Содержание
Почему жизнь зародилась на суше, а не в океане
Земля обладает двумя особенностями, которые стали главными предпосылками возникновения жизни. Жидкая вода служит растворителем для биохимических реакций, а тектоническая энергия может эти реакции запустить. О том, как выглядела планета, когда этот процесс только начинался, в своей книге «От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни» рассказывает биолог Сергей Ястребов. T&P и премия «Просветитель» публикуют отрывок из главы с актуальными гипотезами ученых об истоках эволюции.
Есть несколько гипотез, более-менее детально расписывающих вероятные первые химические шаги на пути к жизни. Они отличаются в деталях, но едины в главном. Все эти гипотезы предполагают, что местами зарождения жизни были не открытые водоемы, а микрополости в грунте или минеральных осадках, куда подводилась энергия от горячих источников или от вулканов. Надо сказать, что это не такая уж новость. Например, известный швейцарский биолог Карл фон Нэгели еще в XIX веке писал по поводу зарождения жизни: «Вероятно, это случилось не в открытой воде, а во влажном слое тонкого пористого материала (песка, глины), где совместно действовали молекулярные силы твердых, жидких и газообразных тел».
Вот это мнение сейчас и стало научным мейнстримом. Где возникновение жизни наименее вероятно — так это в водной толще спокойного океана, освещенного солнцем. Там просто нет таких потоков энергии и вещества, которые зарождающаяся жизнь могла бы «оседлать» и перенаправить себе на пользу.
«От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни»
Итак, где-то в воде, пропитывавшей окрестности древних вулканов или горячих источников, начались автокаталитические (то есть самоускоряющиеся) химические реакции, цепочки которых вскоре стали пересекаться за счет общих промежуточных продуктов и замыкаться в циклы. Главные участники этих реакций, скорее всего, были небольшими органическими молекулами, поначалу даже одноуглеродными. Но реакции-то были не простыми. Особенность любой автокаталитической реакции по определению состоит в том, что ее продукт одновременно является катализатором, то есть веществом, ускоряющим ход самой реакции. При условии достаточной сложности реакционной системы (а оно в данном случае наверняка соблюдалось: и реагентов, и продуктов было множество) автокаталитические реакции приобретают свойство саморазвития, потому что в них появляется обратная связь: небольшое изменение механизма реакции влияет на состав ее продуктов, изменение которого, в свою очередь, влияет на механизм — и так шаг за шагом.
Спустя какое-то время в системе автокаталитических реакций начали синтезироваться аминокислоты, простейшие углеводы, а там дело дошло и до полимеров — сперва простых, потом посложнее. Наконец, некоторые из этих полимеров «научились» катализировать сначала синтез друг друга (это совсем легко), а потом и воспроизводство самих себя. Иными словами, они стали репликаторами. А с появлением репликаторов автоматически включается дарвиновский механизм естественного отбора, необходимые и достаточные условия для которого — самовоспроизводство, наследственность, изменчивость и конкуренция за субстрат. Все, с этого момента биологическая эволюция запущена.
Можно не сомневаться, что на этих первых этапах жизнь была еще практически незаметной для постороннего наблюдателя (если бы, конечно, он мог тогда существовать). Это легко понять, если вообразить себя инопланетным путешественником, прибывшим пусть даже к самой колыбели земной жизни. Что он увидит? Теплый вулканический грунт, башни пористых осадков на морском дне… И все.
Ничего примечательного. Без химического анализа такой путешественник и не понял бы, с чем столкнулся.
Первыми в истории Земли полноценными репликаторами, скорее всего, были молекулы РНК. Дело в том, что из всех биологически активных молекул только РНК может выполнять сразу все жизненно важные функции: и хранение наследственной информации, и ее копирование, и катализ реакций обмена веществ. Белки и их предшественники, более простые пептиды, никогда таких возможностей не имели. Тем не менее первые пептиды наверняка появились примерно в те же времена, что и первые РНК. Это следует из чисто химических соображений. Дело в том, что синтез РНК довольно сложен, а вот аминокислоты — причем именно альфа-аминокислоты, из которых пептиды обычно состоят, — достаточно легко синтезируются из самых простых молекул, например из угарного газа (CO) и циановодорода (HC≡N), в условиях, примерно соответствующих вероятным условиям в окрестностях древних вулканов. Поэтому существование эволюционного этапа, когда автокаталитические системы состояли бы исключительно из РНК, маловероятно.
Скорее всего, эволюция пептидов и РНК была сопряженной всегда, еще со времен их гораздо более простых общих предшественников. Возможно, что дополнительной (в придачу к самокопированию) задачей первых репликаторов как раз и был катализ синтеза пептидов, влиявших на химическую среду таким образом, чтобы эти репликаторы с большей вероятностью могли выжить.
Начало эволюции жизни на Земле (до расхождения клеточных организмов на архей и бактерий). Разумеется, это гипотетический сценарий, но достаточно правдоподобный. Момент приобретения клетками (или их предшественниками) собственного механизма репликации ДНК тут намеренно не уточняется, этот вопрос все еще открыт.
С другой стороны, из современного опыта мы знаем, что белки — более мощные катализаторы, чем РНК, и их возможности в этом плане несравненно разнообразнее. Поэтому не удивительно, что те РНК, которые «научились» катализировать синтез каких-нибудь особых пептидов, получили преимущество в выживании. В результате пептиды (или уже белки?) стали использоваться репликаторами в качестве своего рода молекулярных инструментов, которыми можно было действовать на среду, повышая свои шансы уцелеть и размножиться.
Конкурируя друг с другом, РНКовые репликаторы постепенно совершенствовали способность программировать синтез белков, делая это все более и более точно. И в конце концов они «изобрели» механизм трансляции на рибосоме. Этот механизм позволяет запрограммировать всю структуру белка с абсолютной точностью — до каждой аминокислоты. И вот с этого момента возможности живой природы по созданию белков стали буквально безграничными. Заодно появились и первые вирусы — «оппортунистические» репликаторы, которые не стали заводить собственную систему синтеза белка, зато научились паразитировать на чужой.
Следующим важным эволюционным событием был перенос генетической информации с РНК на ДНК. Дело в том, что молекула РНК всем хороша, но вот химическая устойчивость у нее низкая и разрушается она довольно легко. Поэтому длительно хранить на ней генетическую информацию — дело ненадежное. Для этого предпочтителен какой-нибудь другой полимер. Им-то и стала ДНК. Если первые РНК вполне могли синтезироваться спонтанно в неживой природе, то синтез ДНК уже со всей определенностью является «изобретением» живых организмов, и эта молекула с самого начала получила единственную функцию: хранить информацию.
Ничего другого она делать не умеет. Одно-единственное преимущество, которое имеет ДНК перед РНК, — ее высокая химическая устойчивость, позволяющая долго и надежно храниться. Для того, кто владеет уникальным «ноу-хау» синтеза каких-нибудь полезных белков, это по-настоящему ценно.
Таким образом, началась эпоха великой перезаписи геномов с РНК на ДНК.
В начале этой эпохи на Земле жили РНК-содержащие организмы, которые наверняка уже освоили к тому моменту технологию точного синтеза белка. Иными словами, ДНК появилась эволюционно позже, чем трансляция. Вполне возможно, что генетическая стратегия первых ДНК-содержащих организмов была похожа на генетическую стратегию ретровирусов. В жизненном цикле вирусов этого типа есть обязательная стадия ретротранскрипции, то есть обратной транскрипции — переноса генетической информации с РНК на ДНК. А вот собственного механизма репликации ДНК у ретровирусов нет. И у клеточных организмов его тоже, скорее всего, вначале не было.
Надежные ферменты репликации (они называются ДНК-зависимые ДНК-полимеразы) появились позже. Но уж когда они появились, это дало возможность хранить на ДНК генетическую информацию непрерывно, при необходимости сразу перезаписывая ее с одной молекулы ДНК на другую. И тогда ретротранскрипция стала не нужна.
В результате образовалась самая привычная нам форма жизни: ДНК-содержащая клетка с генетической стратегией «ДНК-РНК-белок».
Признаемся честно: мы не знаем, когда именно живое вещество разбилось на клетки, отделенные от внешней среды и друг от друга замкнутыми липидными мембранами. Вполне возможно, что это произошло раньше, чем появилась репликация ДНК и исчезла обязательная ретротранскрипция.
В таком случае вполне может оказаться, что первые клетки по жизненному циклу напоминали ретровирусы (или даже классические РНК-содержащие вирусы, хотя это менее вероятно). Клеточная мембрана делит весь мир на внутреннюю среду, где химические реакции жестко контролируются геномом, и окружающую среду, где контроль гораздо менее жесткий, требует специальных инструментов (например, выделения из клетки каких-нибудь белков) и где его приходится делить с обладателями других геномов, конкурируя с ними за влияние.
Кроме того, клеточная мембрана придает геному целостность, резко ограничивая обмен генетическими элементами с окружающей средой и защищая генетическую систему от генетических паразитов. Только с этого момента приобретает реальный смысл понятие особи, индивидуума, — слово, которое по латыни значит «неделимый».
Парадоксальным образом размножаются все живые клетки именно делением. Материнская клетка делится на две дочерние, которые получают достаточно точные копии ее генома. Цепь последовательно делящихся клеток — это цепь прямых, без всяких метафор, предков и потомков. Иногда потомки одной и той же клетки оказываются в разных условиях (или получают разные мутации) и начинают под действием естественного отбора накапливать различия. Тогда мы можем заметить, что линия предков и потомков ветвится.
Первым таким ветвлением было разделение всех клеточных организмов на архей и бактерий. Оно произошло точно раньше, чем появился полноценный механизм репликации ДНК, и наверняка раньше, чем появились клеточные мембраны современного типа.
А это означает, что типичные (с нашей точки зрения) клетки, окруженные липидной мембраной и имеющие генетическую стратегию «ДНК-РНК-белок», с самого начала существовали в виде двух расходящихся эволюционных ветвей. Так возникло древо жизни.
Геологи: жизнь на Земле зародилась на суше, а не в океане
https://ria.ru/20170509/1493766815.html
Геологи: жизнь на Земле зародилась на суше, а не в океане
Геологи: жизнь на Земле зародилась на суше, а не в океане — РИА Новости, 09.05.2017
Геологи: жизнь на Земле зародилась на суше, а не в океане
Ученые обнаружили в Австралии одни из самых древних следов жизни, сформировавшиеся в окрестностях горячих гейзеров на суше примерно 3,5 миллиарда лет назад,… РИА Новости, 09.05.2017
2017-05-09T22:08
2017-05-09T22:08
2017-05-09T22:09
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1493766815.
jpg?14205876111494356990
австралия
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2017
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.
7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
земля — риа наука, австралия
Земля — РИА Наука, Наука, Австралия
МОСКВА, 9 мая – РИА Новости. Ученые обнаружили в Австралии одни из самых древних следов жизни, сформировавшиеся в окрестностях горячих гейзеров на суше примерно 3,5 миллиарда лет назад, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
«Схожая структура отложений формации Дрессер и пород у современных гейзеров говорит о том, что древние горячие источники не сильно отличались по своему облику и свойствам от их современных «наследников». Нечто похожее могло происходить и на Марсе, и нам следует сосредоточить поиски жизни на его поверхности, изучая подобные отложения», — заявила Тара Джокич (Tara Djokic) из университета Нового Южного Уэльса (Австралия).
Первые живые организмы появились на Земле во время архейской эры, и пока не существует общепринятой точки зрения насчет того, как и когда зародилась жизнь.
На сегодняшний день есть несколько ископаемых свидетельств того, что микробы уже существовали в первичном океане Земли примерно 3,4 миллиарда лет назад, однако многие ученые считают, что жизнь могла зародиться гораздо раньше этой отметки.
25 июля 2016, 18:33
Ученые выяснили, как выглядела первая жизнь на ЗемлеАнализ самых древних генов в геномах всех живых существ показал, что так называемый «Лука» – общий предок всех существующих сегодня организмов – жил в теплой, безкислородной и богатой минералами воде, вероятно в горячих гейзерах или вулканических озерах.
В последние годы все большее количество эволюционистов-биологов приходит к мысли о том, что жизнь могла зародиться не в океанах Земли, а на поверхности суши, в озерах и у жерл гейзеров и вулканов. В пользу этого говорит то, что на суше присутствовал ряд критически важных элементов, в том числе молибден, бор и азот, которых было крайне мало в «супе» первичного океана. О том же говорят генетики, недавно воскресившие геном «Луки», микроба-предка всей жизни на Земле.
© Djokic et al. / Nature Communications 2017Породы формации Дрессер, где были найдены следы древнейшей сухопутной жизни
© Djokic et al. / Nature Communications 2017
Джокич и ее коллеги нашли первые «вещественные» доказательства в пользу этой гипотезы, проводя раскопки на западе Австралии, где залегают породы формации Дрессер, сформировавшиеся примерно 3,48 миллиарда лет назад, в предполагаемую эпоху зарождения жизни на Земле.
Регион Пилбара, где находятся эти залежи, был одним из самых мощных очагов вулканизма на Земле в ту эпоху. Большая часть его вулканов и гидротермальных источников находилась под водой, однако часть из них, как рассказывает Джокич, находилась на суше. Геологи уже находили следы микробов в «подводных» отложениях Пелибары, но не пытались искать их на суше, которая, как считали ученые, будет заселена только через три миллиарда лет.
21 июля 2015, 11:55
Жизнь могла зародиться в пересыхающих лужах, заявляют ученыеПервые молекулы белков и примитивные живые организмы могли появиться не в водах первичного океана Земли, а в пересыхающих лужах на суше, где были все условия для их формирования.
Оказалось, что в этом они ошибались – команда Джокич нашла множество следов микробов в двух разных отложениях так называемых «гейзеритов» – горных пород, формирующихся в воде гейзеров и горячих источников. Внутри них ученые нашли отпечатки микробов, пириты и минералы, формирующиеся только внутри или при присутствии живых организмов, а также следы пузырьков газа, для возникновения которых нужны бактериальные белки и другие полимерные молекулы.
В целом, как отмечают геологи, эти отложения ничем не отличаются от тех, которые возникают в современных горячих источниках и гейзерах в Йеллоустонском парке и в других областях вулканической активности. Соответственно, можно говорить о том, что сухопутные гейзеры и вулканические «ручьи» действительно могли быть одним из первых прибежищ жизни на Земле, а также и на других планетах, таких как Марс, где такие условия существовали в прошлом.
Происхождение жизни на суше или на море? Споры становятся горячими
Между биологами и химиками бушуют споры о том, где зародилась жизнь – на суше или под водой.
Рэйчел Бразил рассматривает аргументы
Вопрос «Как зародилась жизнь?» тесно связан с вопросом «Где зародилась жизнь?» Большинство экспертов сходятся во мнении относительно «когда»: 3,8–4 миллиарда лет назад. Но до сих пор нет единого мнения относительно среды, которая могла способствовать этому событию. С момента их открытия глубоководные гидротермальные жерла были предложены в качестве места зарождения жизни, особенно щелочные жерла, подобные тем, что были найдены на месторождении «Затерянный город» в средней Атлантике. Но не все убеждены, что жизнь зародилась в море — многие говорят, что химия просто не сработает, и ищут место рождения на суше. С несколькими гипотезами в игре гонка собирается воспроизвести условия, которые позволили возникнуть жизни.
В 1977 году в срединно-океаническом хребте Восточно-Тихоокеанского поднятия был обнаружен первый глубоководный гидротермальный источник. Названные «черными курильщиками», жерла выбрасывают геотермально нагретую воду до 400°C с высоким содержанием сульфидов, которые выпадают в осадок при контакте с холодным океаном, образуя черный дым.
За этим последовало в 2000 году открытие нового типа щелочных глубоководных гидротермальных источников, обнаруженных немного в стороне от срединно-океанических хребтов. Первое месторождение, известное как Затерянный город, было обнаружено на морском дне горы Массив Атлантиды в средней части Атлантики.
Вентиляционные каналы образуются в результате процесса, известного как серпентинизация. Порода морского дна, в частности оливин (силикат магния и железа), вступает в реакцию с водой и производит большие объемы водорода. В Затерянном городе, когда теплые щелочные жидкости (45–90°C и pH 9–11) смешиваются с морской водой, они образуют белые дымоходы из карбоната кальция высотой 30–60 м.
В 1993 г., еще до того, как были обнаружены щелочные жерла, геохимик Майкл Рассел из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) в Калифорнии, США, предложил механизм, с помощью которого жизнь могла зародиться в таких жерлах.1 Его идеи, обновленные в 2003 г.,2 предполагают, что жизнь возникла в результате использования градиентов энергии, которые возникают, когда щелочная вода жерла смешивается с более кислой морской водой (считалось, что ранние океаны содержали больше углекислого газа, чем сейчас).
Это отражает способ использования энергии клетками. Клетки поддерживают протонный градиент, перекачивая протоны через мембрану, чтобы создать разность зарядов изнутри наружу. Известная как протонно-движущая сила, ее можно приравнять к разнице примерно в 3 единицы рН. Это эффективный механизм для хранения потенциальной энергии, который затем можно использовать, когда протонам позволяют проходить через мембрану для фосфорилирования аденозиндифосфата (АДФ) с образованием АТФ.
Теория Рассела предполагает, что поры в дымоходах гидротермальных источников служат шаблонами для клеток с той же разницей в 3 единицы pH на тонких минеральных стенках взаимосвязанных микропор источников, которые отделяют жерло и морскую воду. Эта энергия, наряду с каталитическими минералами сульфида железа и никеля, позволила уменьшить углекислый газ и произвести органические молекулы, затем самовоспроизводящиеся молекулы и, в конечном итоге, настоящие клетки со своими собственными мембранами.
Химические сады
Химик Лаура Бардж, также научный сотрудник Лаборатории реактивного движения, проверяет эту теорию с помощью химических садов — эксперимент, который вы, возможно, проводили в школе.
Глядя на химические сады, «вы думаете, что это жизнь, но это определенно не так», — говорит Бардж, специализирующаяся на самоорганизующихся химических системах. Классический химический сад формируется путем добавления солей металлов в реакционноспособный раствор силиката натрия. Анионы металла и силиката осаждаются с образованием желеобразной коллоидной полупроницаемой мембраны, содержащей соль металла. Это создает градиент концентрации, который дает толчок для роста полых столбиков, похожих на растения.
«Мы начали симулировать то, что вы могли бы получить с вентиляционной жидкостью и океаном, и мы можем выращивать крошечные дымоходы — они по сути похожи на химические сады», — объясняет Барж. Чтобы имитировать ранний океан, она вводила щелочные растворы в богатые железом кислые растворы, создавая дымоходы из гидроксида железа и сульфида железа. Из этих экспериментов ее команда продемонстрировала, что они могут генерировать электричество: чуть меньше вольта от четырех садов, но достаточно для питания светодиода3, показывая, что вид протонных градиентов, которые обеспечивают энергию в глубоководных жерлах, может быть воспроизведен.
Ник Лейн, биохимик из Университетского колледжа Лондона в Великобритании, также пытался воссоздать пребиотические геоэлектрохимические системы с помощью своего реактора происхождения жизни. Он поддерживает теорию Рассела, хотя и недоволен ярлыком «прежде всего метаболизм», который ему часто присваивают, в отличие от теории «прежде всего информация», которая предполагает, что синтез реплицирующихся молекул РНК был первым шагом к жизни. «Их изображают противниками, но я думаю, что это глупо», — говорит Лейн. «На мой взгляд, мы пытаемся выяснить, как вы попадаете в мир, где у вас есть отбор и вы можете дать начало чему-то вроде нуклеотидов».
Лейна убедило, насколько тесно связаны геохимия и биохимия. Например, такие минералы, как грейгит (Fe3S4), обнаруживаются внутри жерл, и они обнаруживают некоторую связь с железо-серными кластерами, обнаруженными в микробных ферментах. Они могли действовать как примитивные ферменты для восстановления углекислого газа водородом и образования органических молекул.
«Есть и различия: барьеры [между микропорами в вентиляционных трубах] толще [чем клеточные мембраны] и так далее, но аналогия очень точна, и поэтому возникает вопрос: «Возможны ли эти естественные протонные градиенты для разрушения? барьер для реакции между водородом и углекислым газом?»
Простая настольная модель жизненного реактора с открытым потоком4, разработанная Лейном, имитирует гидротермальные источники. С одной стороны полупроводникового каталитического барьера железо-никель-сера прокачивается щелочная жидкость, имитирующая вентиляционные жидкости, а с другой стороны — кислый раствор, имитирующий морскую воду. Так же как и скорости потока, температуры могут варьироваться с обеих сторон. Через мембрану: «Первый шаг — попытаться заставить углекислый газ реагировать с водородом с образованием органических веществ, и, похоже, нам удалось таким образом получить формальдегид», — говорит Лейн.
До сих пор выход был очень низким, но Лейн считает, что у них есть «доказательство принципа».
Они работают над воспроизведением своих результатов и доказывают, что наблюдаемый формальдегид не происходит из другого источника, такого как разрушение труб. В тех же условиях, по словам Лэйна, они также смогли синтезировать сахара с низким выходом, включая 0,06% рибозы, из формальдегида, хотя и не при той концентрации формальдегида, которую производил только реактор.
Копаем глубже
Исследуя гидротермальные источники, геохимик Фридер Кляйн из Океанографического института Вудс-Хоул в США обнаружил вариант глубоководной истории происхождения. Он нашел доказательства существования жизни в скалах под морским дном, которые могли обеспечить подходящую среду для зарождения жизни.
Кляйн и его коллеги изучали образцы керна, пробуренного на континентальной окраине Пиренейского моря у побережья Испании и Португалии в 1993 году. Образцы были взяты из горных пород на 760 м ниже современного морского дна, что должно было быть на 65 м ниже раннего неосадочного дна океана.
. Он увидел в образцах необычные прожилки, состоящие из минералов, также найденных в гидротермальной системе Затерянного города. «Меня это заинтриговало, потому что этот минеральный комплекс образуется только при смешивании гидротермальных флюидов с морской водой», — говорит Кляйн. Это говорит о том, что аналогичная химия может происходить под морским дном.
В этих жилах возрастом 120 миллионов лет группа Кляйн обнаружила включения окаменелых микробов. Он предполагает, что осушающие свойства минерала брусита (Mg(OH)2) могут объяснить сохранение органических молекул от микробов. К ним относятся аминокислоты, белки и липиды, которые были идентифицированы с помощью конфокальной рамановской спектроскопии. Кляйн говорит, что поначалу он был настроен скептически, но анализ извлеченных образцов подтвердил наличие уникальных липидных биомаркеров для сульфатредуцирующих бактерий и архей, которые также обнаружены в системе гидротермальных источников Затерянного города. микроколонии микроорганизмов’
Хотя очевидно, что эти образцы намного моложе, «присутствие этих микробов говорит нам о том, что жизнь возможна в среде морского дна в гидротермальных системах, которые, вероятно, присутствовали и были активны на большей части ранней Земли», — отмечает Клейн.
«Подводное дно представляет собой еще одну более защищенную среду».
Не имеет выхода к морю
Но не все согласны с тем, что жизнь зародилась в глубоководных гидротермальных системах. Армен Мулкиджанян из Университета Оснабрюка в Германии говорит, что у этой идеи есть несколько серьезных проблем, одна из которых заключается в относительных концентрациях ионов натрия и калия в морской воде по сравнению с клетками.
Малкиджанян ссылается на то, что он называет принципом сохранения химии: однажды появившись в любой среде, организмы будут сохранять и развивать механизмы для защиты своей фундаментальной биохимической архитектуры. Поэтому он говорит, что нет никакого смысла в том, чтобы клетки, содержащие в 10 раз больше калия, чем натрия, происходили из морской воды, в которой натрия в 40 раз больше, чем калия. Его предположение состоит в том, что протоклетки должны были развиваться в среде с большим содержанием калия, чем натрия, развивая ионные насосы только для удаления нежелательного натрия при изменении их среды.
Малкиджанян считает, что жизнь могла возникнуть из геотермальных систем, таких как сибирские геотермальные поля Камчатки на Дальнем Востоке России. «Мы начали искать, где мы могли бы найти условия с большим количеством калия, чем натрия, и единственное, что мы нашли, — это геотермальные системы, особенно там, где из земли выходит пар», — объясняет он. Только бассейны, созданные из паровых отверстий, содержат больше калия, чем натрия; те, которые образуются из источников геотермальной жидкости, по-прежнему содержат больше натрия, чем калия. Несколько таких систем существуют сегодня в Италии, США и Японии, но Малкиджанян предполагает, что на более жаркой ранней Земле можно было ожидать гораздо больше.
Дэвид Димер из Калифорнийского университета в Санта-Круз, США, более 50 лет изучает макромолекулы и липидные мембраны. Он выходит на поле под немного другим углом, который некоторые называют «сначала мембрана». Но, говорит он, «я почти уверен, что лучший способ понять происхождение жизни — это осознать, что это система молекул, которые работают вместе, точно так же, как и в сегодняшней жизни».
вплоть до суждения о правдоподобии с моей стороны», — размышляет он.
Одним из главных аргументов против глубоководного происхождения является тот факт, что в биологии встречается так много макромолекул. ДНК, РНК, белки и липиды являются полимерами и образуются в результате реакций конденсации. «Вам нужна изменчивая среда, которая иногда бывает влажной, а иногда сухой — влажный период, чтобы компоненты смешивались и взаимодействовали, а затем сухой период, чтобы вода удалялась и эти компоненты могли образовывать полимер», — говорит Мулкиджанян. «Такого рода вещи не могут произойти в [глубоководном] гидротермальном источнике, потому что там не может быть циклов влажный-сухой», — добавляет Димер. На континентальных гидротермальных полях каждый день происходят влажные и сухие циклы. Это позволяет концентрировать реагенты, а также проводить полимеризацию.
Предположение, что естественный отбор не способен в течение 4 миллиардов лет придумать улучшение, я считаю безумием
Димер пытался создать свои собственные протоклетки в лаборатории, смешивая липиды и компоненты РНК аденозинмонофосфат и уридинмонофосфат.
При сушке липиды самособираются в мембраноподобные структуры, и если нуклеотиды застревают между слоями липидов, они подвергаются этерификации с образованием РНК-подобных полимеров. За несколько циклов «влажный-сухой» выход увеличивается до 50%.6
Димер подтвердил наличие этих полимеров внутри «протоклеток» методами прямого секвенирования РНК. «У нас действительно есть одноцепочечные молекулы размером с биологическую РНК», но Димер предупреждает, что это не РНК, как в биологическом организме. Он создал смесь РНК, некоторые из которых были связаны фосфатными группами, как они есть в природе, а некоторые связаны «неестественным образом», что, как он заключает, «должно быть, подверглось отбору и эволюции в этих маленьких протоклетках».
Но лагерь глубоководных гидротермальных источников еще не готов сдаться. Бардж говорит, что вентиляционная среда может способствовать концентрации реагентов и реакциям конденсации. «У вас есть гели на морском дне, у вас есть минералы, которые поглощают вещества, и в самой мембране [микропоры дымохода] есть гели, поэтому вы можете иметь условия реакции дегидратации, даже если вся система состоит из воды».
Лейн также отвергает это. идея о том, что уровни ионов калия или натрия могут исправить будущие метаболические процессы. «Предположение о том, что естественный отбор не способен в течение 4 миллиардов лет придумать улучшение, я считаю безумием», — объясняет Лейн. «С моей точки зрения, внутриклеточный ионный баланс определяется отбором». Он считает, что жизнь была бы вполне способна развиваться в среде, богатой натрием, и со временем развивать насосы для удаления ионов, которые создают нынешние клетки, богатые калием.
Видеть свет
Еще одним спорным вопросом является наличие или отсутствие ультрафиолетового (УФ) света. Это могло иметь сильное влияние в сценарии земного происхождения без защитного озонового слоя на ранней Земле, но полностью отсутствовать в глубоководной теории. Относительная УФ-стабильность нуклеотидов РНК предполагает, что отбор происходил в УФ-свете — на поверхности земли, а не в море.
Это также поддержит новаторский синтез РНК, предложенный в 2009 году7 Джоном Сазерлендом из Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований Великобритании в Кембридже, и его предложенный в 2015 году синтез предшественников нуклеиновых кислот, начиная только с цианистого водорода (HCN), сероводорода (h3S).
) и УФ-свет.8 Освещение УФ-светом в течение 10 дней увеличивало выход биологических нуклеотидов, добавляя вес их выбору, имеющему преимущество в УФ-свете. Мулкиджанян также предположил, что осадки сульфида цинка могли действовать как катализаторы восстановления диоксида углерода с помощью ультрафиолетового света — ранней формы фотосинтеза, которую он называет сценарием «цинкового мира» 9.0003
Но, по словам Лейна, «существует большая проблема с тем, что жизнь развивается с помощью УФ-излучения, то есть ни одна жизнь сегодня не использует УФ-излучение в качестве источника энергии — оно имеет тенденцию разрушать молекулы, а не способствовать развитию биохимии». синтетическая химия, предложенная в такой земной схеме, просто не похожа на жизнь, какой мы ее знаем. «Все начинается с цианидов или фотосинтеза сульфида цинка, а заканчивается чем-то вроде химии Франкенштейна», — говорит Лейн. «Химия может сработать, но совместить ее с жизнью, какой мы ее знаем, я бы сказал, на грани невозможности»
Дисциплинарное разделение
Если присмотреться, то различие между теми, кто поддерживает земное и океаническое происхождение, разделяется между дисциплинами.
Химики-синтетики обычно отдают предпочтение континентальному происхождению, а геологи и биологи — преимущественно глубоководным гидротермальным источникам. Химики утверждают, что невозможно провести химию в гидротермальных источниках, в то время как биологи утверждают, что предлагаемая земная химия просто не похожа ни на что из того, что можно увидеть в биохимии, и не сокращает разрыв между геохимией и биохимией.
Так есть ли способ объединить дисциплины? «На данный момент между этими идеями не так много общего, — говорит Лейн. Димер соглашается. «На данный момент все, что мы можем сказать, это то, что каждый имеет право судить о правдоподобии на основе своих идей, но тогда он также должен проводить экспериментальные и наблюдательные тесты».
Небольшие проблемы решаемы — это то, что поднимает меня с постели по утрам
Что нужно, так это убийственное доказательство или эксперимент, который мог бы соединить точки воедино и объяснить, как и где зародилась жизнь в добиотическом мире.
«Было бы действительно большим прорывом, если бы мы смогли найти рибозим среди всех этих триллионов случайных полимеров, которые мы производим», — предполагает Димер. Рибозимы — это РНК-катализаторы, которые являются частью клеточного механизма синтеза белка, но являются кандидатами на роль первых самовоспроизводящихся молекул.
Дополнительные доказательства происхождения жизни в глубоководных гидротермальных жерлах сосредоточены на демонстрации вероятного набора метаболических стадий, ведущих к сложным молекулам. По словам Баржа, в JPL они смотрят, как аминокислоты ведут себя в своих химических садах. «Мы работаем над созданием аминокислоты, а затем смотрим, застревают ли [аминокислоты] в дымоходах, и можно ли их сконцентрировать и, возможно, сделать какие-то пептиды».
«Есть проблемы и трудности, — признает Лейн. «Можем ли мы заставить углекислый газ реагировать с водородом, чтобы образовать более сложные молекулы, такие как аминокислоты и нуклеотиды? Я вполне уверен, что мы можем это сделать, но я знаю, что мы еще не продемонстрировали этого».
Другие сложные вопросы включают в себя возможность стабилизации липидных мембран в морской воде с высокой концентрацией ионов кальция и магния. Но, по словам Лейн, гидротермальные источники решают большую проблему термодинамической движущей силы. «Это вселяет в меня уверенность, что более мелкие проблемы будут решаемы и в этом контексте, даже если сейчас они кажутся трудными — это то, что заставляет меня вставать с постели по утрам» 9.0003
Конечно, есть еще одна возможность — жизнь вообще не зародилась на Земле. Панспермия — теория о том, что жизнь зародилась из космоса, кажется эксцентричной, но не все ее учитывают. «Можно возразить, что жизнь на самом деле зародилась на Марсе», — говорит Димер, потому что он первым остыл до температур, которые могли поддерживать жизнь.
Независимо от того, так это или нет, жизнь в другом месте определенно возможна. Спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад являются кандидатами, потому что у них обоих есть океаны под ледяными панцирями.
В ближайшие пять лет НАСА планирует отправить космический зонд к обеим этим лунам для поиска признаков жизни. Понимание нашей собственной истории происхождения может помочь нам понять, где искать.
Ссылки
1 M J Russell, RM Daniel and A J Hall, Terra Nova , 1993, 5 , 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x) 90 Martin , Филос. Транс. Р. Соц. Б: биол. Sci., 2003, 358 , 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)
3 L M Barge et al , Angew. хим. Междунар. Эд. англ. , 2015, 54 , 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)
4 B Herschy и др. , Дж. Мол. Эвол. , 2014, 79 , 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)
5 F Klein и др. , Proc. Натл акад. науч. USA , 2015, 112 , 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)
6 L Da Silva, MC Maurel and D Deamer, J. Mol. Эвол. , 2015, 80 , 86 (doi: 10.
1007/s00239-014-9661-9)
7 M W Powner, B Gerland and J D Sutherland, Nature , 2009, 459 , 239 (doi: 10.1038// природа08013)
8 BH Patel et al. , Nat. хим. , 2015, 7 , 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)
Эта статья воспроизводится с разрешения Chemistry World. Статья была впервые опубликована 16 апреля 2017 года.
новых доказательств того, что на дне океана могли образоваться первые клетки
Клеточная мембрана, необходимое условие жизни. Предоставлено: Катерина Кон/Shutterstock
Откуда взялась жизнь? В последние годы многие ученые перешли от «первобытного бульона» в бассейнах с водой к гидротермальным источникам глубоко в океане как к первоначальному источнику жизни на Земле. Но одна из самых больших проблем с этой идеей заключается в том, что исследователи не смогли воссоздать в лаборатории один из ключевых процессов, которые были бы задействованы, если бы эта теория была верна.
В частности, они не смогли сформировать простые клеточные мембраны в условиях, подобных морской воде, что, по мнению большинства, потребовалось бы для создания первых живых организмов. Но недавно мы с коллегами показали в статье в журнале Nature Ecology and Evolution, что комбинация молекул, которую ученые использовали для воссоздания этих мембран, не отражает компоненты, которые были бы доступны в то время. Фактически, мы обнаружили, что при наличии правильных ингредиентов условия жерла океана действительно необходимы для образования некоторых клеточных мембран.
Представьте Землю 4,5 миллиарда лет назад. Период геологической истории, который мы называем Гадейским, не был таким адским, как мы когда-то думали. Это не было море лавы, питаемое бесчисленными вулканами, хотя они, безусловно, существовали. Вероятно, это было больше похоже на небольшие участки каменистой поверхности, окруженные значительным глобальным водным океаном.
Но это был не тот океан, который мы знаем сегодня.
Она была теплее, более кислой и богатой железом. Атмосфера состояла в основном из азота, углекислого газа и не содержала кислорода. Тоже не было жизни. Однако глубоко на дне океана что-то начало происходить.
Горячие химикаты, поднимающиеся со дна моря, привели к химической реакции между водородом и углекислым газом, в результате которой образовались простые органические соединения. Эти органические молекулы реагировали, образуя все более сложные соединения. Они инкапсулировались в простые клеточные мембраны и усложнялись, производя молекулы, которые могли нести информацию и, в конечном счете, ДНК. Это были первые живые клетки, которые могли расти, делиться и развиваться.
По крайней мере, так зародилась жизнь на Земле. До сих пор существует множество различных теорий о том, как и где зародилась жизнь, в том числе те, которые предлагают гидротермальные пруды, ледяные щиты или даже открытый космос. Чтобы попытаться понять, какое из этих условий является наиболее правдоподобным, ученые берут различные компоненты, необходимые для жизни, и смотрят, сможем ли мы найти способ воспроизвести их в различных условиях в лаборатории.
Мы не пытаемся создать жизнь, а просто разные кусочки, которые ей нужны. Не все могут согласиться с тем, что такое жизнь на самом деле, но многие ученые в этой области согласны с тем, что у первого живого организма была клеточная мембрана.
Клеточные мембраны в основном состоят из фосфолипидов, состоящих из простых молекул, включая жирные кислоты, изопреноиды и сахара. Фосфолипиды производятся только живыми организмами. Но жирные кислоты могут образовываться в окружающей среде в результате реакций между горными породами и водой, и таким же образом могут образовываться изопреноиды или подобные молекулы.
Эти простые молекулы образуют мембранные структуры, называемые везикулами, которые подобны клеткам в том смысле, что образуют двухслойную мембрану, окружающую пространство, заполненное водой. Оказывается, везикулы могут выполнять многие из тех же функций, что и клеточные мембраны. Это побудило исследователей происхождения жизни исследовать возможность того, что везикулы могли быть первыми клеточными мембранами, за что они получили название «протоклетки».
На протоклетках было проведено множество экспериментов, чтобы выяснить, могут ли они выдерживать условия окружающей среды, необходимые для первых живых клеток. Например, они легко образуются в воде, могут инкапсулировать другие органические молекулы, а внутри них может образовываться ДНК-подобная молекула РНК. Одна большая проблема заключается в том, что эти протоклетки не любят соль. На самом деле, они ненавидят это.
Исследователи показали, что протоклетки просто не образуются в присутствии таких концентраций хлорида натрия, магния и кальция, как в морской воде. Это заставило некоторых утверждать, что жизнь не могла зародиться в океане.
Необходимые условия
Но мы с коллегами заметили кое-что во всех этих предыдущих исследованиях. Искусственные протоклетки были сделаны из одного-трех типов молекул, хотя эксперименты показали, что в первозданном океане может быть гораздо больше молекул.
Когда мы использовали комбинацию из 14 молекул, мы обнаружили, что можем образовывать протоклетки, которые могут инкапсулировать органические молекулы даже в смесях хлорида натрия, магния и кальция при концентрации морской воды.
Растворы должны были иметь температуру около 70°C и быть щелочными, pH около 12.
Наша работа показывает не только то, что эти протоклетки могут формироваться в условиях, создаваемых гидротермальными источниками, но и то, что они действительно нуждаются в этих условиях для выживания. Это не доказывает, что жизнь зародилась в вентиляционных отверстиях, но подтверждает возможность того, что это произошло. Это также имеет отношение к поиску жизни на других планетах. Возможно, что щелочные гидротермальные источники существуют на дне океанов на ледяных спутниках Юпитера и Сатурна.
Однако проблема происхождения жизни еще не решена, и продолжаются многообещающие исследования, основанные на нескольких различных теориях. Это очень захватывающее время для этой области, и мы постепенно приближаемся к ответу на один из самых фундаментальных вопросов жизни. Мы показали, что мембраны могут образовываться там, где раньше это считалось невозможным. Кто знает, что станет возможным в будущем? По мере накопления доказательств каждой из этих теорий в конечном итоге станет ясно, какая среда была наиболее вероятным местом зарождения жизни.