Тайна происхождения жизни на Земле. Часть пятая: так как же всё-таки создать клетку?

7 428 просмотров
Об авторе

Клетка

К началу 2000-х годов ученые выделили две ведущие идеи о том, как могла появиться жизнь. Сторонники «РНК-мира» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы. В то же время ученые в лагере «сначала метаболизм» считают, что жизнь могла появиться в гидротермальных жерлах на дне океана. И все же на передний план вышла третья идея.

Часть первая: как сделать клетку?

Часть вторая: раскол в рядах ученых

Часть третья: в поисках первого репликатора

Часть четвертая: энергия протонов

Каждое живое существо на Земле состоит из клеток. Каждая клетка — это по сути мягкий шарик, мешочек, с жесткой внешней стенкой, или «мембраной». Задача клетки — удерживать все предметы первой необходимости вместе. Если наружная стенка порвется, внутренности выльются наружу и клетка умрет — так же, как и выпотрошенный человек.

Наружная стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни даже считают, что она появилась прежде всего. Они считают, что подходы «сперва генетика», который мы обсудили во второй части, и «сперва метаболизм», который мы обсудили в четвертой части, ошибочны. Их альтернатива — «сперва компартментализация» — представлена Пьером Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме, Италия.

Клетки

Все живые предметы состоят из клеток

Идея Луизи проста, и с ней трудно спорить. Каким образом вы собрались создавать рабочую метаболическую систему или самовоспроизводящуюся РНК, каждый из которых опирается на наличие большого количества химических веществ в одном месте, если вы сначала не сделаете контейнер, который удерживает все молекулы вместе.

Если вы с этим согласны, есть только один способ, с которого могла начаться жизнь. Каким-то образом, в жаре и буре ранней Земли, неколько сырых материалов сложились в грубые клетки, или «протоклетки». Осталось только повторить это в лаборатории: создать простую живую клетку.

Идеи Луизи можно проследить аж до Александра Опарина и рассвета науки о происхождении жизни в СССР, которых мы обсудили в первой части. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют сгустки — коацерваты — которые могут держать другие вещества внутри. Он предположил, что коацерваты были первыми протоклетками.

Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать сгустки или пленки в воде. Эти химические вещества известны в общем как липиды. Соответственно, гипотезу о том, что с них начала жизнь, назвали «липидным миром».

Но просто сформировать сгустки недостаточно. Они должны быть стабильными, уметь делиться на «дочерние» сгустки и хоть немного контролировать, что проходит внутрь и выходи  наружу — и все это без сложных белков, которые используют современные клетки для этих задач.

Появилась задача собрать такие протоклетки из всего необходимого материала. Несмотря на множество попыток за много лет, Луизи так и не сделал ничего хоть мало-мальски убедительного. И тогда, в 1994 году, он осмелился сделать дерзкое предположение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки.

Клетки

Как-то клетка все же появилась

И вот, его гипотеза стала очень сложной и отошла от чистого подхода «сперва компартментализация». Но у Луизи были веские доводы.

Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов.

Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части. Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз.

Клетки

Почти вся жизнь одноклеточная

«Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак. «Наконец, мы поняли, что у клеток было и то и другое. Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему».

В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира.

Это была радикальная идея. Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей. Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками.

Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе.

Клетки

Везикулы — это простые контейнеры, состоящие из липидов

Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент.

Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки. Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так. За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни.

Монтмориллонит

Кусок монтмориллонита

Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают. Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой. Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита.

Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК.

И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток. Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе.

Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому. Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение.

Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя?

Клетки на два

Клетки делятся на два

Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть. Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки. Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия.

Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки. В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука. Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать.

Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток.

Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК родительской протоклетки и не теряла ни одной РНК. Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблему, похоже, решили.

В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться. Но все равно протоклеткам многого недоставало. Луизи хотел, чтобы протоклетки тиражировали РНК, но РНК просто сидела в них и ничего не делала. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться.

Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить. Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки.

Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК.

Клетки

Первая клетка должна была вмещать химию жизни

По сути все просто. Возьмите одну цепь РНК и набор свободных нуклеотидов. Затем, используя эти нуклеотиды, соберите вторую цепь РНК, комплементарную первой. Например, цепь РНК «CGC» произведет комплементарную цепь «GCG». Сделав это дважды, вы получите копию оригинальной «CGC», только окольным путем.

Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь создала копии своих генов.

К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов. Больше ему сделать не удалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катажина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках.

Они обнаружили, что для работы такой реакции нужен магний. Но магний уничтожил протоклетки. Впрочем было и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках.

В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться. Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. «Мы запустили химию репликации РНК внутри этих жирно-кислотных везикул», говорит Шостак.

Клетки

Протоклетки Шостака могут жить в сильном тепле

Всего за десять лет исследований команде Шостака удалось совершить невероятное.

Они создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они были похожи на первую жизнь.

Еще они были весьма устойчивыми. В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. Следовательно, эти протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была переживать сильное тепло от постоянных ударов метеоритов.

«Шостак делает большую работу», говорит Армен Мулкиджанян.

Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака идет вразрез с 40 годами исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу.

Клетки

Молекулы жизни ведут себя крайне сложно

Это открывает путь к новому подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу. Он должен охватить все функции первой жизни сразу и одновременно. Эта гипотеза «сперва всё» уже насобирала достаточно свидетельств и может решить все проблемы существующих идей. Подробнее о ней — в следующей части.

Тайна происхождения жизни на Земле. Часть пятая: так как же всё-таки создать клетку?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

21 комментарий

  1. Denus Warrus

    Т.е получается, отдельно возникло некое подобие клеточной мембраны (везикулы), отдельно РНК в бульон нуклеотидов, потом РНК проникло внутрь клеточной мембраны, обжилось там и как давай делиться)? Видимо эти протоклетки были бессмертны, ведь им бы понадобилось огромное количество времени на эволюцию, а деления ещё не было "изобретено". А сейчас почему эти протоклетки не обнаруживаются? Были сожраны свои потомками в результате естественного отбора)? Или об этом в следующей серии)? А если погуглить "протоклетка", то википедия сообщит следующее: "Функциональные протоклетки до сих пор не были получены в лабораторных условиях, однако цель - понимание процесса - вполне достижима"

    • Aldo

      Согласен, основная загвоздка - это отсутствие этих первобытных структур. Предположительно, сейчас на планете нет тех условий, которые могли создать нужные структуры. Но всё это в принципе похоже на правду, если вспомнить про наличие прионов и вирусов, которые очень хорошо начинают работать, попадая в клетку. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  2. Aldo

    Жду не дождусь узнать как они хотят прилепить туда АТФ и белковые транспортные системы. В принципе могу предложить что цепочки РНК в конечном итоге сделали себе что-то типа первичной рибосомы, начали взаимодействовать с аминокислотами и строить ферменты и всё в таком духе, но опять же, всё это происходит с затратами энергии. Очень интересно послушать мысли этих гениальных ребят, ибо я ума не приложу зачем и почему молекула, пускай из нуклеотидов, вдруг начала использовать энергию для создания более сложных структур и самое главное откуда она её взяла, если АТФ создается вроде как градиентом, а градиент создается белковыми транспортными системами в мембране. Чёрт, Илья, давай скорее что-ли там. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. ereke

    Проблема состоит в том, что нет четкого понятия, что есть жизнь. У любой материи, атома, молекулы, планеты, звезды, вселенной .. есть жизненный цикл. Есть начало и есть конец. Также они размножаются или перерождаются. Например, сложные атомы вообще возникли при взрыве сверхновых. Также одна материя поглощает другую. Например, планеты образовались именно так. Метаболизм тоже присутствует, достаточно изучить геологию.. Разум? Так есть ли у человека разум, если он занимается уничтожением среды, от которой он полностью зависит? Такую тупость ни одно живое существо, кроме самого "умного" - не совершает. В свое время была вера в то, что есть рабы и есть рабовладельцы, люди жили так.. потом что есть белая высшая раса и низшая черная раса, люди жили так.. потом, что человек высшее существо, а все остальные низшие, люди живут этим сейчас. Ну и наконец, это живое, а то не живое.. хотя все состоят из одних и тех же химических элементов. Возможно это просто проблема чисто философская - когда так называемый человек перестанет думать о своей уникальности и о своей высшей точки развития? Вот здесь нет оппонентов у человека, рыбы молчат.. некому сказать - эй ты, надутый пузырь, ты пылинка мелкая в гигантской вселенной.. причем само уничтожающаяся.. Это планета создавалась не для человека, ведь на этой планете миллионы видов других существ, а он появился и все нагадил - так что он и есть ошибка природы

    • a-ft0r

      Cнова, всё уперлось, в что , зачем и почему, а пока не ответа, живите сколько сможете. И тогда по твоему выходит, какая разница как жить, в виде камня или живой клетки, всё равно из тех же атомов состоим. Вот тем наверное и отличаемся, что находимся в поиске на эти вопросы, но еще недостаточно знаний, чтобы на них ответить. Да может мы себя убьем, но кто-то же выживет и разовьется с другим понимание о существовании. А раз МЫ понять не можем, что есть жизнь, значит мы тупиковая ветвь эволюции, но хотя бы это осознали и то уже не скажешь, что мы совсем были никудышными жителями на этой планете.

    • ZU

      По поводу "уничтожения" среды вы заблуждаетесь (впрочем заблуждение популярное). Все живые существа делают то же самое, только в иных масштабах. Т.е. используют ресурсы среды настолько, насколько могут и производят отходы.
      Но если подумать еще получше, то становится понятно, что даже производство отходов и изменение таким образом среды ("уничтожение" в вашем понимании) может называться уничтожением лишь относительно. Любые отходы могут являться ценным ресурсом для других существ, чему есть прямые подтверждения. Достаточно вспомнить кислородную катастрофу. Погуглите на эту тему, если не слышали.

  4. VARY

    Жизнь - процесс реализации программы генетического кода.

    Наш мир есть программа, создание жизни это направленный программный процесс.

  5. storm X

    уже пятая часть,а вы все клетки разбираете?!

  6. Desperad0s

    Интересно, а как сторонники третьего направления объясняют возникновение вирусов? По их концепции, вирусы вообще никак не могли развиться, ибо нет клетки

    • Aldo

      С одной стороны вирусы не могут реплицироваться без клетки, а с другой представляют собой генетический код, заключенный в капсид и всё, без органелл и метаболизма. Поэтому теоретически они своим существованием подтверждают обе теории - как мира РНК, так и первичности мембраны, смотря с какой стороны за них ухватиться. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  7. justromagod

    Неубедительно. Неужели трудно в лаборатории уже начать печатать простейшие молекулярные автоматы? Трудно даже понять в чем проблема? Если можно напечатать транзистор на кремнии , напечатай транзистор на углеводороде. И все жизнь готова. Роботы компьютеры все на воде и углеводороде. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  8. Vladimir Matveev

    Есть два представления о физическом устройстве клетки: https://www.youtube.com/watch?v=n3I21xlIBvI На каком из них создавать клетку?

  9. Palpy

    А когда протоклетки успели выучить математику и разработать физику процесса получ энергии?

    • Riccard

      сам то понял, что сказал? Сам то много просчитываешь уравнений, что бы ходить?

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.