Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем
Шрифт:
В 1950-х годах ученые исследовали возможность зарождения жизни в земных морях под воздействием солнечного излучения. Но затем это предположение затмила гипотеза, выдвинутая лауреатом Нобелевской премии по химии Гарольдом Юри; она сводится к тому, что жизнь зародилась атмосфере под воздействием электрических разрядов. Один из учеников Юри — Стэнли Миллер поставил эксперимент с целью попытаться создать аминокислоты из составных частей древней атмосферы. Он сконструировал аппарат, соединявший сосуд с нагретой водой с газовым резервуаром, в котором находились метан, аммиак и водород. Газовая смесь пропускалась через два электрода, между которыми периодически проскакивал электрический разряд — искусственная молния. Через несколько дней вода приобрела желтый цвет, а на дне сосуда с
Тем не менее какими бы поразительными и обнадеживающими ни были результаты подобных экспериментов, показавших, что по крайней мере часть органических молекул могла возникнуть в земных условиях далеких эпох, многие вопросы так и остались без ответа. Ученые не добились синтеза более крупных молекул — белков и нуклеиновых кислот типа ДНК. Неприятным фактом оказалось и то, что воздействие молний и солнца приводило скорее к расщеплению молекул, нежели к тому, чтобы они становились больше.
Новый взгляд на зарождение жизни стал возможен в 1977 году, когда геологи изучили дно моря в районе Галапагосских островов. Исследования проводились на глубине в полторы мили, в районе повышенной вулканической активности, где подогретая в трещинах вулкана горячая вода смешивалась с окружающей холодной морской водой. Здесь ученые обнаружили большое число одноклеточных организмов, и многие из них стали после этого склоняться к мысли, что ключевую роль в зарождении жизни на планете сыграли все-таки глубины океана, но поспособствовал им в этом не солнечный свет, а вулканы.
Это побудило ученых искать следы возникновения жизни на еще больших глубинах; так были обнаружены микробы под гигантским слоем арктического льда и в глубоководных горячих источниках. Однако это не дало ответов на поставленные вопросы и не позволило установить связь между образованием простейших молекул, появлением более крупных молекул и возникновением живой клетки. Не удалось прояснить и вопрос об образовании белков — основного компонента живой клетки, который обеспечивает синтез самих себя и большинства других молекул.
Обнадеживающие результаты принесли исследования камней, особенно ряда минералов. Их поверхность представляет собой благоприятное место для сборки крупных молекул. Особенно большие надежды ученые возлагали на глину, и действительно, было обнаружено, что аминокислоты формировали белки на поверхности глины, когда вода испарялась. Другие минералы могли оказать поддержку при синтезе относительно крупных белковых цепей. Более того, когда в смесь органических веществ, которые образовывали небольшие белки на поверхности глины, добавлялись РНК, это приводило к тому, что частицы глины, покрытые РНК, оказывались внутри формировавшихся пузырьковообразных белковых структур. Это была еще не клетка, но результат выглядел многообещающим. В этой связи были выдвинуты даже теории, гласящие, что частички глины могли сами сформировать первоначальную жизнь на Земле. Однако от всего этого до синтеза белка, кодируемого нуклеиновыми кислотами, чересчур большая дистанция.
Чтобы понять, как могла быть создана первая клетка, следует иметь в виду, что существование клетки невозможно без трех процессов — роста, размножения, или самовоспроизводства, и эволюции. Наибольшую сложность представляет размножение, которое связано с созданием структур на основе использования источника энергии и со способностью передавать такие структуры от одного поколения к следующему — это, собственно, и есть основа генетики. Многообещающими
выглядят самовоспроизводящиеся цепи взаимодействующих молекул. Если выяснится, что входящие в них молекулы способствуют воспроизводству других молекул, то мы близко подходим к созданию примитивной клетки.Самовоспроизводящиеся молекулы — это ключевые элементы эволюции, поскольку их репликация позволяет передавать характерные признаки родителей потомству. В 1980-е годы наиболее популярной была идея о том, что это может происходить на основе использования РНК. Она возникла после открытия рибозимов — нитей РНК, которые не только являются носителями генетической информации, но и действуют как катализаторы, способствующие образованию самих РНК. Это позволило выдвинуть теорию о древнем мире живых организмов, существовавших на базе РНК.
Предположение о том, что самым первым энзимом могла стать молекула РНК, выдвинул британский молекулярный биолог, врач и нейробиолог Фрэнсис Крик. В ныне существующих клетках подобного энзима нет, но в лабораторных условиях подобные образования создать удалось. Поместив в колбу большое количество РНК с разной последовательностью нуклеотидов в нитях, исследователи добились формирования вещества с некоторыми из свойств РНК-энзима, пригодного для обеспечения воспроизводства РНК. Но, несмотря на всю привлекательность итогов эксперимента, до сих пор остается загадкой, как именно такое вещество могло возникнуть.
Ощутить эту проблему можно, взглянув на химическую структуру РНК. Она создана из нитей нуклеотидов, каждая из которых содержит девять или десять атомов углерода, большое количество атомов азота и кислорода, а также фосфат, соединенные вместе в весьма сложную структуру. Существует бесконечное число различных путей, какими эти атомы могут соединяться друг с другом, образуя структуры, не имеющие ничего общего с РНК; поэтому формирование схожей с РНК нити нуклеотидов кажется делом невозможным — совпадением, которое в принципе быть не может. И тут к месту вспомнить слова лауреата Нобелевской премии по медицине Кристиана де Дюва, который призывал «отвергнуть невероятные события, невероятность которых настолько велика, что их можно назвать разве что чудом, феноменами, которые находятся вне сферы научных исследований».
Ученые, исповедующие другой подход к проблеме возникновения жизни, призывают фокусировать внимание не на сообществах молекул, способных к самовоспроизведению, а на маленьких молекулах, которые взаимодействуют друг с другом и за счет этого образуют своего рода систему. Эта система, по их мнению, росла и развивалась, а поддерживать ее жизнь мог механизм, обеспечивающий химические реакции за счет резких температурных перепадов или радиоактивности. Однако даже если принять эту идею за основу, происхождение жизни все равно останется загадкой.
Разумеется, есть и те, кто заявляют, что нет никакой проблемы или загадки, поскольку был творец жизни — например, библейский Господь Бог. И пусть отсутствуют доказательства существования такого творца или проектировщика, однако тем, кто верит в Него, уже не нужно напрягать голову, раздумывая об истоках жизни. Разумеется, их не заботит и проблема возникновения клетки.
Впрочем, и они вряд ли станут отрицать очевидную вещь: что бы мы ни делали, ни думали или ни чувствовали — все это целиком и полностью определяется нашими клетками. Мы должны всегда помнить, что, какими бы умными мы ни считали клетки, они на самом деле намного умнее, чем нам кажется, — и это значит, что впереди нас ожидает еще множество сюрпризов.
Сознавая, что мы являемся результатом эволюции сообщества клеток, мы должны уважать наши клетки и заботиться о них точно так же, как они заботятся о нас.
Словарь
Аденозинтрифосфат (АТФ) — источник энергии для большей части процессов жизнедеятельности клеток.
Аксоны— выходящие из нервных клеток нити, передающие электрические нервные импульсы.
Актин— белковая молекула, которая участвует в процессах сокращения мускулов и движения клеток.