Введение
В предыдущих публикациях «Мыслящая материя» и «Клетка I, как возникает живая материя» автор не касался деталей и условий научных теорий о возникновении жизни. В рамках таких теорий считается, что для читателя должны быть раскрыты необходимые и достаточные условия существования живой материи. Здесь эти теории, законы, задачи и методы решения будут кратко рассмотрены. Необходимое условие существования живой материи – она должна быть обособленной некими границами от остальной материи и в их пределах обладать свойствами живого, часть которых названа в «Клетка I», а достаточными условиями – примем потенциальные возможности за счет окружения поддерживать состояние жизни, распространять его в допустимых для живого окрестностях.
Современное определение жизни для землян: «Жизнь – это макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, самосохранению и саморегуляции, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии». .
Первоначально возникла неживая природа. Как материя (не вся) стала живой? Она ведь почти того же состава, что и вся остальная. Дело в ее особой организации. Вопросы о жизни никогда не были простыми и легкими, но время от времени возникают в публикациях и активно обсуждаются. Вот об условиях и процессах организации элементов материи, приводящей к такому явлению как Жизнь, речь и пойдет дальше.
Цель публикации в первую очередь образовательная, популяризация науки, познавательная, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения на излагаемый материал после краткого панорамного ее рассмотрения.
Все организмы Земли – живые системы, имеющие сходные черты строения и жизнедеятельности; у них единый генетический код, химический состав, строение молекул, клеток, одинаковое строение тела на одинаковых уровнях организации. Это единство живых организмов дает возможность построить общую систему уровней организации живой материи от молекулярного до биосферного
Основные различия между растительными и животными организмами (флорой и фауной) обусловило разделение по способу питания на автотрофные и гетеротрофные. Способ питания наложил отпечаток на формирование гетеротрофов. У животных (гетеротрофов) появилась нервная система и соответствующее поведение. Сложность поведения определяется уровнем организации жизни. Инстинкты (безусловные рефлексы) и условные рефлексы (привычки) изучаются этологией.
Наука о возникновении жизни
Конечно, желательно кратко изложить с общих позиций теоретические основы возникновения жизни, где бы она не появилась (ограничимся опять же только планетами), но боюсь, что это будет сильно граничить с фантастикой. Тем не менее о чем-то можно сказать уже сегодня. Условиями необходимыми и достаточными для возникающей жизни предлагается считать: наличие необходимых веществ размножение, наследственность, мутации и отбор. Опять же работах неявное допущение о множественности элементов жизни в пределах планеты. Но может быть возможно иначе, как у С. Лема в «Солярисе» .
Средой возникновения (может быть не обязательно вода) жизни должна быть какая-то жидкость, растворяющая неорганику, так как перемещения (для комбинирования простых, элементарных частиц) типа броуновского движения как и соединяемость и растворимость веществ необходимые условия синтеза. Коммуникация существ — звуковая сигнализация возможна лишь при наличии газообразной или жидкой среды (атмосфера, океан планеты), для световых сигналов (электромагнитных) необходима достаточная прозрачность среды.
Температура такого растворителя не должна быть слишком низкой\высокой, препятствующей химическим реакциям. Возможна примитивная жизнь без ДНК и белков. Наследственная информация может записываться и храниться в молекулах другого химического состава нежели ДНК. Огромную роль для зарождения живого из неживого играют циклические процессы разного рода. Далее речь пойдет только о жизни на Земле.
Разработчики теории жизни, как увидим далее, не затрудняли себя строгостью подходов. Выдвигая необходимое условие они о достаточных даже не упоминали.
Первый подход – утверждал, что жизнь началась с возникновения РНК, с самокопирования молекул. Теория зарождения жизни в «мире РНК» опирается на простую идею: самое важное, что может сделать живой организм, это воспроизвести себя. Необходимо было решить две задачи. Во-первых, сможет ли РНК на самом деле выполнять все жизненно важные функции? И могла ли она сформироваться в условиях ранней Земли?.
Со временем ученые этого направления установили, что цепи ТНК (см. ниже) могут образовывать двойную спираль подобно ДНК, а информация копируется в обоих направлениях между РНК и ТНК.
Любая жизнь – это, прежде всего, пространственно изолированная область среды, разделяющая в пределах границы области процессы обмена веществ, облегчающая течение одних реакций и позволяющая исключать другие. Иначе говоря, жизнь – это живая клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. Еще в 1960-е годы ученые обещали, что создадут жизнь (клетку) через десять лет, но до сих пор говорят то же самое. Подход неявно предполагал, что клетка смертна. Иначе зачем нужно ее воспроизведение.
Последователи «мира РНК» видели, что в бульоне с нуклеотидами, РНК выстраивает длинные цепочки подобно белкам из аминокислот. Но цепочки белков подобно оригами из бумаги складываются в сложные 3-х мерные фигуры (аминокислоты, молекулы-ферменты). Последовательность этих аминокислот определяет трехмерную форму белка, а значит, и его назначение. Эти молекулы обладают каталитическими свойствами, способны ускорять химические реакции. Может ли обладать РНК подобными свойствами.
Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предположили, что РНК может и это сделает ее оригинальной и универсальной живой молекулой, хранящей информацию (как ДНК). Но за 10 последующих лет эта прекрасная идея подтверждения не получила.
В начале 1980 годов группа ученых, работала с одноклеточным организмом Tetrahymena thermophila. Этот организм включает цепи РНК. Томас Чех обнаружил, что небольшой сегмент РНК оказался отделенным, словно вырезанным из цепи. Провели опыт: удалили все ферменты и другие молекулы, способные выступать молекулярными ножницами. Сегмент РНК сам себя продолжал вырезать, т.е. он сам выполнял функцию фермента – был катализатором. После публикации (1982) через год обнаружился второй фермент РНК, «рибозим» (название от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим»-фермент). Идея начала жизни с РНК получила подтвержденный опытом результат в предположении, что ферментов в РНК много больше двух.
В 1986 в Nature появилась публикация Уолтера Гильберта физика из Гарвардского ун-та в Кембридже шт. Массачусетс, который писал, что жизнь на Земле началась в «мире РНК». Копируя и вставляя «биты РНК», в бульоне получались более сложные молекулы, включая создание белков и белковых ферментов.
В 2000 гипотеза «мира РНК» получила и другие подтверждающие факты и доказательства. Томас Стейц провел 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру древней органеллы клетки — рибосомы. Оказалось, что РНК была каталитическим ядром рибосомы. 2009 году Стейц получил Нобелевскую премию. .
В 1991 году Питер Нильсен из Университета Копенгагена в Дании придумал кандидата в первичные репликаторы. Нильсен сохранил те же основы — A, T, C и G, имеющиеся в ДНК, — но сделал основную цепь из молекул под названием полиамиды, а не из сахаров, которые также имеются в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК.
В 2000 году Альберт Эшенмозер сделал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК). Это та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Цепи ТНК могут образовывать двойную спираль, а информация копируется в обоих направлениях между РНК и ТНК.
Если жизнь началась с молекулы РНК, То она должна была быть способна делать копии себя: она должна была самовоспроизводящейся, самореплицирующейся, но к сожалению этого не умеет. В 2001 ученик Джека Шостака Дэвид Бартель создал фермент R18 (из 189 нуклеотидов и мог добавлять еще 11), который добавлял новые нуклеотиды в цепь РНК.
В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту (ГНК), которая может формировать спиральные структуры. Ни одна из трех названных молекул нуклеиновых кислот не встречаются в природе, но ведут они себя практически как ДНК.
2009 Джеральд Джойс и Трейси Линкольн из Института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента. После этого объединяет другие два кусочка РНК, чтобы воссоздать исходный фермент. Этот процесс мог быть бесконечным при наличии материала.
Другой подход предложила в 2011 команда Филиппа Холлигера .Она создала модификацию R18, названную tC19Z, копирующую до 95 нуклеотидов, но все еще не 100%. И все же отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этого направления (гипотезы. «мир РНК»). Усугубила ситуацию и неудача химиков в попытках создать РНК с нуля, не используя готовых нуклеотидов. «Мир РНК», несмотря на свою привлекательность, оказался мифом.
Второй подход – развивают сторонники метаболизма. Они утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или другого генетического вещества. Вместо этого утверждается, жизнь началась (необходимое условие) с механизма получения и использования энергии. Перед тем как организм сможет размножаться, говорят они, он должен стать самодостаточным.
Он должен иметь возможность поддерживать себя в живом состоянии. Гюнтер Вахтершаузер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знали». Они не были сделаны из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК. Поворотным моментом этой теории зарождения жизни стало создание с нуля первого метаболического цикла веществ.
Метаболические циклы не очень похожи на жизнь.поэтому Вахтершаузер называл свои находки «прекурсорными организмами» и писал, что их «едва ли можно называть живыми». Это процесс, в котором одно химическое вещество превращается в ряд других химических веществ, пока в конце концов не будет воссоздано исходное, завершающее цикл.
Напрашивается аналогия с бесключевой атакой на шифр RSA: блок шифрованного текста возводится многократно в степень открытого ключа по модулю шифра; запоминаются результаты двух последовательных шагов; до тех пор, пока не будет получен исходный шифрованный блок. Этот факт указывает, что на предыдущем шаге, очевидно, был блок исходного текста, который и был зашифрован.
К этому подходу примыкает важное исследование Питера Митчелла, который не исключал клетку с ее полупроницаемой мембраной.
Питер Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится на мембране клетки. Он сделал вывод, что клетка закачивает извне заряженные частицы, называемые протонами, внутрь через мембрану, и поэтому по одну сторону можно увидеть множество протонов, в то время как с другой стороны их почти нет. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы упоминали, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми. Но Митчел продолжал работу.
Он строго показал важную вещь, что к аденозину прикреплена цепочка из трех фосфатов. На присоединение третьего фосфата уходит много энергии, которая позже заключается в АТФ. Энергия при необходимости выделяется в результате последующего ферментативного гидролиза АТФ. Ферментативные реакции с участием АТФ осуществляются по двум основным механизмам.
1978 г идея Митчелла восторжествовала, он получил Нобелевскую премию по химии за свою работу по открытию механизма синтеза АТФ. Митчелл показал, что все клетки запасают и хранят энергию в конкретной молекуле – аденозинтрифосфат (АТФ).
В конце 1980-х годов Гюнтер Вахтершаузер предположил, что первые организмы не имели клеток, у них не было ферментов, ДНК или РНК. Вахтершаузер представил поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Эта вода богата вулканическими газами вроде аммиака и содержит следы минералов из сердца вулкана. В частности, металлы из воды помогали простым органическим соединениям сливаться в более крупные.
Важным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество превращается в ряд других химических веществ, пока в конце концов не будет воссоздан исходник. Система, названная «прекурсорами организмов» накапливает энергию, которая может быть использована для перезапуска цикла — и для других вещей.
Все остальное, из чего состоит современный организм — ДНК, клетки, мозги — появились позже, поверх этих химических циклов. Метаболические циклы вроде тех, что описал Вахтершаузер, лежат в основе всего живого. Ваши клетки — это микроскопические химические синтезаторы (заводики), постоянно перегоняющие одни вещества в другие. Более 10 лет Вахтершаузер работал над теорией, но нужно было реальное открытие в природе или опыт подкрепляющие его идеи.
В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон в океане обнаружила, хребты буквально усеянные горячими источниками. эти гидротермальные источники были густо населены странными животными. Там были огромные моллюски, мидии и кольчатые черви. Вода также была густо насыщена бактериями. Все эти организмы жили на энергии гидротермальных жерл.
В 1981 году Корлисс предположил, что подобные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они стали местом происхождения жизни. В 1988 году С. Миллер писал, что глубоководные жерла были слишком горячими для жизни.
В 1980-х геолог М Расселл обнаружил гидротермальные источники, содержащие минерал пирит, состоящий из железа и серы, и в которых температуры не превышали 150°С.Также обнаружил, что пирит может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур.
Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря — и возможно, что началом живого явился природный метаболизм, манипулирующий энергией.
в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера Рассел опубликовал все это в статье со ссылками на результаты Питера Митчелла по АТФ. Расселл сделал еще один логический шаг: жизнь должна была сформироваться где-то с естественным протонным градиентом. Источники Корлисса не очень подходили. Они были не только слишком горячими, но еще и кислыми, а для градиента они нужна щелочная среда. И тут повезло теории.
В 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные источники (жерла, окруженные пористой породой). Эти щелочные жерла и поры-кармашки в роли клеток идеально вписывались в идеи Расселла.
В 2003 Расселл, объединившись с биологом Уильямом Мартином, представили улучшенный вариант прежних идей. Такой сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной из ведущих гипотез о происхождении жизни.
В июле 2016 года сюжет получил поддержку, когда Мартин опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали «последнего универсального общего предка» (LUCA). Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая сегодня жизнь.
Что сделал Мартин? Он в эксперименте исследовал гены ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех. Это убедительно говорило о передаче этих 355 генов, через поколения и поколения, от общего предка — примерно того времени, когда жил последний универсальный общий предок.
Следующий шаг сделал Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», который имитирует условия внутри щелочного источника. Он надеется увидеть метаболические циклы, а может даже и молекулы вроде РНК. Но пока еще рано заявлять об этом.
Проблема «метаболического цикла» заключается в расположении источников в глубоком море. Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы вроде РНК и белков не могут формироваться в воде без вспомогательных ферментов.
К началу 2000-х годов ученые выделили две ведущие идеи о том, как могла появиться жизнь. Сторонники «РНК-мира» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы. В то же время ученые в лагере «сначала метаболизм» считают, что жизнь могла появиться в гидротермальных жерлах источников тепла и веществ.
После 40 лет работы с предположением, что первые клетки должны были собираться постепенно, по частям, а в подтверждающих теорию экспериментах использовать только необходимые вещества были слишком чистыми. Нужен, был «мир вперемешку». Гюнтер Вахтершаузер подметил это, когда предположил, что жизнь образовалась на основе железного пирита, случайно оказавшегося по близости от источников
Аналогичным образом, Расселл подчеркивал, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут выступать в качестве катализаторов — и исследование Мартина выявило множество ферментов на основе железа у последнего универсального общего предка (LUCA).
Третий подход. Его сторонники выбрали альтернативой — «сперва компартментализация». Необходимое условие — клетка, а достаточные условия не рассматриваются. Подход представлен работой Пьера Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме, Италия и подкреплена серией необычных экспериментов, реализующих способы создать целую клетку с нуля, в рамках гипотезы «сперва компартментализация».
Каждое живое существо на Земле состоит из клеток. Каждая клетка — это по сути мягкий шарик, мешочек, с жесткой внешней стенкой, или «мембраной». Задача клетки — удерживать все предметы первой необходимости вместе. Если наружная стенка порвется, внутренности выльются наружу, и клетка умрет — так же, как и выпотрошенный человек.
Наружная стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни даже считают, что она появилась прежде всего. Сторонники этого подхода считают гипотезы «сперва генетика (РНК)», и «сперва метаболизм» ошибочными и жестко их критикуют.
В 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит ( глина) выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? А сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя?
В 1994 году Луизи сделал дерзкое предположение, первые протоклетки уже содержали РНК, и она должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки. Протоклетка могла бы делиться на дочерние клетки, но без наличия генов не передавала бы никакой информации о себе потомству.
В 2001 году Шостак и Луизи объединили усилия и изложили свое видение этого единого подхода в работе, опубликованной в Natire. Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Когда внутрь добавили малые частички глины под названием монтмориллонит.
Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступила катализатором, как некий фермент. Более того, везикулы могли поглощать, как частицы монтмориллонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки-везикулы уже содержали гены и катализатор, они могли расти, накапливая в себе РНК.
В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука. Когда Чжу «кормил» такие протоклетки жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки, которые при легких усилиях распадались на везикулы.
Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК родительской протоклетки и не теряла ни одной РНК. Более того, протоклетки могли повторять этот цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблемы (деление протоклетки), похоже, решили.
Теперь Шостаку нужно было заставить РНК внутри клеток воспроизводиться. Пребывая в тупиковой ситуации Шостак обратился к давним работам Оргела.
К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов. Ученица Шостака Катаржина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках. Для такой реакции требовался магний, но оказалось, что он разрушал саму клетку (оболочку).
В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. В 2013 году, добавили цитрат в протоклетку и обнаружили, что тот обволок магний, защищая стенки протоклетки и позволяя шаблону РНК продолжать копироваться.
Наконец создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться, и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они становятся похожими на первую возникшую жизнь.
Подход Шостака идет вразрез с 40 годами всех исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу. Это новый очередной подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу.
Четвертый подход «все и сразу» Шостака и Сазерленда предлагает пока лишь отрывочные повествования, представлен Джоном Сазерлендом (John Sutherland) — сеть реакций авторы назвали цианосульфидным протометаболизмом.
«ДНК через РНК обеспечивает синтез белков, и все это в ограниченной мембраной клетке (мешочке) с химическими веществами», — говорит Джон Сазерленд. — «Вы смотрите на это и поражаетесь, насколько это сложно. Что нам сделать, чтобы найти органическое соединение, которое будет делать все это за один раз?».
Лесли Оргел намеревался упростить задачу. В 1968 он предположил, что в первых живых клетках содержались только РНК (не было ни белков, ни ДНК). В этом случае первичные молекулы РНК должны были быть универсальными. К примеру, обладать способностью самовоспроизведения, что появилась раньше прочих функций. Но природа не давала таких подтверждений. .
Теплая лужа — это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом. Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов.
«Задачи уже не кажутся невыполнимыми»— оптимистически заявляет химик Джон Сазерленд из Кембриджа. Он и его коллеги еще в 2009 году представили сильный аргумент в пользу гипотезы мира РНК, утверждая, что первой биомолекулой была РНК, и она не только хранила генетическую информацию, но выступала катализатором других важных реакций. Сазерленд показал, что два из четырех нуклеотидных оснований РНК могут возникнуть самостоятельно, в реакциях с участием ацетилена и формальдегида.
Армен Мулкиджанян из университета Оснабрюк в Германии обратил внимание ученых на химический состав клеток: в частности, какие вещества они принимают (фосфор, калий и др. металлы), а какие отвергают (например, натрий).
В начале 80-х Шостак наглядно продемонстрировал, как человеческие гены защищают себя от процесса старения. Это раннее исследование позднее приведет его в число лауреатов Нобелевской премии.
Он утверждал, что проблема состоит в том, что ученые не могут повторить в лаборатории начало возникновения жизни на Земле, так как нет ответа на 3 вопроса:
-
Какая энергия и откуда могла бы заставить молекулу РНК удваиваться.
-
Как простые пептиды развились в ферменты.
-
Возможны ли разные формы жизни и можно ли их создать в лаборатории?
Источник клеток. Шостак и Луизи экспериментировали с везикулами (Везикулы – это простые контейнеры, состоящие из липидов, стали называться протоклетками) – сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит (Образуется такая глина, когда вулканический пепел расщепляется погодой).
Рост клеток. Везикулы с этой добавкой начали формироваться в 100 раз быстрее, и обнаружилось, что эти протоклетки могут расти сами по себе, могут взять жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент.
Репликация РНК клеток. Шостак и его ученица Катаржина Адамала попыталась запустить реакцию репликации РНК в протоклетках. Обнаружилось, что для работы такой реакции нужен магний. Но добавляемый магний разрушал (уничтожал) оболочку протоклетки. Впрочем, вскоре было найдено и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках.
В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая оболочку протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться. Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. «Мы запустили химию репликации РНК внутри этих жирно-кислотных везикул», говорит Шостак. Основу всего живого составляют — пептиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Синтез РНК клетки с нуля. К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Построить нуклеотиды строительные блоки РНК в условиях атмосферы ранней Земли не удавалось. Сазерленд мог хорошенько обдумать (1980–2009), почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно. Молекулы просто по форме не подходили.
Решили взять за основу другие вещества: пришли к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. В 2015 г. — Сазерленд показал, что два из четырех нуклеотидных оснований РНК могут возникнуть самостоятельно, в реакциях с участием ацетилена и эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания. Это был большой успех.
В 2001 году следующий прорыв совершил бывший ученик Шостака – Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Он создал фермент РНК под названием R18, который содержал 189 нуклеотидов, и мог добавлять в нее еще 11 новых нуклеотидов в цепочку РНК на основе уже существующих. Другими словами, фермент не просто добавлял случайные нуклеотиды, а точно копировал последовательность. До самовоспроизводящихся молекул было еще далеко, но направление было верным.
1977 команда Джека Корлисса из Университета штата Орегон совершила погружение в воды восточного Тихого Океана на глубину 2,5 километра (1,5 мили). Ученые изучали Галапагосский горячий источник в месте, где со дна поднимались хребты горных пород. Хребты, как было известно, были изначально вулканически активными.
Корлисс обнаружил, что хребты были практически усеяны горячими источниками. Горячая и насыщенная химическими веществами вода поднималась из-под морского дна и вытекала через отверстия в скалах. Поразительно, но эти «гидротермальные жерла» были густо населены странными созданиями. Это были огромные моллюски нескольких видов, мидии и кольчатые черви.
Вода также была полна бактерий. Все эти организмы жили за счет энергии из гидротермальных жерл. В 1981 году Джек Корлисс предположил, что подобные жерла существовали на Земле 4 миллиарда лет назад и именно вокруг них зародилась жизнь. Всю свою дальнейшую карьеру он посвятил разработке данной идеи.
1993 году, спустя 40 лет после классического эксперимента Миллера. Расселл предположил, что жизнь зародилась на глубине моря, а первым появился метаболизм. Приблизительно в то же время Вахтершаузер начал публиковать свои теории, базирующиеся на том, что поток воды, богатой на химикаты, вступал во взаимодействие с неким минералом. Он даже предположил, что этим минералом мог быть пирит. Расселл объединил две разные идеи (метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные жерла Корлисса) в одну довольно убедительную концепцию.
Заключение
Все живые организмы произошли из неживой природы, постепенно усложнялись в ходе эволюции и естественного отбора и затем разделились по способу питания.
Научный авторитет или определенные успехи в исследованиях зарождения жизни на Земле привели к возникновению трех направлений в этой области. Каждое из направлений определялось тем, что ставилось во главу угла, а именно: приверженцы «мира РНК» считали, что главной функцией возникающей жизни является воспроизводимость и размножение организмов, и если это обеспечить, все остальное приложится позднее.
Сторонники идеи метаболизма считали главным в жизни обеспечение ее поддержания и развития, для чего необходимы получение с накоплением и расходованием энергии. Третье направление считало, что без оболочки, без клетки удержать необходимые для создания жизни химические вещества невозможно. Поэтому первой должна возникать клеточная мембрана, т.е. сама клетка.
Приведены авторские замечания по поводу предположений, допущений, гипотез в теоретических построениях и моделировании явлений, подтверждающих высказываемые положения:
-
почему все теоретические построения связываются с клеткой (жизнь ведь может быть и бесклеточной) ;
-
клетка сразу предполагается с конечным временем жизни (смертной) и отсюда требование ее воспроизводства и размножения ;
-
выбор исходных реагентов для первичных химических реакций диктуется наблюдениями за земной жизнью (весьма жесткое ограничение) ;
-
поиски механизмов получения энергии, информации копируют аналоги жизни на Земле;
-
шкала (иерархия) уровней строится на концепции многоклеточных существ.
Основные научные события и факты в хронологическом порядке, связанные с именами первопроходцев, изучающих возникновение живой материи на Земле.
Приведены схема, разнообразия живых организмов Земли, отражающие современные научные взгляды на жизнь
Литература
1. Ахундова Э.М, Салаева С.Д. Генетика: вопросы и ответы.– Баку, 2019.– 381 с.
2. Бауэр Э.С. Теоретическая биология. — СПб.: Росток, 2002. -350 с.
3. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание.-М: Иностранная литература,1961.-151с.
4. Вилли К., Детье В. Биология. -М.: Мир, 1974. -824 с
5. Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора. -СПб.: Наука, 1991.-539 с.
6. Коштоянц Х.С. Основы сравнительной физиологии. М.АНСССР, 1957.-635с.
7. Медников Б.М. Аксиомы биологии. — М.: Знание, 1982. -136 с.
8. Шрёдингер Э.Что такое жизнь с точки зрения физика.М.:Атомиздат,1972.-88с.
9. Энгельс Ф. Диалектика природы. Л.: Гос. изд-во политической литературы,1952.-328 с.
10. Гринев В.В. Генетика человека. – Минск: БГУ, 2006. – 131 с.
11. Гусейнова Н.Т. Цитология: Учебник. – Баку, 2018. – 224 с.
12. Курчанов Н.А. Генетика человека с основами общей генетики: Учебное пособие. – СПб.: СпецЛит, 2005. – 185 с.
13. Стволинская Н.С. Цитология / Н.С.Стволинская.–М.:Прометей, 2012.– 208 с.
14. Цаценко Л.В., Бойко Ю.С. Цитология. – Ростов-н/Д: Феникс, 2009. – 186 с.
15. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию.–М.:Академкнига, 2004– 495 с.
16. Ченцов Ю.С. Общая цитология: Учебник. – М.: МГУ, 1984. – 442 с.
17. Ляпун И.Н., Андрюков Б.Г., Бынина М.П. Культура клеток HeLa: бессмертное наследие Генриетты Лакс. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2019;37(4):151- 157 . https://doi.org/10.17116/molgen201937041
18. Гусейнова Н.Т., Мамедова Р.Ф. Клетка – основа жизни на земле // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2019. № 11 (65). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/8094 (дата обращения: 09.05.2023).
19. Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy & John D. Sutherland. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism // Nature Chemistry. Published online 16 March 2015. DOI: 10.1038/NCHEM.2202.
20. https://www.simonsfoundation.org/wp-content/uploads/2014/08/simons_life_science_043-copy.jpg
21. https://static01.nyt.com/images/2011/10/18/science/18CONV/18CONV-jumbo.jpg
22. https://storify.com/maceycleary/dr-jack-szostak-the-origin-of-cellular-life
