Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Однако очень сложно понять, как произошел прыжок от добиологических химических веществ непосредственно к LUCA. Белки играют важную роль в воспроизведении ДНК, поэтому для создания LUCA с чистого листа требовалось, чтобы и белки, и ДНК возникли одновременно, а это чрезвычайно маловероятное совпадение. Большинство биологов придерживаются промежуточной гипотезы, которая называется «Мир РНК». Как и ДНК, РНК могут кодировать генетическую информацию; кроме того, РНК могут выступать в качестве катализатора химических реакций, как и белки. Не исключено, что РНК или нечто сродни ей могло запустить воспроизведение и метаболические процессы, в частности производство энергии. А позднее ДНК стала хранилищем генетической информации, а белки стали отвечать за метаболизм.

Рис. 8.1. Могли ли замерзание воды и таяние льда сыграть ключевую роль в рождении первых живых организмов?

Исследователи, изучающие происхождение жизни, уделяют большое внимание организмам, которые могут функционировать только с помощью РНК. Одно дело – образование небольших молекул типа РНК из первичной облачной атмосферы; но как смогли эти субъединицы объединиться в более длинные цепи РНК, которые выполняли бы роль генов и катализаторов? Для ответа на этот вопрос группа ученых под руководством Джека Шостака, сотрудника Гарвардской медицинской школы в Бостоне (США), занялась исследованием мягкого глинистого минерала – монтмориллонита.

Электрические свойства этой глины таковы, что они способствуют синтезу нитей РНК и объединению их в более длинные цепочки. Шостак с коллегами обнаружили, что эта глина может выполнять роль катализатора, стимулирующего процесс образования пузырьков из небольших жирных кислот – нечто вроде примитивных клеток, окруженных мембраной. Такая мембрана необходима для живой клетки: она защищает содержимое и способствует концентрации химических веществ для того, чтобы могли протекать реакции. Нити РНК в процессе синтеза в монтмориллоните могут оказаться внутри пузырьков. Так могли бы появиться первые протоклетки.

Итак, обычная глина на дне пруда могла сыграть важную роль в зарождении жизни. Но оказывается, что не только глина подходит для этой роли. Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (Великобритания) высказал в 2013 году мысль, что лед мог также сыграть определенную роль. Группа Холлигера впервые сумела построить длинную молекулу РНК, служащую катализатором для строительства других молекул РНК, которые оказались длиннее первоначальной. Удивительно, что этот процесс происходил при низких температурах, до –19 °C, в крошечных «карманчиках» между кристаллами льда. В 2017 году Холлигер показал, как такие РНК-катализаторы можно собрать из коротких нитей РНК в воде, которую подвергали замораживанию и оттаиванию.

С другой стороны, Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона считает, что РНК могли возникнуть вокруг подводных вулканических жерл, где при температурах, доходящих до 90 °C, сквозь трещины в морском дне просачивались щелочи в жидком виде. При попадании жидкости в холодную морскую воду минералы из раствора выпадают в осадок, образуя каменные трубообразные расщелины высотой до 60 метров, в которых много скважин и каналов, образующих целые лабиринты.

Даже на заповедной Земле эти каналы были богаты железом и сернистыми соединениями, которые могли служить катализаторами для сложных органических реакций. Более того, перепады температур в порах должны были создавать высокие концентрации органических соединений и способствовать образованию крупных молекул, включая молекулы жира и, возможно, РНК. По словам Лейна, это место идеально подходит для образования самовоспроизводящихся наборов РНК и жировых пузырьков типа мембран.

Самое интересное то, что в жерлах вулканов могла генерироваться энергия за счет естественной разницы в количестве протонов – на границе раздела между жидкими щелочами в жерлах, в которых протонов мало, и морской водой, богатой протонами. Такой же градиент электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ в клетках, и Лейн утверждает, что структура для генерации АТФ в клетках впервые сформировалась именно в этих каменистых порах.

Все эти теории отражают разнообразные и сложные взаимодействия, которые могли возникнуть между потенциальной жизнью и различными факторами, существовавшими на Земле. Вопрос о том, какая теория верна, все еще остается открытым. Возможно, мы никогда не найдем окончательного ответа. Многочисленные исследования в этом направлении продолжаются. Конечно, остается другая возможность, которая делает ненужными все эти измышления: возможно, жизнь вообще зародилась не на Земле…