Таємниця появи життя Землі
Таємниця появи життя Землі. Частина п'ята: так як же створити клітину?
На початку 2000-х років вчені виділили дві провідні ідеї про те, як могло з'явитися життя. Прихильники «РНК-світу» були переконані, що життя почалося з молекули, що самовідтворюється. У той же час вчені у таборі «спочатку метаболізм» вважають, що життя могло з'явитися у гідротермальних жерлах на дні океану. І все-таки на передній план вийшла третя ідея.
Кожна жива істота Землі складається з клітин. Кожна клітина - це по суті м'яка кулька, мішечок, із жорсткою зовнішньою стінкою, або «мембраною». Завдання клітини - утримувати всі предмети першої необхідності разом. Якщо зовнішня стінка порветься, нутрощі виллються назовні і клітина помре - так само, як і випотрошена людина.
Зовнішня стінка клітини настільки важлива, деякі дослідники походження життя навіть вважають, що вона з'явилася передусім. Вони вважають, що підходи «спочатку генетика», який ми обговорили у другій частині, та «спочатку метаболізм», який ми обговорили у четвертій частині, є помилковими. Їхня альтернатива — «спочатку компартменталізація» — представлена П'єром Луїджі Луїзі з Університету Рома Тре у Римі, Італія.
Ідея Луїзі проста, і з нею важко сперечатися. Яким чином ви зібралися створювати робочу метаболічну систему або РНК, що самовідтворюється, кожен з яких спирається на наявність великої кількості хімічних речовин в одному місці, якщо ви спочатку не зробите контейнер, який утримує всі молекули разом.
Якщо ви з цим згодні, є лише один спосіб, з якого могло розпочатися життя. Якимось чином, у спеці та бурі ранньої Землі, кілька сирих матеріалів склалися у грубі клітини, або «протоклітки». Залишилось тільки повторитице у лабораторії: створити просту живу клітину.
Ідеї Луїзі можна простежити аж до Олександра Опаріна та світанку науки про походження життя в СРСР, яких ми обговорили у першій частині. Опарін підкреслив той факт, що деякі хімічні речовини утворюють згустки коацервати які можуть тримати інші речовини всередині. Він припустив, що коацервати були першими протоклетками.
Будь-яка жирна або масляниста речовина утворюватиме згустки або плівки у воді. Ці хімічні речовини відомі загалом як ліпіди. Відповідно, гіпотезу про те, що з них почало життя, назвали «ліпідним світом».
Але просто сформувати згустки недостатньо. Вони мають бути стабільними, вміти ділитися на «дочірні» згустки і хоч трохи контролювати, що проходить усередину і виходь назовні — і все це без складних білків, які використовують сучасні клітини для цих завдань.
Постало завдання зібрати такі протоклетки з усього необхідного матеріалу. Незважаючи на безліч спроб за багато років, Луїзі так і не зробив нічого хоч трохи переконливого. І тоді, 1994 року, він наважився зробити зухвале припущення. Він припустив, що перші протоклетки мали містити РНК. Понад те, ця РНК мала вміти відтворюватися всередині протоклетки.
Якось клітина все ж таки з'явилася
І ось його гіпотеза стала дуже складною і відійшла від чистого підходу «спочатку компартменталізація». Але у Луїзі були вагомі докази.
Клітина із зовнішніми стінками, але без нутрощів, мало що може. Можливо, вона могла б ділитися на дочірні клітини, але не передавала ніякої інформації про себе потомству. Вона могла почати розвиватися і ставати складнішою лише за наявності деяких генів.
Незабаром ця ідея набула сильногоприхильника в особі Джека Шостака, роботу якого на тему «світу РНК» ми вивчили у третій частині. Луїзі був членом табору «спочатку компартменталізація», Шостак підтримував «спочатку генетику», і багато років вони не зустрічалися віч-на-віч.
«Ми зустрічалися на зборах на тему походження життя і розпочинали ці довгі дискусії на тему того, що було важливіше і що прийшло першим», згадує Шостак. «Нарешті, ми зрозуміли, що клітини мали й те й інше. Ми дійшли спільної думки, що для виникнення життя важливо мати і компартменталізацію, і генетичну систему».
То була радикальна ідея. Незабаром Шостак вирішив повністю присвятити себе їй. Розсудивши, що «ми не можемо викладати цієї теорії, нічим її не підкріпивши», він вирішив почати експериментувати з протоклетками.
Через два роки Шостак та двоє його колег оголосили про великий успіх.
Везикули – це прості контейнери, що складаються з ліпідів.
Вони експериментували з везикулами: сферичними краплями із двома шарами жирних кислот на зовнішній стороні та центральним рідким ядром. Намагаючись знайти спосіб прискорити створення везикул, вони додали малі частинки глини під назвою монтморилоніт. Везикули почали формуватися у 100 разів швидше. Поверхня глини виступили каталізатором, як фермент.
Більш того, везикули могли поглинати як частинки монтморрілоніту, так і ланцюги РНК з поверхні глини. Тепер ці протоклетки вже містили гени та каталізатор, і всі з однієї простої добавки. Рішення додати монтморилоніт було прийнято не просто так. За кілька десятиліть багато робіт припустили, що монтморилоніт і подібні до нього глини могли мати важливе значення для походження життя.
Монтморіллоніт – це звичайна глина. В даний час вона використовується для самихрізних справ, з неї навіть котячий наповнювач роблять. Утворюється вона, коли вулканічний попіл розщеплюється погодою. Оскільки рання Земля рясніла вулканами, здається ймовірним, що на ній було і багато монтморилоніту.
Ще 1986 року хімік Джеймс Ферріс показав, що монтморилоніт виступає каталізатором, який допомагає формуватися органічним молекулам. Пізніше він виявив, що глина також прискорює формування малих РНК.
І тоді Ферріс припустив, що ця непоказна глина могла бути місцем зародження життя. Шостак прийняв цю ідею і включив її в роботу, використовуючи монтморилоніт для будівництва своїх протокліток. Через рік Шостак виявив, що його протоклетки можуть рости самі по собі.
Чим більше молекул РНК виявлялося в протоклетці, тим вищий тиск на зовнішню стінку. Схоже, шлунок протоклетки був забитий і вона була готова сходити по-великому. Щоб компенсувати це, протоклетка прийняла більше жирних кислот і включила їх у стінки, завдяки чому ще більше роздулася і послабила напругу.
Що важливо, вона взяла жирні кислоти з інших протокліток, в яких було менше РНК, змусивши їх скоротитися. Начебто протоклетки суперничали і та, яка мала більше РНК, перемагала. Але якщо протоклетки можуть зростати, може вони й можуть ділитися? Чи зможе протоклетка Шостака відтворити себе?
Перші експерименти Шостака показали, що спосіб поділу протокліток справді є. Якщо стиснути її в невеликому отворі і витягнути в трубочку, протоклетка розривається, формуючи дочірні протоклетки. Ця ідея була непоганою, тому що в ній не брав участі ніякий механізм клітин: просто тиск. Але таке рішення було не найкращим, оскільки протоклетки втрачали частину вмісту у цьому процесі. Це також означало, щоперші клітини могли ділитися лише проштовхуючись через крихітні отвори.
Існує безліч способів змусити везикули ділитися. Наприклад, можна додати сильний потік води. Залишилося лише змусити протоклетки ділитися та не втрачати кишки. У 2009 році Шостак та його студент Тінг Чжу знайшли рішення. Вони зробили трохи складніші протоклетки із зовнішніми стінками в кілька шарів, що нагадують шари цибулі. Незважаючи на таку складність, ці протоклетки все ще просто створити.
Коли Чжу годував їх жирними кислотами, протоклетки росли та змінювали форму, витягаючись у довгі канатоподібні ланцюжки. Після того, як протоклетка ставала досить довгою, легкої прикладеної сили достатньо, щоб розбити її на десятки дрібних дочірніх протокліток.
Кожна дочірня протоклетка містила РНК батьківської протоклетки і втрачала жодної РНК. Понад те, протоклетки могли повторювати цикл постійно, дочірні протоклетки росли і ділилися. Цю частину проблему, схоже, вирішили.
У наступних експериментах Чжу та Шостак знайшли ще більше способів змусити протоклетки ділитися. Але все одно протокліткам багато бракувало. Луїзі хотів, щоб протоклетки тиражували РНК, але РНК просто сиділа в них і нічого не робила. Щоб показати, що його протоклетки могли бути першим життям на Землі, Шостаку треба було змусити РНК усередині них відтворюватись.
Це було нелегко, оскільки, незважаючи на десятиліття спроб, викладених у третій частині, ніхто так і не зміг змусити РНК самовідтворюватися. Ця ж проблема загнала Шостака в кут під час його перших робіт над «світом РНК» і нікому іншому не вдалося її вирішити. Тому він повернувся та перечитав роботу Леслі Оргела, який так довго працював над гіпотезою РНК-світу. У цих курних паперахвиявились цінні підказки.
По суті, все просто. Візьміть один ланцюг РНК та набір вільних нуклеотидів. Потім, використовуючи ці нуклеотиди, зберіть другий ланцюг РНК, комплементарний першим. Наприклад, ланцюг РНК CGC зробить комплементарний ланцюг GCG. Зробивши це двічі, ви отримаєте копію оригінальної CGC, тільки манівцем.
Оргел виявив, що за певних обставин ланцюги РНК можуть копіюватися таким чином без допомоги ферментів. Можливо, саме так перше життя створило копії своїх генів.
До 1987 року Оргел міг узяти ланцюг РНК завдовжки 14 нуклеотидів і створити доповнюючі ланцюга довжиною теж 14 нуклеотидів. Більше йому зробити не вдалося, але цього було достатньо, щоб зацікавити Шостака. Його учениця Катажина Адамала спробувала запустити таку реакцію у протоклітках.
Вони виявили, що для роботи такої реакції потрібний магній. Але магній знищив протоклетки. Втім, було і просте рішення: цитрат, який майже ідентичний лимонній кислоті і який присутній у всіх живих клітинах.
Протоклетки Шостака можуть жити у сильному теплі
Усього за десять років досліджень команді Шостака вдалося здійснити неймовірне.
Вони створили протоклетки, які зберігають свої гени, забираючи при цьому корисні молекули зовні. Ці протоклетки можуть зростати і ділитися і навіть змагатися між собою. РНК може відтворюватися всередині них. З якого боку не глянь, вони були схожі на перше життя.
Ще вони були дуже стійкими. У 2008 році група Шостака виявила, що ці протоклетки можуть переживати нагрів до 100 градусів за Цельсієм, температури, яка знищує більшість сучасних клітин. Отже, ці протоклетки були схожі на перше життя, яке мало переживатисильне тепло від постійних ударів метеоритів.
"Шостак робить велику роботу", каже Армен Мулкіджанян.
Проте, на перший погляд, підхід Шостака йде врозріз із 40 роками досліджень походження життя. Замість того, щоб спантеличитися «спочатку відтворенням» або «спочатку компартменталізацією», він вирішив робити обидві справи відразу.