Тайна появления жизни на Земле. Часть третья: в поисках первого репликатора

6 815 просмотров
Об авторе

Эволюция

Итак, после 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые из них были убеждены в том, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточились на важности генетики и репликации. Эта последняя группа начала выяснять, как мог бы выглядеть первый репликатор, подразумевая, что он был сделан из РНК.

Часть первая: как сделать клетку?

Часть вторая: раскол в рядах ученых

Уже в 1960-е годы ученые имели основания полагать, что РНК была источником всей жизни.

В частности, РНК может делать кое-что, чего не может ДНК. Это одноцепочечная молекула, поэтому, в отличие от жесткой, двухцепочечной ДНК, она может складывать себя в целый ряд различных форм.

Похожая на оригами, складывающаяся РНК в целом напоминала по поведению белки. Белки тоже в основном представляют длинные цепи — только из аминокислот, а не нуклеотидов — и это позволяет им создавать сложные структуры.

Это ключ к самой удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Такие белки известны как ферменты.

Множество ферментов можно найти у вас в кишках, где они разбивают сложные молекулы из пищи на простые типа сахаров, которые могут использовать ваши клетки. Без ферментов жить было бы невозможно.

Лесли Оргел и Фрэнсис Крик начали кое-что подозревать. Если РНК может складываться как белок, возможно, она может и образовывать ферменты? Если бы это было правдой, то РНК могла бы быть оригинальной — и универсальной — живой молекулой, хранящей информацию, как это делает сейчас ДНК, и катализирующей реакции, как это делают некоторые белки.

Это была прекрасная идея, но за десять лет она не получила никаких доказательств.

Томас Чех

Томас Чех, 2007 год

Томас Чех родился и вырос в штате Айова. Еще ребенком он был очарован горными породами и минералами. И уже в младших классах средней школы он заглядывал в местный университет и стучался в двери геологов с просьбой показать модели минеральных структур.

Однако, в конце концов, он стал биохимиком и сосредоточился на РНК.

В начале 1980-х годов Чех и его коллеги по Университету Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм Tetrahymena thermophila. Часть ее клеточного механизма включает цепи РНК. Чех обнаружил, что отдельный сегмент РНК каким-то образом оказался отделен от остальных, словно его вырезали ножницами.

Когда ученые убрали все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать молекулярными ножницами, РНК продолжала выделываться. Так они нашли первый фермент РНК: короткий участок РНК, который способен вырезать себя из длинной цепи, частью которой является.

Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая группа ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент). Обнаружение двух ферментов РНК одного за другим указывало на то, что их должно быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начала выглядеть солидно.

Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт также стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека.

В 1986 году Гилберт написал в Nature, что жизнь началась в «мире РНК».

Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую деятельность, необходимую для сборки самих себя в бульон нуклеотидов». Копируя и вставляя различные биты РНК вместе, молекулы РНК могли создавать еще более полезные последовательности. Наконец, они нашли способ создавать белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни, которую мы имеем.

«Мир РНК» — это элегантный способ собрать сложную жизнь с нуля. Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна за всех» молекула могла сделать всю работу.

В 2000 году гипотеза «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств.

Рибосома

Рибосома делает белки

Томас Стейц провели 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру рибосомы.

Рибосома есть в каждой живой клетке. Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, чтобы сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую часть вашего тела.

Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК была каталитическим ядром рибосомы.

Это было важно, так как рибосома фундаментально важна для жизни и при этом очень древняя. Тот факт, что эта важнейшая машина была построена на РНК, сделал гипотезу «мира РНК» еще более правдоподобной.

Сторонники «мира РНК» восторжествовали, а в 2009 году Стейц получил долю Нобелевской премии. Но с тех пор ученые начали сомневаться. С самого начала у идеи «мира РНК» было две проблемы. Могла ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? Могла ли она образоваться на ранней Земле?

Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли твердых доказательств, что РНК может выполнять все, что от нее требует теория. Это маленькая умелая молекула, но она может не уметь всего.

Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была быть способна делать копии себя: она должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся.

Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Им нужен батальон ферментов и других молекул, чтобы создать копию или кусочек РНК или ДНК.

Поэтому в конце 1980-х годов несколько ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно.

Джек Шостак

Джек Шостак

Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, кто принял в этом участие. В детстве он был так очарован химией, что завел лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка.

В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа бесподобна», говорит он. «В принципе, вполне возможно, что РНК катализирует собственное воспроизводство».

В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который может строить короткую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов. Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли.

Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел фермент РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты РНК могут быть по-настоящему мощными. Но их фермент не мог копировать себя, даже чуточку. Шостак оказался в тупике.

РНК

Возможно, жизнь началась не с РНК

Следующий крупный шаг осуществил в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Бартель сделал РНК-фермент R18, который мог добавлять новые нуклеотиды в цепь РНК на основе существующего шаблона. Другими словами, он добавлял не случайные нуклеотиды: он правильно копировал последовательность.

Пока это был еще не саморепликатор, но уже что-то похожее. R18 состоял из цепи 189 нуклеотидов и мог надежно добавлять 11 нуклеотидов в цепочку: 6% от собственной длины. Была надежда, что несколько настроек позволят ему построить цепь длиной в 189 нуклеотидов — как и он сам.

Лучшее, что удалось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. Это 48% от его собственной длины: больше, чем у R18, но далеко не 100%.

Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольном из Института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. В 2009 году они создали фермент РНК, который размножается косвенно. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента. Затем объединяет другие два кусочка РНК, чтобы воссоздать исходный фермент.

При наличии сырья этот простой цикл можно продолжать до бесконечности. Но ферменты работали только тогда, когда им давали правильные цепочки РНК, которые приходилось делать Джойсу и Линкольну.

Земля

Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, по всей видимости, просто не может взять и начать жизнь.

Также проблему усугубила неудача химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая молекула по сравнению с ДНК, но сделать ее чрезвычайно трудно.

Проблема лежит в сахаре и основании, которые составляют каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них по отдельности, но они упорно отказываются связываться. К началу 1990-х годов эта проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, что гипотеза «мира РНК», несмотря на всю привлекательность, может быть не совсем верной.

Вместо этого, возможно, на ранней Земле был какой-то другой тип молекулы: что-то проще, чем РНК, которая на самом деле могла собрать себя из первичного бульона и начать самовоспроизводиться. Сначала могла быть эта молекула, которая затем привела к РНК, ДНК и остальным.

ДНК

ДНК вряд ли могла образоваться на ранней Земле

В 1991 году Питер Нильсен из Университета Копенгагена в Дании придумали кандидата в первичные репликаторы.

Это была по существу сильно модифицированная версия ДНК. Нильсен сохранил те же основы — A, T, C и G, имеющиеся в ДНК, — но сделал основную цепь из молекул под названием полиамиды, а не из сахаров, которые также имеются в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Непонятным образом с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.

ПНК никогда не встречали в природе. Но ведет она себя практически как ДНК. Цепочка ПНК даже может занимать место одной из цепей молекулы ДНК, и основания спариваются как обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спираль, как ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к РНК-миру, он подозревал, что ПНК была куда более вероятным кандидатом на первый генетический материал.

В 2000 году он произвел несколько уверенных доказательств. К тому времени ему уже стукнуло 70 и он пережил несколько инсультов, которые могли отправить его в дом престарелых, но не сдался. Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду — и получил полиамидную основу ПНК.

Это позволило предположить, что ПНК, в отличие от РНК, вполне могла образоваться на ранней Земле.

Клетки

Молекула треозо-нуклеиновой кислоты

Другие химики придумали собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.

В 2000 году Альберт Эшенмозер сделал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК). Это та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Цепи ТНК могут образовывать двойную спираль, а информация копируется в обоих направлениях между РНК и ТНК.

Более того, ТНК может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. Это намекает на то, что ТНК может действовать как фермент, подобно РНК.

В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту, которая может формировать спиральные структуры.

У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники. Но никаких следов их в природе не найти, поэтому если первая жизнь действительно использовала их, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но никаких доказательств нет.

В итоге к середине 2000-х годов сторонники мира РНК оказались в затруднительном положении.

С одной стороны, РНК-ферменты существовали и включали одну из важнейших частей биологической инженерии, рибосому. Хорошо.

Но самовоспроизводящуюся РНК найти не удалось и никто не мог понять, как РНК сформировалась в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, что они существовали в природе. Не очень хорошо.

Очевидный вывод был таким: «мир РНК», несмотря на свою привлекательность, оказался мифом.

Между тем с 1980-х годов постепенно набирала обороты другая теория. Ее сторонники утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или другого генетического вещества. Вместо этого она началась с механизма использования энергии.

Клетки

Жизни нужна энергия, чтобы оставаться живой

Продолжение — будет.

Тайна появления жизни на Земле. Часть третья: в поисках первого репликатора

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

26 комментариев

  1. ibragimpasha81@mail.ru

    Что сказать. ТЭ построен на фантазиях одного свишенника. Он ошибся. И к концу жизни признал что заблудился.позвал даже старых друзей Попов чтобы проститься как верующий человек. Эти документы остались по сей день в архивах. Но почему то некоторые решили это скрывать и продолжит его Горенаучные труды. Мир раскололся на 2 части. В плане науки мы выиграли. Это факт. В поисках опровержение Бога наука открыла один за другим все новые границы природы и вселенной.
    Вывод один. Создателю нужен был отправит на землю нового пророка, тот кто направит людей в путь истинной науки. Чтобы добиться результата он подкинул ему идею опревержения Бога. Итог. Высокие технологии. Дарвин ниспослан им.он сам даже не подозревал это.))) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • deaddreams

      как можно опровергать то, чего не существует? Кому в голову вообще может прийти идея опровергать, что возле теты Скорпиона вращается невидимый, всемогущий единорог?

  2. Hitchcock

    На самом деле основная проблема в сроке существования Земли. 4,5 миллиарды лет - это не так много, чтобы из неживых элементов случайно образовалась живая клетка со всеми её характеристиками. Хокинг пытается это "разрулить", и в 2013 году стал продвигать теорию, что якобы вселенная вечная, а следовательно в вечности нет начала и конца. В вечности может что угодно зародиться. Но во первых подтверждений этому нет, а во вторых в вечности может вообще всё зародиться: и больцмановский мозг, и ктулху, и конечно бог. Получается Хокинг доказал наличие бога?)) Ну или хотя бы больцмановского мозга))

    П.С. Вот цитата Хокинга (перевод) от 2013 года:

    Наши сегодняшние представления о времени настолько же нелепы, как представления наших предков о том, что Земля плоская. На самом деле время не линейно, оно может менять направление, как мы меняем наше движение в пространстве. И с этой точки зрения момента происхождения Вселенной не существует.

    • Hitchcock

      Хотя иногда Хокинг больше фрика типа Онотоле напоминает, нежели учёного. Вот ещё его высказывание про время:

      «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей».

      То есть прошлое бесконечно, и Земле не 4,5 миллиарда лет, а бесконечность (бесконечность вариантов из спектра возможностей). И соответственно в этом бесконечном спектре возможностей был и такой, в котором зародилась жизнь. И это как бы не ограничено этими 4,5 миллиардами лет))

      • Aldo

        Оно не бесконечно, а неопределенно, сами же цитируете и всё это исходит из теории мультивселенных вроде как, не стоит заморачиваться, потому что он говорит не про наше прошлое, а про время в целом :) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

      • graviton

        Ну и что что земля молода если вселенная старше. Зародилась значит жизнь в другом месте и поделилась ей с нашей планетой (отправлено из приложения Hi-News.ru)

        • Hitchcock

          Да даже жизнь вселенной слишком коротка, - слишком маленькая выборка для случайного появления жизни. Возраст вселенной 13 млрд лет. Для примера: на Земле сейчас почти 8 миллиардов людей, но никто из них не рождается ростом 8 метров или с IQ 700. Есть некоторые отклонения, например есть люди с 6-ю пальцами, есть сиамские близнецы и т.п., но ничего слишком необычного не появляется. Почему? Потому что 8 миллиардов - это слишком маленькая выборка для появления чего-то супер мега необычного. А появление жизни из неживой материи - это событие гораздо менее вероятное, чем рождение человека с IQ 700. Выборка в 13 миллиардов лет для такой случайности слишком мала. В вечности всё возможно, даже обезьяна сможет написать пьесу Шекспира, если будет вечно тыкать хаотично по клавишам. Но за 13 миллиардов лет - Нет! Это мало. Например Солнцу почти 5 миллиардов лет, но оно как было Солнцем, так им и осталось - просто звезда, ни в какого единорога оно не превратилось. Так почему же вдруг неживая материя на Земле должна была превратиться в клетку, которая потом начала делиться, начался естественный отбор, эволюция, динозавры --> обезьяны --> люди. Попахивает высосанным из пальца)))

          • graviton

            Это наверн с религиозных источников да? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

            • ibragimpasha81@mail.ru

              Когда нечего противо поставить вопросам, приходит глупый сарказм. Это типичный метод атеистов . (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • Edd123

            Почему нет очень высоких людей? Потому что нет смысла становиться высоким и слишком мало времени прошло. Если быть высоким будет давать какие-то весомые преимущества и времени будет миллиона 2 лет на развитие, то из 7 миллиардов людей современного населения точно какая-нибудь группа дорастет до размеров жирафа.
            Подробнее можно почитать у Ричарда Докинза в книге «Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции»
            http://loveread.ec/read_book.php?id=45989&p=1
            Очень легко и увлекательно написано. Интересно будет даже школьникам и людям далеким от науки.

            • Hitchcock

              "Если быть высоким будет давать какие-то весомые преимущества"

              Немного не в ту степь ты клонишь. Никто не отрицает эволюцию, речь о появлении жизни из неживой материи. Это совершенно разные вещи. Камень останется камнем, не важно какие у него будут условия, холодно ему будет или жарко, жабры и мех он не отрастит, плавать не научится. Появление жизни из неживой материи никак не связано с эволюцией, ибо просто нечему было эволюционировать на тот момент. Это событие крайне мало вероятное, его вероятность низковата для 13 миллиардов лет. Если бы можно было взять несколько элеметнов и запустить их симуляцию с прокруткой на 10, 20, 100 и т.п. лет, то сомневаюсь, что из них зародилась бы клетка со всей её сложной структурой. Такой подход ближе скорее к средневековому мифу, что из грязных тряпок могут мыши родиться (или типа того, точно не помню). И я к религии вообще отношения не имею, просто пытаюсь понять суть зарождения жизни, а не долбиться в догматизм (будь то религиозный, будь то атеистический).

              • Edd123

                Существует еще и понятие о химической эволюции. Неживые молекулы могут усложняться, чтобы эффективнее усваивать энергию. Кучевые облака и морозные узоры на стекле тоже кажутся моловероятными. Камень тоже не неизменен - ветер, солнце и вода создают очень причудливые изваяния из камней и скал. Вспомните как забавно бегают шарики воды на горячей сковороде - совсем как живые. А для всего этого достаточно только одного - притока энергии. Для органических молекул на древней Земле были вполне достаточные условия - много энергии, отсутствие хищников и разрушающего кислорода. И сотни миллионов лет на усложнение.

                • ibragimpasha81@mail.ru

                  Тогда те условия о которых мы говорим есть на Марсе. Мало кислорода. Нет хищников. Вообще рай для зарождения жизни из не живое. Но видим только мертвый шар. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                  • saranchachacha

                    Есть на Марсе ещё один фактор - радиация. Вот она-то и не даст жизни в привычной нам форме там зародиться (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                    • G0Dzilla

                      Про жидкую среду - переносчик веществ - не забудьте.
                      А вообще, неблагодарное это дело, доказывать что-то тому, кто не хочет слушать и слышать. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • qwec123

      Хокинг ошибся, земля плоская на самом деле (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. Aldo

    Чёрт, Хель жги ещё поскорее, очень крутой цикл этот. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  4. Palpy

    Вначале была Ци и возникли китайцы, а потом Лукас спер у них идею силы/энергии...

  5. Vladimir Matveev

    Владимир Матвеев. Основной вопрос науки о происхождении жизни: мембрана или фаза? (Доклад на 2-ой Всероссийской конференции по астробиологии «Жизнь во Вселенной: физические, химические и биологические аспекты», Пущино 5-9 Июня, 2016): https://youtu.be/n3I21xlIBvI
    Скачать слайды: http://www.bioparadigma.spb.ru/conf/Matveev-2016-The.great.basic.question.of.science.on.origin.of.life_Slides.pdf
    Сайт конференции: http://cryosol.ru/astrobiology-2016.html
    Доклад основан на материале статьи: Матвеев В.В. (2016) Сравнение фундаментальных физических свойств клеточных моделей (протоклеток) и живых клеток свидетельствует о необходимости новой научной дисциплины – протофизиологии.
    Полный текст русской версии статьи: http://www.bioparadigma.spb.ru/files/Matveev-2016-Protophysiology.Rus.pdf

  6. justromagod

    Нет никаких доказательств первичного бульона и т.п. Зачем все время приводить примеры которым нет доказательств. Такой подход ничем не лучше просто сказать что жизнь создал бог/или инопланетяне. Начальная бактерия или вирус с первого момента невероятно сложная, предполагать что она вдруг сама рекомбинировалась просто глупо (отправлено из приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.