Последние 40 лет Дэвид Димер (David Deamer) одержим мембранами. Если конкретно, его внимание привлекли к себе клеточные мембраны, как называют маслянистую оболочку, в которой заключены наши клетки. Они кажутся ничем не примечательными, однако Димер, работающий биохимиком в Калифорнийском университете в Санта-Крузе, убежден, что эти мембраны стали причиной появления жизни. Он считает, что на ранних стадиях развития Земли мембраноподобные структуры обволакивали химические вещества и служили инкубатором для возникновения реакций, в результате которых появились первые биологические молекулы.
Одной из величайших первоначальных задач для возникновения жизни было превращение простых и обычных молекул в сложные молекулярные образования. Самым важным результатом данного процесса стало появление рибонуклеиновой кислоты, которую ученые давно уже считают первой биологической молекулой. РНК это полимер, химическая цепочка, состоящая из повторяющихся звеньев. Доказано, что в условиях, похожих на ранние земные, возникнуть таким образованиям было чрезвычайно трудно.
Коллектив Димера показал, что мембрана может не только служить коконом для таких химических метаморфоз, но и активно подталкивать эти процессы. Мембраны состоят из липидов — жирных и маслянистых молекул, которые не растворяются в воде и могут спонтанно образовывать крошечные скопления. В 1980-е годы Димер продемонстрировал, что ингредиенты для формирования таких скоплений на Земле в ее ранней стадии развития имелись в изобилии. Он нашел и собрал формирующие мембраны сложные химические вещества с метеорита Мерчисона, взорвавшегося в небе над Австралией в 1969 году. Позднее Димер обнаружил, что липиды помогают формировать полимеры РНК, а затем покрывают их защитной оболочкой, создавая примитивные клетки.
В последние годы ученый развил свою идею первоначального формирования мембран, создав комплексную концепцию возникновения жизни. Согласно такой модели, протоклетки на Земле на раннем этапе ее существования состояли из разных компонентов. Некоторые из этих ингредиентов могли способствовать возникновению протоклетки, стабилизировав ее защитную оболочку либо дав ей доступ к источнику энергии. В какой-то момент одна или более РНК выработали способность к репродуцированию, и начала возникать жизнь в известной нам форме.
Димер считает, что вулканические массивы суши, подобные сегодняшней Исландии, могли стать благоприятной средой для появления таких протоклеток. Бассейны пресной воды, рассеянные по выбрасывающим пар гидротермальным участкам земной поверхности, циклически нагревались и остывали. В ходе таких циклов могли накопиться необходимые ингредиенты, включая липиды и элементы структуры РНК, а также могла возникнуть энергия, необходимая для соединения таких элементов в биологические полимеры. Сейчас Димер пытается воссоздать такие условия в лаборатории. Его цель — синтезировать полимеры РНК и ДНК.
Корреспондент Quanta Magazine побеседовал с Димером во время конференции о происхождении жизни, которая состоялась в начале года в Галвестоне, штат Техас. Ниже приводится отредактированная и сокращенная версия этого интервью.
Quanta Magazine: Какие самые крупные достижения у ученых, стремящихся понять истоки происхождения жизни? Какие вопросы еще предстоит решить?
Дэвид Димер: Мы добились немалых успехов с 1950-х годов. Мы пришли к выводу, что изначально жизнь зародилась как минимум 3,5 миллиарда лет назад, а я считаю, что примитивные формы жизни появились еще раньше — четыре миллиарда лет назад. Мы также знаем, что в некоторых метеоритах содержатся базовые составляющие жизни. Но нам до сих пор неизвестно, как сформировались первые полимеры.
— У ученых нет единого мнения по поводу определения жизни. НАСА предложила рабочее определение: развивающаяся система, способная к самовоспроизводству. Этого достаточно?
— Жизнь не поддается простому абстрактному определению. Когда я пытаюсь дать определение жизни, я складываю воедино целый набор из десятка характеристик, которые не подходят ни к чему неживому. Некоторые из них очень просты: размножение, эволюция и метаболизм.
— Многие ученые изучают отдельные шаги и этапы в возникновении жизни, скажем, как сделать РНК. Но вы утверждаете, что жизнь это система, и что появилась она как система. Почему?
— ДНК это центр всей жизни, но ее нельзя считать живой, хотя в ней имеется вся информация для возникновения живых существ. ДНК не может воспроизводить себя. Положите ДНК в пробирку с водой, и она постепенно распадется на куски. Так что в идее о том, что отдельные молекулы являются живыми, есть определенные неувязки.
Дабы получить то, что мы называем ростом, нужны звенья ДНК, энзимы для воспроизводства ДНК, а также энергия для осуществления реакции. Теперь мы имеем молекулы, способные воспроизводить себя при наличии определенных ингредиентов. Эти молекулы живые? Пока нет, потому что рано или поздно их звенья изнашиваются, и процесс репродукции останавливается. Так как же нам найти систему, которая является по-настоящему живой? Именно этими поисками занимаемся мы и другие ученые. Единственный способ, который приходит нам в голову, это разместить ДНК в отсеке с мембраной.
— Почему так важны отсеки?
— Машина не сможет ездить, если у нее не будет корпуса, потому что все детали надо собрать воедино. Возникновение жизни и эволюция невозможны без изолированных систем, какими являются отсеки, борющиеся между собой за энергию и питательные вещества. Это все равно что дать химику реагенты без пробирок. Химические реакции проходят в каких-то емкостях, не иначе. На ранней Земле каждая оболочка была экспериментом по созданию жизни.
— Как вы думаете, какой была Земля при возникновении жизни?
— Был мировой океан, видимо, соленый. Были вулканические земные массивы, напоминающие Гавайи, Исландию или даже вулкан Олимп на Марсе. В результате выпадения осадков на островах появлялись водоемы с пресной водой, которые нагревались до точки кипения геотермальной энергией, а затем остывали до температуры окружающей среды. Среди современных примеров гидротермальные водоемы, какие я видел на Камчатке в России, а также Бампас Хелл на горе Лассен в Калифорнии, где мы проводим полевые исследования.
— Почему эти водоемы являются наиболее вероятным местом зарождения жизни?
— В них накапливались органические вещества, попадавшие туда с осадками, выпадавшими на вулканические массивы. Эти водоемы то заполнялись водой, то пересыхали, и там возникала концентрированная пленка из органических веществ, похожая на полоску в грязной ванне. Внутри такой пленки могут происходить интересные вещи. Липиды могут собираться в мембраноподобные структуры, а звенья РНК и прочих полимеров объединяются и создают длинные цепочки.
— Вы обнаружили, что липиды участвуют в формировании РНК. Как это происходит?
— Мы разработали метод соединения отдельных звеньев РНК в длинную цепочку. Начинаем мы с молекул аденозинмонофосфата (АМФ) и уридинмонофосфата (УМФ), которые являются строительными блоками РНК. В воде эти звенья просто растворяются и не могут формировать длинные цепочки. Мы выяснили, что если звенья АМФ заключить между слоями липидов, то они будут выстраиваться в линию. Если их высушить, получается полимер. Этот цикл сушки-увлажнения также создает мелкие частицы липидов, которые обволакивают полимеры.
Сейчас мы пытаемся воссоздать этот процесс в лаборатории, создав условия, которые существуют в геотермальных водоемах. Моделируя то, что происходит на краю таких водоемов, мы используем получасовые «влажно-сухие» циклы. Мы выяснили, что можем делать полимеры длиной от 10 до 100 с лишним звеньев.
— И вы считаете, что именно так все было на Земле?
— Мы проверяем, могло ли увиденное нами в лабораторных условиях возникнуть в местах, напоминающих Землю в ранней стадии развития, скажем, в Бампас Хелл на горе Лассен. Я со своим коллегой Брюсом Деймером (Bruce Damer) побывал там в конце сентября, пытаясь выяснить, могут ли выходящие из фумарол (источник вулканического происхождения с интенсивным выделением пара и газов) горячие газы порождать реакцию, создающую полимеры РНК. Результаты у нас пока предварительные, и их нужно проверять, но мы действительно увидели признаки полимеров.
— Вы сравнили оболочки с пробирками, назвав их экспериментом по созданию жизни. Что вы считаете успешным экспериментом?
— Смысл в том, что каждая оболочка заключает в себе смесь из случайных полимеров. Редкие протоклетки могут вмещать скопления полимеров с определенными функциональными характеристиками. Например, определенные полимеры помогают стабилизировать клеточную мембрану, увеличивая продолжительность ее жизни. Другие делают поры в мембране, давая возможность питательным веществам проникать в клетку. Некоторые клетки служат катализатором химических реакций, преобразуя питательные вещества в нечто такое, что нужно клетке. Энзимы на базе РНК называются рибозимами. Мы хотим попробовать, удастся ли нам найти функциональные полимеры среди триллионов полимеров случайной последовательности, которые мы создаем.
— Каким может быть самое важное открытие в этой системе?
— Если удастся обнаружить репродукцию, это будет великолепно. Для этого нам нужен рибозим, ускоряющий нашу реакцию полимеризации. Но чтобы найти его, нам предстоит проделать большую работу, и до результата пока далеко.
— Когда ученые сумеют сделать жизнь в лаборатории, поймем ли мы, каким образом она возникла на Земле?
— Наверное, нам удастся создать лабораторную жизнь, но я не уверен, что она зародилась именно так. Та жизнь, которую мы пытаемся синтезировать, имеет техническую основу, она создается в лабораторных условиях с чистыми реагентами и так далее. Я не уверен, что мы сможем назвать это происхождением жизни, пока она не превратится в саморазвивающуюся систему, пока мы не поместим эту систему во внешнюю среду и не увидим ее рост.
Хотя мы никогда не узнаем со стопроцентной точностью, как началась жизнь, вполне возможно, что нам удастся понять, как может зародиться жизнь на пригодной для нее планете, скажем, на ранней Земле, а может, и на Марсе.
