В 1760-х годах Спалланцани показал, что в гниющем органическом веществе, если его предохранить от мышей и мух, не заводятся ни мышата, ни черви (личинки мух). В 1860-х годах Пастер доказал с помощью изящных опытов, что даже микробы происходят не из отбросов или химических веществ, а только от предсуществующих микробов. Для мира, который верил во всемогущего создателя, результаты этих опытов означали крах идеи самопроизвольного зарождения жизни. Вопрос о происхождении жизни возвратился из области науки в сферу философии, к которой многие относят его до сих пор. В нашем веке А. И. Опарин и Дж. Холдейн выдвинули предположение о том, что жизнь возникла в результате взаимодействия органических соединений, которые образовывались в бескислородных условиях, преобладавших на юной Земле. После опубликования этих гипотез некоторые ученые стали рассматривать вопрос о происхождении жизни как экспериментальную проблему. Открытие Миллера, установившего, что аминокислоты легко и довольно быстро образуются из неорганических предшественников, привело к новой области лабораторных исследований, которую называют «экспериментами по моделированию первичной Земли», «пребиотической химией» или «экспериментальной химической эволюцией» и которая породила обширную литературу.
К проблеме происхождения жизни есть несколько лабораторных подходов, хотя о некоторых из них пуристы злословили, что это якобы просто никуда не годная экспериментальная органическая химия. Один из подходов состоит в том, что создают среду, предположительно сходную с гадейской, вносят в нее неорганические реагенты и подводят энергию, а затем среди продуктов реакций разыскивают молекулы, имеющие важное значение для современной жизни. При другом подходе точно задают все переменные — например, количества и типы исходных веществ, pH, физические условия (скажем, модель океанского побережья с суточными изменениями температуры и освещенности), содержание солей в среде. При каждом добавлении веществ или изменении условий исследователь пытается идентифицировать образующиеся соединения, их выход и механизмы их синтеза. В обоих подходах предполагается, что вещества, важные для современных живых систем, были также важными предшественниками жизни. Тот факт, что из водорода, кислорода, азота, источников углерода и энергии в лаборатории можно легко получать углеводороды, жирные кислоты, бензольные и фенольные соединения, аминокислоты и многие другие хорошо известные органические вещества, подкрепляет гипотезу о том, что жизнь возникла из космических компонентов в бескислородных условиях. Действительно, органические соединения, находимые в метеоритах, очень сходны с теми, которые образуются в модельных экспериментах. Те и другие даже более сходны между собой, чем с органическим веществом, синтезируемым живыми клетками. Однако провести четкую границу между биотически и абиотически образуемыми веществами невозможно. Как правило, абиотическим путем почти независимо от используемого источника энергии получаются рацемические смеси и более широкое разнообразие изомеров и соединений, чем то, которое имеется в современной биоте. Не было найдено таких абиотических условий, при которых получались бы весьма специфические наборы изомеров и высокомолекулярных веществ, образующиеся в живых клетках.
По общему мнению, солнечный ультрафиолет, с которым поступала большая часть энергии, играл более важную роль, чем другие источники. Обычно считают (хотя по этому пункту нет единодушия), что в архее поток ультрафиолетовой радиации у поверхности Земли до накопления O2 в атмосфере, вероятно, был главным источником энергии и для пребиотического органического синтеза, и для таких ранних биологических процессов, как индукция лизиса и трансдукция с помощью бактериофагов. Были сделаны оценки того, в какой степени повышалась защита земной поверхности от солнечного ультрафиолета кислородом и озоном. Однако вопрос о том, когда закрылось ультрафиолетовое окно для длин волн менее 310 нм, вызывал много споров. Вероятно, где-то в архее ультрафиолетовая радиация перестала быть как угрозой для жизни, так и источником энергии для нее же.
В лабораторных опытах по абиогенезу биологически важные органические вещества получаются главным образом при слабощелочных и полностью анаэробных условиях. В кислой среде образуются пиперазины и другие соединения, обычно не встречающиеся в живых организмах; в присутствии же кислорода органические соединения вообще не образуются. Содержание водорода в реакционной смеси также влияет на выход органических веществ: повышение количества Н2 приводит к снижению общего выхода аминокислот, хотя качественный состав их не изменяется. Наиболее вероятное исходное вещество для синтеза определенных аминокислот и нуклеотидов — цианистый водород. Проблема образования низкомолекулярных органических компонентов представляется более или менее решенной, но как происходила агрегация органического вещества? Как полимеризовались мономеры? Как к новым органическим агрегатам передавалась информация и как создался надежный механизм наследственности? Расстояние, отделяющее самую сложную смесь органических веществ от простейшей клетки, все еще предстоит преодолеть как в теории, так и в лаборатории.
Появились сообщения о том, что в предполагаемых условиях ранней Земли происходила полимеризация аминокислотных остатков с образованием как пептидных, так и непептидных связей. Формировались также сложные микроструктуры, некоторые из них, по-видимому, с каталитической активностью. Однако абиотическое образование каталитически активных полимеров аминокислот может не иметь прямого отношения к происхождению жизни, так как полипептиды не обладают тенденцией к самовоспроизведению. Кроме того, поскольку все аминокислоты в современных белках соединены только пептидными связями, трудно поверить, что другие типы связей когда-либо имели отношение к эволюционирующим системам. Если не считать определенных небольших пептидов, таких как грамицидин и пентапептиды в бактериальных клеточных стенках, аминокислоты полимеризуются в полипептиды на нуклеопротеидных рибосомах с участием транспортных и информационных РНК. Существование первичной живой системы, синтезирующей белки в отсутствие репликации нуклеиновых кислот, кажется неправдоподобным; но если даже так было, то катализ, возможно, осуществлялся «ферментами» полинуклеотидной природы. Уайт высказал предположение, что ранние живые системы использовали полинуклеотидные фрагменты, обладавшие некоторыми каталитическими свойствами в отношении полимеризации нуклеиновых кислот. Этим можно объяснить тот факт, что многие ферменты (52% из 1750, занесенных в каталог) активны лишь в присутствии коферментов, а большинство этих коферментов — нуклеотиды или явно родственные им вещества. Таким образом, кажется вероятным, что самые ранние системы репликации всецело или в основном базировались на полинуклеотидах — таких же несовершенных и коротких, какими могли быть ранние нуклеиновые кислоты. Нуклеотиды имеют тенденцию образовывать полимеры с комплементарно спаренными основаниями не только по причине их геометрического соответствия, но и потому, что в неводных растворах пары аденин-тимин и аденин-урацил образуются легче, чем пары аденин-аденин, благодаря свойствам электронных конфигураций. Даже очень небольшая точность репликации нуклеиновых кислот, вероятно, с самого начала была обусловлена их взаимодействием с аминокислотами, пептидами или каталитическими нуклеотидами.
Механизм спонтанного (в отличие от ферментативного) образования нуклеотидных полимеров из мономеров загадочен. В результате большинства попыток синтезировать рибонуклеотидные полимеры из мономеров под контролем матрицы получались «неестественные» 2′,5′-связи между нуклеотидами. Однако эксперименты Дэвида Ашера, химика из Корнеллского университета, привели к мысли о циклическом пути синтеза ранних пребиотических олигонуклеотидов, что позволило обойти эту трудность. Схема Ашера включает: 1) «сухой» безматричный синтез случайных сополимеров, имеющих как 2′,5′-, так и 3′,5′-связи; 2) переход этих олигомеров в раствор при низкой температуре; 3) преимущественный гидролиз 2′,5′-связей в образующихся коротких спиралях. Эта схема, которая действительно реализуется в лабораторных условиях, могла некогда закрепиться путем отбора как механизм создания длинных комплементарных полинуклеотидов «естественного» типа, т. е. содержащих только 3′,5′-связи. Это означало бы необходимость регулярного ежедневного чередования условий: сухо и тепло (56°С), влажно и тепло, сухо и холодно (5°С), влажно и холодно, влажно и тепло, сухо и тепло и т. д. Однако оценить, в какой степени циклические изменения среды могли влиять на результат пребиотических реакций, дьявольски трудно.
Никакая самореплицирующаяся система (ограниченная мембраной и осуществляющая сопряженную полимеризацию нуклеотидов и аминокислот) еще не была получена в лаборатории из простых предшественников. Однако биологически активные реплицирующиеся полинуклеотиды все же были получены в определенном смысле абиотически. С. Спигелмен синтезировал инфекционные вирусы (как ДНК-, так и РНК-содержащие) из гораздо более простых предшественников. Ему понадобились только очищенный фермент («репликаза», т. е. РНК-зависимая РНК-полимераза), матричная нуклеиновая кислота, по меньшей мере один человек-исследователь и уйма энергии в форме нуклеотидов — предшественников и долларов. В подходящих условиях были изготовлены РНК-вирусы, вполне способные к непрерывной репликации. Аналогичные опыты были проведены с ДНК-вирусами. Для этого потребовались два специфических фермента: ДНК-полимераза и лигаза-фермент, соединяющий концы линейной нуклеиновой кислоты с образованием кольца. Таким образом, по крайней мере инфекционные вирусы могут быть изготовлены в лаборатории. Исследователи просто смешивали в подходящих концентрациях вещества, которые склонны взаимодействовать. Если бы удалось найти естественный феномен, при котором аккумулируются органические вещества, и нечто такое, что выполняло бы функции как самого исследователя, так и ферментов, которые он выделяет из живых клеток, то проблема происхождения простых репликативных систем величиной с вирус была бы решена, по крайней мере в принципе. Главным способом концентрирования могло быть заключение систем белок — нуклеиновая кислота в липопротеидные мембраны.
Почти все мономерные компоненты живой клетки были получены экспериментально в достаточно обычных химических условиях. В таких экспериментах синтезируются разнообразные аминокислоты. Четыре из них образуются особенно легко (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), и они же чрезвычайно распространены в белках. Вероятно, это не простое совпадение. Довольно несложные в химическом отношении, они, можно полагать, были «первыми» аминокислотами. Нынешняя абсолютная необходимость аденозинтрифосфата (АТР) и остальных трифосфатов — предшественников нуклеотидов (GTP, UTP и СТР), вероятно, обусловлена в конечном счете той легкостью, с которой они образовывались в пребиотических химических процессах. Некоторые из источников энергии, использованные в этих экспериментах, ультрафиолетовые лучи и тепло (моделирующее вулканы и горячие источники) — вероятно, не были в гадее и архее обильными. Иных источников, таких как частицы с высокой энергией, получаемые в ускорителях, почти наверняка не было. Однако точное выяснение источников энергии, по-видимому, не имеет решающего значения, если принять во внимание число и разнообразие опытов, в которых был получен довольно большой выход органических соединений, играющих сегодня важную роль в клеточном метаболизме.
Поскольку такие вещества, как порфирины и изопреноиды, не нужны для репликации, их пребиотический синтез, подобно соединению аминокислотных остатков непептидными связями, вероятно, не играл существенной роли. Возможно, что многие органические вещества, которые встречаются не во всех живых клетях и не нужны для их репродукции, сначала возникали абиотически, а затем использовались в качестве пищи или же удерживаясь микробами, поскольку давали им какое-то селективное преимущество. Эти необязательные вещества стали вторичными метаболитами, а первичными были соединения, необходимые для саморепродукции, производные аминокислот, компоненты нуклеиновых кислот. Однако независимо от того, мог ли исследователь идентифицировать эти вещества, образующиеся в его абиотических экспериментах, бактерии их располагали. Даже самые сложные полимеры, называемые в таких экспериментах, будут использованы как пища и съедены, если их не предохранить от носящихся в воздухе бактерий и грибов. В связи с этим опыты по химической эволюции должны проводиться в стерильных условиях.
Хотя на вопрос о том, каким образом из агрегатов органических молекул произошли первые бактерии, еще нет детального ответа, кое-что мало-помалу выясняется.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963