Тайна появления жизни на Земле. Часть первая: как создать клетку?

Сегодня жизнь завоевала каждый квадратный сантиметр Земли, но когда планета только сформировалась, она была мертвым камнем. Как и когда произошел знаковый переход? С чего началась жизнь? Едва ли можно придумать более серьезный, большой и сложный вопрос. На протяжении большей части истории человечества никто не сомневался в том, что это дело богов. Любое другое объяснение было немыслимым.

Больше нет. За последнее столетие многие ученые пытались выяснить, с чего могла начаться первая жизнь. Они даже пытались воссоздать момент Сотворения в своих лабораториях: создать совершенно новую жизнь с нуля. Пока никому это не удалось, но мы прошли долгий путь. Сегодня многие ученые, изучающие происхождение жизни, уверены, что они на верном пути — и у них есть эксперименты, которые подкрепляют их уверенность в этом.

Это история наших попыток выяснить наше истинное происхождение. Это история одержимости, борьбы и блестящего творчества, которые привели к некоторым из величайших открытий современной науки. Стремление понять истоки жизни посылало мужчин и женщин в самые отдаленные уголки нашей планеты. Некоторых ученых считали дьяволами во плоти, другие же продолжали работать под пятой жестоких тоталитарных правительств.

Это история рождения жизни на Земле.

На самом деле динозавры жили не так давно

Жизнь стара. Динозавры — самые известные вымершие создания — появились 250 миллионов лет назад. Но жизнь появилась намного, намного раньше.

Древнейшим из известных окаменелостей порядка 3,5 миллиарда лет, в 14 раз больше, чем самым старым динозаврам. Но окаменевшая летопись может уводить нас еще дальше. К примеру, только в августе 2016 года ученые обнаружили окаменелых микробов, которым 3,7 миллиарда лет.

Этим волнистым узорам может быть 3,7 миллиарда лет

Сама Земля ненамного старше, ей 4,5 миллиарда лет.

Если предположить, что жизнь образовалась на Земле — что представляется разумным, учитывая, что мы до сих пор не нашли ее в другом месте, — то это должно было произойти в тот миллиард лет, который протекал между формированием Земли и появлением самых старых известных окаменелостей.

Сужая диапазон времени возможного появления жизни, мы можем делать обоснованные предположения о том, как это произошло.

Древо жизни: больше всего бактерий и архей

С 19 века биологи знают, что все живые существа состоят из «клеток»: крошечных мешочков живой материи, которые бывают разных форм и размеров. Впервые клетки были обнаружены в 17 веке, благодаря изобретению первых микроскопов, но потребовалось более ста лет, чтобы понять, что они были основой всей жизни.

Вы, конечно, не похожи на сома или тираннозавра, но микроскоп покажет, что вы сделаны практически из тех же клеток. Как и растения, и грибы. Но пока что самой многочисленной формой жизни являются микроорганизмы, состоящие из одной клетки. Бактерии — самая известная группа, их можно найти всюду на Земле.

В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: в некотором смысле фамильного древа каждого живущего вида. Почти все ветви представлены бактериями. Более того, форма этих ветвей говорит о том, что бактерии были общим предком всей жизни. Другими словами, каждое живое существо — включая вас — произошло от бактерий.

Выходит, мы можем точнее определить проблему происхождения жизни. Используя только материалы и условия, которые были на Земле 3,5 миллиарда лет назад, мы должны сделать клетку.

Насколько сложно это будет?

Целая живая клетка

Первые эксперименты

На протяжении почти всей истории никто не считал нужным задаваться вопросом, как появилась жизнь, поскольку ответ казался очевидным. До 1800-х годов большинство людей верили в «витализм». Это интуитивное представление, что живые существа наделены особым, магическим свойством, которое отличает их от неодушевленных предметов.

Витализм часто связывался с религиозными убеждениями. Библия говорит, что Бог использовал «дыхание жизни», чтобы оживить первых людей, и бессмертная душа является формой витализма.

Только вот есть одна проблема. Витализм — это полная чушь.

К началу 1800-х годов ученые обнаружили несколько веществ, которые казались уникальными для жизни. Одно из таких соединений было мочевиной, которую обнаружили в моче и выделили в 1799 году. Только это все так же укладывалось в концепцию витализма. Только живые существа были в состоянии производить эти химические вещества, поэтому они, видимо, были заряжены энергией жизни и это делало их особенными.

Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер нашел способ делать мочевину из распространенного химического вещества, цианата аммония, который не имел очевидную связь с живыми существами. Другие последовали его примеру, и вскоре стало ясно, что химические вещества жизни можно сделать из более простых химических веществ, не имеющих ничего общего с жизнью.

Фридрих Вёлер, немецкий химик

Это был конец для витализма в качестве научной концепции. Но людям оказалось трудно расстаться с этой идеей. Очень многим казалось, что говорить, что в химических вещества жизни нет ничего «особенного», это как отнимать у жизни ее магию, делать ее механической или бездушной. Ну и, конечно же, это противоречило Библии.

Даже ученые пытались спасти витализм. Еще в 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо проталкивал теорию «биотической энергии», которая была тем же витализмом, но с другим названием. У этой идеи был сильный эмоциональный подтекст.

Да и сегодня, впрочем, эта идея порой всплывает тут и там. Например, существует множество научно-фантастических историй, в которых «энергию жизни» можно увеличить или высосать. Вспомните «энергию регенерации», используемую Повелителями Времени в «Докторе Кто». Кажется необычным, но это очень и очень старая идея.

Тем не менее после 1828 года ученые получили здравые причины искать «безбожное» объяснение первого появления жизни. Но не искали. Казалось бы, эту тему нужно исследовать, но по факту тайну происхождения жизни игнорировали десятилетиями. Возможно, все еще были слишком привязаны к витализму, чтобы сделать следующий шаг.

Чарльз Дарвин показал, что вся жизнь произошла от одного общего предка

Вместо этого гигантским прорывом в биологии 19 века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и другими.

Теория Дарвина, изложенная в «Происхождении видов» в 1859 году, объяснила, как все это разнообразие жизни могло появиться из единственного общего предка. Каждый отдельный вид теперь уже не был создан Богом, а произошел от древнего организма, который жил миллионы лет назад: последний универсальный общий предок.

Эта идея оказалась чрезвычайно противоречивой, опять же, потому что не сходилась с Библией. Дарвин и его идеи оказались под шквалом атаки, отчасти возмущенных христиан.

Теория эволюции ничего не говорила о том, как появился самый первый организм.

Дарвин считал, что жизнь появилась в «маленьком теплом пруду»

Дарвин знал, что это глубокий вопрос, но — возможно, опасаясь новых нападок со стороны церкви — осмелился обсудить его лишь в 1871 году. Приподнятый тон письма показывает, что он знал глубокое значение этого вопроса:

«Но если бы (и ох какое это большое «если бы») мы могли представить себе небольшой теплый пруд со всеми видами аммиака и фосфорной соли — со светом, теплом, электричеством — в котором химически образовалось бы белковое соединение, готовое пройти через еще более сложные изменения…»

Другими словами, что если когда-то был небольшой водоем, наполненный простыми органическими соединениями и купающийся в солнечном свете? Некоторые из этих соединений, возможно, в совокупности образовали бы полуживое вещество вроде белка, который мог бы начать развиваться и становиться все более сложным.

Эта идея была поверхностной. Но она легла в основу первой гипотезы появления жизни.

Что любопытно, эта гипотеза появилась в СССР.

Александр Опарин жил и работал в СССР

Во времена Сталина все было под контролем государства. Даже идеи людей, биологов, не связанных с коммунистической политикой. Что примечательно, Сталин фактически запрещал ученым изучать обычную генетику. Вместо этого он продвигал идеи фермера Трофима Лысенко, которые, по его мнению, больше соответствовали коммунистической идеологии. Ученые, работающие в области генетики, были вынуждены публично поддерживать идеи Лысенко, чтобы не оказаться в лагерях.

Именно в такой репрессивной среде Александр Опарин проводил свои исследования в области биохимии. Он мог работать, поскольку был преданным коммунистом: поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина, высшую награду времен СССР.

В 1924 году Опарин опубликовал свою работу «Происхождение жизни». В ней он изложил свое видение зарождения жизни, которое было поразительно похоже на маленький теплый пруд Дарвина.

Океаны сформировались после того, как Земля остыла

Опарин пытался представить, какой была Земля после формирования. Поверхность была обжигающе горячей, поскольку на нее падали камни из космоса. Мешанина из полурасправленных пород, содержащих огромный спектр химических веществ, в том числе и на основе углерода.

В конце концов Земля остыла достаточно, чтобы водяной пар конденсировался в жидкую воду и пошел первый дождь. Он наполнил земные океаны, которые были горячими и богатыми углеродсодержащими химическими веществами. То, что нужно для жизни.

Сначала различные химические вещества взаимодействовали между собой с образованием множества новых соединений, некоторые из которых были сложными. Опарин предположил, что молекулы, важнейшие для жизни, сахара и аминокислоты, могли образоваться в водах Земли.

Затем некоторые химические вещества начали формировать микроскопические структуры. Много органических веществ не растворяется в воде: к примеру, масла образуют слой поверх воды. Но когда некоторые из этих веществ контактируют с водой, они образуют сферические шарики «коацерваты», которые могут быть до 0,01 сантиметра в поперечнике.

Если вы взглянете на коацерваты через микроскоп, они ведут себя весьма подвижно, как живые клетки. Они растут и меняют форму, иногда делятся на две части. Они также могут вбирать химические вещества из окружающей воды, поэтому в них могут оказаться подобные жизни химвещества. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.

Пятью годами позже, в 1929 году, английский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн независимо предположил очень похожие идеи в короткой статье, опубликованной в Rationalist Annual.

К тому времени Холдейн уже немало внес в теорию эволюции, помогая интегрировать идеи Дарвина в развивающуюся науку о генетике.

Английский генетик Дж. Холдейн

Как и Опарин, Холдейн описал, каким образом органические вещества могли бы накапливаться в воде, «пока первобытные океаны не дошли бы до консистенции горячего разбавленного супа». Это подготовило бы почву для «первых живых или полуживых вещей», которые сформировались и оказались в тонкой масляной пленке.

Показательно, что среди всех биологов мира только Опарин и Холдейн дошли до этого. Мысль о том, что живые организмы могут образоваться в процессе простых химических реакций, без бога или даже «жизненной силы», была радикальной. Как и теория эволюции Дарвина до нее, она тоже была плевком в лицо христианства.

Но в рамки СССР вписывалась отлично. Советский режим был официально атеистическим, а его лидеры с радостью поддерживали любые материалистические объяснения глубоких явлений вроде жизни. Холдейн тоже был атеистом и еще и коммунистом в придачу.

«В то время принятие или непринятие идеи зависело главным образом от человека: был ли он религиозным, поддерживал ли левые или коммунистические идеи», говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян из Университета Оснабрюк в Германии. «В Советском Союзе их принимали с радостью, потому что им был не нужен Бог. В западном мире, если взглянуть на людей, которые мыслили в этом направлении, все они были левыми, коммунистами и так далее».

Мысль о том, что жизнь сформировалась в первичном бульоне органических веществ, стала гипотезой Опарина-Холдейна. Она была аккуратной и убедительной, но была одна проблема. Ее не поддерживали никакие экспериментальные доказательства. И так продолжалось почти четверть века.

Гарольд Юри

К тому времени, когда Гарольд Юри стал интересоваться происхождением жизни, он уже получил Нобелевскую премию по химии 1934 года и помог построить атомную бомбу. Во время Второй мировой войны Юри работал над Манхэттенским проектом, собирая нестабильный уран-235, необходимый для сердечника бомбы. После войны он боролся, чтобы сохранить ядерные технологии под контролем граждан.

Также он заинтересовался химией космоса, в частности тем, что происходило во времена формирования Солнечной системы. Однажды он прочитал лекцию и отметил, что в атмосфере Земли, вероятно, не было кислорода, когда она впервые сформировалась. Это стало идеальным дополнением к первичному бульону Опарина и Холдейна: хрупкие химические вещества могли быть уничтожены при контакте с кислородом.

Докторант по имени Стэнли Миллер был в аудитории, а затем подошел к Юри с вопросом: можно ли проверить эту идею? Юри был скептичен, но Миллер настоял на своем. Поэтому в 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент на тему происхождения жизни.

Эксперимент Миллера-Юри

Настройки были простыми. Миллер соединил серию стеклянных колб и пустил по ним четыре химических вещества, которые могли присутствовать на ранней Земле: кипящая вода, газообразный водород, аммиак и метан. Затем он подверг газы многократному воздействию электрического тока, чтобы имитировать удары молнии, которые были обычным явлением на Земле в те времена.

Миллер обнаружил, что «вода во флаконах стала значительно розовее после первого дня, а к концу недели раствор стал красным и мутным». Очевидно, образовалась смесь химических веществ.

Проанализировав смесь, Миллер обнаружил, что в ней есть две аминокислоты: глицин и аланин. Аминокислоты часто называют строительными блоками жизни. Они используются для образования белков, которые управляют большинством биохимических процессов в наших телах. Миллер сделал два важнейших компонента жизни буквально с нуля.

Результаты были опубликованы в престижном журнале Science в 1953 году. Юри поступил весьма необычно для старших ученых, сняв свое имя с работы и отдав все лавры Миллеру. Несмотря на это, исследование часто называют «экспериментом Миллера-Юри».

Стэнли Миллер в лаборатории

«Сила Миллера-Юри в том, что вы можете произвести множество биологических молекул просто из атмосферы», говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания.

Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли была другой смесью газов. Но это не меняет факта. Эксперимент удался, простимулировал воображение публики и разлетелся на цитаты.

После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение тайны происхождения жизни, казалось, вот-вот появится.

Но потом выяснилось, что жизнь была сложнее, чем кто-либо думал. Живые клетки были не только мешками с химическими веществами: они были сложнейшими крошечными машинами. Внезапно создание клетки с нуля оказалось гораздо более сложной задачей, чем думали ученые.

Продолжение следует…