больше свойственны заблуждения, детям или взрослым?

— У взрослых я видел лженаучные взгляды в разы чаще, чем у детей. Взрослые окончили школу давно и программу, по большей части, забыли. Всякие заблуждения, связанные с гомеопатией или памятью воды, явно растут из того, что люди забыли школьную химию. Если привлекать возрастную психологию, известно, что людям пожилого возраста менее интересно, как устроен мир на самом деле, и более интересно, как «должно быть». И они более склонны свое желаемое выдавать за действительное. К тому же они учились в другие времена. Есть мнение, что советское образование было лучшим в мире.

В чем-то оно действительно таким было, если СССР при гораздо меньших ресурсах, чем США, первым запустил человека в космос.

Но при этом в конце перестройки, году в 1989-м, вся страна прилипла к телевизорам с Кашпировским и Аланом Чумаком, которые «заряжали воду» и делали другие странные вещи. Видимо, заложенная, в том числе советской школой, привычка подчиняться авторитетам сыграла очень плохую шутку, когда эти авторитеты резко поменялись. Та же привычка, как мне кажется, повела людей в МММ и другие финансовые пирамиды.

— Не может ли быть связано с привычкой следовать за авторитетами и то, что эволюция до сих пор подвергается сомнению в некоторых кругах?

— Все лжеученые пытаются внешние атрибуты авторитета себе обеспечить и доверие получают за счет этого. Но по поводу теории эволюции я не стал бы так беспокоиться: от неверия в нее еще никто не умер. А вот всякие лженаучные заблуждения медицинского толка гораздо хуже.

Антипрививочники, отрицание СПИДа, память воды, шарлатанские методы лечения рака — это приводит людей к гибели здесь и сейчас, причем в случае с антипрививочниками, как ни прискорбно, страдают не сами заблуждающиеся, а их дети.

— Это действительно грустно.Ваша книга и курсы лекций охватывают широкую сферу науки — от астрономии до молекулярной биологии. Скажите, в каких науках заблуждения более распространены, а о каких читатели осведомлены больше?

— Во-первых, есть области науки, которые привлекают внимание психически нездоровых людей, пытающихся опровергнуть общепринятые теории. В физике особенно популярно опровержение теории относительности (пытаются возродить эфир). Люди из каких-то своих мозговых завихрений начинают опровергать Эйнштейна. Если вы поищете в сети, например в сообществе Science+freaks в «Живом журнале», вы найдете сотни примеров.

— К нам в редакцию минут двадцать назад звонил один из таких представителей.

— Да-да, мне тоже на электронную почту периодически пишут. Затем — в лингвистике, в эволюции языков, их родстве. Возникают лженаучные теории, что все языки произошли от русского, или все языки произошли от украинского, или от иврита — смотря какие завихрения в голове. Естественно, пытаются опровергать теорию эволюции, и теория эволюции и этология (наука о поведении животных) объясняют, почему это хочется опровергнуть.

У всех животных есть инстинктивные механизмы, которые вызывают отвращение и враждебное отношение к тем, кто на них похож, но не совсем, то есть к близким видам.

— Наверное, чтобы предотвратить скрещивание?

— Да, верно. Поэтому людям в среднем не нравятся обезьяны — по крайней мере, нравятся гораздо меньше, чем кошечки и собачки. И обезьяны сторонятся обезьян другого вида. Поэтому какая-нибудь рысь, забредшая в деревню, не устоит от соблазна разорвать домашнюю кошку — не чтобы съесть, а просто так. Этот же инстинктивный механизм участвует в ксенофобии у людей, когда речь идет о носителях других языков. Скажем, для среднего русского человека какой-нибудь китайский — как птичье чириканье, не вызывает особых эмоций. А в языке индоевропейской группы, скажем немецком или таджикском, могут угадываться какие-то сходные сочетания звуков или даже корни. А близкий язык (скажем, болгарский для нас или французский для испанца) будет казаться смешным и неправильным. Это инстинктивное неодобрение к относительно похожим видам заставляет людей внутренне отвергать идею о происхождении от обезьян. Вся остальная часть теории эволюции таких эмоциональных отторжений обычно не вызывает, но этим отторжением теория эволюции и подтверждается!

— Эволюция же происходит не только в природе, но и среди идей. Как развивается научная популяризация в нашей стране в последние годы?

— Эволюция идей, мемов у Докинза по-моему, довольно спекулятивна. Для эволюции нужно, чтобы организмы производили копии, которые борются за ограниченные ресурсы. Для идей такой ресурс — емкость человеческих мозгов, где они обитают, но говорить о саморазмножении идей я бы поостерегся.

— Хорошо, как научно-популярная литература изменяется за последние годы?

— Если брать промежутки времени лет в 30–40, мы увидим движение по кругу. Научпоп за последние 10 лет по стилю сильно копирует научпоп западный, потому что сейчас его много перевели. Там есть тенденция все максимально упрощать, как совсем «для дебилов». Выкладывая черновые отрывки своей книги, я получил несколько комментариев в духе «вы знаете, то, что вы пишете, похоже на советский научпоп». Я над этим подумал, согласился и решил, что это хорошо.

Моя книга отличается от среднего научпопа большей плотностью информации, и среднему читателю придется лезть в Google — не за тем, так за другим.

Я старался все максимально облегчить, но в объеме одной книги все комментарии и пояснения не поместятся — а если впихнуть, это будет нечитаемо. Комментаторы в блоге говорили, что это вносит приятное разнообразие, а работа мозгом по пониманию более сложного текста приносит удовольствие. Я в детстве читал много советского научпопа из родительской библиотеки — там был Маковецкий, Яков Перельман. Возможно, я их в чем-то неосознанно копировал. А вот Кирилла Юрьевича Еськова по стилю я копировал уже осознанно — это наш палеонтолог, который в 2000-м выпустил научно-популярную книгу «История Земли и жизни на ней» (правда, тогда научпоп не был развит, и она вышла под грифом «учебники для дополнительного образования»). В этой книге говорится о развитии биосферы Земли как цельной системы, без акцента на конкретных вымерших видах. Других книг подобной направленности на русском языке нет, да и на английском, в принципе, тоже. Она была принята читателями довольно благосклонно, в том числе далекими от биологии. Я как-то сослался на нее в споре на форуме по военной истории, и там книгу приняли на ура, хотя она была не по их специальности.

— А ваша книга больше рассчитана на подготовленного читателя, который уже интересуется биологией?

— Я очень хочу, чтобы она дошла до читателей, далеких от биологии. Книга выросла из курса лекций, который был отработан на школьниках, интересующихся биологией. Мне очень хотелось охватить условную аудиторию GeekTimes. Там больше программистов — очень умная аудитория, но которая читает научпоп, связанный с биологией, редко и от случая к случаю. В научпопе сейчас проблема: каждую новую научно-популярную книгу читают те же люди, которые читали три-пять предыдущих. Мне бы хотелось разомкнуть эту замкнутую «тусовку», подключив туда новых людей. В этом цель не только этой книги, но и ее рекламы.

Происхождение жизни – гипотеза «мира белковых взаимодействий»: белковые взаимодействия были первой формой самовоспроизводящейся жизни, а нуклеиновые кислоты развились позже в виде молекул памяти

. 2005;64(4):678-88.

doi: 10.1016/j.mehy.2004.11.029.

Питер Андрас
1
 , Чаба Андрас

принадлежность

  • 1 Школа компьютерных наук Университета Ньюкасл-апон-Тайн, Ньюкасл-апон-Тайн NE1 7RU, Великобритания. [email protected]

  • PMID:

    15694682

  • DOI:

    10.1016/j.mehy.2004.11.029

Питер Андрас и др.

Мед Гипотезы.

2005.

. 2005;64(4):678-88.

doi: 10.1016/j.mehy.2004.11.029.

Авторы

Питер Андрас
1
 , Чаба Андрас

принадлежность

  • 1 Школа компьютерных наук Университета Ньюкасл-апон-Тайн, Ньюкасл-апон-Тайн NE1 7RU, Великобритания. peter.andras@ncl. ac.uk

  • PMID:

    15694682

  • DOI:

    10.1016/j.mehy.2004.11.029

Абстрактный

Гипотеза происхождения жизни о «белковом мире взаимодействия» (PIW) предполагает, что жизнь возникла как самовоспроизводящаяся и расширяющаяся система белковых взаимодействий. В основной молекулярной биологии «репликация» относится к материальному копированию молекул, таких как нуклеиновые кислоты. Однако PIW концептуализируется как абстрактная коммуникационная система, состоящая из взаимодействий между белками, в которой «репликация» происходит на уровне самовоспроизведения этих взаимодействий между белками. Плотно сконцентрированные системы взаимодействия пептидов могли воспроизводиться и расширяться в виде везикул «протоклеток», окруженных липидными двухслойными мембранами. Протоклетки привели к появлению молекул прото-РНК с большей химической стабильностью, которые служили химически дифференцированными «памятями» состояний взаимодействия пептидов, тем самым облегчая размножение и экспансию протоклеток. Расширение, вызванное упрощением, привело к выбору биотических аминокислот и сокращению типичного алфавита РНК до четырех обычных оснований (A, C, G и U). Плотные взаимодействия между молекулами РНК привели к возникновению подсистемы РНК-взаимодействий клетки, а также к возникновению «памяти» РНК-взаимодействий в виде молекул ДНК с большей химической устойчивостью. Расширение взаимодействий молекул ДНК привело к плотной кластеризации и инкапсуляции молекул ДНК внутри клеточного ядра. Таким образом, молекулы РНК служат памятью о взаимодействиях белков, а молекулы ДНК — памятью о взаимодействиях РНК. Мы считаем, что гипотеза PIW более правдоподобна с точки зрения эволюции, чем основная гипотеза мира РНК, и обладает большей объяснительной силой.

Похожие статьи

  • Белок и нуклеиновая кислота вместе: механизм возникновения биологического отбора.

    Дейл Т.
    Дейл Т.
    Дж Теор Биол. 2006 7 июня; 240 (3): 337-42. doi: 10.1016/j.jtbi.2005.09.027. Epub 2005, 14 ноября.
    Дж Теор Биол. 2006.

    PMID: 16289611

  • Обклетки как протоорганизмы: мембранная наследственность, литофосфорилирование и происхождение генетического кода, первые клетки и фотосинтез.

    Кавалер-Смит Т.
    Кавалье-Смит Т.
    Дж Мол Эвол. 2001 г., октябрь-ноябрь; 53 (4-5): 555-95. doi: 10.1007/s0023

    245.
    Дж Мол Эвол. 2001.

    PMID: 11675615

  • Возможные шаги к возникновению жизни: гипотеза [GADV]-белкового мира.

    Икехара К.
    Икехара К.
    Рек. хим. 2005;5(2):107-18. doi: 10.1002/tcr.20037.
    Рек. хим. 2005.

    PMID: 15828060

    Обзор.

  • Происхождение мира РНК: коэволюция генов и метаболизма.

    Копли С.Д., Смит Э., Моровиц Х.Дж.
    Копли С.Д. и др.
    Биоорг хим. 2007 г., декабрь 35(6):430-43. doi: 10.1016/j.bioorg.2007.08.001. Epub 2007, 25 сентября.
    Биоорг хим. 2007.

    PMID: 17897696

  • Пептидные нуклеиновые кислоты и происхождение жизни.

    Нильсен ЧП.
    Нильсен ЧП.
    Химические биодайверы. 2007 Сентябрь;4(9):1996-2002. doi: 10.1002/cbdv.2007

    .
    Химические биодайверы. 2007.

    PMID: 17886856

    Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

  • Привлекательные возобновляемые материалы в зеленой химии.

    Касти Ф., Басокку Ф., Моччи Р., Де Лука Л., Порчедду А., Кукку Ф.
    Касти Ф. и др.
    Молекулы. 2022 19 марта;27(6):1988. doi: 10.3390/молекулы27061988.
    Молекулы. 2022.

    PMID: 35335350
    Бесплатная статья ЧВК.

    Обзор.

  • Сила универсальных контекстуализированных встраиваний белков в предсказании межвидовых функций белков.

    ван ден Бент И., Макродитрис С., Рейндерс М.
    ван ден Бент I и др.
    Эвол Биоинформ Онлайн. 2021 3 декабря; 17:11769343211062608. дои: 10.1177/11769343211062608. Электронная коллекция 2021.
    Эвол Биоинформ Онлайн. 2021.

    PMID: 34880594
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Пролиферирующие капли коацервата как недостающее звено между химией и биологией в происхождении жизни.

    Мацуо М., Курихара К.
    Мацуо М. и др.
    Нац коммун. 2021 24 сентября; 12 (1): 5487. doi: 10.1038/s41467-021-25530-6.
    Нац коммун. 2021.

    PMID: 34561428
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Полиэфиры как модельная система для создания примитивных биологий из небиологической пребиотической химии.

    Чандру К., Мамаджанов И., Кливз Х.Дж. 2-й, Цзя Т.З.
    Чандру К. и др.
    Жизнь (Базель). 2020 19 января; 10 (1): 6. doi: 10.3390/life10010006.
    Жизнь (Базель). 2020.

    PMID: 31963928
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Вирусы и эволюция — сначала вирусы? Личная перспектива.

    Меллинг К., Брокер Ф.
    Меллинг К. и др.
    Фронт микробиол. 2019 19 марта; 10:523. doi: 10.3389/fmicb.2019.00523. Электронная коллекция 2019.
    Фронт микробиол. 2019.

    PMID: 30941110
    Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

термины MeSH

вещества

Что было первым? Эксперимент по воссозданию первичных белков решает давнюю загадку — ScienceDaily

Как выглядели самые первые белки — те, что появились на Земле около 3,7 миллиарда лет назад? Профессор Дэн Тауфик из Научного института Вейцмана и профессор Норман Метанис из Еврейского университета в Иерусалиме реконструировали белковые последовательности, которые вполне могут напоминать тех предков современных белков, и их исследования показывают, каким образом эти примитивные белки могли развиться до формирования живые клетки. Их выводы были опубликованы в Труды Национальной академии наук (PNAS) .

Белки, закодированные в генетическом материале клетки, представляют собой винты, пружины и винтики живой клетки — все ее движущиеся части. Но мы предполагаем, что первые белки появились задолго до появления клеток и, следовательно, жизни, какой мы ее знаем. Современные белки состоят из 20 различных аминокислот, каждая из которых необходима для построения белка, и все они организованы в виде полимера — длинной цепочечной молекулы, — в которой расположение каждой аминокислоты имеет решающее значение для функцию белка. Но есть парадокс в размышлениях о том, как возникли самые ранние белки. Потому что аминокислоты, необходимые для производства белков, сами производятся другими белками — ферментами. Это вопрос о курице и яйце, и до сих пор на него был дан лишь частичный ответ.

Ученые считают, что самые первые настоящие белки образовались из более коротких белковых сегментов, называемых пептидами. Пептиды были бы липкими соединениями аминокислот, спонтанно созданными в первобытном химическом бульоне; короткие пептиды затем связывались бы друг с другом, со временем производя белок, способный к какому-то действию. Самопроизвольное образование аминокислот уже было продемонстрировано в 1952 году в знаменитом эксперименте Миллера и Юри, в котором они воспроизвели условия, которые, как считалось, существовали на Земле до возникновения жизни, и добавили энергии, подобной той, что могла исходить от молнии или вулканов. Доказывая, что аминокислоты могут при правильных условиях образовываться без помощи ферментов или любого другого механизма в живом организме, предполагалось, что аминокислоты были «яйцом», которое предшествовало ферменту «курица».

Тауфик, работающий в отделе биомолекулярных наук Института, говорит, что все хорошо, «но в этом эксперименте и во всех последующих экспериментах отсутствовал один жизненно важный тип аминокислот: такие аминокислоты, как аргинин и лизин. которые несут положительный электрический заряд». Эти аминокислоты особенно важны для современных белков, поскольку они взаимодействуют с ДНК и РНК, обе из которых несут суммарный отрицательный заряд. Сегодня предполагается, что РНК является исходной молекулой, которая может как нести информацию, так и создавать копии самой себя, поэтому теоретически контакт с положительно заряженными аминокислотами необходим для дальнейших шагов в развитии живых клеток.

Но была одна положительно заряженная аминокислота, появившаяся в экспериментах Миллера-Юри, аминокислота под названием орнитин, которая сегодня используется как промежуточный этап в производстве аргинина, но сама по себе не используется для построения белков. Исследовательская группа задалась вопросом: что, если орнитин был недостающей аминокислотой в этих древних белках? Они разработали оригинальный эксперимент для проверки этой гипотезы.

Ученые начали с относительно простого белка из семейства, который связывается с ДНК и РНК, применяя филогенетические методы для определения последовательности белка-предка. Этот белок был бы богат положительными зарядами — 14 из 64 аминокислот были либо аргинином, либо лизином. Затем они создали синтетические белки, в которых орнитин заменил их в качестве переносчика положительного заряда.

Белки на основе орнитина связываются с ДНК, но слабо. Однако в лаборатории Метаниса исследователи обнаружили, что простые химические реакции могут превращать орнитин в аргинин. И эти химические реакции происходили в тех условиях, которые, как предполагалось, преобладали на Земле в то время, когда должны были появиться первые белки. По мере того как все больше и больше орнитина превращалось в аргинин, белки все больше и больше напоминали современные белки и связывались с ДНК более сильным и избирательным образом.

Ученые также обнаружили, что в присутствии РНК древняя форма пептида участвовала в фазовом разделении (подобно каплям масла в воде) — шаге, который затем может привести к самосборке и «департаментализации». И это, говорит Тауфик, предполагает, что такие белки вместе с РНК могли образовывать протоклетки, из которых могли развиться настоящие живые клетки.