Что нужно для жизни: 20 жизненных истин, о которых стоит помнить каждому

Тем не менее, исследователям больше не нужно сосредотачиваться на том, может ли жизнь существовать на экстремальных планетах. «В нашей солнечной системе миры, представляющие интерес для астробиологии — Марс, Европа, Энцелад и Титан — маленькие, холодные и сухие. На самом деле, по сравнению с Землей, они довольно мрачные, но это все, что у нас есть, «Сказал Маккей.«Экзопланеты, которые мы видим сейчас, включают в себя настоящие земные миры, где жизнь может быть совсем не такой уж экстремальной».

Маккей предположил, что если в далеком мире уровень кислорода в атмосфере превышает несколько процентов, там может существовать сложная многоклеточная жизнь. Он сказал, что те, кто ищет кислород на чужих планетах, возможно, захотят сфокусироваться на экзопланете Kepler 186f, примерно в 500 световых годах от Земли в созвездии Лебедя. Kepler 186f — первая планета размером с Землю, вращающаяся вокруг звезды в «обитаемой зоне» — диапазоне расстояний от звезды, где жидкая вода может скапливаться на поверхности вращающейся планеты.

«Моя цель номер один прямо сейчас для экзопланеты, которая могла бы иметь жизнь, — это Кеплер 186f», — сказал Маккей. «Если бы мы нашли там кислород, это было бы знаменательным открытием и почти наверняка признаком жизни. Это было бы действительно круто».

Маккей подробно рассказал о своем анализе 9 июня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Подписывайтесь на нас @Spacedotcom , Facebook и Google+ .Оригинальная статья на Space.com.

Почему вода так необходима для жизни?

Вода. Он встречается повсюду на Земле, от полярных ледяных шапок до горячих гейзеров. И где бы на этой планете ни текла вода, вы обязательно найдете жизнь.

«Когда мы находим воду здесь, на Земле — будь то покрытые льдом озера, будь то глубоководные гидротермальные источники, будь то засушливые пустыни — если есть вода, мы обнаружили микробы, которые нашли способ зарабатывайте там на жизнь », — сказал Брайан Глейзер, океанолог из Гавайского университета в Маноа, изучавший астробиологию.

Вот почему девиз НАСА в охоте за внеземной жизнью был «следуй за водой».

Вчера (28 сентября) ученые НАСА объявили, что нашли его на Марсе: новые исследования показывают, что темные полосы, которые ученые наблюдали на изображениях Красной планеты в течение более десяти лет, являются свидетельством текущей воды. По словам исследователей, хотя соленые потоки могут быть слишком полны солей на основе хлора, чтобы поддерживать жизнь, они повышают вероятность того, что Марс может иметь жизнь прямо сейчас.[На фотографиях: На Марсе течет вода?]

Но почему вода является такой важной молекулой для жизни? И могут ли быть другие ингредиенты, которые также являются идеальным рецептом для жизни на других планетах?

Оказывается, несколько химических свойств воды делают ее незаменимой для живых существ. Вода не только может растворять почти все, но и является одним из немногих материалов, которые могут существовать в твердом, жидком и газообразном состоянии в относительно узком диапазоне температур.

Текущая жизнь

В глубине души вся жизнь на Земле использует мембрану, которая отделяет организм от окружающей его среды.Чтобы остаться в живых, организм потребляет важные материалы для производства энергии, выделяя при этом токсичные вещества, такие как продукты жизнедеятельности.

В этом отношении вода необходима просто потому, что она является жидкостью при земных температурах. Поскольку она течет, вода обеспечивает эффективный способ переноса веществ из клетки в окружающую среду клетки. Напротив, получение энергии из твердого вещества — гораздо более сложная задача (хотя есть микробы, которые питаются камнями), сказал Глейзер.

Но другая часть уравнения — вода может переносить предметы в клетку и из нее — связана с уникальной химической конфигурацией воды.

Простая молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода.

«То, как они связаны друг с другом, делает воду прекрасным универсальным растворителем». Это означает, что почти все вещества могут растворяться в воде, — сказал Глейзер Live Science.

Это потому, что молекула имеет полярность, а это означает, что атомы водорода имеют тенденцию группироваться на одной стороне молекулы, создавая положительную область, в то время как конец кислорода имеет отрицательный заряд. Положительный конец водорода имеет тенденцию притягивать отрицательные ионы (или атомы с дополнительным электроном во внешней оболочке), в то время как отрицательная область привлекает положительные ионы (у которых один из электронов оторван).

Вода, обладающая удивительными растворяющими свойствами, является идеальной средой для переноса веществ, таких как фосфаты или ионы кальция, внутрь и из клетки.

Фазы воды

Другая особенность воды заключается в том, что она может действовать как твердое тело, жидкость и газ в диапазоне температур, наблюдаемых на Земле. По словам Глейзера, другие молекулы, которые были идентифицированы как хорошие кандидаты для поддержания жизни, имеют тенденцию быть жидкими при температурах или давлениях, которые были бы неблагоприятными для большинства известных форм жизни.[5 мифов и заблуждений о Марсе]

«Вода действительно находится в этом сладком месте», — сказал Глейзер.

Тот факт, что вода может находиться во всех трех фазах в относительно узком диапазоне давлений, создает много возможностей для процветания жизни, добавил он.

«Все три [состояния воды], доступные на нашей планете, создают это действительно прекрасное разнообразие сред обитания и микроклимата», — сказал Глейзер.

Например, замерзший лед можно найти в ледниках, которые прорезают горы, а водяной пар помогает согреть атмосферу, сказал Глейзер.

Водяная колыбель жизни

Вода может быть чем-то большим, чем просто жидкостью, чтобы способствовать жизненно важным процессам — она ​​также могла быть защитной колыбелью, которая несла строительные блоки жизни на Землю, сказал Ральф Кайзер, физик-экспериментатор из Гавайского университета в Маноа, имеющий опыт исследований в области астрохимии.

Одна из теорий возникновения жизни на Земле, называемая панспермией, утверждает, что ледяные кометы врезались в Землю, неся крошечные органические молекулы, которые сформировали предшественников жизни.Но путешествие в космосе — это тяжелое путешествие с очень высокими уровнями радиации, которые обычно разрушают эти хрупкие молекулы, сказал Кайзер.

Однако в твердой форме вода могла защитить эти молекулы от радиации, предположил Касье.

«Одна из возможностей состоит в том, что, поскольку строительные блоки заморожены в воде, вокруг нее есть защитная мантия, которую можно доставить», — сказал Кайзер Live Science.

Принять некоторые заменители

Конечно, хотя вода имеет решающее значение для жизни на нашей родной планете, могут существовать формы жизни, которые не соответствуют правилам землян.

Ученые также изучают другие жидкости, которые могут играть аналогичную роль универсального растворителя и транспортной среды. По словам Криса Маккея, астробиолога из Исследовательского центра НАСА Эймса в Моффет-Филд, Калифорния, одними из главных претендентов являются аммиак и метан. По словам Маккей, аммиак, как и вода, представляет собой полярную молекулу, которой относительно много во Вселенной, но ученые не обнаружили никаких крупных масс аммиака где-либо в Солнечной системе.

Метан не полярен, но он может растворять многие другие вещества.Однако, в отличие от воды, метан становится жидким только при очень низких температурах — при температуре минус 296 градусов по Фаренгейту (минус 182 градуса по Цельсию).

«Мы знаем, что на Титане есть большие озера жидкого метана и этана», — сказал Маккей Live Science в электронном письме на одном из спутников Сатурна. «Таким образом, существует большой интерес к вопросу о том, может ли жизнь использовать жидкий метан / этан».

Следуйте за Тиа Гхош в Twitter и Google+ . Подписаться на Live Science @livescience , Facebook & Google+ . Оригинальная статья на Live Science .

ингредиентов для жизни? | Европа — НАСА Europa Clipper

Europa может содержать основные ингредиенты, необходимые для жизни:

Вода занимает первое место в списке ингредиентов, делающих жизнь возможной. Он растворяет питательные вещества, необходимые организмам, переносит важные химические вещества в живые клетки и позволяет этим клеткам избавляться от отходов.Данные показывают, что на Европе может быть много воды — соленый океан под корой, который содержит больше воды, чем океан Земли. Ученые также считают, что на дне океана есть каменистое дно. Взаимодействие между океаном и камнями могло бы обеспечить химические питательные вещества для живых организмов.

Лучшее доказательство того, что на Европе есть океан, было получено с помощью космического корабля НАСА Galileo, который вращался вокруг Юпитера с 1995 по 2003 год. Космический аппарат совершил 12 близких облетов Европы, а один из его инструментов, магнитометр, обнаружил, что создается магнитное поле. в Европе, когда мощное магнитное поле Юпитера пронеслось мимо Луны.Ученые считают, что наиболее вероятным источником этой магнитной сигнатуры является глобальный океан соленой воды.

Европы также есть признаки того, что под ней может быть океан. Изображения с Галилео и других космических аппаратов показывают, что на поверхности не так много кратеров от ударов метеоритов, как на других лунах Солнечной системы. Ученые считают, что геологическая активность, такая как теплый лед, поднимающийся снизу, может со временем стирать кратеры.

Яркая ледяная поверхность Европы — пейзаж, не похожий ни на что на Земле.Начнем с того, что в целом он довольно гладкий, без высоких гор, глубоких котловин или пропастей. Мириады гребней и бороздок пересекают поверхность, разбивая ландшафт. Многие из этих особенностей совпадают с длинными изогнутыми полосами темного и красноватого цвета — некоторые тянутся по поверхности большими дугами длиной более 600 миль (1000 километров). В других местах купола, ямы и хаотические нагромождения ледяных блоков намекают на то, что теплый лед может подниматься глубоко внизу.

предполагают, что ледяная оболочка Европы относительно тонкая.Ледяная луна растягивается и высвобождается под действием силы тяжести Юпитера в бесконечном цикле, пока Европа вращается вокруг планеты-гиганта. Это сжатие внутрь и наружу — это процесс, называемый приливным изгибом, который может создавать тепло внутри Европы; нагретый от этого тепла лед может подталкивать поверхность вверх, создавая гребни.

Приливное изгибание также может создавать достаточно тепла внутри Европы, чтобы поддерживать жидкий океан под ледяной поверхностью Луны. Большая часть тепла будет сосредоточена на границе между океаном и ледяной корой.

Для того, чтобы Европа была потенциально пригодной для жилья, на ней должны быть химические вещества, необходимые для химического процесса жизни. К ним относятся углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера, которые являются обычными элементами, и ученые считают, что они, вероятно, присутствовали на Европе в момент ее образования. Позже астероиды и кометы столкнулись с Луной и отложили еще больше органических или углеродсодержащих материалов.

Химические элементы для жизни могут быть найдены в ледяной оболочке Европы, а также в ее океане. Приливное отопление может приводить в действие систему, которая обеспечивает циркуляцию воды и питательных веществ между каменистой поверхностью Луны, ледяной оболочкой и океаном, создавая водную среду, богатую химическими веществами, способствующими жизни.

Вот почему изучение химии Европы — на поверхности и в предполагаемом океане — важно для понимания ее обитаемости, потому что живые существа извлекают энергию из окружающей среды с помощью химических реакций.

Всем формам жизни для выживания нужна энергия. Где бы жизнь в ледяном мире вдали от Солнца могла получить энергию? Тип жизни, который мог бы населять Европу, вероятно, будет питаться не фотосинтезом, а химическими реакциями.

Поверхность Европы взорвана радиацией Юпитера. Это плохо для жизни на поверхности — она ​​не может выжить. Но радиация может создать топливо для жизни в океане под поверхностью.

Излучение Юпитера может разрушать молекулы на поверхности Европы.Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения — Калтех.

Излучение расщепляет молекулы воды (h3O, состоящие из кислорода и водорода) в чрезвычайно разреженной атмосфере Европы. Водород улетает, а кислород остается. Кислород является очень реактивным элементом и потенциально может использоваться в химических реакциях, высвобождающих энергию, которую могли бы использовать формы жизни. Если кислород каким-то образом попадет в океан, он, возможно, сможет обеспечить химическую энергию для микробной жизни.

Если на Европе действительно соленый океан, химические реакции между водой и камнями на дне океана могут привести к образованию материалов, богатых водородом.И если есть области, где океан взаимодействует с горячими породами, тогда, как гидротермальные жерла в океанах Земли, эта вода может выливать химические питательные вещества, питающие жизнь. Короче говоря, у Европы может быть множество процессов, которые работают вместе, чтобы сделать химическую энергию доступной для обеспечения жизненных процессов простых организмов, таких как бактерии.

Ресурсы

BBC — Земля — ​​Секрет зарождения жизни на Земле

Эта история входит в список лучших хитов года BBC Earth «Лучшее за 2016 год».Просмотрите полный список.

Как началась жизнь? Вряд ли может быть более серьезный вопрос. На протяжении большей части истории человечества почти все верили, что «это сделали боги». Иное объяснение было немыслимо.

Это уже не так. За последнее столетие несколько ученых пытались выяснить, как могла возникнуть первая жизнь. Они даже пытались воссоздать этот момент Genesis в своих лабораториях: создать новую жизнь с нуля.

Пока никому не удалось, но мы прошли долгий путь.Сегодня многие ученые, изучающие происхождение жизни, уверены, что они на правильном пути, и у них есть эксперименты, подтверждающие их уверенность.

Это история нашего стремления раскрыть наше изначальное происхождение. Это история одержимости, борьбы и блестящего творчества, которая включает в себя некоторые из величайших открытий современной науки. Стремление понять зарождение жизни отправило мужчин и женщин в самые далекие уголки нашей планеты. Некоторые из вовлеченных ученых были превращены в чудовищ, в то время как другим пришлось выполнять свою работу под пятой жестоких тоталитарных правительств.

Это история зарождения жизни на Земле.

Жизнь стара. Динозавры, пожалуй, самые известные вымершие существа, зародившиеся 250 миллионов лет назад. Но жизнь началась намного раньше.

Возраст самых старых известных окаменелостей составляет около 3,5 миллиардов лет, что в 14 раз превышает возраст самых старых динозавров. Но летопись окаменелостей может простираться еще дальше. Например, в августе 2016 года исследователи обнаружили окаменелые микробы, датируемые 3 годом.7 миллиардов лет.

Сама Земля ненамного старше, сформировавшись 4,5 миллиарда лет назад.

Если мы предположим, что жизнь сформировалась на Земле — что кажется разумным, учитывая, что мы еще не нашли ее где-либо еще — тогда это должно было произойти за миллиард лет между появлением Земли и сохранением самых старых известных окаменелостей.

Мы можем не только сузить круг, когда началась жизнь, но и сделать обоснованное предположение о том, что это было.

С 19 века биологам известно, что все живые существа состоят из «клеток»: крошечных мешочков с живым веществом, которые бывают разных форм и размеров.Клетки были впервые обнаружены в 17 веке, когда были изобретены первые современные микроскопы, но потребовалось более века, чтобы кто-нибудь понял, что они являются основой всей жизни.

Используя только материалы и условия, обнаруженные на Земле более 3,5 миллиардов лет назад, мы должны создать клетку

Вы можете не подумать, что вы очень похожи на сома или Tyrannosaurus rex , но микроскоп покажет что все вы состоите из очень похожих клеток.А также растения и грибы.

Но самые многочисленные формы жизни — это микроорганизмы, каждая из которых состоит всего из одной клетки. Бактерии — самая известная группа, и они встречаются повсюду на Земле.

В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: своеобразное генеалогическое древо для каждого живого вида. Практически все ветви — бактерии. Более того, форма дерева предполагает, что бактерия была общим предком всего живого. Другими словами, все живые существа — включая вас — в конечном итоге произошли от бактерии.

Это означает, что мы можем более точно определить проблему происхождения жизни. Используя только материалы и условия, обнаруженные на Земле более 3,5 миллиардов лет назад, мы должны создать клетку.

Ну как это может быть сложно?

Глава 1. Первые эксперименты

На протяжении большей части истории не считалось необходимым спрашивать, как зародилась жизнь, потому что ответ казался очевидным.

До 1800-х годов большинство людей верило в «витализм». Это интуитивная идея, что живые существа были наделены особым магическим свойством, которое отличало их от неодушевленных предметов.

Химические вещества жизни могут быть созданы из более простых химикатов, которые не имеют ничего общего с жизнью

Витализм часто был связан с заветными религиозными убеждениями. Библия говорит, что Бог использовал «дыхание жизни», чтобы оживить первых людей, а бессмертная душа — это форма витализма.

Есть только одна проблема. Витализм — это явная ошибка.

К началу 1800-х годов ученые открыли несколько веществ, которые казались уникальными для жизни. Одним из таких химических веществ была мочевина, которая была обнаружена в моче и была выделена в 1799 году.

Это все еще было совместимо с витализмом. Казалось, только живые существа могут производить эти химические вещества, так что, возможно, они были наполнены жизненной энергией, и именно это делало их особенными.

Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Велер нашел способ получения мочевины из обычного химического вещества, называемого цианатом аммония, которое не имело очевидной связи с живыми существами. Другие пошли по его стопам, и вскоре стало ясно, что все химические вещества жизни могут быть сделаны из более простых химикатов, которые не имеют ничего общего с жизнью.

Это был конец витализма как научной концепции. Но людям было очень трудно отказаться от этой идеи. Для многих утверждение о том, что в химических веществах жизни нет ничего «особенного», казалось, лишало жизнь ее магии, превращая нас в простые машины. Это также, конечно, противоречило Библии.

Тайна происхождения жизни игнорировалась десятилетиями

Даже ученые пытались избавиться от витализма. Еще в 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо продвигал теорию «биотической энергии», которая, по сути, была витализмом под другим названием.Идея имела сильную эмоциональную окраску.

Сегодня идея цепляется за самые неожиданные места. Например, существует множество научно-фантастических историй, в которых «жизненная энергия» человека может быть увеличена или истощена. Подумайте о «энергии регенерации», использованной Повелителями времени в Doctor Who , которую можно даже пополнить, если она иссякнет. Это кажется футуристическим, но это глубоко старомодная идея.

Тем не менее, после 1828 года у ученых были законные причины искать безбожное объяснение того, как образовалась первая жизнь.Но они этого не сделали. Это кажется очевидным предметом для исследования, но на самом деле загадка происхождения жизни игнорировалась десятилетиями. Возможно, все еще были слишком эмоционально привязаны к витализму, чтобы сделать следующий шаг.

Вместо этого большим биологическим прорывом 19 века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и другими.

Дарвин знал, что это серьезный вопрос.

Теория Дарвина, изложенная в статье О происхождении видов в 1859 году, объясняла, как огромное разнообразие форм жизни могло возникнуть от одного общего предка.Вместо того, чтобы каждый из различных видов был создан Богом индивидуально, все они произошли от первобытного организма, который жил миллионы лет назад: последнего универсального общего предка.

Эта идея оказалась очень противоречивой, снова, потому что противоречит Библии. Дарвин и его идеи подверглись яростным нападкам, особенно со стороны возмущенных христиан.

Теория эволюции ничего не говорит о том, как возник этот первый организм.

Дарвин знал, что это серьезный вопрос, но — возможно, опасаясь начать еще одну борьбу с Церковью — он, кажется, обсуждал этот вопрос только в письме, написанном в 1871 году.Его возбудимый язык показывает, что он знал глубокое значение вопроса:

Первая гипотеза происхождения жизни была изобретена в дикой тоталитарной стране

«Но если (и о, какое большое если) мы могли бы зачать ребенка какой-то теплый маленький пруд со всевозможными аммиачными и фосфорными солями, светом, теплом, электричеством и т. д., что химически образовалось белковое соединение, готовое претерпеть еще более сложные изменения … »

Другими словами, что, если там Когда-то это был небольшой водоем, наполненный простыми органическими соединениями и залитый солнечным светом.Некоторые из этих соединений могут объединяться, образуя похожее на жизнь вещество, такое как белок, который затем может начать развиваться и становиться более сложным.

Это была отрывочная идея. Но это станет основой первой гипотезы о том, как зародилась жизнь.

Идея возникла неожиданно. Вы можете подумать, что эта смелая форма свободного мышления была бы развита в демократической стране с традициями свободы слова: возможно, в Соединенных Штатах. Но на самом деле первая гипотеза происхождения жизни была изобретена в дикой тоталитарной стране, где свободное мышление было искоренено: в СССР.

В сталинской России все находилось под контролем государства. Это включало в себя идеи людей, даже по таким предметам, как биология, которые кажутся не связанными с коммунистической политикой.

Опарин представил себе, какой была Земля, когда она была только что сформирована.

Известно, что Сталин фактически запретил ученым изучать традиционную генетику. Вместо этого он навязал идеи сельскохозяйственного рабочего по имени Трофим Лысенко, которые, по его мнению, больше соответствовали коммунистической идеологии.Ученые, занимающиеся генетикой, были вынуждены публично поддержать идеи Лысенко, иначе они рисковали попасть в трудовой лагерь.

Именно в этой репрессивной среде Александр Опарин проводил свои исследования в области биохимии. Он мог продолжать работать, потому что был верным коммунистом: он поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина — высшую награду, которую только можно было наградить живущим в СССР.

В 1924 году Опарин опубликовал свою книгу Происхождение жизни .В нем он изложил видение зарождения жизни, поразительно похожее на теплый маленький пруд Дарвина.

Опарин представил себе, какой была Земля, когда она только что сформировалась. Поверхность была обжигающе горячей, когда камни из космоса падали на нее и ударялись. Это был беспорядок из полурасплавленных горных пород, содержащих огромное количество химикатов, в том числе многие на основе углерода.

Если вы посмотрите на коацерваты под микроскопом, они будут вести себя пугающе, как живые клетки.

В конце концов Земля остыла настолько, что водяной пар конденсировался в жидкую воду, и выпал первый дождь.Вскоре на Земле появились горячие океаны, богатые углеродными химическими веществами. Теперь могут произойти две вещи.

Во-первых, различные химические вещества могут вступать в реакцию друг с другом с образованием множества новых соединений, некоторые из которых будут более сложными. Опарин предположил, что жизненно важные молекулы, такие как сахара и аминокислоты, могли образоваться в водах Земли.

Во-вторых, некоторые химические вещества начали образовывать микроскопические структуры. Многие органические химические вещества не растворяются в воде: например, масло образует слой поверх воды.Но когда некоторые из этих химикатов контактируют с водой, они образуют сферические глобулы, называемые «коацерваты», которые могут достигать 0,01 см (0,004 дюйма) в поперечнике.

Если вы посмотрите на коацерваты под микроскопом, они будут вести себя пугающе, как живые клетки. Они растут и меняют форму, а иногда делятся на две части. Они также могут поглощать химические вещества из окружающей воды, поэтому в них могут концентрироваться химические вещества, похожие на живые. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.

Идея о том, что живые организмы, образованные чисто химическим путем, без бога или даже «жизненной силы», была радикальной.

Пять лет спустя, в 1929 году, английский биолог Дж.Б. С. Холдейн независимо предложил некоторые очень похожие идеи в короткой статье, опубликованной в Rationalist Annual .

Холдейн уже внес огромный вклад в эволюционную теорию, помогая интегрировать идеи Дарвина с развивающейся наукой генетикой.

Он также был персонажем грандиозным. Однажды он получил перфорированную барабанную перепонку из-за некоторых экспериментов с декомпрессионными камерами, но позже написал, что «барабан обычно заживает; и если в нем остается отверстие, даже если он несколько глухой, из него можно выпустить табачный дым. рассматриваемое ухо, что является социальным достижением.«

Как и Опарин, Холдейн описал, как органические химические вещества могут накапливаться в воде» [пока] примитивные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного супа ». Это подготовило почву для« первых живых или полуживых существ ».

Это говорит о том, что из всех биологов в мире именно Опарин и Холдейн предложили эту идею. без бога или даже «жизненной силы» было радикальным.Как и предыдущая теория эволюции Дарвина, она бросила вызов христианству.

Возникла одна проблема. Не было экспериментальных доказательств, подтверждающих это.

Это вполне устраивало СССР. Советский режим был официально атеистическим, и его лидеры стремились поддержать материалистические объяснения таких глубоких явлений, как жизнь. Холдейн также был атеистом и при этом преданным коммунистом.

«В то время принятие или неприятие этой идеи зависело в основном от личностей: были ли они религиозными или поддерживали левые или коммунистические идеи», — говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян из Университета Оснабрюка в Германии.«В Советском Союзе их приняли с радостью, потому что они не нуждались в Боге. В западном мире, если вы посмотрите на людей, которые думали в этом направлении, все они были левыми, коммунистами и так далее».

Идея о том, что жизнь образовалась в изначальном супе из органических химикатов, стала известна как гипотеза Опарина-Холдейна. Это было красиво и убедительно, но была одна проблема. Не было экспериментальных доказательств, подтверждающих это. Этого не было почти четверть века.

К тому времени, когда Гарольд Юри заинтересовался происхождением жизни, он уже получил Нобелевскую премию 1934 года по химии и помог создать атомную бомбу.Во время Второй мировой войны Юри работал над Манхэттенским проектом, собирая нестабильный уран-235, необходимый для ядра бомбы. После войны он боролся за то, чтобы ядерные технологии оставались под гражданским контролем.

В 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент по происхождению жизни, который когда-либо предпринимался.

Он также заинтересовался химией космического пространства, особенно тем, что происходило, когда Солнечная система только формировалась. Однажды он прочитал лекцию и указал, что, вероятно, в атмосфере Земли не было кислорода, когда она только образовалась.Это обеспечило бы идеальные условия для образования изначального супа Опарина и Холдейна: хрупкие химические вещества были бы разрушены при контакте с кислородом.

В аудитории был докторант по имени Стэнли Миллер, который позже подошел к Юри с предложением: могут ли они проверить эту идею? Юри был настроен скептически, но Миллер его уговорил.

Итак, в 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент по происхождению жизни, который когда-либо проводился.

Настройка была простой.Миллер соединил серию стеклянных колб и распространил четыре химиката, которые, как он подозревал, присутствовали на ранней Земле: кипящая вода, газообразный водород, аммиак и метан. Он подвергал газы многократным ударам электрическим током, чтобы имитировать удары молнии, которые так давно были обычным явлением на Земле.

Вы можете выйти из простой атмосферы и произвести множество биологических молекул

Миллер обнаружил, что «вода в колбе стала заметно розовой после первого дня, а к концу недели раствор стал темно-красным и мутным. «.Очевидно, образовалась смесь химикатов.

Когда Миллер проанализировал смесь, он обнаружил, что она содержит две аминокислоты: глицин и аланин. Аминокислоты часто называют строительными блоками жизни. Они используются для образования белков, которые контролируют большинство биохимических процессов в нашем организме. Миллер с нуля создал два самых важных компонента жизни.

Результаты были опубликованы в престижном журнале Science в 1953 году. Юри, совершив самоотверженный поступок, необычный для высокопоставленных ученых, вычеркнул свое имя из статьи, отдав должное Миллеру.Несмотря на это, исследование часто называют «экспериментом Миллера-Юри».

«Сила Миллера-Юри в том, чтобы показать, что можно выйти из простой атмосферы и произвести множество биологических молекул», — говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания.

Жизнь была сложнее, чем кто-либо думал.

Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли имела другой состав газов.Но это почти не относится к делу.

«Это было широко культовым, стимулировало воображение публики и до сих пор широко цитируется», — говорит Сазерленд.

После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение загадки происхождения жизни казалось близким.

Но потом стало ясно, что жизнь сложнее, чем кто-либо думал. Оказалось, что живые клетки — это не просто мешки с химикатами: это замысловатые маленькие машины.Внезапно создание одного с нуля стало казаться намного более сложной задачей, чем предполагали ученые.

Глава 2. Великая поляризация

К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь — это дар богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь возникла спонтанно и естественным образом на ранней Земле — и благодаря культовому эксперименту Стэнли Миллера они даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи.

Пока Миллер пытался создать материю жизни с нуля, другие ученые выясняли, из чего состоят гены.

К этому времени было известно много биологических молекул. К ним относятся сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, такие как «дезоксирибонуклеиновая кислота» или, для краткости, ДНК.

Их открытие было одним из величайших научных открытий 20 века.

Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что ДНК несет в себе наши гены, но на самом деле это стало шоком для биологов 1950-х годов.Белки сложнее, поэтому ученые думали, что это гены.

Эта идея была опровергнута в 1952 году Альфредом Херши и Мартой Чейз из Института Карнеги в Вашингтоне. Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они обнаружили, что в бактерии попала вирусная ДНК, а белки остались снаружи. Ясно, что ДНК была генетическим материалом.

Открытия Херши и Чейза вызвали безумную гонку за выяснением структуры ДНК и, следовательно, того, как она работает.В следующем году проблема была решена Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном из Кембриджского университета, Великобритания, при значительной помощи со стороны их коллеги Розалинды Франклин.

Их открытие было одним из величайших научных открытий 20 века. Это также изменило процесс поиска происхождения жизни, обнаружив невероятную сложность, скрытую внутри живых клеток.

Крик и Ватсон поняли, что ДНК представляет собой двойную спираль, подобную лестнице, скрученной в спираль.Каждый из двух «полюсов» лестницы состоит из молекул, называемых нуклеотидами.

Ваши гены в конечном итоге происходят от предковой бактерии

Эта структура объясняет, как клетки копируют свою ДНК. Другими словами, он показал, как родители копируют свои гены и передают их своим детям.

Ключевым моментом является то, что двойную спираль можно «разархивировать». Это раскрывает генетический код, состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, который обычно заперт внутри «ступенек» лестницы ДНК.Затем каждая нить используется в качестве шаблона для воссоздания копии другой.

Используя этот механизм, гены передаются от родителей к ребенку с самого начала жизни. В конечном итоге ваши гены происходят от наследственной бактерии — и на каждом этапе они копировались с использованием механизма, открытого Криком и Ватсоном.

Изучите структуру ДНК в этом видео:

Крик и Ватсон изложили свои выводы в статье 1953 года в Nature . В течение следующих нескольких лет биохимики пытались выяснить, какую именно информацию несет ДНК и как эта информация используется в живых клетках.Впервые были раскрыты сокровенные тайны жизни.

Внезапно идеи Опарина и Холдейна показались наивно простыми

Оказалось, что ДНК выполняет только одну задачу. Ваша ДНК сообщает вашим клеткам, как производить белки: молекулы, которые выполняют множество важных задач. Без белков вы не сможете переваривать пищу, ваше сердце остановится, и вы не сможете дышать.

Но процесс использования ДНК для создания белков оказался поразительно сложным.Это было большой проблемой для любого, кто пытался объяснить происхождение жизни, потому что трудно представить, как могло начаться что-то столь сложное.

Каждый белок представляет собой длинную цепочку аминокислот, соединенных в определенном порядке. Последовательность аминокислот определяет трехмерную форму белка и, следовательно, то, что он делает.

Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому, когда клетке необходимо произвести определенный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот.

Оказалось, что у ДНК всего одно задание

Но есть нюанс. ДНК драгоценна, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасном месте. По этой причине они копируют информацию из ДНК на короткие молекулы другого вещества, называемого РНК (рибонуклеиновая кислота). Если ДНК — это библиотечная книга, то РНК — это клочок бумаги с нацарапанным на нем ключевым отрывком. РНК похожа на ДНК, за исключением того, что имеет только одну цепь.

Наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле, называемой «рибосомой».

Этот процесс происходит в каждой живой клетке, даже в простейших бактериях. Это так же важно для жизни, как еда и дыхание. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица — ДНК, РНК и рибосомный белок — возникла и начала работать.

Внезапно идеи Опарина и Холдейна показались наивно простыми, в то время как эксперимент Миллера, который производил только несколько аминокислот, используемых для создания белков, выглядел дилетантским. Его основополагающее исследование не только не привело нас к большей части пути к созданию жизни, но и было лишь первым шагом на долгом пути.

Идея о том, что жизнь началась с РНК, окажет огромное влияние.

«ДНК заставляет РНК производить белок, и все это в этом инкапсулированном липидом мешочке с химическими веществами», — говорит Джон Сазерленд. «Вы смотрите на это, и это просто« вау, это слишком сложно ». Как мы собираемся найти органическую химию, которая сделает все это за один присест?»

Первым, кто действительно взялся за дело, был британский химик по имени Лесли Оргел. Он был одним из первых, кто увидел модель ДНК Крика и Ватсона, а позже помог НАСА с их программой «Викинг», которая отправляла на Марс роботизированные посадочные устройства.

Orgel решил упростить задачу. Написанный в 1968 году и поддержанный Криком, он предположил, что в первой жизни не было белков или ДНК. Вместо этого он почти полностью состоял из РНК. Чтобы это работало, эти первичные молекулы РНК должны были быть особенно универсальными. Во-первых, они должны были создавать копии самих себя, предположительно используя тот же механизм спаривания оснований, что и ДНК.

Идея о том, что жизнь началась с РНК, окажет огромное влияние. Но это также спровоцировало научную войну за сферы влияния, которая длится до наших дней.

Предполагая, что жизнь началась с РНК и чего-то еще, Оргел предполагал, что один важный аспект жизни — ее способность воспроизводить себя — появился раньше всех остальных. В некотором смысле он не просто предлагал, как впервые была устроена жизнь: он говорил что-то о том, что такое жизнь.

Ученые, изучающие происхождение жизни, разделились на лагеря

Многие биологи согласятся с идеей Оргеля «репликация в первую очередь». В теории эволюции Дарвина способность создавать потомство является абсолютно центральной: единственный способ «победить» организм — это оставить много детей.

Но есть и другие особенности жизни, которые кажутся не менее важными. Наиболее очевидным является метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания жизни. Для многих биологов метаболизм, должно быть, был изначальной определяющей чертой жизни, с появлением репликации позже.

Итак, начиная с 1960-х годов, ученые, изучающие происхождение жизни, разделились на лагеря.

«Основной поляризацией был метаболизм, а не генетика», — говорит Сазерленд.

Научные собрания о происхождении жизни часто были спорными делами

Между тем, третья группа утверждала, что первое, что появилось, — это контейнер для ключевых молекул, чтобы они не улетали. «Компартментализация должна была быть на первом месте, потому что нет смысла заниматься метаболизмом, если вы не разделены», — говорит Сазерленд. Другими словами, должна быть клетка — как подчеркнули Опарин и Холдейн несколькими десятилетиями ранее — возможно, заключенная в мембрану из простых жиров и липидов.

Все три идеи приобрели приверженцев и сохранились до наших дней. Ученые стали страстно привержены своим любимым идеям, иногда даже слепо.

В результате научные встречи о происхождении жизни часто носили непростой характер, и журналистам, освещающим эту тему, ученые из одного лагеря регулярно говорят, что идеи, исходящие из других лагерей, глупы или даже хуже.

Благодаря Оргелу идея о том, что жизнь началась с РНК и генетики, была очень ранней.Затем наступили 80-е годы, и произошло поразительное открытие, которое, казалось, в значительной степени подтвердило это.

Глава 3. Поиск первого репликатора

После 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые были убеждены, что жизнь началась с образования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточили внимание на важности генетики и репликации.Эта последняя группа начала пытаться выяснить, как мог бы выглядеть этот первый репликатор, уделяя особое внимание идее, что он состоит из РНК.

Еще в 1960-х годах у ученых были основания полагать, что РНК является источником всей жизни.

В частности, РНК может делать то, чего не может ДНК. Это одноцепочечная молекула, поэтому в отличие от жесткой двухцепочечной ДНК она может складываться в различные формы.

Вы не могли бы жить без ферментов

Сворачивание РНК, похожее на оригами, выглядело довольно похоже на поведение белков.Белки также в основном представляют собой длинные цепи, состоящие из аминокислот, а не нуклеотидов, и это позволяет им создавать сложные структуры.

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

Многие ферменты находятся в кишечнике, где они расщепляют сложные молекулы пищи на простые, такие как сахара, которые могут использоваться вашими клетками. Вы не можете жить без ферментов.

У Лесли Оргела и Фрэнсиса Крика возникло подозрение. Если бы РНК могла складываться как белок, возможно, она могла бы образовывать ферменты. Если бы это было правдой, РНК могла бы быть исходной — и очень универсальной — живой молекулой, хранящей информацию, как ДНК сейчас, и катализирующей реакции, как это делают некоторые белки.

Это была отличная идея, но не было доказательств более десяти лет.

Томас Чех родился и вырос в Айове. В детстве он был очарован камнями и минералами. К тому времени, когда он учился в неполной средней школе, он посещал местный университет и стучал в двери геологов, прося показать модели минеральных структур.

Но в конце концов он стал биохимиком, сосредоточившись на РНК.

Теперь представление о том, что жизнь началась с РНК, выглядело многообещающим

В начале 1980-х годов Чех и его коллеги из Университета Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм под названием Tetrahymena thermophila . Часть его клеточного аппарата включает цепи РНК. Чех обнаружил, что один конкретный участок РНК иногда отделяется от остальных, как если бы что-то вырезало его ножницами.

Когда команда удалила все ферменты и другие молекулы, которые могли действовать как молекулярные ножницы, РНК продолжала делать это. Они открыли первый фермент РНК: короткий кусок РНК, способный вырезать себя из большей цепи, частью которой он был.

Чех опубликовал результаты в 1982 году. В следующем году другая группа обнаружила второй фермент РНК — или «рибозим», как его окрестили.

Обнаружение двух РНК-ферментов в быстрой последовательности показало, что их гораздо больше.Идея о том, что жизнь началась с РНК, выглядела многообещающей.

Узнайте больше о РНК из этого видео:

Имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Физик, увлекшийся молекулярной биологией, Гилберт также был одним из первых сторонников секвенирования генома человека.

Мир РНК — это элегантный способ создать сложную жизнь с нуля

Написав в 1986 году в Nature , Гилберт предположил, что жизнь началась в «Мире РНК».

Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую активность, необходимую для сборки самих себя из нуклеотидного супа». Нарезая и склеивая вместе разные части РНК, молекулы РНК могут создавать еще более полезные последовательности. В конце концов они нашли способ производить белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни в том виде, в каком мы ее понимаем сегодня.

The RNA World — это элегантный способ создать сложную жизнь с нуля.Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из изначального супа, одна универсальная молекула могла выполнять работу всех из них.

В 2000 году гипотеза мира РНК получила впечатляющее подтверждение.

Томас Стейтц 30 лет изучал структуру молекул в живых клетках. В 1990-х он взял на себя самую большую задачу: выяснить структуру рибосомы.

Тот факт, что эта важная машина была основана на РНК, сделало мир РНК еще более правдоподобным.

Каждая живая клетка имеет рибосому.Эта огромная молекула считывает инструкции с РНК и связывает аминокислоты в цепочки для образования белков. Рибосомы в ваших клетках составляют большую часть вашего тела.

Известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейтца создала подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК является каталитическим ядром рибосомы.

Это было критически важно, потому что рибосома настолько важна для жизни и настолько древняя. Тот факт, что эта важная машина была основана на РНК, сделало мир РНК еще более правдоподобным.

Сторонники RNA World были в восторге от открытия, и в 2009 году Стейтц получит долю Нобелевской премии. Но с тех пор сомнения вернулись.

С самого начала у идеи мира РНК было две проблемы. Может ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? И могло ли оно образоваться на ранней Земле?

Они намеревались создать самореплицирующуюся РНК для себя

Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил основу для мира РНК, и у нас до сих пор нет убедительных доказательств того, что РНК может делать все то, что теория требует от него.Это удобная маленькая молекула, но может оказаться недостаточно удобной.

Выдалось одно задание. Если жизнь началась с молекулы РНК, эта РНК должна была иметь возможность копировать себя: она должна была самовоспроизводиться.

Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Не может и ДНК. Требуется батальон ферментов и других молекул, чтобы создать точную копию фрагмента РНК или ДНК.

Итак, в конце 1980-х несколько биологов начали довольно-таки донкихотские поиски. Они решили создать самовоспроизводящуюся РНК.

Джек Шостак из Гарвардской медицинской школы был одним из первых, кто принял участие. В детстве он так увлекался химией, что у него в подвале была лаборатория. Совершенно пренебрегая собственной безопасностью, он однажды устроил взрыв, в результате которого стеклянная трубка вонзилась в потолок.

Они показали, что ферменты РНК могут быть действительно мощными

В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как наши гены защищают себя от процесса старения. Это раннее исследование в конечном итоге принесло ему долю Нобелевской премии.

Но вскоре он был очарован ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа была действительно классной», — говорит он. «В принципе, у РНК может быть возможность катализировать собственную репликацию».

В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который мог строить короткую молекулу РНК длиной около 10 нуклеотидов. Шостак намеревался улучшить открытие путем разработки новых ферментов РНК в лаборатории. Его команда создала пул случайных последовательностей и проверила их, чтобы увидеть, какие из них проявляют каталитическую активность.Затем они взяли эти последовательности, настроили их и снова протестировали.

После 10 циклов этого процесса Шостак произвел фермент РНК, который заставил реакцию идти в семь миллионов раз быстрее, чем это было бы естественно. Они показали, что ферменты РНК могут быть действительно мощными. Но их фермент не мог сам себя копировать, даже близко. Шостак ударился о стену.

Следующим крупным достижением стал в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже.Бартель создал фермент РНК под названием R18, который мог добавлять новые нуклеотиды к цепи РНК на основе существующей матрицы. Другими словами, это было не просто добавление случайных нуклеотидов: это было правильное копирование последовательности.

Это все еще не самовоспроизводящийся, но приближается к нему. R18 состоял из цепочки из 189 нуклеотидов и мог надежно добавлять 11 нуклеотидов к цепи: 6% от его собственной длины. Была надежда, что несколько настроек позволят ему сделать цепь длиной 189 нуклеотидов — такой же, как она сама.

РНК, похоже, не годится для запуска жизни

Лучшая попытка была предпринята в 2011 году Филиппом Холлигером из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копирует последовательности длиной до 95 нуклеотидов. Это 48% от собственной длины: больше R18, но не необходимые 100%.

Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольн из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойе, Калифорния.В 2009 году они создали фермент РНК, который косвенно воспроизводит себя.

Их фермент соединяет два коротких фрагмента РНК, чтобы создать второй фермент. Затем он соединяет вместе еще две части РНК, чтобы воссоздать исходный фермент.

Этот простой цикл можно продолжать бесконечно, учитывая сырье. Но ферменты работали, только если им были даны правильные цепи РНК, которые должны были создать Джойс и Линкольн.

Для многих ученых, которые скептически относятся к миру РНК, отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой для этой идеи.РНК, похоже, не годится для запуска жизни.

Может быть, на ранней Земле существовал какой-то другой тип молекулы.

Дело также было ослаблено неспособностью химиков создать РНК с нуля. По сравнению с ДНК это выглядит как простая молекула, но оказалось, что сделать РНК чрезвычайно сложно.

Проблема в сахаре и основании, из которых состоит каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них в отдельности, но два упорно отказываются связывать друг с другом.

Эта проблема прояснилась уже к началу 1990-х годов. Это оставило многих биологов острым подозрением, что гипотеза мира РНК, хотя и ясна, не может быть совершенно верной.

Вместо этого, возможно, на ранней Земле существовал какой-то другой тип молекулы: что-то более простое, чем РНК, которая действительно могла собраться из первичного бульона и начать самовоспроизведение. Это могло произойти сначала, а затем привело к РНК, ДНК и прочему.

В 1991 году Питер Нильсен из Копенгагенского университета в Дании выдвинул кандидата на роль первичного репликатора.

По сути, это была сильно модифицированная версия ДНК. Нильсен сохранил основания такими же — придерживаясь A, T, C и G, обнаруженных в ДНК, — но сделал основу из молекул, называемых полиамидами, вместо сахаров, обнаруженных в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислоты, или PNA. Как ни странно, с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.

ПНК, в отличие от РНК, могла легко образоваться на ранней Земле.

ПНК никогда не встречалась в природе.Но он во многом похож на ДНК. Нить ПНК может даже заменить одну из нитей в молекуле ДНК, при этом комплементарные основания образуют пары как обычно. Более того, ПНК может свернуться в двойную спираль, как и ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к миру РНК, он подозревал, что ПНК была более вероятным кандидатом на роль первого генетического материала.

В 2000 году он представил неопровержимые доказательства. К тому времени ему было 70 лет, и он только что перенес первый в серии изнурительных инсультов, из-за которых он в конечном итоге оказался в доме престарелых, но он еще не закончил.Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, на этот раз с использованием метана, азота, аммиака и воды — и получил полиамидную основу PNA.

Это говорит о том, что ПНК, в отличие от РНК, могла легко образоваться на ранней Земле.

Другие химики придумали свои собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.

У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники: обычно это человек, который ее создал.

В 2000 году Альберт Эшенмозер создал нуклеиновую кислоту треозы (TNA).По сути, это ДНК, но с другим сахаром в основе. Нити ТНК могут соединяться в пары, образуя двойную спираль, и информация может копироваться туда и обратно между РНК и ТНК.

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

Точно так же в 2005 году Эрик Меггерс создал нуклеиновую кислоту гликоля, которая может образовывать спиральные структуры.

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

Все это означало, что к середине 2000-х сторонники Мира РНК оказались в затруднительном положении.

Мир РНК, каким бы чистым он ни был, не мог быть всей правдой

С одной стороны, ферменты РНК существовали, и они включали в себя один из самых важных элементов биологического механизма — рибосому.Это было хорошо.

Но самовоспроизводящейся РНК не было обнаружено, и никто не мог понять, как РНК образуется в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю проблему, но не было никаких доказательств того, что они когда-либо существовали в природе. Это было не так хорошо.

Очевидный вывод заключался в том, что мир РНК, каким бы аккуратным он ни был, не мог быть всей правдой.

Между тем конкурирующая теория неуклонно набирала обороты с 1980-х годов. Его сторонники утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или любого другого генетического вещества.Вместо этого это началось как механизм использования энергии.

Глава 4. Сила протонов

Мы видели во второй главе, как ученые разделились на три школы мысли о том, как зародилась жизнь. Одна группа была убеждена, что жизнь началась с молекулы РНК, но они изо всех сил пытались понять, как РНК или подобные молекулы могли спонтанно образоваться на ранней Земле, а затем сделать копии самих себя. Поначалу их усилия были захватывающими, но в конечном итоге разочаровывающими.Однако даже в то время, когда это исследование продвигалось, были и другие исследователи происхождения жизни, которые были уверены, что жизнь началась совершенно по-другому.

Теория мира РНК основана на простой идее: самое важное, что может сделать живой организм, — это воспроизвести себя. С этим согласятся многие биологи. Все живые существа, от бактерий до синих китов, стремятся к потомству.

Вехтерсхойзер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знаем»

Однако многие исследователи происхождения жизни не верят, что воспроизводство действительно фундаментально.Они говорят, что прежде чем организм сможет воспроизводиться, он должен быть самоподдерживающимся. Он должен оставаться в живых. В конце концов, у вас не может быть детей, если вы умрете первым.

Мы сохраняем жизнь за счет еды, а зеленые растения — за счет извлечения энергии из солнечного света. Возможно, вы не думаете, что человек, откусивший сочный стейк, очень похож на лиственный дуб, но когда вы сразу перейдете к нему, оба начнут поглощать энергию.

Этот процесс называется метаболизмом. Во-первых, вы должны получить энергию; скажем, из богатых энергией химических веществ, таких как сахар.Затем вы должны использовать эту энергию для создания полезных вещей, таких как клетки.

Этот процесс использования энергии настолько важен, что многие исследователи полагают, что это было первое, что когда-либо делала жизнь.

Как могли бы выглядеть эти организмы, работающие только с метаболизмом? Одно из самых важных предложений было выдвинуто в конце 80-х годов Гюнтером Вехтерсхойзером. Он был не штатным ученым, а скорее патентным юристом с химическим образованием.

Wächtershäuser предположил, что первые организмы «разительно отличались от всего, что мы знаем».Они не были из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК.

Все остальные составляющие современных организмов, такие как ДНК, клетки и мозг, появились позже.

Вместо этого Вехтершойзер представил поток горячей воды, вытекающий из вулкана. Вода была богата вулканическими газами, такими как аммиак, и содержала следы минералов из сердца вулкана.

Там, где вода стекала по скалам, начались химические реакции. В частности, металлы из воды помогли простым органическим соединениям превратиться в более крупные.

Переломным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество преобразуется в ряд других химических веществ, пока в конечном итоге не будет воссоздано исходное химическое вещество. При этом вся система потребляет энергию, которую можно использовать для перезапуска цикла — и для начала выполнения других задач.

Метаболические циклы могут показаться не похожими на жизнь, но они являются фундаментальными для жизни

Все остальные составляющие современных организмов — такие как ДНК, клетки и мозг — появились позже, на основе этих химических циклов.

Эти метаболические циклы не очень похожи на жизнь. Вехтерсхойзер назвал свои изобретения «организмами-предшественниками» и написал, что их «едва ли можно назвать живыми».

Но метаболические циклы, подобные тем, которые описал Wächtershäuser, лежат в основе каждого живого существа. По сути, ваши клетки представляют собой микроскопические химические перерабатывающие предприятия, постоянно превращающие одно химическое вещество в другое. Метаболические циклы могут показаться не похожими на жизнь, но они имеют фундаментальное значение для жизни.

На протяжении 1980-х и 1990-х годов Вехтерсхойзер детально разработал свою теорию.Он обрисовал в общих чертах, какие минералы подходят для лучших поверхностей и какие химические циклы могут иметь место. Его идеи начали привлекать сторонников.

Но это все еще теоретическое. Вехтерсхойзер нуждался в открытии из реального мира, подтверждающем его идеи. К счастью, это уже было сделано — десятью годами ранее.

В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон совершила погружение на глубину 1,5 мили (2,5 км) в восточную часть Тихого океана. Они исследовали горячую точку Галапагосских островов, где высокие горные хребты возвышаются над морским дном.Они знали, что хребты вулканически активны.

Каждое вентиляционное отверстие было своего рода изначальным диспенсером для супа

Корлисс обнаружил, что гребни были испещрены, по сути, горячими источниками. Горячая вода, богатая химическими веществами, поднималась из-под морского дна и выкачивалась через отверстия в скалах.

Удивительно, но эти «гидротермальные жерла» были густо заселены странными животными. Были огромные моллюски, блюдца, мидии и трубочники. Вода также была насыщена бактериями.Все эти организмы питались энергией из гидротермальных источников.

Открытие гидротермальных жерл сделало имя Корлисса. Это также заставило его задуматься. В 1981 году он предположил, что аналогичные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они были местом зарождения жизни. Он потратит большую часть остальной части своей карьеры, работая над этой идеей.

Корлисс предположил, что гидротермальные источники могут создавать коктейли из химикатов. Он сказал, что каждое вентиляционное отверстие было своего рода изначальным диспенсером для супа.

Ключевые соединения, такие как сахар, «выживут… в течение нескольких секунд»

По мере того, как горячая вода протекала сквозь камни, тепло и давление заставляли простые органические соединения сливаться в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начали связываться в цепочки, образуя углеводы, белки и нуклеотиды, такие как ДНК. Затем, когда вода приблизилась к океану и еще больше остыла, эти молекулы собрались в простые клетки.

Это было аккуратно и привлекло внимание людей. Но Стэнли Миллер, чей экспериментальный эксперимент с происхождением жизни мы обсуждали в первой главе, не убедил его. В 1988 году он утверждал, что вентиляционные отверстия слишком горячие.

Хотя сильная жара может вызвать образование таких химических веществ, как аминокислоты, эксперименты Миллера показали, что она также разрушит их. Ключевые соединения, такие как сахар, «выжили бы… самое большее секунды». Более того, эти простые молекулы вряд ли соединятся в цепочки, потому что окружающая вода разорвет цепочки почти сразу.

Тут в бой вступил геолог Майк Рассел. Он думал, что теорию вентиляции можно заставить работать. Более того, ему казалось, что вентиляционные отверстия были идеальным домом для организмов-предшественников Wächtershäuser. Это вдохновение привело его к созданию одной из наиболее широко признанных теорий происхождения жизни.

Если Рассел был прав, жизнь зародилась на дне моря

Рассел провел свои ранние годы, производя аспирин по-разному, занимаясь разведкой ценных минералов и — в одном замечательном инциденте 1960-х годов — координируя реакцию на возможное вулканическое воздействие. высыпание, несмотря на отсутствие тренировок.Но его настоящий интерес заключался в том, как поверхность Земли менялась за эоны. Эта геологическая перспектива сформировала его представления о происхождении жизни.

В 1980-х годах он нашел ископаемые свидетельства менее экстремального типа гидротермального источника, где температура была ниже 150 ° C. Он утверждал, что такие более мягкие температуры позволят молекулам жизни выжить гораздо дольше, чем предполагал Миллер.

Более того, в окаменелых останках этих вентиляционных отверстий было что-то странное.Минерал под названием пирит, состоящий из железа и серы, образовал трубки диаметром около 1 мм.

В своей лаборатории Рассел обнаружил, что пирит также может образовывать сферические капли. Он предположил, что первые сложные органические молекулы образовались внутри этих простых структур пирита.

Примерно в это время Вехтерсхойзер начал публиковать свои идеи, основанные на потоке горячей, богатой химическими веществами воды, текущей по минералу. Он даже предположил, что речь идет о пирите.

Его идея основывалась на работе одного из забытых гениев современной науки

Итак, Рассел сложил два и два.Он предположил, что гидротермальные источники в глубоком море, достаточно прохладные для образования структур пирита, являются местом обитания организмов-предшественников Вехтершойзера. Если Рассел был прав, жизнь зародилась на дне моря — и сначала появился метаболизм.

Рассел изложил все это в статье, опубликованной в 1993 году, через 40 лет после классического эксперимента Миллера. Это не получило такого же восторженного освещения в СМИ, но, возможно, было более важным. Рассел объединил две, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вехтерсхойзера и гидротермальные источники Корлисса — во что-то действительно убедительное.

Чтобы сделать это еще более впечатляющим, Рассел также предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. Другими словами, он выяснил, как мог работать их метаболизм. Его идея опиралась на работы одного из забытых гениев современной науки.

В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти из Эдинбургского университета. Вместо этого он создал частную лабораторию в удаленном особняке в Корнуолле. Изолированный от научного сообщества, его работа частично финансировалась стадом дойных коров.Многие биохимики, в том числе поначалу Лесли Оргел, чьи работы по РНК мы обсуждали во второй главе, считали его идеи совершенно нелепыми.

Теперь мы знаем, что процесс, идентифицированный Митчеллом, используется всеми живыми существами на Земле

Менее чем через два десятилетия Митчелл добился окончательной победы: Нобелевской премии по химии 1978 года. Его имя никогда не было нарицательным, но его идеи есть в каждом учебнике биологии.

Митчелл провел свою карьеру, выясняя, что организмы делают с энергией, которую они получают из пищи.Фактически, он спрашивал, как все мы живем от момента к моменту.

Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной и той же молекуле: аденозинтрифосфате (АТФ). Решающим моментом является цепочка из трех фосфатов, прикрепленных к аденозину. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем блокируется в АТФ.

Когда клетке нужна энергия — скажем, если мышце нужно сокращаться — она ​​расщепляет третий фосфат АТФ. Это превращает его в аденозиндифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию.

Его имя никогда не было нарицательным.

Митчелл хотел узнать, как именно клетки производят АТФ. Как они сконцентрировали достаточно энергии на АДФ, чтобы прикрепился третий фосфат?

Митчелл знал, что фермент, производящий АТФ, находится на мембране. Поэтому он предположил, что клетка перекачивает заряженные частицы, называемые протонами, через мембрану, так что протонов было много с одной стороны и почти не было — с другой.

Протоны затем попытаются течь обратно через мембрану, чтобы уравновесить количество протонов с каждой стороны, но единственное место, через которое они могли пройти, — это фермент.Проходящий поток протонов давал ферменту энергию, необходимую для производства АТФ.

Посмотрите, как клетки используют энергию в этом видео:

Митчелл впервые высказал эту идею в 1961 году. Он провел следующие 15 лет, защищая ее от всех желающих, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс, идентифицированный Митчеллом, используется всеми живыми существами на Земле. Это происходит прямо сейчас внутри ваших клеток. Как и ДНК, она имеет фундаментальное значение для жизни, какой мы ее знаем.

Вентиляционные отверстия Корлисса не годятся

Ключевым моментом, который понял Рассел, является градиент протонов Митчелла: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и нескольких — на другой.Всем клеткам нужен протонный градиент для хранения энергии.

Современные клетки создают градиенты, перекачивая протоны через мембрану, но при этом задействован сложный молекулярный механизм, который не мог просто возникнуть. Итак, Рассел совершил еще один логический скачок: жизнь, должно быть, образовалась где-то с естественным протонным градиентом.

Где-то вроде гидротермального источника. Но это должен быть особый тип вентиляции. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде было много протонов, плавающих внутри.Чтобы создать протонный градиент, вода из вентиляционного отверстия должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной.

Вентиляционные отверстия Корлисса не подходят. Они были не только слишком горячими, но и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета открыла первые щелочные вентили.

Келли пришлось сражаться только за то, чтобы стать ученым. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и ей пришлось много работать, чтобы прокормить себя до учебы в колледже.

Он убедился, что жерла, подобные тем, что были в Затерянном городе, были тем местом, где зародилась жизнь

Но ей это удалось, и она была очарована как подводными вулканами, так и обжигающими горячими гидротермальными жерлами. Эта любовь близнецов в конечном итоге привела ее к середине Атлантического океана. Там земная кора разрывается, и из морского дна поднимается горный хребет.

На этом хребте Келли нашла поле гидротермальных жерл, которое она назвала «Затерянным городом». Они не такие, как те, что нашел Корлисс.Температура воды, вытекающей из них, составляет всего 40-75 ° C, и она слабощелочная. Карбонатные минералы из этой воды собрались в крутые белые «дымоходы», которые поднимаются со дна моря, как органные трубы. Их внешний вид жутковат и похож на призраков, но это обманчиво: они являются домом для плотных сообществ микроорганизмов, которые процветают в вытяжной воде.

Эти щелочные вентили идеально подходили для идей Рассела. Он был убежден, что вентиляционные отверстия, подобные тем, что есть в Затерянном городе, были тем местом, где началась жизнь.

Но у него была проблема.Будучи геологом, он недостаточно знал о биологических клетках, чтобы сделать свою теорию действительно убедительной.

Итак, Рассел объединился с биологом Уильямом Мартином, драчливым американцем, который большую часть своей карьеры провел в Германии. В 2003 году пара представила улучшенную версию более ранних идей Рассела. Это, пожалуй, самая конкретная история о том, как началась жизнь.

Эта история теперь рассматривается как одна из главных гипотез происхождения жизни

Благодаря Келли они теперь знали, что камни щелочных отверстий были пористыми: они были покрыты крошечными отверстиями, заполненными водой.Они предположили, что эти маленькие карманы действуют как «клетки». Каждый карман содержал необходимые химические вещества, включая такие минералы, как пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом из вентиляции они были идеальным местом для начала метаболизма.

По словам Рассела и Мартина, как только жизнь использовала химическую энергию вытяжной воды, она начала создавать молекулы, подобные РНК. В конце концов он создал свою собственную мембрану и превратился в настоящую клетку, вырвавшись из пористой породы в открытую воду.

Эта история сейчас считается одной из главных гипотез происхождения жизни.

Это нашло мощную поддержку в июле 2016 года, когда Мартин опубликовал исследование, реконструировавшее некоторые особенности «последнего универсального общего предка» (LUCA). Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь.

Сторонники RNA World говорят, что у теории вентиляции есть две проблемы

Мы, вероятно, никогда не найдем прямых ископаемых свидетельств LUCA, но мы все же можем сделать обоснованное предположение о том, как он мог выглядеть и вести себя, глядя на микроорганизмы, которые выжить сегодня.Это то, что сделал Мартин.

Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех из них. Это, возможно, свидетельствует о том, что эти 355 генов передавались из поколения в поколение с тех пор, как у этих 1930 микробов был общий предок — примерно в то время, когда LUCA был жив.

Среди 355 генов есть некоторые для использования протонного градиента, но не гены для его генерации — в точности, как предсказывали теории Рассела и Мартина.Более того, похоже, что LUCA адаптирована к присутствию химических веществ, таких как метан, что позволяет предположить, что он населял вулканически активную среду, например, вентиляционное отверстие.

Несмотря на это, сторонники RNA World говорят, что у теории вентиляции есть две проблемы. Одно потенциально могло быть исправлено: другое могло быть фатальным.

Первая проблема состоит в том, что нет экспериментальных доказательств описываемых Расселом и Мартином процессов. У них есть пошаговая история, но ни один из шагов не был замечен в лаборатории.

«Люди, которые думают, что репликация была первой, они постоянно предоставляют новые экспериментальные данные», — говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян. «Люди, которые предпочитают метаболизм в первую очередь, этого не делают».

Химический состав всех этих молекул несовместим с водой

Это может измениться благодаря коллеге Мартина Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», который будет имитировать условия внутри щелочной вентиляции. Он надеется наблюдать метаболические циклы и, возможно, даже такие молекулы, как РНК.Но это еще не все.

Вторая проблема — расположение жерл в глубоком море. Как указал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы, такие как РНК и белки, не могут образовываться в воде без ферментов, которые им помогают.

Для многих исследователей это несостоятельный аргумент. «Если у вас есть химический опыт, вы не можете купить идею глубоководных жерл, потому что вы знаете, что химический состав всех этих молекул несовместим с водой», — говорит Мулкиджанян.

Тем не менее, Рассел и его союзники остаются оптимистичными.

Но в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Это обещает то, что до сих пор не удалось ни миру РНК, ни гидротермальные источники: способ создать целую клетку с нуля.

Глава 5. Как сделать ячейку

К началу 2000-х годов существовало две основные идеи о том, как могла возникнуть жизнь. Сторонники «Мира РНК» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы.Тем временем ученые из лагеря «прежде всего метаболизм» разработали подробный рассказ о том, как жизнь могла зародиться в гидротермальных жерлах в глубоком море. Однако вот-вот выдвинулась третья идея.

Все живое на Земле состоит из клеток. Каждая клетка представляет собой мягкий шарик с жесткой внешней стенкой или «мембраной».

Смысл клетки — хранить вместе все необходимое для жизни. Если внешняя стенка разрывается, кишки выплескиваются наружу и клетка умирает — точно так же, как человеку, которому выпотрошили кишки, как правило, недолго осталось жить.

В жару и бурю ранней Земли некоторые сырьевые материалы должны были собраться в грубые клетки

Внешняя стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни утверждают, что это, должно быть первое, что возникло. Они считают, что попытки «прежде всего генетика», обсуждаемые в третьей главе, и идеи «прежде всего метаболизм», обсуждаемые в четвертой главе, ошибочны. Их альтернатива — «сначала разделение» — имеет своего чемпиона Пьера Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме, Италия.

Рассуждения Луизи просты, и с ними трудно спорить. Как вы могли бы настроить рабочий метаболизм или самовоспроизводящуюся РНК, каждая из которых зависит от наличия большого количества химических веществ в одном месте, если у вас сначала нет контейнера для хранения всех молекул?

Если вы согласитесь с этим, жизнь могла начаться только одним способом. Каким-то образом в жару и бурю ранней Земли некоторые виды сырья должны были собраться в сырые клетки или «протоклетки». Задача состоит в том, чтобы сделать это в лаборатории: создать простую живую клетку.

Луизи может проследить свои идеи вплоть до Александра Опарина и зарождения науки о происхождении жизни в СССР, что обсуждается в первой главе. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют капли, называемые коацерватами, которые могут удерживать другие вещества в своих ядрах. Он предположил, что эти коацерваты были первыми протоклетками.

Задача заключалась в том, чтобы сделать протоклетки только из нужного вещества.

Любое жирное или масляное вещество будет образовывать капли или пленки в воде.Эти химические вещества в совокупности известны как липиды, и идея о том, что они сформировали первую жизнь, получила название «липидный мир».

Но просто формировать капли недостаточно. Капли должны быть стабильными, они должны иметь возможность делиться, образуя «дочерние» капли, и им нужен хотя бы некоторый контроль над тем, что перемещается в них и из них — и все это без сложных белков, которые современные клетки используют для достижения этих целей. .

Задача заключалась в том, чтобы сделать протоклетки только из нужного материала.Несмотря на то, что Луизи испробовал множество веществ на протяжении десятилетий, ему так и не удалось создать что-либо достаточно реалистичное, чтобы быть убедительным.

Затем в 1994 году Луизи сделал смелое предложение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была реплицироваться внутри протоклетки.

Мы встречались на собраниях представителей истоков и обсуждали эти длинные споры.

Это был большой вопрос, и он означал отказ от подхода, основанного на чисто разделении.Но у Луизи были веские причины.

Клетка с внешней стенкой, но без генов внутри, не могла ничего сделать. Он мог бы делиться на дочерние клетки, но не мог передавать какую-либо информацию о себе своему потомству. Он мог бы начать развиваться и становиться все более сложным, только если бы содержал какие-то гены.

Эта идея вскоре получит решающую поддержку в лице Джека Шостака, чью работу над гипотезой мира РНК мы исследовали в третьей главе. В то время как Луизи был членом лагеря, ориентированного на компартментализацию, Шостак поддерживал приоритетность генетики, поэтому в течение многих лет они не встречались лицом к лицу.

«Мы встречались на встречах по происхождению и обсуждали долгие споры о том, что важнее, а что первым», — вспоминает Шостак. «В конце концов мы поняли, что у клеток есть и то, и другое. Мы пришли к консенсусу, что для происхождения жизни критически важно иметь как компартментализацию, так и генетическую систему».

Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе

В 2001 году Шостак и Луизи изложили свои аргументы в пользу этого более унифицированного подхода. В статье Nature они утверждали, что должно быть возможно создавать простые живые клетки с нуля, размещая реплицирующиеся РНК в простом жирном пятне.

Это была драматическая идея, и вскоре Шостак решил вложить деньги туда, где ему было нужно. Рассуждая, что «мы не можем выдвинуть эту теорию без каких-либо подтверждений», он решил начать эксперименты с протоклетками.

Два года спустя Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе.

Они экспериментировали с пузырьками: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот снаружи и центральной жидкостью.

Монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение в происхождении жизни

Пытаясь найти способ ускорить создание пузырьков, они добавили маленькие частицы разновидности глины, называемой монтмориллонитом.

Это заставило пузырьки формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины действовала как катализатор, как и фермент.

Более того, везикулы могут поглощать как частицы монтмориллонита, так и нити РНК с поверхности глины. Эти протоклетки теперь содержали гены и катализатор, все из одной простой установки.

Решение о добавлении монтмориллонита было принято не случайно. Несколько десятилетий работы показали, что монтмориллонит и подобные ему глины могут играть важную роль в происхождении жизни.

Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время его используют для самых разных целей, в том числе для изготовления наполнителя для кошачьих туалетов. Он образуется, когда вулканический пепел разрушается погодой. Поскольку на ранней Земле было много вулканов, вполне вероятно, что монтмориллонита было в изобилии.

Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит является катализатором, который помогает формированию органических молекул. Позже он обнаружил, что он также ускоряет образование малых РНК.

Это заставило Ферриса предположить, что эта невзрачная глина была местом зарождения жизни.Шостак взял эту идею и реализовал ее, используя монтмориллонит для создания своих протоклеток.

Если протоклетки могли расти, возможно, они также могли бы делиться

Год спустя команда Шостака обнаружила, что их протоклетки могут расти сами по себе.

По мере того, как все больше молекул РНК упаковывалось в протоклетку, внешняя стенка испытывала растущее напряжение. Как будто протоклетка набита желудком и может лопнуть.

Для компенсации протоклетка собрала больше жирных кислот и включила их в свою стенку, что позволило ей набухнуть до большего размера и ослабить напряжение.

Что особенно важно, он взял жирные кислоты из других протоклеток, которые содержали меньше РНК, что привело к их сокращению. Это означало, что протоклетки конкурировали, а те, у которых было больше РНК, побеждали.

Это наводило на мысль о еще более впечатляющем. Если протоклетки могли расти, возможно, они также могли бы делиться. Могут ли протоклетки Шостака воспроизводиться?

Первые эксперименты Шостака показали способ деления протоклеток. Выдавливание их через маленькие отверстия вытягивало их в трубочки, которые затем распадались на «дочерние» протоклетки.

Протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные, похожие на веревку нити

Это было аккуратно, потому что не задействовался клеточный механизм: просто приложение давления. Но это не было отличным решением, потому что протоклетки потеряли часть своего содержимого в процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться только в том случае, если их проталкивали через крошечные отверстия.

Есть много способов заставить везикулы делиться: например, добавление сильного потока воды, создающего силу сдвига.Хитрость заключалась в том, чтобы заставить протоклетки делиться, не разрывая кишки.

В 2009 году Шостак и его ученик Тин Чжу нашли решение. Они сделали несколько более сложные протоклетки с несколькими концентрическими внешними стенками, немного похожими на слои луковицы. Несмотря на свою сложность, эти протоклетки все же было легко изготовить.

По мере того, как Чжу кормил их все большим количеством жирных кислот, протоклетки росли и меняли форму, превращаясь в длинные, похожие на веревку нити. Как только протоклетка становится достаточно длинной, небольшого усилия сдвига становится достаточно, чтобы разбить ее на десятки маленьких дочерних протоклеток.

Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК от родительской протоклетки, и почти вся РНК была потеряна. Более того, протоклетки могут повторять цикл многократно, при этом дочерние протоклетки растут, а затем делятся сами.

В более поздних экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов убедить протоклетки разделиться. По крайней мере, этот аспект проблемы вроде бы решен.

Однако протоклетки все еще недостаточно работали. Луизи хотел, чтобы протоклетки содержали реплицирующуюся РНК, но до сих пор РНК просто сидела в них и ничего не делала.

В этих пыльных бумагах были спрятаны ценные ключи.

Чтобы действительно показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было убедить РНК внутри них воспроизвести себя.

Это будет нелегко, потому что, несмотря на десятилетия попыток, описанных в третьей главе, никому не удалось создать РНК, которая могла бы самовоспроизводиться. Это была та самая проблема, которая загнала Шостака в тупик в его ранней работе над «Миром РНК», и которую никому другому не удалось решить.

Итак, он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой мира РНК. В этих пыльных бумагах были похоронены ценные улики.

Оргел провел много 1970-х и 1980-х годов, изучая, как копируются цепи РНК.

Так могла первая жизнь копировать свои гены

По сути, это просто. Возьмите одну цепь РНК и пул свободных нуклеотидов. Затем используйте эти нуклеотиды для сборки второй цепи РНК, комплементарной первой.

Например, цепь РНК, которая читается как «CGC», будет производить комплементарную цепь, которая читается как «GCG». Если вы сделаете это дважды, вы получите копию оригинального «CGC» окольным путем.

Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь скопировала свои гены.

К 1987 году Orgel мог взять цепь РНК длиной 14 нуклеотидов и создать дополнительные цепи, длина которых также составляла 14 нуклеотидов.Больше ему ничего не удавалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катаржина Адамала пыталась вызвать эту реакцию в протоклетках.

Они построили протоклетки, которые держатся за их гены, принимая полезные молекулы извне.

Они обнаружили, что для работы реакции необходим магний, что было проблемой, потому что магний разрушил протоклетки. Но было простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте в лимонах и апельсинах и в любом случае содержится во всех живых клетках.

В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что он цепляется за магний, защищая протоклетки, позволяя продолжить копирование шаблона.

Другими словами, они достигли того, что Луизи предложил в 1994 году. «Мы начали заниматься химией репликации РНК внутри этих везикул жирных кислот», — говорит Шостак.

Всего за десять лет исследований команда Шостака сделала нечто выдающееся.

Они построили протоклетки, которые держатся за свои гены, принимая полезные молекулы извне.Протоклетки могут расти, делиться и даже соревноваться друг с другом. РНК может реплицироваться внутри них. По любым меркам они поразительно похожи на живые.

Подход Шостака пошел вразрез с 40-летней работой над источником жизни

Они также устойчивы. В 2008 году команда Шостака обнаружила, что протоклетки могут выжить при нагревании до 100 ° C — температуры, которая уничтожит большинство современных клеток. Это подтвердило тот факт, что протоклетки были похожи на первые живые существа, которые должны были выдерживать обжигающий жар от постоянных ударов метеоритов.

«Шостак делает большую работу», — говорит Армен Мулкиджанян.

Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака противоречил 40-летним исследованиям происхождения жизни. Вместо того, чтобы сосредоточиться на «сначала репликации» или «компартментализации», он нашел способы добиться того, чтобы и то и другое происходило практически одновременно.

Это вдохновило бы на новый единый подход к происхождению жизни, который пытается запустить все функции жизни одновременно. Эта идея «все в первую очередь» уже накопила множество доказательств и потенциально может решить все проблемы с существующими идеями.

Глава 6. Великое объединение

На протяжении второй половины 20 века исследователи происхождения жизни работали в племенах. Каждая группа предпочитала собственное повествование и по большей части отвергала конкурирующие гипотезы. Этот подход, безусловно, оказался успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая многообещающая идея происхождения жизни в конечном итоге наталкивается на серьезную проблему. Итак, несколько исследователей сейчас пробуют более унифицированный подход.

Эта идея получила первый большой импульс несколько лет назад в результате результата, который на первый взгляд, казалось, поддерживал традиционный мир РНК, ориентированный на репликацию.

Все ключевые компоненты жизни могли быть сформированы сразу

К 2009 году у сторонников Мира РНК возникла большая проблема. Они не могли создавать нуклеотиды, строительные блоки РНК, так, как это, вероятно, могло произойти на ранней Земле. Это, как мы узнали из третьей главы, заставляло людей подозревать, что первая жизнь вообще не была основана на РНК.

Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х годов. «Я подумал, если бы вы могли продемонстрировать, что РНК способна самостоятельно собираться, это было бы круто», — говорит он.

К счастью для Сазерленда, он получил работу в Лаборатории молекулярной биологии (LMB) в Кембридже, Великобритания. Большинство исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно публиковать новые открытия, но LMB этого не делает. Таким образом, Сазерленд мог подумать, почему так сложно создать нуклеотид РНК, и потратить годы на разработку альтернативного подхода.

Его решение привело бы его к предложению радикально новой идеи о происхождении жизни, а именно о том, что все ключевые компоненты жизни могут быть сформированы одновременно.

«Были некоторые ключевые аспекты химии РНК, которые не работали», — говорит Сазерленд. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но убедить сахар и основу объединиться не удалось. Просто молекулы имели неправильную форму.

Он считает, что РНК была очень вовлечена, но это не было единым целым

Итак, Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества.В конце концов его команда остановилась на пяти простых молекулах, включая другой сахар и цианамид, который, как следует из названия, связан с цианидом. Команда провела с этими химическими веществами серию реакций, в результате которых были получены два из четырех нуклеотидов РНК, без образования отдельных сахаров или оснований.

Это был головокружительный успех, и он сделал имя Сазерленда.

Многие наблюдатели интерпретировали полученные данные как дополнительные доказательства существования мира РНК. Но сам Сазерленд совсем этого не видит.

«Классическая» гипотеза мира РНК гласит, что у первых организмов РНК отвечала за все жизненные функции. Но Сазерленд говорит, что это «безнадежно оптимистично». Он считает, что РНК была очень вовлечена в процесс, но это не было единым целым.

Молекулы просто имели неправильную форму

Вместо этого он черпает вдохновение из недавней работы Джека Шостака, который, как обсуждалось в пятой главе, сочетает в себе мир РНК, ориентированный на репликацию, с компартментализацией Пьера Луиджи Луизи первые «идеи».

Но Сазерленд идет дальше. Его подход — «все в первую очередь». Он стремится собрать целую клетку с нуля.

Его первой подсказкой была странная деталь о его синтезе нуклеотидов, которая поначалу казалась случайной.

Последним шагом в процессе Сазерленда было прикрепление фосфата к нуклеотиду. Но он обнаружил, что лучше всего включать фосфат в смесь с самого начала, потому что это ускоряет более ранние реакции.

На первый взгляд, включение фосфата до того, как он был строго необходим, было неприятным занятием, но Сазерленд обнаружил, что этот беспорядок — это хорошо.

Получите достаточно сложную смесь, и все компоненты жизни могут образоваться сразу

Это заставило его задуматься о том, насколько беспорядочными должны быть его смеси. На ранней Земле, должно быть, существовали десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Звучит как рецепт приготовления осадка, но, возможно, это был оптимальный уровень беспорядка.

Смеси, которые Стэнли Миллер сделал еще в 1950-х годах, которые мы рассмотрели в первой главе, были гораздо более беспорядочными, чем смеси Сазерленда.Они действительно содержали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в следовых количествах, и они сопровождались огромным количеством других соединений, которые не являются биологическими».

Для Сазерленда это означало, что установка Миллера была недостаточно хороша. Это было слишком грязно, поэтому полезные химические вещества терялись в смеси.

Итак, Сазерленд решил найти «химию Златовласки»: такую, которая не настолько беспорядочная, что становится бесполезной, но также не настолько проста, чтобы ограничивать свои возможности.Получите достаточно сложную смесь, и все компоненты жизни могут образоваться одновременно, а затем соединиться.

Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он оставался там годами, пока смесь химикатов не стала подходящей. Затем, возможно, через несколько минут появилась первая ячейка.

Это может показаться неправдоподобным, как утверждения средневековых алхимиков. Но свидетельств Сазерленда растет. С 2009 года он показал, что тот же химический состав, что и два его нуклеотида РНК, может также создавать многие другие молекулы жизни.

Весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был ошибочным

Очевидным следующим шагом было создание большего количества нуклеотидов РНК. Ему пока не удалось это сделать, но в 2010 году он создал близкородственные молекулы, которые потенциально могут превращаться в нуклеотиды.

Аналогичным образом в 2013 году он сделал предшественники аминокислот. На этот раз ему нужно было добавить цианид меди, чтобы реакция пошла.

Химические вещества, связанные с цианидами, оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд пошел еще дальше.Он показал, что тот же горшок с химическими веществами может также производить предшественники липидов, молекулы, из которых состоят клеточные стенки. Все реакции были вызваны ультрафиолетовым светом, с участием серы и медью для их ускорения.

«Все строительные блоки [возникают] из общего ядра химических реакций», — говорит Шостак.

Эксперименты были слишком чистыми

Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был неправильным.С тех пор, как стала очевидна явная сложность клетки, ученые работали над предположением, что первые клетки должны были создаваться постепенно, по одной части.

Следуя предложению Лесли Оргеля о РНК, исследователи «пытались поставить одно перед другим, а затем заставили их изобрести другое», — говорит Сазерленд. Но он считает, что лучший способ — сделать все сразу.

«Мы опровергли идею о том, что слишком сложно сделать все за один раз», — говорит Сазерленд.«Вы, конечно, можете создать строительные блоки для всех систем одновременно».

Шостак теперь подозревает, что большинство попыток создать молекулы жизни и собрать их в живые клетки потерпели неудачу по той же причине: эксперименты были слишком чистыми.

Я действительно вернулся к мысли, что первый полимер был чем-то довольно близким к РНК

Ученые использовали несколько интересующих их химикатов, исключив все остальные, которые, вероятно, присутствовали в ранняя Земля.Но работа Сазерленда показывает, что, добавляя еще несколько химикатов, можно создать более сложные явления.

Шостак испытал это на себе в 2005 году, когда он пытался заставить свои протоклетки принимать фермент РНК. Ферменту нужен магний, который разрушает мембраны протоклеток.

Решение оказалось неожиданным. Вместо того, чтобы делать везикулы из одной чистой жирной кислоты, они сделали их из смеси двух. Эти новые нечистые везикулы могли справиться с магнием — а это означало, что они могли стать хозяином для работающих ферментов РНК.

Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли охватывать беспорядок.

Современные организмы используют чистую ДНК для переноса своих генов, но чистой ДНК, вероятно, поначалу не существовало. Это была бы смесь нуклеотидов РНК и нуклеотидов ДНК.

В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаичные» молекулы, которые выглядят и ведут себя очень похоже на чистую РНК. Эти перемешанные цепи РНК / ДНК могли даже аккуратно сложиться.

Есть одна проблема, которую ни Сазерленд, ни Шостак не нашли решения для

. Это говорит о том, что не имеет значения, если первые организмы не могли производить чистую РНК или чистую ДНК.«Я действительно вернулся к мысли, что первый полимер был чем-то очень похожим на РНК, более сложной версией РНК», — говорит Шостак.

Возможно, даже найдется место для альтернатив РНК, которые были приготовлены в лабораториях, таких как TNA и PNA, с которыми мы познакомились в третьей главе. Мы не знаем, существовали ли какие-либо из них когда-либо на Земле, но если да, то первые организмы вполне могли использовать их вместе с РНК.

Это не был мир РНК: это был «мир Ходжа-Толстяка».

Урок из этих исследований состоит в том, что создание первой ячейки, возможно, было не так сложно, как когда-то казалось.Да, клетки — это сложные машины. Но оказывается, что они все еще работают, хотя и не так хорошо, когда их бросают в заблуждение из того, что есть под рукой.

Казалось бы, такие неуклюжие клетки вряд ли выживут на ранней Земле. Но у них не было бы большой конкуренции и не было бы угрожающих хищников, так что во многих отношениях жизнь могла быть легче тогда, чем сейчас.

Есть одна проблема, для которой ни Сазерленд, ни Шостак не нашли решения, и это большая проблема.У первого организма должна была быть какая-то форма метаболизма. С самого начала жизнь должна была получить энергию, иначе она бы умерла.

Тогда жизнь могла быть проще, чем сейчас.

В этом вопросе, хотя бы ни в чем другом, Сазерленд соглашается с Майком Расселом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий четвертой главы о метаболизме. «Пока ребята из РНК боролись с ребятами из области метаболизма, обе стороны были правы», — говорит Сазерленд.

«Истоки метаболизма каким-то образом должны быть там», — говорит Шостак.«Источник химической энергии будет большим вопросом».

Даже если Мартин и Рассел ошибаются в том, что жизнь зарождается в глубоководных жерлах, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них — важность металлов для зарождения жизни.

В природе многие ферменты имеют в своей основе атом металла. Это часто «активная» часть фермента, с остальной частью молекулы по существу опорной конструкции. В первой жизни не могло быть этих сложных ферментов, поэтому вместо этого она, вероятно, использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.

Жизнь не может начаться в глубоком море

Гюнтер Вехтерсхойзер указал на это, когда предположил, что жизнь формируется на железном пирите. Точно так же Рассел подчеркивает, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут действовать как катализаторы, а исследование LUCA Мартином обнаружило много ферментов на основе железа.

В свете этого, это говорит о том, что многие химические реакции Сазерленда зависят от меди (и, кстати, от серы, которую также подчеркивал Вехтершойзер), и что РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии.

Возможно, гидротермальные источники еще будут иметь решающее значение. «Если вы посмотрите на современный метаболизм, там есть все эти действительно наводящие на размышления вещи, такие как кластеры железо-сера», — говорит Шостак. Это соответствует представлению о том, что жизнь зародилась в вентиляционном отверстии или вокруг него, где вода богата железом и серой.

Тем не менее, если Сазерленд и Шостак находятся на правильном пути, один аспект теории вентиляции определенно неверен: жизнь не могла начаться в глубоком море.

«Обнаруженный нами химический состав настолько зависит от УФ [ультрафиолетового света]», — говорит Сазерленд.Единственный источник ультрафиолетового излучения — Солнце, поэтому его реакции могут происходить только в солнечных местах. «Это исключает сценарий глубоководных источников».

Может быть, жизнь началась на суше, в вулканическом пруду

Шостак соглашается, что морские глубины не были рассадником жизни. «Хуже всего то, что он изолирован от химии атмосферы, которая является источником высокоэнергетических исходных материалов, таких как цианид».

Но эти проблемы не исключают полностью гидротермальные источники.Возможно, вентиляционные отверстия находились просто на мелководье, откуда до них доходили солнечный свет и цианид.

Армен Мулкиджанян предложил альтернативу. Может, жизнь началась на суше, в вулканическом пруду.

Мулкиджанян изучил химический состав клеток: в частности, какие химические вещества они допускают, а какие не пропускают. Оказывается, все клетки, независимо от того, к какому организму они принадлежат, содержат много фосфатов, калия и других металлов, но почти не содержат натрия.

Моим любимым сценарием на данный момент были бы какие-то мелкие озера или пруды на поверхности

В настоящее время клетки достигают этого, накачивая и выкачивая предметы, но первые клетки не могли этого сделать, потому что у них не было бы необходимая техника.Итак, Мулкиджанян предположил, что первые клетки образовались где-то с примерно такой же смесью химических веществ, как и современные клетки.

Это немедленно устраняет океан. Клетки содержат гораздо более высокий уровень калия и фосфата, чем когда-либо был океан, и гораздо меньше натрия.

Вместо этого он указывает на геотермальные пруды, обнаруженные рядом с действующими вулканами. В этих прудах содержится именно тот коктейль металлов, который содержится в клетках.

Шостак фанат. «Я думаю, что мой любимый сценарий на данный момент — это какие-то мелкие озера или пруды на поверхности в геотермически активной зоне», — говорит он.«У вас есть гидротермальные источники, но они не похожи на глубоководные, а больше похожи на те, что есть в вулканических областях, таких как Йеллоустоун».

Земля была поражена метеоритами в течение первых полмиллиарда лет своего существования

Химия Сазерленда вполне могла сработать в таком месте. В источниках содержатся подходящие химические вещества, уровень воды колеблется, поэтому некоторые места будут время от времени пересыхать, и есть много ультрафиолетового излучения от Солнца.

Более того, Шостак говорит, что пруды подходят для его протоклеток.

«Протоклетки большую часть времени могут быть относительно холодными, что хорошо для копирования РНК и других видов простого метаболизма», — говорит Шостак. «Но время от времени они ненадолго нагреваются, и это помогает цепям РНК разделиться на части, готовые к следующему раунду репликации». Также будут токи, вызванные потоками горячей воды, которые могут помочь протоклеткам делиться.

Опираясь на многие из тех же аргументов, Сазерленд выдвинул третий вариант: зона падения метеорита.

Земля была поражена метеоритами в течение первых полумиллиарда лет своего существования — и с тех пор периодически на нее падали. Удар приличного размера создаст обстановку, очень похожую на пруды Мулкиджаняна.

Во-первых, метеориты в основном сделаны из металла. Зоны воздействия обычно богаты полезными металлами, такими как железо, а также серой. И что особенно важно, удары метеоритов расплавляют земную кору, что приводит к геотермальной активности и горячей воде.

Если выяснится, что в одном из сценариев отсутствует ключевое химическое вещество или что-то, что разрушает протоклетки, будет исключено, это будет исключено.

Сазерленд представляет небольшие реки и ручьи, стекающие по склонам ударного кратера, выщелачивая цианид. химические вещества на основе горных пород, в то время как ультрафиолетовое излучение льется сверху.В каждом потоке будет немного разная смесь химикатов, поэтому будут происходить разные реакции и образоваться целый ряд органических химикатов.

Наконец, потоки впадут в вулканический пруд на дне кратера. Это могло быть в таком пруду, где все части сошлись вместе и образовались первые протоклетки.

«Это очень специфический сценарий», — говорит Сазерленд. Но он выбрал его на основании обнаруженных им химических реакций. «Это единственное, что мы можем придумать, совместимое с химией.«

Шостак в любом случае не уверен, но он согласен с тем, что идея Сазерленда заслуживает пристального внимания.» Я думаю, что сценарий столкновения хорош. Я думаю, что идея вулканических систем тоже может сработать. Есть несколько аргументов в пользу каждого ».

На данный момент эти дебаты, похоже, продолжаются. Но это не будет принято по прихоти. Решение будет зависеть от химии и протоклеток. Если окажется, что это одно из в сценариях отсутствует ключевое химическое вещество или что-то, что разрушает протоклетки, будет исключено.

Это означает, что впервые в истории у нас есть начало исчерпывающего объяснения того, как зародилась жизнь.

«Все выглядит намного более достижимым, — говорит Сазерленд.

Лучшее, что мы когда-либо можем сделать, — это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами.

Пока что подход Шостака и Сазерленда «все и сразу» предлагает только отрывочное повествование. Но те шаги, которые были разработаны, подкреплены десятилетиями экспериментов.

В этой идее также использован любой подход к происхождению жизни. Он пытается использовать все их хорошие стороны, в то же время решая все их проблемы. Например, он не столько пытается опровергнуть идеи Рассела о гидротермальных источниках, сколько включить их лучшие элементы.

Мы не можем знать наверняка, что произошло четыре миллиарда лет назад. «Даже если вы сделали реактор и на другой стороне выскочили бы E. coli … вы все равно не сможете доказать, что мы возникли таким образом», — говорит Мартин.

Лучшее, что мы можем когда-либо сделать, — это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами: с экспериментами по химии, с тем, что мы знаем о ранней Земле, и с тем, что биология открывает о древнейших формах жизни. Наконец, после столетия напряженных усилий, эта история стала очевидной.

Это означает, что мы приближаемся к одному из величайших разделов в истории человечества: разрыву между теми, кто знает историю начала жизни, и теми, кто никогда не знал.

Некоторые из ныне живущих людей станут первыми в истории, кто сможет честно сказать, что они знают, откуда они пришли

Каждый человек, умерший до того, как Дарвин опубликовал Происхождение видов в 1859 году, не знал о происхождении человечества, потому что они ничего не знали об эволюции.Но все живущие сейчас, за исключением изолированных групп, могут знать правду о нашем родстве с другими животными.

Точно так же каждый, кто родился после того, как Юрий Гагарин облетел Землю в 1961 году, жил в обществе, которое может путешествовать в другие миры. Даже если мы никогда не поедем сами, космические путешествия — это реальность.

Эти факты незаметно меняют наше мировоззрение. Возможно, они делают нас мудрее. Эволюция учит нас ценить все живые существа, потому что они наши кузены. Космические путешествия позволяют нам увидеть наш мир на расстоянии, показывая, насколько он уникален и хрупок.

Некоторые из ныне живущих людей станут первыми в истории, кто сможет честно сказать, что они знают, откуда они пришли. Они узнают, каким был их предок и где он жил.

Эти знания изменят нас. На чисто научном уровне он расскажет нам о вероятности образования жизни во Вселенной и о том, где ее искать. И это расскажет нам кое-что о сущности жизни. Но помимо этого, мы еще не можем знать мудрость, которую откроет происхождение жизни.