Еще полвека назад размышления о происхождении жизни считались уделом «престарелых ученых, которые могут позволить себе просто сидеть в кресле и рассуждать». На данный момент экспериментальным исследованием этой трудности заняты сотки научных обществ. Их впечатляющие успехи позволяют ложить, что не за горами тот день, когда все этапы долгого и сложного пути от неживой материи к простейшему живому организму можно будет воспроизвести в лаборатории.
Журнал Science начал публикацию серии эссе, посвященных 200-летию Чарльза Дарвина и 150-летию выхода в свет его головного труда — «Происхождения видов». 1-ое эссе, написанное известным американским популяризатором науки Карлом Циммером (Carl Zimmer), ведает о проблеме происхождения жизни — предмете, о котором сам Дарвин фактически ничего не написал, потому что не располагал необходимыми данными. Хотя, разумеется, эта неувязка не могла его не беспокоить.
Из дарвиновской теории следовало, что сходство в строении организмов во многих случаях разъясняется их происхождением от общего предка. Но для вывода о едином происхождении всего живого во времена Дарвина данных было еще недостаточно. Обосновать наличие у всех пород домашних голубей общего предка — дикого голубя — было сопоставимо просто; труднее было сделать такой же вывод обо всём классе птиц; ну а для того, чтобы постулировать общее происхождение таких далеких друг от друга групп организмов, как животные и растения, в те времена нужно было обладать большой научной смелостью. Но Дарвин рискнул сделать этот шаг. В заключительной части «Происхождения видов» он отметил, что «...на основании принципа естественного отбора, сопровождаемого дивергенцией признаков, представляется вероятным, что от какой-нибудь идентичной низкоорганизованной и промежуточной формы могли развиться как животные, так и растения; а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы».
Представления Дарвина о родстве всего живого опирались на известные в то время факты («...все живые существа имеют много общего в их хим составе, в их клеточном строении, в законах их роста и в их чувствительности по отношению к вредным воздействиям...», там же). Но последние сомнения в правильности дарвиновской догадки отпали только во 2-ой половине XX века, когда обнаружилось, что все живые существа имеют один и тот же аппарат наследственности и генетический код. На данный момент не довольно кто колеблется в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка, уже имевшего такой наследственный аппарат и генетический код. Вопрос исключительно в том, откуда этот предок взялся.
Сам Дарвин, по-видимому, фактически не надеялся, что эту тайну когда-нибудь получится разгадать. В некоторых изданиях «Происхождения видов» он даже упоминает о Творце, предположительно «вдохнувшем» жизнь в 1-ый живой организм. Но это, но, могло быть и не совсем искренней уступкой господствовавшим взглядам. Сохранились письма Дарвина сотрудникам и друзьям, из которых видно, что он склонялся к идее абиогенеза — самопроизвольного зарождения первых живых созданий из органических соединений, как-то образовавшихся на старенькой Земле из неорганических веществ. Но он считал, что эту догадку чуток ли получится проверить, потому что в наши дни хоть какое самопроизвольно образовавшееся «в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и т. д.» органическое вещество немедленно будет съедено и переварено живыми организмами — чего, естественно, не вышло бы в те времена, когда жизнь еще не зародилась.
Скептическое отношение к возможности разгадать тайну зарождения жизни сохранялось довольно продолжительно. По словам Хендерсона Кливса (Henderson James Cleaves) из института Карнеги в Вашингтоне, еще лет 50 назад пробы разгадать тайну происхождения жизни считались уделом «престарелых ученых в конце их карьеры, когда они могут просто сидеть в кресле и рассуждать». Вспомним, как Н. В. Тимофеев-Ресовский ехидно отвечал на вопросы о происхождении жизни: «Я тогда маленький был, не помню, вы спросите лучше у академика Опарина, он знает».
Насмешки начали умеренно сходить на нет после тестов Стэнли Миллера, которому удалось в 1953 году синтезировать аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав старенькой атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии. Позже, но, значение тестов Миллера было поставлено под колебание. Согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере старенькой Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Миллера. В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не вожделел. Эту делему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его сотрудникам. Они отыскали, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые стопроцентно могли находиться в первичной атмосфере.
Не считая того, молнии были далеко не единственными производителями органики на старенькой Земле. На сей день известны еще по последней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники.
В целом на сей день абиогенный синтез обыденных органических веществ — «строительных блоков» для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, — уже не является неувязкой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), также другие принципные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться 1-ые репликаторы — молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.
Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, непосредственно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий. Но меж РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в конечном итоге абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в каких из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли показаться абиогенным способом, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие спецы признали необходимость поиска обходных путей.
На сей день удалось нащупать два таких пути. 1-ый из их основан на предположении, что сначала в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в процессе грядущей эволюции были замещены обыкновенными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК , ТНК и ГНК. Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным способом, чем РНК, с другой — стопроцентно способны делать роль «вещества наследственности».
2-ой обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его сотрудниками из Манчестерского института (Великобритания). Они отыскали, что синтезировать РНК куда легче не из готовых огромных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более обыденных органических молекул, таких как формальдегид. Может быть, в процессе хим эволюции меж простейшими органическими веществами и РНК совершенно не было промежуточного шага скопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в какой будут разрешены главные трудности синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции отлично идут при температурах и pH, встречающихся в малеханьких водоемах. Если такой водоем периодически подвергается высыханию, это может очень ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся малеханьких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», может быть, был недалек от правды.
Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет неувязка появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению. Да и эта неувязка умеренно решается. Очередной принципный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья расположена 8 января на сайте журнала Science.
Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В конечном итоге такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно продолжительно — для этого нужно только исправно пичкать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», другими словами исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в подходящих аспектах вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать совместно за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В конечном итоге спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с завышенной скоростью размножения.
В отличие от прежних опытов, в каких удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК, в данном случае процесс идет без роли белковых ферментов. Единственное, что не позволяет называть этот результат окончательным решением трудности самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока могут работать только с олигонуклеотидами, другими словами с довольно длинными кусочками РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.
Таким образом, меж плодами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из обыденный органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.
В заключительной части эссе Циммер ведает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных всасывать «пищу» (нуклеотиды) из среды и создавать репликацию РНК или ДНК. Команда ученых из Гарвардской мед школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки употребляют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью выполнить весь цикл репликации РНК (они делают только отдельные этапы этого процесса). Но исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и плодились, ну и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из среды, а на холоде более активно употребляют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых созданий был характерен дневной цикл: днем они поправлялись, а ночью реплицировали свой наследственный материал?
Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы перевоплощения косной материи в обычный живой организм.
Источники : 1) Carl Zimmer. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. 2009. V. 323. P. 198–199.
2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science. Published online January 8, 2009.
(Александр Марков elementy.ru)
Затаенна происхождения жизни скоро будет разгадана?
Еще полвека назад размышления о происхождении жизни считались уделом «престарелых ученых, которые могут позволить себе просто сидеть в кресле и рассуждать». На данный момент экспериментальным исследованием этой трудности заняты сотки научных обществ. Их впечатляющие успехи позволяют ложить, что не за горами тот день, когда все этапы долгого и сложного пути от неживой материи к простейшему живому организму можно будет воспроизвести в лаборатории.
Журнал Science начал публикацию серии эссе, посвященных 200-летию Чарльза Дарвина и 150-летию выхода в свет его головного труда — «Происхождения видов». 1-ое эссе, написанное известным американским популяризатором науки Карлом Циммером (Carl Zimmer), ведает о проблеме происхождения жизни — предмете, о котором сам Дарвин фактически ничего не написал, потому что не располагал необходимыми данными. Хотя, разумеется, эта неувязка не могла его не беспокоить.
Из дарвиновской теории следовало, что сходство в строении организмов во многих случаях разъясняется их происхождением от общего предка. Но для вывода о едином происхождении всего живого во времена Дарвина данных было еще недостаточно. Обосновать наличие у всех пород домашних голубей общего предка — дикого голубя — было сопоставимо просто; труднее было сделать такой же вывод обо всём классе птиц; ну а для того, чтобы постулировать общее происхождение таких далеких друг от друга групп организмов, как животные и растения, в те времена нужно было обладать большой научной смелостью. Но Дарвин рискнул сделать этот шаг. В заключительной части «Происхождения видов» он отметил, что «...на основании принципа естественного отбора, сопровождаемого дивергенцией признаков, представляется вероятным, что от какой-нибудь идентичной низкоорганизованной и промежуточной формы могли развиться как животные, так и растения; а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы».
Представления Дарвина о родстве всего живого опирались на известные в то время факты («...все живые существа имеют много общего в их хим составе, в их клеточном строении, в законах их роста и в их чувствительности по отношению к вредным воздействиям...», там же). Но последние сомнения в правильности дарвиновской догадки отпали только во 2-ой половине XX века, когда обнаружилось, что все живые существа имеют один и тот же аппарат наследственности и генетический код. На данный момент не довольно кто колеблется в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка, уже имевшего такой наследственный аппарат и генетический код. Вопрос исключительно в том, откуда этот предок взялся.
Сам Дарвин, по-видимому, фактически не надеялся, что эту тайну когда-нибудь получится разгадать. В некоторых изданиях «Происхождения видов» он даже упоминает о Творце, предположительно «вдохнувшем» жизнь в 1-ый живой организм. Но это, но, могло быть и не совсем искренней уступкой господствовавшим взглядам. Сохранились письма Дарвина сотрудникам и друзьям, из которых видно, что он склонялся к идее абиогенеза — самопроизвольного зарождения первых живых созданий из органических соединений, как-то образовавшихся на старенькой Земле из неорганических веществ. Но он считал, что эту догадку чуток ли получится проверить, потому что в наши дни хоть какое самопроизвольно образовавшееся «в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и т. д.» органическое вещество немедленно будет съедено и переварено живыми организмами — чего, естественно, не вышло бы в те времена, когда жизнь еще не зародилась.
Скептическое отношение к возможности разгадать тайну зарождения жизни сохранялось довольно продолжительно. По словам Хендерсона Кливса (Henderson James Cleaves) из института Карнеги в Вашингтоне, еще лет 50 назад пробы разгадать тайну происхождения жизни считались уделом «престарелых ученых в конце их карьеры, когда они могут просто сидеть в кресле и рассуждать». Вспомним, как Н. В. Тимофеев-Ресовский ехидно отвечал на вопросы о происхождении жизни: «Я тогда маленький был, не помню, вы спросите лучше у академика Опарина, он знает».
Насмешки начали умеренно сходить на нет после тестов Стэнли Миллера, которому удалось в 1953 году синтезировать аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав старенькой атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии. Позже, но, значение тестов Миллера было поставлено под колебание. Согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере старенькой Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Миллера. В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не вожделел. Эту делему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его сотрудникам. Они отыскали, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые стопроцентно могли находиться в первичной атмосфере.
Не считая того, молнии были далеко не единственными производителями органики на старенькой Земле. На сей день известны еще по последней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники.
В целом на сей день абиогенный синтез обыденных органических веществ — «строительных блоков» для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, — уже не является неувязкой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), также другие принципные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться 1-ые репликаторы — молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.
Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, непосредственно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий. Но меж РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в конечном итоге абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в каких из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли показаться абиогенным способом, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие спецы признали необходимость поиска обходных путей.
На сей день удалось нащупать два таких пути. 1-ый из их основан на предположении, что сначала в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в процессе грядущей эволюции были замещены обыкновенными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК , ТНК и ГНК. Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным способом, чем РНК, с другой — стопроцентно способны делать роль «вещества наследственности».
2-ой обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его сотрудниками из Манчестерского института (Великобритания). Они отыскали, что синтезировать РНК куда легче не из готовых огромных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более обыденных органических молекул, таких как формальдегид. Может быть, в процессе хим эволюции меж простейшими органическими веществами и РНК совершенно не было промежуточного шага скопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в какой будут разрешены главные трудности синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции отлично идут при температурах и pH, встречающихся в малеханьких водоемах. Если такой водоем периодически подвергается высыханию, это может очень ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся малеханьких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», может быть, был недалек от правды.
Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет неувязка появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению. Да и эта неувязка умеренно решается. Очередной принципный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья расположена 8 января на сайте журнала Science.
Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В конечном итоге такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно продолжительно — для этого нужно только исправно пичкать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», другими словами исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в подходящих аспектах вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать совместно за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В конечном итоге спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с завышенной скоростью размножения.
В отличие от прежних опытов, в каких удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК, в данном случае процесс идет без роли белковых ферментов. Единственное, что не позволяет называть этот результат окончательным решением трудности самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока могут работать только с олигонуклеотидами, другими словами с довольно длинными кусочками РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.
Таким образом, меж плодами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из обыденный органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.
В заключительной части эссе Циммер ведает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных всасывать «пищу» (нуклеотиды) из среды и создавать репликацию РНК или ДНК. Команда ученых из Гарвардской мед школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки употребляют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью выполнить весь цикл репликации РНК (они делают только отдельные этапы этого процесса). Но исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и плодились, ну и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из среды, а на холоде более активно употребляют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых созданий был характерен дневной цикл: днем они поправлялись, а ночью реплицировали свой наследственный материал?
Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы перевоплощения косной материи в обычный живой организм.
Источники : 1) Carl Zimmer. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. 2009. V. 323. P. 198–199.
2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science. Published online January 8, 2009.
(Александр Марков elementy.ru)
Оставить комментарий
