Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Модель клеточной мембраны как двойного слоя фосфолипидов, из которого местами торчат пронизывающие ее белки, остается общепринятой вот уже более сорока лет. Лишь после ее создания стало возможным сформулировать обоснованную гипотезу образования самой первой клеточной мембраны.
Разумеется, ученые и прежде не сидели сложа руки. Из главы 2 мы помним Опарина, который считал первыми подобиями клеток коацерваты, лишенные клеточной мембраны. Но тут сразу возникало два вопроса: достаточно ли устойчивы такие коацерваты для того, чтобы стать первой формой жизни, и каким образом их позже сменили клетки с настоящими мембранами? Затем Фокс создал гипотезу протеиноидных микросфер и посчитал предшественниками клеток именно их. Но опять-таки непонятно, каким образом на смену этим микросферам пришли фосфолипиды.
Одна из самых экзотических
За несколько следующих лет группа исследователей под руководством Бахадура создала напоминающие клетки частицы, названные им “Дживану”, от санскритского jeeva (“жизнь”) и anu (“мельчайшая частица”). Бахадур получал свои Дживану при смешивании различных соединений, их встряхивании и освещении лучами солнца. Исследователь не ограничивал себя каким-то определенным рецептом: иногда Бахадур использовал что-то наподобие протеиноидов Фокса, иногда в ход шли менее близкие живому соединения, вроде оксида меди. Каждая капля Дживану была окружена слоем, несколько напоминающим мембрану.
Бахадур впервые описал свои Дживану в 1963 году, опубликовав статью в малоизвестном индийском журнале[310]. Год спустя четыре статьи с подробными описаниями вышли в не менее сомнительном немецком журнале[311]. Прочитавшие их биологи испытывали интерес, смешанный с настороженностью. Статьи Бахадура наполнены цитатами из Вед – древнеиндийских священных писаний. Он даже видит прямую связь между Дживану и индуистскими воззрениями на природу жизни, согласно которым четких границ между живой и неживой природой не существует. Он рассматривал свои крошечные частицы как нечто живое и говорил об их метаболизме и даже способности к размножению. И если другие ученые не спешили называть такие простые системы настоящей жизнью, то у Бахадура, кажется, не было в этом ни малейших сомнений. Нетрудно догадаться, почему к его работам отнеслись скептически.
Тем не менее внимание NASA он привлек. Сирил Поннамперума и его коллега Линда Карен отправились в командировку для того, чтобы дать свой отзыв о работах Бахадура[312]. Они раскритиковали “запутанные” и “составленные ненадлежащим образом” протоколы экспериментов, из-за чего последние оказалось трудно воспроизвести. Ученые сделали вывод, что “приведенных доказательств недостаточно для того, чтобы считать Дживану живыми”. Иначе говоря, выводы Бахадура сочли преувеличенными. И хотя Поннамперума и Карен не стали опровергать их полностью, заключив, что “природа и свойства Дживану остаются невыясненными”, однако из-за этой авторитетной критики работы индийского ученого оказались забыты[313]. После смерти Бахадура его бывший ученик Винод Кумар Гупта, продолживший заниматься Дживану, публиковал статьи, в которых среди прочего описывал “субстанции наподобие фосфолипидов” на их внешней поверхности. Это еще больше сближало Дживану с настоящими клетками[314]. Так или иначе, но в историю науки Дживану вошли скорее как курьез, чем как настоящее достижение.
Первым продемонстрировал протоклетки с мембраной почти как у настоящих клеток американский биолог Дэвид Димер. Он родился в 1939 году, а исследованием мембран занялся в 1960-е. Его карьера складывалась на удивление удачно. Однажды, в 1989 году, когда Димер ехал по штату Орегон, его внезапно озарило: он понял, что последовательность нуклеотидов ДНК можно прочитать, заставив ее проходить через белковый канал с помощью электрического поля. Четыре разных азотистых основания при прохождении через пору должны вызывать характерные изменения электрического поля. Он поскорее свернул на обочину и записал эту идею, прежде чем ехать дальше. Позднее Димер и его коллеги разработали на основе этого
технологию так называемого нанопорового секвенирования ДНК. Компактные версии подобного оборудования побывали даже на Международной космической станции.Димер заинтересовался возникновением первых мембран в 1975 году, спустя несколько лет после публикации правильной модели их структуры. Весной того года он был в творческом отпуске в Институте Бабрахама неподалеку от Кембриджа, Великобритания. Компанию ему составлял его коллега (тоже специалист по мембранам) Алек Бэнгхэм[315]. Несколькими годами ранее Бэнгхэм прочел лекцию под названием “Первыми были мембраны”. “Мы направлялись вместе с Алеком в Лондон в его «мини-купере» и остановились пообедать, – вспоминал позже Димер. – И вдруг мы осознали, что никто никогда не задумывался о том, как образовались первые мембраны на ранней Земле”. Да, первые клетки обзавелись мембранами, однако как именно это произошло?
Исследованием этого вопроса занялся аспирант Димера, Уильям Харгривз. В 1977 году Харгривз, Димер и еще один их коллега опубликовали результаты экспериментов, из которых следовало, что фосфолипиды могли образоваться на юной Земле из более простых соединений[316]. Ученые представили себе небольшой водоем на песчаном берегу, наполняемый приливами и содержащий различные растворенные вещества. Их внимание привлек глицерин – простое соединение из группы спиртов, который может быть использован для получения липидов. Его иногда также называют “глицерол” и используют в качестве подсластителя для продуктов. Исследователи смешали глицерин с химически активным соединением – цианамидом, а также водой. После этого они нагрели смесь до 65 °C, получив несколько липидов, в том числе фосфолипиды.
Ученые также доказали, что полученные ими фосфолипиды способны к самому главному для этих веществ трюку: самопроизвольному образованию структур, напоминающих клетки. Димер и его коллеги растворили полученную фосфолипидную жижу в солевом растворе и хорошенько потрясли. В результате фосфолипиды собрались в крошечные сферические пузырьки, которые внешне напоминали клетки. При ближайшем рассмотрении оказалось, что каждый из пузырьков имеет внешнюю мембрану, образованную двойным слоем фосфолипидов, – совсем как у настоящей клетки. Такие структуры называются “везикулы” – их можно обнаружить в любой живой клетке, которой они нужны для хранения различных важных субстанций (вроде питательных веществ).
Команда Димера нашла подтверждения тому, что простые подобия клеток, состоящие из тех же химических соединений, что и современные мембраны, могли самопроизвольно образоваться и миллиарды лет назад. Как и в случае других подобных экспериментов, возникает вопрос – действительно ли использованные реакции могли происходить в прошлом? Но в данном случае все выглядит правдоподобно. Цианамид и глицерин представляют собой простые и очень распространенные молекулы, так что они наверняка были и на древней Земле. А мест, где вода имеет температуру 65 °C, немало и на Земле современной.
За этим последовали эксперименты с использованием других липидов[317]. И в результате в начале 80-х годов Димер имел уже право утверждать, что “напоминающие современные мембраны структуры могут быть с легкостью получены из липидных компонентов, которые наверняка были и на пребиотической Земле”[318].
И все же везикулы – это еще не клетки. Недостаточно просто создать внешнюю мембрану и придать ей форму правильной сферы – а в то время Димеру и его коллегам не удалось добиться чего-то большего. На следующем этапе предстояло выяснить, могут ли везикулы служить хранилищем для биологических молекул вроде ДНК. Над этой проблемой он работал совместно с Гейлом Барчфелдом. Они тоже представили себе небольшое озерцо, которое бесконечно то пересыхало на солнце, то вновь наполнялось дождевой водой. Димер и Барчфелд смешали фосфолипидные везикулы с ДНК и подвергли их подобным циклам высыхания и повторного увлажнения. При высыхании везикулы резко изменили свою форму: фосфолипиды превратились в плоские слои, которые напоминали стопки начиненных ДНК блинчиков. После повторного увлажнения везикулы возвращались в исходную форму – но теперь уже с ДНК внутри. Такие протоклетки по-прежнему нельзя назвать живыми, однако этот опыт Димера и Барчфелда стал шагом вперед[319].