Современные концепции происхождения и сущности жизни
В вопросе о происхождении жизни, самым сложным считается характеристика структурных и функциональных особенностей протобиологической системы, то есть доклеточного предка. Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот – основы генетического кода – необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты. Поэтому предметом дискуссии издавна служили два взаимосвязанных вопроса. Первый: что было первичным – белки или нуклеиновые кислоты? [Второй: если признать, что оба эти класса биополимеров возникли не одновременно, а последовательно, то на каком этапе и как произошло их объединение в единую систему, способную к функциям передачи генетической информации и регуляции биосинтеза белков?]
Рассматривая ответы на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы – голобиоза и генобиоза.
Голобиоз – это методологический подход, основанный на идее первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно еще назвать субстратной. К группе голобиоза относится и концепция А. И. Опарина.
Существует довольно много примеров подобного рода моделей, построенных на идеях гипотезы голобиоза. Объединяют их два главных момента. Первый – признание первичности белковой субстанции, способной к автокатализу, близкому к ферментативному. И второй – отсутствие даже упоминания о наличии в протеиноидных структурах молекулярных систем с функциями генетического кода. Появление генетического механизма матричного типа на основе макромолекул нуклеиновых кислот считается вторичным событием в эволюции протеиноидных структур.
Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно также назвать информационной. [Примером этой точки зрения может служить концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, а потому названная им «голым геном».]
Вплоть до 1980-х годов имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше – голый ген или белковый протобионт, генетическая репродукция или метаболизм.
Также имелись сторонники некоего промежуточного варианта между голобиозом и генобиозом. Их общая идея в том, что белковые и нуклеиновые молекулы появились одновременно, объединились в единую систему в пределах структуры доклеточного предка и подверглись коэволюции – одновременной и взаимосвязанной эволюции. Однако и этот компромиссный вариант не получил всеобщего признания.
Позиции же гипотезы генобиоза стали заметно укрепляться в 1970-е годы, а к 1980-м годам, она оказалась доминирующей в представлениях о доклеточном предке.
Общее признание в рамках гипотезы генобиоза получила идея, согласно которой такими блоками были макромолекулы ДНК или РНК. В дальнейшем началось обсуждение, какая из этих информационных молекул появилась первой и смогла сыграть роль матрицы для первичной комплементарной полимеризации?
[Этот неизбежно возникающий вопрос сразу же вступил в противоречие с центральным положением молекулярной генетики: генетическая информация идет в направлении от ДНК к РНК и белку. Кроме того, стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая полинуклеотидная система в отсутствие ферментов, то есть белков, если допустить, что появление последних было вторичным?]
Переворот произошел в 80-х годах XX века, когда были открыты рибозимы — молекулы РНК с каталитическими свойствами, то есть делающие то, что должны делать белки. Среди рибозимов были найдены и катализаторы репликации молекул РНК — своих собственных или чужих.
Так появилась теория РНК-мира, согласно которой первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК. А первым прообразом будущего РНК-организма мог стать автокаталитический цикл, образованный самовоспроизводящимися молекулами РНК — теми самыми рибозимами, которые способны катализировать синтез собственных копий. Молекулы РНК функционировали в качестве и ферментов, и субстратов для собственной репликации. ВИДЕО
Появление в мире РНК ранней в истории жизни не может быть доказано, но эксперименты in vitro, также называемой направленной эволюцией, показали, что это осуществимо. Эти эксперименты решили важный вопрос: могли ли молекулы РНК катализировать множество различных химических реакций, необходимых для жизни? В эксперименте, большой пул молекул РНК с различными последовательностями смешивают, а затем молекулы отбираются по их способности катализировать определенные биологически важные реакции (рис. 21-4). Те молекулы, которые имеют по крайней мере некоторую каталитическую способность, затем амплифицируются во множество копий и подвергаются мутациям (например, под воздействием некоторых химических веществ), а затем подвергаются воздействию еще одного раунда отбора. После того, как этот цикл повторяется несколько раз, молекулы РНК, дошедшие до конце отбора являются эффективными в качестве катализаторов для реакции. Эти исследования показали, что РНК имеет большой функциональный репертуар, то есть РНК может катализировать различные биологически важные реакций.
Таким образом, предполагается, что первоначально рибозимы катализировали синтез белка и других важных биологических реакций; только позже появились белковые ферменты катализируещие эти реакции.
Так как поначалу преджизнь существовала в виде растворов, то чтобы не раствориться окончательно, не рассеяться в водах древних водоемов, «живые растворы» должны были ютиться в крошечных полостях, которые часто встречаются в минералах. Это тем более удобно, что некоторые минералы (например, пирит) являются неплохими катализаторами для многих биохимических реакций. Кроме того, поверхность минералов могла служить своеобразной матрицей, основой, к которой прикреплялись молекулы РНК. Упорядоченная структура кристаллов помогала упорядочить и структуру этих молекул, придать им нужную пространственную конфигурацию. ВИДЕО
Однако ранние формы жизни нуждались быть окруженными мембраной. И многие из причин этого те же, что и у современных клеток: чтобы сохранить молекулы, которые для клеточного роста и выживания должны быть легкодоступными, и, чтобы держать ненужные или потенциально опасные молекулы вне клетки. В самом начале мембраны могли образовываться из жирных кислот, а не состоять из фосфолипидов. Аналогично фосфолипидам, жирные кислоты состоят из гидрофобного хвоста и гидрофильной головки, и таким образом могут образовывать такие же типы структур, как бислои, везикулы и мицеллы, но значительно проще структурно и легче образуются в пребиотической среде.
В эксперименте, использующем модель протоклетки, наблюдалась конкуренция между везикулами внутри которых имелась РНК и пустыми везикулами. В везикулах с заключенной внутри высокой концентрацией РНК наблюдалось высокое осмотическое давление, стимулирующее поглощение жирных кислот из мембран пустых везикул. Это приводило к передаче ∼25% мембраны везикулам, содержащим РНК, снижая натянутость мембраны, вызванную осмотическим градиентом. ВИДЕО
Возможно, что аналогичный процесс происходил и в ходе ранней эволюции —везикулы, содержащие очень активную репликазу создавали осмотическое давление, заставляя их “красть” мембраны от других везикул, содержащие менее активные последовательности.
Как только РНК стали окружаться мембраной, возникает примитивная форма конкуренции между клетками (см.рис.). Примечательно, что этот процесс не требует увеличения сложности (например, добавление нового фермента), а зависит только от физических свойств полупроницаемой мембраной, инкапсуляция растворенного вещества.
[Еще один эксперимент, демонструет, как способность мембраны к росту может способствовать клеточной приспособленности. Рост мембраны создает трансмембранный градиент рН, из-за чего ускоряется встраивание молекул протонированных (положительно заряженных?) жирных кислот в наружный слой мембраны. Таким образом, протоклетки могут захватить значительную часть (∼12%) энергии, выделяющейся в процессе роста мембраны и сохранить его в виде градиента рН. Для протоклетки, эта энергия может быть полезной для управления клеточными процессами, такими как поглощение аминов как помощника при сворачивании РНК. Опять же, для этой формы получения и хранения энергии не требуется развития никаких дополнительных ферментов, она является лишь следствием физических свойств везикул.]
Результаты этих экспериментов показывают, что простые физико-химические свойства элементарной протоклетки могут привести к важным клеточным функциям, включая примитивные формы Дарвиновского отбора и накопления энергии. Такие взаимодействия между мембраной и внутренним содержанием могли значительно упростить переход от самореплицирующихся молекул к настоящим клеткам. Например, следствие конкуренции между везикулами заключается в том, что заряженные генетические полимеры, такие как нуклеиновые кислоты, будут гораздо более эффективно стимулировать поглощение мембранами жирных кислот, чем электрически нейтральные полимеры, потому что большая часть осмотического давления создается противоионами, связанными с заряженным полимером.
Итак, теоретические протоклетки состоят из двух молекулярных компонентов: РНК-зависимой РНК-полимеразы и жирных кислот мембраны – это очень простой вариант клетки, тем не он менее, способен к росту, репликации и эволюции. Хотя рабочей версии протоклетки пока не удалось достичь в лабораторных условиях, это представляется вполне достижимым.
В экспериментах рассмотрен жизненный цикл протоклетки. Протоклетка включает в себя два или более РНК-зависимой РНК-полимеразы которые способны сделать копии друг друга. Одновременно с репликацией РНК, мембраны везикул возрастают вследствие захвата жирных кислот из соседних мицелл. В этом случае площадь поверхности протоклетки увеличивается, а объем остается постоянным, в результате чего усилвается нестабильность мембраны протоклетки. В конце концов, мембрана делится, образуя две дочерние протоклетки, в которых молекулы репликазы случайным образом разделены между ними. ВИДЕО
Время от времени, репликаза делает ошибку, и образуются мутантные РНК-зависимое РНК-полимеразы. Как правило, эта мутация приведет к ухудшению ее функции Редко, однако, могли образоваться улучшенные репликазы – это репликазы, которые могли, например, копировать РНК быстрее. Еще реже появлялись протоклетки с РНК, обладающей новой каталитической активностью, такой как способность катализировать образование жирных кислот. Эти протоклетки с более быстрой репликазой или новой функций рибозимов будут иметь преимущество над другими протоклетками, будучи в состоянии расти и делиться быстрее. Поскольку все протоклетки в популяции будут конкурировать за ресурсы (например, РНК, нуклеотидов и жирных кислот), то те, которые могут расти и делиться быстрее будет использовать больше ресурсов, станут причиной “вымирания” медленно-делящихся видов протоклеток.
Данные, которыми мы сейчас располагаем, позволяют думать, что первые организмы были гетеротрофами, и использовали имевшиеся в среде запасы энергии, заключенные в сложных органических веществах первичного «бульона». Химические же реакции, необходимые для синтеза питательных веществ, слишком сложны, поэтому они вряд ли могли возникнуть у самых ранних форм жизни.
Длительность же существования одних только гетеротрофов была в геологических масштабах невелика, так как первичные гетеротрофные организмы, обладая свойствами живого вещества, быстро размножились и, естественно, быстро исчерпали свою питательную ресурсов, и возникшая конкуренция ускорила появление автотрофов.
Предполагается, что по мере образования в ходе «биохимической эволюции» более сложных органических веществ некоторые из них оказались способными использовать солнечную радиацию как источник энергии для синтеза новых клеточных материалов. Возможно, что включение этих веществ в уже существующие клетки позволило последним синтезировать новые клеточные материалы, так что им больше не надо было поглощать органические вещества - клетки стали автотрофными.
Этот новый способ питания благоприятствовал быстрому расселению организмов у поверхности первичных водоемов. Но первичная поверхность Земли, лишенная свободного кислорода, подвергалась ультрафиолетовому излучению Солнца.
Поэтому, возможно, первичные фотохимические организмы использовали радиацию в ультрафиолетовой области спектра. Только после возникновения озонового экрана в связи с появлением свободного кислорода как побочного продукта того же фотосинтеза автотрофный фотосинтетический процесс начал использовать излучение в видимой части солнечного спектра.
Кроме того, самые первые фотосинтезирующие организмы, хотя и использовали в качестве источника энергии солнечную радиацию, были лишены метаболического пути, ведущего к образованию молекулярного кислорода. Полагают, что на более позднем этапе возникли организмы, способные к фотосинтезу с выделением кислорода, подобные современным сине-зеленым водорослям, и это привело к постепенному накоплению кислорода в атмосфере. Увеличение количества О2 в атмосфере и его ионизация с образованием озонового слоя уменьшили количество ультрафиолетовой радиации, достигающей Земли. Это привело к замедлению синтеза новых сложных веществ, но одновременно повысило устойчивость преуспевающих форм жизни. Изучение физиологии современных организмов выявило большое разнообразие биохимических путей, участвующих в связывании и освобождении энергии, которые, возможно, отражают первые эксперименты, проводившиеся природой на живых организмах.
Несмотря на все сказанное выше, проблема возникновения жизни остается нерешенной, и при всех огромных успехах биохимии ответы на вопросы носят умозрительный характер. Подробности перехода от сложных неживых веществ к простым живым организмам покрыты тайной.