Самая популярная идея Чарльза Дарвина, известная каждому школьнику – теория эволюции естественного отбора, которая объясняет многое из того, что мы знаем о жизни на Земле. Но биолог также работал над многими другими вопросами эволюции мира. В спешном письме другу он высказал идею о том, как могла сложиться первая жизнь. Спустя 150 лет это письмо выглядит удивительно пророческим
Вопреки распространенному мнению, Дарвин не был первым, кто предположил, что виды эволюционируют. Идея о том, что популяции животных со временем меняются, например, у нынешних жирафов шея длиннее, чем у их далеких предков, обсуждалась еще в 1800-х годах.
Ключевая задача Дарвина заключалась в том, чтобы объяснить механизм эволюции. Его идея естественного отбора состоит в том, что животные одного вида соревнуются друг с другом за пищу, кров и, в конечном итоге, за способность к воспроизводству. Только самые приспособленные, то есть те, кто лучше всего подходит для окружающей среды, смогут воспроизводить потомство, и поэтому их полезные черты будут переданы следующему поколению и станут более распространенными. Если длинная шея полезна для жирафов, то из поколения в поколение жирафы с более длинной шеей будут размножаться, пока не будет достигнута оптимальная длина. Дарвин изложил это в своем опусе 1859 года «О происхождении видов».
Факт эволюции предполагает гипотезу о том, как зародилась жизнь. Эволюция показывает, что разные виды являются дальними родственниками, произошедшими от одного общего предка. Например, наши ближайшие из ныне живущих родственников – шимпанзе. Наш общий предок жил, как минимум, семь миллионов лет назад.
Более того, каждый живой организм произошел от одной популяции предков: от последнего всеобщего предка (Луки), который жил более 3,5 миллиардов лет назад на только что сформированной планете.
Однако теория эволюции ничего не говорит нам о том, как образовалась первая жизнь: она только говорит нам, как и почему изменяется существующая жизнь.
Как началась жизнь?
Исследования происхождения жизни начались только в 1950-х годах. К тому времени многие ученые предполагали, что жизнь зародилась в океанах. Теория заключалась в том, что многие химические вещества на основе углерода образовались на молодой Земле и растворились в океане, который стал густым и концентрированным, так называемым «первичным бульоном». Это было предложено в 1920-х годах советским биологом Александром Опариным. В 1953 году молодой американский студент по имени Стэнли Миллер показал, что аминокислоты, строительные блоки белков, могут образовываться в простом устройстве, имитирующем первозданный океан и атмосферу.
Гипотеза о зарождении жизни в океане господствовала на протяжении десятилетий, но возник очевидный вопрос. Океаны огромны, поэтому, если химические вещества на основе углерода не производятся в огромных количествах, они могут дрейфовать годами и никогда не встретиться. «У нас был океан воды и слишком мало молекул», – говорит Клаудиа Бонфио из лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания.
Другое широко обсуждаемое альтернативное мнение – жизнь могла начаться в щелочных источниках, находящихся, к примеру, в Затерянном городе в центре Атлантики. Там горячая и богатая минералами вода из-под морского дна просачивается сквозь скалы и образует жуткие белые шпили. Вентиляционные отверстия – богатый источник химической энергии, которая могла бы питать первые организмы. Но, согласно обзору, опубликованному в мае 2020 года, «прямой синтез аминокислот или азотистых оснований», имеющих одинаково решающее значение для жизни, «еще не продемонстрирован» в щелочных условиях.
Письмо к другу возвращает нас к Дарвину
Дарвин никогда не писал в своих книгах о том, как зародилась жизнь, но в частном порядке размышлял об этом. Ключевой документ – это письмо, которое он написал от 1 февраля 1871 года своему близкому другу натуралисту Джозефу Далтону Хукеру . Этому письму сейчас почти 150 лет. Оно короткое – всего четыре абзаца – и его трудно читать из-за паучьего почерка Дарвина. В нем, после краткого обсуждения некоторых недавних экспериментов с плесенью, Дарвин обрисовал в общих чертах начало гипотезы.
«Часто говорят, что сейчас есть все условия для появления живого организма, которые могли когда-либо существовать. Но если мы могли бы зачать ребенка в каком-нибудь теплом маленьком пруду со всеми видами солей аммиака и фосфорной кислоты, светом, теплом, электричеством и т. д., то образовалось бы белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям. В настоящее время такая материя будет немедленно поглощена, чего не было бы до образования живых существ».
Дарвин предполагал, что жизнь зародилась не в открытом океане, а в небольшом водоеме на суше
Дарвин предполагал, что жизнь зародилась не в открытом океане, а в небольшом водоеме на суше, который был богат химическими веществами. По сути, это первоначальная идея бульона, но с одним преимуществом: в бассейне любые растворенные химические вещества будут концентрироваться, когда вода испарится в жаркий день. Первоначальный синтез химических веществ жизни мог бы происходить за счет комбинации света, тепла и химической энергии.
Во многих отношениях идея Дарвина безнадежно несовершенна, но его можно понять. Он писал о ней, когда внутреннее устройство живых клеток было загадкой, до открытия нуклеиновых кислот, до того, как биологи поняли, как работают гены. Дарвин предполагал, что жизнь началась с белка, но никто не знал, что такое белки: только в 1902 году стало понятно, что белки представляют собой цепочки аминокислот.
В основном, дарвиновская основная схема используется и сегодня, и многие исследователи убеждены, что это лучшее объяснение происхождения жизни, которое у нас есть.
Тепло и свет
Одним из исследователей, чья работа посвящена возникновению окружающей среды из небольшого водоема, является Лена Винсент из Университета Висконсин-Мэдисон. Она пытается создать наборы химических соединений, которые копируют себя как группу. Простейшим примером может быть пара A и B, где каждый имеет способность производить другого, поэтому A производит B, а B производит A. Такая пара соединений способна самовоспроизводиться, даже если ни один из них не может этого сделать самостоятельно. На практике наборы химикатов сложнее, но принцип тот же.
Что особенно важно, Винсент проводит свои эксперименты на поверхности минералов. Если ключевые химические вещества находятся на поверхности минерала, «они с большей вероятностью вступят в реакцию и вступят в контакт друг с другом, – сообщает она. – Химические вещества также могут конкурировать за присоединение к минералу. Мы думаем, что это может создать такую среду, которая понадобится вам, чтобы увидеть конкурентное преимущество и, возможно, предшественников эволюции. Пруды по своей природе окружены минеральными поверхностями, такими как глины».
Существует также множество доказательств того, что ультрафиолетовое излучение солнечного света может стимулировать образование ключевых биологических химикатов – особенно РНК, нуклеиновой кислоты, подобной ДНК, которая, как считается, была решающим компонентом в создании первой жизни. Такие процессы могли происходить только в хорошо освещенных местах, что опять же указывает на небольшой водоем, а не на глубокое море.
Ключевым игроком это гипотезы стал Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже (Великобритания). В 2009 году он продемонстрировал, что два из четырех строительных блоков РНК образуются из простых химических веществ на основе углерода, когда они подвергаются таким простым процедурам, как купание в ультрафиолетовом излучении. «С тех пор, – показывает ученый, – одни и те же стартовые химические вещества, подвергнутые слегка разным методам лечения, могут стать строительными блоками белков или жировых липидов, составляющих внешние мембраны клеток».
«Он неуклонно движется к законченному сценарию синтеза длинных сложных нуклеиновых кислот», – говорит о Сазерленде Кейт Адамала из Миннесотского университета в Миннеаполисе.
Водоемы могут высыхать полностью в жару, а затем снова наполняться, когда идет дождь. Подобные «влажно-сухие» циклы, безобидные на первый взгляд, могут иметь огромное влияние на химические вещества жизни.
Например, в эксперименте Сазерленда 2009 года были воссозданы только два из четырех строительных блоков РНК. В 2019 году исследователи из Германии сделали все четыре сразу. Они поместили простые химические вещества на основе углерода в горячую воду на минеральную поверхность и подвергли их многократным «влажно-сухим» циклам. Нескольких дней было достаточно, чтобы создать строительные блоки РНК.
Точно так же Дэвид Димер из Калифорнийского университета в Санта-Крус показал, что циклы «влажный-сухой» могут стимулировать образование простых «протоклеток», в которых биологическая молекула, такая как РНК, инкапсулируется в оболочку из жирных липидов.
А в 2017 году Валентина Эрастова, ныне работающая в Эдинбургском университете, обнаружила, что аминокислоты соединяются в простые белки на минеральной поверхности, подвергающейся «влажно-сухому» циклу.
Колыбель жизни
Димер утверждает, что «колеблющиеся вулканические бассейны с горячими источниками» являются наиболее вероятной средой для зарождения жизни. У Сазерленда есть альтернатива: метеоритный кратер с ручьями, бегущими по бокам и встречающимися в бассейне на дне. Неясно, какой из этих сценариев более правдоподобен. Более того, многие молодые исследователи стараются не соглашаться с тем или иным сценарием, утверждая, что мы еще недостаточно знаем о процессах, которые могут подтвердить источники жизни, чтобы что-либо исключать. В частности, многие исследователи по-прежнему серьезно относятся к гипотезе щелочного выброса, несмотря на ее сомнительность.
Однако ясно одно – идея Дарвина была дальновидной. Он узрел необходимость концентрации ряда химических веществ в небольшом пространстве при участии источника энергии для управления химическими реакциями.
«Как и многие идеи Дарвина, – признается Винсент, – гипотеза о теплом маленьком пруде оказалась очень пророческой».
Дарвин в своем письме указал на еще один момент, который, по словам Винсента, «недооценивается». «Процессы, происходящие в этом маленьком теплом пруду, могут происходить так легко, что происходят постоянно, – говорит она. – Мы не можем это видеть просто потому, что всякий раз, когда новый белок или аналогичные формы возникают естественным образом, голодные бактерии поглощают его. Мы говорим о происхождении жизни в глубоком прошлом, но которое может произойти здесь и сейчас».
(Материал взят из книги Майкл Маршалла о происхождении жизни – The Genesis Quest)
