Происхождение жизни: от материи к живой биологии

Каков рецепт жизни? Если бы вы создавали клетку с нуля, какие ингредиенты вам были бы нужны? В какой среде вы превращали бы неживую материю в живую клетку? На эти вопросы пытается ответить гарвардский биохимик Джек Шостак, воссоздавая динамический мир, в котором была рождена жизнь.

Шостак пытается выяснить, сколько существует различных рецептов сотворения жизни. Как жизнь появилась на Земле и может ли она зародиться на другой планете другим образом?

В своей лаборатории Шостак воссоздает химию ранней Земли, еще до зарождения жизни, чтобы увидеть, как базовые строительные блоки жизни — липиды, нуклеотиды и аминокислоты — начали собираться в более крупные структуры: мембраны, молекулы РНК и пептиды. Он хочет знать, как материя перетекла из формы безжизненных реакций в химию первых простейших живых клеток.

Такие примитивные клетки, или протоклетки, должны были быть проще любых современных клеток, организация которых основана на «центральной догме» биологии: ДНК, содержащая генетический код клетки в цепи нуклеотидов A, T, G и C, транскрибируется в РНК, и затем фабрики под названием рибосомы транслируют РНК в последовательности двадцати аминокислот, составляющих протеины. Эти протеины управляют почти всеми операциями клеток, от бактерий до людей: движение, метаболизм еды, удаление отходов, ускорение и замедление химических реакций, которые копируют наши гены.

Но в самом начале протеинов не было: как же клетки эволюционировали, чтобы создать их? И как появилась первая клетка, как пересекла границу из химии в новый, живой мир биологии?

Жизнь, вероятно, зародилась в небольшом пруду или озере, считает Шостак, не в океане, как полагает множество людей. Бассейны с дождевой водой обеспечивали свежую водную среду, в которой могли образоваться нежные клеточные мембраны из простых жирных кислот, которые мгновенно уничтожились бы в соленых океанах. В некоторых таких прудах смешивались ключевые элементы, нагревались и остывали в правильной последовательности, чтобы стать жизнью. Неживые молекулы, накапливавшиеся под толстой кожей, каким-то образом получили возможность самовоспроизводиться и эволюционировать: такой Шостак видит дефиницию жизни.

Очень вероятно, считает Шостак, что жизнь зародилась рядом с гидротермальным источником: подводной струей горячей воды, вытекающей в холодную воду ледяного озера. Это было и печью, и морозильником, в котором ингредиенты жизни готовились, остывали, оттаивали в необходимом для нуклеиновых кислот порядке, проходя через циклы воспроизводства, и жирные кислотные мембраны позволили питательным веществам проходить в клетку.

Первая простая «протоклетка», которую Шостак пытается воспроизвести в лаборатории — просто моток генетического материала, окруженный толстой кожей — начала копировать себя с минимальными вариациями, и эти вариации добавляли преимуществ определенным клеткам. Это разнообразие привело к конкурентному процессу дарвиновской эволюции, считает Шостак, а в конечном счете и к дереву жизни, какой мы ее знаем сегодня.

Постепенно усилия Шостака привести молекулы к жизни в лаборатории проливают свет на то, как могла начаться жизнь как на Земле, так и где-либо еще во Вселенной.