Небелковые формы жизни: Возможна ли небелковая жизнь? Кремний, фосфор и метан как основа органики | Космос, Наука

И. Край «Другая химия. Небелковая жизнь»

И. Край «Другая химия. Небелковая жизнь»

Что, если в условиях, непохожих на земные, жизнь всё-таки
существует – только другая, соответствующая именно этим условиям? Возможна ли
жизнь на основе кремния, азота, мышьяка, серы, и с какими затруднениями она
столкнётся?

Игорь Край

(статья печатается в авторской редакции и с иллюстрациями, присланными самим
автором; журнальный вариант под названием «Так жить нельзя!» можно найти по
ссылке)

Во второй половине прошлого века отправленные
к Марсу космические аппараты передали на Землю фотографии ржавой пустыни без
признаков жизни. И стало окончательно ясно, что условия, подходящие даже для
самой неприхотливой бактерии, встречаются в космосе нечасто. Искать обитаемые
миры придётся в других звёздных системах, а это – задача отдалённого будущего.


Но что если в условиях непохожих на земные жизнь всё-таки существует, – только
другая, приспособленная именно к этим условиям? А так вполне может быть, раз
уж в 2010 году в калифорнийском озере Моно удалось обнаружить бактерию, в ДНК
которой фосфор заменён на мышьяк*. Если после столь радикальной модификации
двойная спираль продолжает выполнять свои функции, вполне уместно дать некоторую
волю фантазии, предположив, что космические тела, абсолютно, казалось бы, для
этого не пригодные, всё-таки населены.

* Позднее это открытие было признано ошибочным. — прим. автора сайта

Являющееся пристанищем «другой жизни» озеро Моно и выглядит
так, словно принадлежит другому миру.

Прежде, чем браться за рассмотрение небелковой
жизни, следует разобраться с общими свойствами живого. С точки зрения химии,
«жизнь» – реакция автокатализа сложных органических молекул. Катализатором,
как известно, именуется вещество, ускоряющее некоторые химические процессы,
не участвуя в них. Например, в присутствии железа ускоряется синтез хлорофилла.
Сам же хлорофилл выступает в качестве катализатора при фотосинтезе углеводородов
из воды и углекислого газа. Если же некая молекула, попав в раствор с нужными
реагентами, провоцирует цепочку преобразований, конечным результатом которой
является появление ещё одной такой же молекулы – это автокатализ.

Вирус – широко известный пример существа-молекулы. Но все современные
вирусы – паразиты.

Их ДНК или РНК «самокопируется» только внутри живой клетки.

Органические и неорганические вещества, обладающие
автокаталитическими свойствами и в определённых обстоятельствах способные «размножаются»,
хорошо известны науке. Но считать молекулу по-настоящему «живой» можно лишь
при выполнении ещё одного условия. Она должна быть достаточно сложной, для того
чтобы при самокопировании случались ошибки. В этом случае возникает изменчивость,
и начинает действовать естественный отбор. Чем эффективнее самокопируется молекула,
например, «научившаяся» использовать побочные или промежуточные продукты автокатализа
для синтеза необходимых материалов, тем больше у неё будет копий, обладающих
теми же полезными свойствами. А уж дальше «само пойдёт». Где конкуренция и отбор,
там и прогресс.

Крупные – с ладонь величиной – монстры докембрийской, «вендской»
фауны могли существовать лишь

в условиях сильного течения, приносящего пищу и кислород.

Тайна происхождения жизни на Земле остаётся
пока нераскрытой, и пребудет в этом состоянии ещё долго. Ибо в данном случае
науке приходится решать задачу со всеми неизвестными. Первая «живая» молекула
принялась плодить себе подобные в условиях ныне уже несуществующих и с трудом
поддающихся реконструкции. За четыре миллиарда лет не только наша планета до
неузнаваемости изменилась, но и Солнце не осталось прежним. Недаром такое значение
придаётся исследованиям кометного вещества. Только лёд малых космических тел
может хранить информацию о химическом составе земных океанов эпохи Архея и Катархея.

Интересны, однако, не столько проблемы происхождения
белковой жизни, сколько основные этапы её развития, вероятно, неизбежные и для
жизни небелковой. Например, не только «живые молекулы», но и первые бактерии
ещё не производили органику сами и полностью зависели от поставок материалов
из недр планеты. Благо, океаны, в ту пору неглубокие и крошечные (воды на планете
было в 700 раз меньше, чем сейчас), примерно на 1% состояли из углеводородов
и могли именоваться «первичным бульоном» с полным правом.

Лишь 3.7 миллиарда лет назад, доев бульон, бактерии начали осваивать самостоятельный
синтез. Сначала аноксигенный, для которого, помимо углекислоты, требовался сероводород
или даже просто водород, ещё не полностью выветрившийся из земной атмосферы.
Реакция протекала без выделения кислорода. Он начал накапливаться только миллиард
лет спустя, после того как дефицитный сероводород при осуществлении фотосинтеза
был заменён самым трудным для переработки, но и самым доступным сырьём – водой.

Потребляющие сероводород бактерии практически отсутствуют в
отравленных этим газом

глубинах Чёрного моря. Для хемосинтеза ещё и кислород необходим.

Как фантастами, так и учёными, глубже всего
проработана концепция внеземной жизни на основе кремния. Не обойдена она и отечественными
авторами («Контакт на Ленжевене» Анатолия Константинова, «Глиняный бог» Анатолия
Днепрова). Странно лишь, что литературные кремниевые пришельцы по неизвестным
причинам всегда напоминают глиняные статуи или ожившие кристаллы, хотя, с точки
зрения науки внешние различия кремневодородных и белковых существ могут быть
минимальными. Ведь кремний всего лишь должен заместить углерод в органических
молекулах. А образующий плоть «силикоидов» силикон широко применяется ныне для
имитации некоторых тканей человеческого тела.

Преимуществом кремния является его высокая, по сравнению с углеродом, распространённость.
Кроме того, силаны – полимерные цепочки из водорода и кремния – более устойчивы
к высокой температуре, чем углеводороды. Но далее начинаются затруднения. Увы,
жизни на основе кремния, просто, не из чего возникнуть. Как отмечалось выше,
на самом раннем этапе автокаталитическая молекула должна синтезировать свои
копии из уже готовых материалов. «Комплектующие» для углеродной жизни распространены
повсеместно. Аминокислоты, например, обнаружены в туманностях и даже в межгалактическом
пространстве. Но кремневодороды слишком неустойчивы химически и в природе представляют
исключительную редкость. Трудно себе представить естественные условия, в которых
они могли бы накопиться, образовав питательную среду для первого «существа-вещества».

Силикоиды в игре Master of Orion почему-то едят камень. Хотя
в метаболизме живых организмов

на основе кремния он соответствует углекислому газу и должен быть ядовитым для
животных.

Перейдя же к синтезу, кремниевая бактерия
столкнётся с новыми проблемами. Место углекислого газа в её метаболизме должен
занять диоксид кремния, вещество, составляющее основную массу коры планет земного
типа, но не летучее и не растворимое в воде. Устойчивость к высоким температурам,
в принципе, позволит «силикоидам» плавать в магме, поглощая диоксид кремния
в виде расплава. В жерлах вулканов не составляет редкости и второй необходимый
для синтеза компонент – сероводород. Вот только сами озёра расплавленного камня
встречаются нечасто и существуют недолго. Магма же в мантии планеты слишком
горяча даже для кремниевой «саламандры».

Теоретически, родным домом для силикоидов могли бы стать раскалённые миры, рассечённые
реками лавы, текущими у подножия чёрных базальтовых скал. Но и на таких планетах
кремнеорганическая жизнь не будет процветать, ибо сероводород редок, а переход
к синтезу на основе воды невозможен. Вода не уживётся с магмой. Остаются лишь
труднопредставимые на данный момент условия на поверхности силикатных ядер «горячих»
планет-гигантов. Там расплавленный камень может соседствовать с богатой водородом
атмосферой. В дефиците, однако, окажется необходимая для разложения весьма устойчивого
диоксида кремния энергия. Нужный для фотосинтеза свет не достигнет дна газового
«океана». Для хемосинтеза же требуются химически активный окислитель. А судьбу
молекулы такого вещества в плотной атмосфере из раскалённого водорода слишком
легко предсказать.

Зафиксированным в кристаллической решётке молекулам слишком
трудно добраться друг до друга.

И значит, жизнь бессмысленно искать на лишенных жидкости лунах.

Остальные варианты рассматриваются.

Интересные возможности открывает замена углерода комбинацией
азота и фосфора. В этом случае для фотосинтеза растениям вместо воды и углекислоты
понадобятся аммиак и фосфин (соединение фосфора и водорода). Жизнь на фосфор-азотной
основе могла бы процветать в холодных мирах, подобных описанным в романе Пола
Андерсена «Завоевать три мира» и рассказе Кира Булычёва «Снегурочка». Ведь
аммиак замерзает лишь при температуре -78 градусов.

С точки зрения метаболизма «нитроиды» окажутся «существами
навыворот». Земные растения синтезируют горючее – углеводороды, в качестве
отхода выбрасывая окислитель – кислород. При ледяном же синтезе лишним оказывается
водород. Вдыхая это высокоэффективное горючее, нитрозвери должны будут извлекать
из растительной пищи окислитель, возвращая растениям азот и фосфор.

Проблема здесь, собственно, в фосфине. В отличие от космически распространённых
углекислоты, сероводорода, воды и аммиака, это вещество сравнительно редкое.
Но в составе атмосфер на основе водорода фосфин вполне обычен. Таким образом,
«снегурочки» получают среду для обитания, наверняка встречающуюся в космосе
даже чаще, чем «влажные» планеты земного типа. Для нитроидов подойдут отчасти
подобные Урану и Нептуну относительно лёгкие и холодные планеты-гиганты с
твёрдым ядром и морями жидкого аммиака.

Как и силаны, органические вещества на основе азота и фосфора недостаточно
стабильны. Но только в земных условиях. Надёжность химических связей увеличивается
по мере падения температуры. А значит «питательный бульон» необходимый для
зарождения азотной жизни вполне может накапливаться в аммиачных морях. Затем,
развитие «нитроидов» не встретит серьёзных препятствий, помимо дефицита энергии.
Которой потребуется много именно потому, что холод затрудняет разборку фосфина
и аммиака на необходимые для синтеза органики детали. Доступность же энергии
в ледяном мире, очевидно, невелика. Иначе он не был бы ледяным.

Жизнь земного типа без жидкой воды невозможна. Но некоторые
микроорганизмы устраивает

и капельная влага. В облаках они синтезируют белок и размножаются.

Свет для фотосинтеза азотные растения смогут найти лишь
в верхних слоях атмосферы. Газообразная среда кажется не слишком подходящей
для жизни. Но на Земле бактерии в облаках процветают, довольствуясь капельной
влагой. А значит, остаётся шанс обнаружить жизнь на основе азота даже в Солнечной
системе. В газовой оболочке Юпитера, например, нет ничего такого, с чем микроорганизмы
не смогли бы справиться. Атмосфера включает затянутый облаками водяного пара
слой, в котором при давлении всего от трёх до семи атмосфер температура составляет
+30 градусов Цельсия. Как и на молодой Земле, тут достаточно аммиака, метана,
сероводорода и углекислоты. Присутствует и фосфин. «Комфортные» зоны есть
в тучах Сатурна, Урана и Нептуна.

Чужой, слюна которого разъедает металл, может быть «сероуглеродным»
существом.

Правда, в таком случае люди для него были бы не просто несъедобны,

но и смертельно ядовиты.

В рассуждениях об альтернативных формах жизни
учёным приходится отталкиваться от хорошо зарекомендовавшей себя на нашей планете
ДНК. Может ли существовать что-нибудь сложное и автокаталитическое на принципиально
иной основе? Исключить такой вариант нельзя. Проанализировать – тоже.

ДНК же состоит из нуклеотидов, в состав которых, в свою очередь, входят углерод,
водород, азот, кислород и фосфор. Первые два элемента являются основными. Водород
заменять нечем, да и незачем. Если же заместить углерод кремнием, или же вовсе
исключить этот химический элемент из состава молекулы, как в случае со «снегурочками»,
неизвестно даже, сохранит ли двойная спираль автокаталитические свойства. По
теории должна бы, но проверке эта гипотеза пока не поддаётся.

Зато с азотом, кислородом и фосфором можно обходиться, как вздумается. Основные
свойства молекулы не меняются. Но тут уже не приходится говорить о настоящей
небелковой жизни. Ведь углеводородная основа сохранена. Тем не менее, результат
при таком – умеренном – подходе иногда получается ошеломляющий.

Лучше всего реальным условиям соответствует «альтернативная» жизнь, биохимия
которой основана на замене серой атомов кислорода в обычной, углеродной, органике.
Мелочь, вроде бы, но в таком случае синтез становится возможным только при замене
воды, превращающейся в смертельный яд, на серную кислоту! А это означает, что
подходящие условия гипотетических «сероуглеродных» бактерий наблюдаются на ближайшей
к нам планете.

Именно из серной кислоты состоят облака на безводной Венере. Дополнительной
же почвой для размышлений является тот факт, что в процессе аноксигенного фотосинтеза
«сероуглеродные» бактерии должны вместо водяного пара выделять сероводород.
Это нестойкое соединение, быстро разрушающееся космическими излучениями. Но
в атмосфере Венеры сероводород почему-то присутствует. Его запасы не могут пополняться
за счёт извержений, так как недра лишённой массивного спутника планеты изрядно
остыли, и вулканизм давно прекратился. Не живые ли существа производят этот
газ?.. Хотя, конечно же, сероводород в венерианских облаках может иметь и менее
экзотическое происхождение.

Атмосфера Венеры в сотню раз плотнее земной, и небольшой пузырь
с водородом

или метаном позволит растению парить на нужной высоте.

Насколько же далеко может продвинуться эволюция
«альтернативной» жизни? Разумеется, облака Венеры куда худшее пристанище для
растений, чем суша и океаны Земли. Но в капельках серной кислоты бактериям будет
раздолье. Света достаточно. Ведь Солнце в полтора раза ближе. А сырьём для фотосинтеза
служат сама кислота и углекислый газ, из которого атмосфера Венеры состоит почти
полностью.

Другой вопрос, что основанный на сере метаболизм делает невозможным и ненужным
фотосинтез с выделением кислорода. Анаэробное же дыхание (особенно если концентрация
сероводорода ничтожна) не обеспечит достаточной энергии для движения. Так что
крупные и подвижные хищники не атакуют земные зонды в атмосфере Венеры.

Атмосфера Юпитера – не лучшее место для фотосинтеза. Солнечной
энергии на единицу площади

поступает в 30 раз меньше. Кроме того, свет почти не проникает сквозь верхний,


состоящий из аммиачного льда, слой облаков.

* * *

То же касается и атмосферы Юпитера, и этановых
морей Титана. Не стоит торопиться населять бурые тучи планет-гигантов летающими
китами. Хотя бы потому, что и активный, и аэростатический полёт на Юпитере невозможны.
Первый потребует слишком большого расхода энергии, ведь гравитация очень велика.
А второму воспрепятствует закон Архимеда, запрещающий чему-либо плавать в газообразном
водороде. Само по себе возникновение жизни это одно. Развитие же её до высших,
крупных, самоходных и даже мыслящих форм – совсем другое.

Реальность, впрочем, нередко оказывается причудливее плодов человеческого воображения.

Что почитать?

Пол Андерсен «Завоевать три мира»

Кир Булычёв «Снегурочка»

Алексей Днепров «Глиняный бог»

Артур Конан Дойл «Когда Земля вскрикнула»

Артур Кларк «Из солнечного чрева»

Алексей Константинов «Контакт на Ленжевене»

Станислав Лем «Непобедимый»

Майкл Крайтон «Штамм Андромеда»

Алексей Толстой «Аэлита»

Герберт Уэллс «Война миров»

Фред Хойл «Чёрное облако»

Авторизация

Размер:

AAA

Цвет:
C
C
C

Изображения

Вкл.
Выкл.

Обычная версия сайта

Сведения об образовательной организации
Контакты
Старая версия сайта

Версия для слабовидящих

Версия для слабовидящих

Южно-Уральский государственный медицинский университет

• Университет
  • События
  • Новости
  • ЮУГМУ сегодня
  • Историческая справка
  • Руководство
  • Выборы ректора
  • Лицензия, аккредитация и сертификаты
  • Организационная структура
  • Противодействие коррупции
  • Первичная профсоюзная организация ЮУГМУ Профсоюза работников здравоохранения РФ
• Абитуриенту
  • Новости для абитуриентов
  • Центр довузовской подготовки
  • Поступающим на специалитет
  • Поступающим в ординатуру
  • Поступающим в аспирантуру
  • Поступающим в медицинский колледж
  • Документы на право ведения образовательной деятельности
  • Положения о приемной, экзаменационной и апелляционной комиссиях
  • Информация об общежитиях
  • Часто задаваемые вопросы
  • Результаты приема студентов
  • Информация для инвалидов
• Обучающемуся
  • Факультеты
  • Кафедры
  • Медицинский колледж
  • Ординатура
  • Аспирантура
  • Научная библиотека
  • Образовательный портал
  • Расписания
  • Совет обучающихся ЮУГМУ
  • Этический кодекс студентов медицинских вузов
  • Совет студентов Минздрава России
  • О допуске студентов к работе в медицинских организациях
  • Иностранным обучающимся
  • Медицинское обслуживание
  • Информация об общежитиях
  • Стипендиальное обеспечение
  • Порядок перехода обучающихся с платного на бесплатное обучение
  • Часто задаваемые вопросы
  • Анкетирование
  • Студенческие отряды
  • Противодействие терроризму и экстремизму
• Специалисту
  • Институт дополнительного профессионального образования
  • Аккредитация специалистов
• Пациенту
  • Клиника ФГБОУ ВО ЮУГМУ Минздрава России
  • Профилактика новой коронавирусной инфекции, гриппа, ОРВИ, вакцинация
  • Здоровый образ жизни
  • Нет наркотикам!
• Научная работа
  • Управление по научной и инновационной работе
  • Экспериментально-биологическая клиника (виварий)
  • Отдел международных связей
  • НИИ иммунологии
  • Центральная научно-исследовательская лаборатория
  • НОЦ «Проблемы фундаментальной медицины»
  • НОЦ «Клиническая фармакология»
  • Конференции и другие мероприятия
  • Диссертационные советы
  • Журнал «Непрерывное медицинское образование и наука»
  • Студенческое научное общество
  • Совет молодых ученых и специалистов

Первая молекула жизни была белком, а не РНК, новая модель предлагает

Из Quanta Magazine ( найти оригинал здесь ).

Белки, как правило, уступают место молекулам РНК в предположениях ученых о том, как зародилась жизнь на Земле. Тем не менее, новая вычислительная модель, которая описывает, как ранние биополимеры могли расти достаточно долго, чтобы складываться в полезные формы, может изменить это. Если она подтвердится, модель, которая сейчас используется для подтверждения в лабораторных экспериментах, может восстановить репутацию белков как оригинальных самовоспроизводящихся биомолекул.

Для ученых, изучающих происхождение жизни, один из величайших вопросов, связанных с курицей или яйцом, звучит так: что появилось раньше — белки или нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК? Четыре миллиарда лет назад или около того основные химические строительные блоки привели к появлению более длинных полимеров, которые обладали способностью к самовоспроизведению и выполняли функции, необходимые для жизни, а именно: хранили информацию и катализировали химические реакции. На протяжении большей части истории жизни нуклеиновые кислоты выполняли первую работу, а белки — вторую. Однако ДНК и РНК несут инструкции по созданию белков, а белки извлекают и копируют эти инструкции в виде ДНК или РНК. Какой из них изначально мог справиться с обеими задачами самостоятельно?

В течение десятилетий предпочтительным кандидатом была РНК — особенно после открытия в 1980-х годах, что РНК также может сворачиваться и катализировать реакции, как это делают белки. Более поздние теоретические и экспериментальные данные еще больше подкрепили гипотезу о «мире РНК» о том, что жизнь возникла из РНК, которая могла катализировать образование большего количества РНК.

Но РНК также невероятно сложна и чувствительна, и некоторые эксперты скептически относятся к тому, что она могла возникнуть спонтанно в суровых условиях добиотического мира. Более того, и молекулы РНК, и белки должны принимать форму длинных свернутых цепей, чтобы выполнять свою каталитическую работу, и ранняя среда, по-видимому, не позволяла цепочкам нуклеиновых кислот или аминокислот становиться достаточно длинными.

Кен Дилл и Елизавета Гусева из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке вместе с Рональдом Цукерманом из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии представили возможное решение головоломки в Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) этим летом. Что касается моделей, то они очень простые. Дилл разработал его в 1985 году, чтобы помочь решить «проблему свертывания белка», которая касается того, как последовательность аминокислот в белке определяет его свернутую структуру. В его гидрофобно-полярной (ГП) модели свертывания белка 20 аминокислот рассматриваются как всего два типа субъединиц, которые он сравнил с разноцветными бусинками на ожерелье: синие, водолюбивые (полярные мономеры), и красные, водоненавидящие. (неполярные мономеры). Модель может сложить цепочку из этих бусин в последовательном порядке по вершинам двумерной решетки, подобно размещению их на смежных клетках шахматной доски. Какой квадрат в конечном итоге займет данная бусина, зависит от тенденции красных гидрофобных бусинок слипаться вместе, чтобы они могли лучше избегать воды.

Дилл, биофизик, использовал этот вид вычислений на протяжении 1990-х годов, чтобы ответить на вопросы об энергетических ландшафтах и ​​состояниях сворачивания белковых последовательностей. Только недавно он додумался применить эту модель к ранней Земле и к переходу от пребиотической химии к биологии. «Химия не корыстна, в отличие от биологии», — сказал Дилл. «Каковы были первые семена этого корыстного интереса?»

Ответ, по его мнению, лежит в складных полимерах или фолдамерах. С помощью своей модели он сгенерировал один набор перестановок гидрофобных и полярных мономеров: полный ассортимент всех возможных красно-синих ожерелий длиной до 25 бусин. Только 2,3% этих последовательностей коллапсируют в компактные фолдамерные структуры. И только 12,7 процента из них — всего 0,3 процента от исходного набора — складываются в конформации, которые обнажают гидрофобное пятно красных шариков на их поверхности.

Этот патч может служить привлекательной липкой посадочной площадкой для гидрофобных участков последовательностей, проплывающих мимо. Если одна красная бусинка и цепочка с красным хвостом приземляются на гидрофобный участок одновременно, термодинамика благоприятствует соединению двух последовательностей вместе. Другими словами, пластырь действует как катализатор удлинения полимеров, ускоряя эти реакции в десять раз. Хотя это увеличение скорости небольшое, по словам Дилла, оно является значительным.

Автокаталитическое оригами

Большинство этих удлиненных полимеров просто продолжают свой путь. Но некоторые в конечном итоге складываются, а у некоторых даже есть собственный гидрофобный участок, как и у исходного катализатора. Когда это происходит, свернутые молекулы с посадочными площадками не только продолжают формировать длинные полимеры во все большем и большем количестве, но также могут в конечном итоге составить так называемый автокаталитический набор, в котором фолдамеры прямо или косвенно катализируют образование копий самих себя. . Иногда два или более фолдамеров могут участвовать во взаимном катализе, усиливая реакции, которые формируют друг друга. Хотя такие наборы встречаются редко, количество этих молекул будет расти экспоненциально и в конечном итоге преобладать над пребиотическим супом. «Это все равно, что зажечь спичку и разжечь лесной пожар», — сказал Дилл.

«В этом вся магия, — добавил он, — способность небольшого события использовать себя для гораздо более крупных событий».

И все, что нужно, чтобы запустить этот процесс, — это определенные последовательности гидрофобных и полярных компонентов, которые может предсказать его модель. «Модель Дилла показывает, что вам нужны только эти два свойства», — сказал Питер Шустер, химик-теоретик и почетный профессор Венского университета. «Это прекрасный теоретический результат».

«Это ставит под сомнение видение происхождения жизни, основанное на гипотезе мира РНК», — сказал Эндрю Похорилл, директор Центра вычислительной астробиологии и фундаментальной биологии НАСА. Ему и некоторым другим ученым белки кажутся «более естественной отправной точкой», потому что их легче производить, чем нуклеиновые кислоты. Поорилле утверждает, что система хранения информации, найденная в самых ранних зачатках жизни, была бы менее развитой, чем система, основанная на нуклеиновых кислотах, в современных клетках.

«Людям не понравилась гипотеза о белках, потому что мы не знаем, как реплицировать белки», — добавил он. «Это попытка показать, что, хотя вы не можете воспроизводить белки так же, как вы можете воспроизводить РНК, вы все равно можете строить и развивать мир без такого точного хранения информации».

Эта плодородная, насыщенная информацией среда могла бы стать более благоприятной для появления РНК. Поскольку РНК была бы лучше в автокатализе, естественный отбор в долгосрочной перспективе благоприятствовал бы ей. «Если вы начнете с более простой модели [такой, как у Дилла], позже может появиться что-то вроде РНК, и она станет победителем в производственной игре», — сказал Дорон Ланцет, исследователь в области геномики, который работал над своей собственной простой моделью, основанной на химии. в Институте Вейцмана в Израиле.

В поисках доказательств с помощью пептоидов

Конечно, ключ ко всему этому лежит в настоящих экспериментах. «Все, что уходит в прошлое более чем на 2,5–3 миллиарда лет, является предположением», — сказал Эрих Борнберг-Бауэр, профессор молекулярной эволюции Вестфальского университета Вильгельма в Мюнстере в Германии. Он описал работу Дилла как «настоящее доказательство концепции». Эту модель все еще необходимо проверить на других теоретических моделях и экспериментальных исследованиях в лаборатории, если она действительно хочет дать хороший отпор гипотезе мира РНК. В противном случае «это похоже на шутку о физиках [предполагающих], что коровы — это идеально эластичные сферические объекты», — сказал Андрей Лупас, директор отдела эволюции белков в Институте биологии развития им. Макса Планка в Германии, который верит в мир РНК-пептидов. , в котором эти двое развивались вместе. «Любое значение в конечном итоге исходит из эмпирических подходов».

Вот почему Цукерманн, один из соавторов Дилла по статье PNAS  , начал работу над проектом, который, как он надеется, подтвердит гипотезу Дилла.

Двадцать пять лет назад, примерно в то время, когда Дилл предложил свою модель свертывания белка HP, Цукерманн разрабатывал синтетический метод создания искусственных полимеров, называемых пептоидами. Он использовал эти небиологические молекулы для создания материалов, имитирующих белок. Теперь он использует пептоиды для проверки предсказаний модели HP, изучая, как складываются последовательности и могут ли они стать хорошими катализаторами. По словам Цукерманна, в ходе этого эксперимента он и его коллеги будут тестировать тысячи последовательностей.

Это наверняка будет грязно и сложно. Модель HP Дилла сильно упрощена и не учитывает многих сложных молекулярных деталей и химических взаимодействий, характерных для реальной жизни. «Это означает, что мы столкнемся с реальностью атомного уровня, которую модель не способна увидеть», — сказал Цукерманн.

Одной из таких реалий может быть то, что пара фолдамеров будет объединяться, а не катализировать производство друг друга. Скептики гипотезы Дилла опасаются, что гидрофобным участкам будет гораздо легче взаимодействовать друг с другом, чем с другими полимерными цепями. Но, по словам Похорилла, возможность агрегации не означает автоматически, что Дилл ошибается в том, что эти гидрофобные участки нужны для запуска автокатализа. «Современные ферменты — это не просто гладкие шарики. Ферменты содержат щели, которые помогают процессу катализа», — объяснил он. Если между фолдамерами происходит агрегация через их посадочные площадки, вполне возможно, что полученная структура также может обладать такими свойствами.

«Даже если это кажется маловероятным, наука должна рассмотреть все гипотезы», — добавил Борнберг-Бауэр. «Это то, что делает Дилл».

Пока, по крайней мере, господствует гипотеза мира РНК. Тем не менее, Дилл и Цукерманн сохраняют оптимизм в отношении результатов дальнейших исследований. Дилл планирует использовать эту модель для изучения других вопросов о происхождении жизни, в том числе о том, как и почему возник генетический код. И Цукерманн надеется, что исследование — в дополнение к подтверждению (или опровержению) вычислений Дилла — также поможет ему создать фолдамеры, которые могут действовать как транспортные средства для доставки лекарств, синтетических антител или диагностических инструментов.

«Эта модель дает таким экспериментаторам, как я, отправную точку, — сказал Цукерманн. «Это ставит задачу найти эти примитивные катализаторы, показать, как они работают, и сказать: это действительно могло произойти».

Перепечатано с разрешения Quanta Magazine , редакционно-независимой публикации Фонда Саймонса , чья миссия состоит в том, чтобы улучшить общественное понимание науки, освещая научные разработки и тенденции в математике, физических науках и науках о жизни. .

ОБ АВТОРАХ

Джордана Чепелевич — научный писатель из Нью-Йорка.

Первая жизнь: поиски первого репликатора

Майкл Маршалл

Рассвет живых

Жизнь, должно быть, началась с простой молекулы, которая могла воспроизводить себя — и теперь мы думаем, что знаем, как ее создать

4 МИЛЛИАРДА лет до настоящего времени: поверхность новообразованной планеты вокруг звезды среднего размера начинает остывать. Это жестокое место, засыпанное метеоритами и расколотое извержениями вулканов, с атмосферой, полной ядовитых газов. Но почти как только вода начинает образовывать на своей поверхности бассейны и океаны, происходит нечто экстраординарное. Возникает молекула или, возможно, набор молекул, способных воспроизводить себя.

Это был рассвет эволюции. Как только появились первые самовоспроизводящиеся существа, включился естественный отбор, который отдавал предпочтение любому потомству с вариациями, которые позволяли им лучше воспроизводить себя. Вскоре появились первые простые клетки. Остальное — предыстория.

Реклама

Миллиарды лет спустя некоторые из потомков тех первых клеток превратились в организмы, достаточно разумные, чтобы задаться вопросом, на что был похож их самый ранний предок. С какой молекулы все началось?

Еще в 1960-х годах некоторые из этих разумных организмов начали подозревать, что первые самовоспроизводящиеся молекулы состоят из РНК, близкого родственника ДНК. Однако у этой идеи всегда была огромная проблема — не было известно, каким образом могли образоваться молекулы РНК на изначальной Земле. И если молекулы РНК не могли образовываться спонтанно, как могли возникнуть самовоспроизводящиеся молекулы РНК? Был ли какой-то другой репликатор первым? Если да, то что это было? Наконец-то начинает появляться ответ.

Когда биологи впервые задумались о том, как возникла жизнь, этот вопрос казался непонятным. Во всех живых организмах тяжелую работу выполняют белки. Белки могут скручиваться и складываться в самые разнообразные формы, поэтому они могут делать что угодно, в том числе действовать как ферменты, вещества, которые катализируют огромное количество химических реакций. Однако информация, необходимая для производства белков, хранится в молекулах ДНК. Вы не можете создать новые белки без ДНК, и вы не можете создать новую ДНК без белков. Так что же появилось раньше, белки или ДНК?

Открытие в 1960-х годах того, что РНК может складываться подобно белку, хотя и не в такие сложные структуры, подсказало ответ. Если бы РНК могла катализировать реакции, а также хранить информацию, некоторые молекулы РНК могли бы быть способны производить больше молекул РНК. И если бы это было так, репликаторам РНК не нужны были бы белки. Они могли все сделать сами.

Это была привлекательная идея, но в то время это была полная спекуляция. Никто не показал, что РНК может катализировать реакции подобно белковым ферментам. Не было до 1982, после десятилетий поисков, наконец был открыт РНК-фермент. Томас Чех из Университета Колорадо в Боулдере обнаружил его у Tetrahymena thermophila , причудливого одноклеточного животного с семью полами ( Science , vol 231, p 4737).

После этого шлюзы открылись. Люди обнаруживали все больше РНК-ферментов в живых организмах и создавали новые в своих лабораториях. РНК может быть не так хороша для хранения информации, как ДНК, менее стабильна и универсальна, чем белки, но она оказалась молекулярным мастером на все руки. Это дало огромный толчок идее о том, что первая жизнь состояла из молекул РНК, которые катализировали производство большего количества молекул РНК — «мир РНК», как назвал его гарвардский химик Уолтер Гилберт 25 лет назад (9).0093 Nature , том 319, стр. 618).

Эти РНК-репликаторы, возможно, даже занимались сексом. Обнаруженный Чехом РНК-фермент не просто катализирует какую-либо старую реакцию. Это был короткий участок РНК, который мог вырезаться из более длинной цепи. Если бы реакция была обращена вспять, к цепям добавилась бы РНК, а это означает, что репликаторы РНК могли бы обмениваться битами с другими молекулами РНК. Эта способность значительно ускорит эволюцию, потому что инновации, сделанные отдельными линиями репликаторов, могут быть объединены в одну линию.

Эволюционирующие репликаторы

Для многих биологов решающим моментом стал 2000 год, когда была разработана структура фабрик по производству белка в клетках. Эта работа подтвердила, что в основе этих фабрик лежит РНК-фермент, и если белки производятся с помощью РНК, то РНК, несомненно, должна была появиться первой.

Тем не менее, некоторые проблемы остались. Во-первых, оставалось неясным, действительно ли РНК способна воспроизводить себя. В настоящее время ДНК и РНК нуждаются в помощи многих белков, чтобы копировать себя. Если когда-то и существовал саморепликатор, то он давно исчез. Поэтому биохимики решили создать его, взяв случайные РНК и изменив их в течение многих поколений, чтобы увидеть, что у них получилось.

К 2001 году в результате этого процесса был получен РНК-фермент под названием R18, который мог прикреплять 14 нуклеотидов — строительных блоков РНК и ДНК — к существующей РНК, используя другую РНК в качестве матрицы ( Science , том 292, стр. 1319). . Однако любая самореплицирующаяся РНК должна строить РНК, длина которых не меньше ее самой, и R18 и близко к этому не подходит. Его длина составляет 189 нуклеотидов, но самая длинная РНК, которую он может создать, содержит всего 20.

Большой прогресс был достигнут ранее в этом году, когда Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания, и его коллеги представили РНК-фермент под названием tC19.Z. Он надежно копирует последовательности РНК длиной до 95 букв, что почти вдвое короче его самого ( Science , vol 332, p 209). Для этого tC19Z закрепляется на конце РНК, присоединяется к нужному нуклеотиду, затем делает шаг вперед и добавляет еще один. «Меня до сих пор поражает, что с такой простой молекулой можно сделать что-то настолько сложное», — говорит Холлигер.

«Я до сих пор не могу поверить, что с такой простой молекулой можно сделать что-то настолько сложное»

Итак, биологи вплотную приблизились к созданию молекулы РНК или, возможно, набора молекул, способных к самовоспроизведению. Это оставляет еще один камень преткновения: откуда взялась энергия для этой деятельности? Должно быть, происходил какой-то метаболический процесс, но РНК не справляется с задачей запуска полноценного метаболизма.

«Был насущный вопрос, может ли РНК выполнять всю химию», — говорит Адриан Ферре-Д’Амаре из Национального института сердца, легких и крови в Бетесде, штат Мэриленд. РНК имеет всего несколько химически активных «функциональных групп», что ограничивает ее катализом лишь нескольких типов химических реакций.

Функциональные группы подобны инструментам: чем больше у вас их видов, тем больше вещей вы можете сделать. Белки имеют гораздо больше функциональных групп, чем РНК. Однако есть способ сделать один инструмент гораздо более универсальным: прикрепить к нему разные биты, как те отвертки, которые идут со сменными головками. Химические эквиваленты представляют собой небольшие вспомогательные молекулы, известные как кофакторы.

Белки используют кофакторы, чтобы еще больше расширить спектр реакций, которые они могут контролировать. Без кофакторов жизнь, какой мы ее знаем, не могла бы существовать, говорит Ферре-Д’Амаре. И оказывается, что РНК-ферменты тоже могут использовать кофакторы.

В 2003 году Хироаки Суга, в настоящее время работающий в Токийском университете, Япония, создал РНК-фермент, способный окислять алкоголь, с помощью кофактора NAD+, который используется многими белковыми ферментами ( Nature Structural Biology , vol 10, стр. 713). Несколько месяцев спустя Рональд Брейкер из Йельского университета обнаружил, что природный фермент РНК, называемый glmS, также использует кофактор.

Многие бактерии используют glmS, говорит Ферре-Д’Амаре, так что либо это древнее вещество, либо ферменты РНК, использующие кофакторы, легко эволюционируют. В любом случае, похоже, что молекулы РНК способны осуществлять ряд реакций, необходимых для производства энергии.

Таким образом, доказательства того, что когда-то существовал мир РНК, становятся все более убедительными. Осталось всего несколько несогласных. «Противники мира РНК потеряли много позиций, — говорит Донна Блэкмонд из Научно-исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. Но остается еще одна огромная и очевидная проблема: откуда вообще взялась РНК?

Молекулы РНК представляют собой цепочки нуклеотидов, которые, в свою очередь, состоят из сахара, к которому присоединены основание и фосфат. В живых клетках в производстве нуклеотидов и их соединении участвуют многочисленные ферменты, но, конечно, на первобытной планете таких ферментов не было. Хотя глина была. В 1996 году биохимик Лесли Оргел показал, что при добавлении «активированных» нуклеотидов — тех, у которых к фосфату присоединен лишний кусочек — к разновидности вулканической глины образуются молекулы РНК длиной до 55 нуклеотидов (9).0093 Nature , том 381, стр. 59). С обычными нуклеотидами образование больших молекул РНК было бы энергетически невыгодно, но активированные обеспечивают энергию, необходимую для запуска реакции.

Это говорит о том, что если бы на ранней Земле было много активированных нуклеотидов, большие молекулы РНК образовались бы спонтанно. Более того, эксперименты, имитирующие условия на ранней Земле и на астероидах, показывают, что сахара, основания и фосфаты также могли возникать естественным путем. Сложность состоит в том, чтобы собрать нуклеотиды вместе; по-видимому, нет никакого способа соединить компоненты без специализированных ферментов. Из-за формы молекул сахару практически невозможно соединиться с основанием, и даже когда это происходит, объединенная молекула быстро распадается.

Эта явно непреодолимая трудность заставила многих биологов заподозрить, что РНК все-таки не первый репликатор. Многие начали исследовать возможность того, что миру РНК предшествовал мир TNA, или мир PNA, или, возможно, мир ANA. Все эти молекулы похожи на РНК, но основные единицы которых, как считается, с гораздо большей вероятностью образуются спонтанно. Большая проблема с этой идеей заключается в том, что если жизнь действительно началась таким образом, то не осталось никаких доказательств этого. «Вы не видите дымящегося пистолета», — говорит Джеральд Джойс, также из Исследовательского института Скриппса.

Тем временем Джон Сазерленд в Лаборатории молекулярной биологии MRC упорно пытался решить проблему нуклеотидов. Он понял, что исследователи могли действовать неправильно. «В каждом нуклеотиде вы видите сахар, основание и фосфатную группу», — говорит он. «Итак, вы предполагаете, что вам нужно сначала сделать эти строительные блоки, а затем склеить их… и это не работает».

Вместо этого он задавался вопросом, могут ли более простые молекулы собираться в нуклеотид, никогда не превращаясь в сахара или основания. В 2009, он доказал, что это возможно. Он взял половину сахара и половину основы и соединил их вместе, образовав ключевую связь между сахаром и основой, с которой все боролись. Затем он добавил остаток сахара и основы. Сазерленд остановился на фосфате последним, хотя он обнаружил, что он должен присутствовать в смеси, чтобы сработали более ранние реакции ( Nature , vol 459, p 239).

Химия Златовласки

Сазерленд намеренно запутался, включив фосфат с самого начала, но это дало наилучшие результаты. Это обнадеживает: первобытная Земля была грязным местом и, возможно, идеально подходила для создания нуклеотидов. Теперь Сазерленд подозревает, что существует «химия Златовласки» — не слишком простая и не слишком сложная, — которая могла бы производить многие ключевые соединения из одного и того же плавильного котла.

«Сазерленд совершил настоящий прорыв, — говорит Холлигер. «Все остальные лаяли не на то дерево».

Проблема еще полностью не решена. РНК состоит из четырех разных нуклеотидов, и пока Сазерленд произвел только два из них. Однако он говорит, что «приближается» к двум другим. Если ему это удастся, это покажет, что спонтанное образование РНК-репликатора в конце концов не так уж невероятно и что первый репликатор, скорее всего, был сделан из РНК.

Конечно, остается много вопросов. Где возникли первые репликаторы? Какой была первая жизнь? Как произошел переход к ДНК и белкам и развитие генетического кода? Возможно, мы никогда не узнаем наверняка, но многие многообещающие направления изучаются. Большинство биологов считают, что с самого начала должно было существовать что-то вроде клетки, чтобы содержать репликатор и сохранять вместе его составные части. Таким образом, люди могли конкурировать за ресурсы и развиваться по-разному.

Джек Шостак из Гарвардского университета показал, что та же самая глина, которая производит цепи РНК, также способствует формированию мембраносвязанных мешочков, подобных клеткам, которые окружают клетки. Он вырастил «протоклетки», которые могут нести РНК и даже делиться без современных клеточных механизмов.

Другая идея состоит в том, что жизнь зародилась в щелочных гидротермальных источниках на морском дне. Эти отверстия не только пронизаны порами и пузырьками, но и обеспечивают такой же электрохимический градиент, который и по сей день стимулирует выработку энергии в клетках. Условия могли быть идеальными для получения длинных цепочек РНК.

У Холлигера есть довольно неожиданная идея: возможно, все произошло во льду. В то время, когда зародилась жизнь, солнце было на 30 процентов тусклее, чем сегодня. Планета замерзла бы, если бы атмосфера не была полна парниковых газов, и вполне мог быть лед ближе к полюсам.