Материнские молекулы

Ученым, работающим под эгидой Национального управления по вопросам аэронавтики и исследования космического пространства (НАСА), удалось частично воссоздать подобный процесс в лабораторных условиях. Имея под рукой те же ингредиенты, которые использовал Стэнли Миллер, доктор Сирил А. Поннамперума и его коллеги, работавшие в научно-исследовательской лаборатории Эймса в Калифорнии, смогли создать все составные части материнских молекул, составляющих живую клетку. По словам ученых, технология их работы была "удивительно несложной", так что воссозданные ими химические процессы вполне могли происходить и в первородном океане.

Используя поток электронов и ультрафиолетовые лучи, они этап за этапом создавали соединения, известные под названием нуклеотидов. Эти соединения иногда имеют две или три группы атомов, содержащие фосфор; они легко отрываются от молекулы-родительницы и при этом выделяют значительное количество энергии. Нуклеотиды, находившиеся в первобытном океаническом бульоне, могли "заморозить" часть солнечной энергии, аккумулировав ее в виде связей, соединяющих их фосфатные группы. Когда эти связи нарушались, выделялась энергия, благодаря которой создание крупных сложных, молекул происходило более эффективно, чем под непосредственным воздействием Солнца. Именно это и имел в виду доктор Коммонер, говоря о создании сложных соединений с помощью энергии метаболизма.

Иными словами, наличие нуклеотидов в первобытном океане способствовало химическим реакциям, которые иначе вовсе не могли бы произойти или же протекали бы гораздо медленнее. В настоящее время все жизненные химические процессы, происходящие в любом живом организме, возможны исключительно благодаря наличию энзимов - сложных протеинов, значительно ускоряющих реакции. Таких сложных катализаторов в ранний период зарождения жизни, очевидно, не существовало, однако Коммонер, Бернал и другие ученые полагают, что функции подобных соединений с успехом могли выполнить обыкновенные нуклеотиды. Правда, все происходило значительно медленнее, но ведь и время не было в ту пору столь драгоценным фактором, как ныне.

Нуклеотиды представляют собой строительные блоки двух наиболее важных для всех живых систем молекул - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). По праву называемые первоосновами жизни, эти нуклеиновые кислоты встречаются лишь в живых клетках - и во всех живых клетках - и, очевидно, выполняют одни и те же функции и в одноклеточном микробе, и в морских водорослях, и в крабе, и в человеке.

ДНК - это вещество, из которого состоят гены. Оно предопределяет свойства каждого живого существа и его потомков. Нуклеотиды в гигантской молекуле ДНК расположены по ее извилистому периметру в последовательности, которая определяет порядок превращения аминокислот в протеины. РНК воспринимает эту информацию и в другой части клетки связывает вместе протеины, характеризующие вид данного организма. ДНК также воспроизводит собственные точные копии, благодаря чему потомство становится похожим на своих родителей, а виды сохраняют присущие им особенности, причем сохраняют их от поколения к поколению (Здесь автор подчеркивает устойчивость наследственной основы; чрезвычайно сложной проблемы ее изменчивости, без которой образование новых видов было невозможно. - Ред.).

Вы и сами начали свою жизнь в виде единственной клетки, в сердцевине или ядре которой заключался код ДНК, заранее обусловливающий ваш облик. Эта информация находится во всех клетках вашего тела и передается вашим детям с учетом информации, получаемой от вашей супруги (супруга).

Ученым удалось воздействовать на природные свойства одноклеточных организмов путем впрыскивания в них синтетических молекул ДНК. Они также помещали РНК в среду, напоминающую содержимое живой клетки, и искусственно создавали молекулы, из которых состоит живая ткань, тем же путем, каким это делает клетка. Эти опыты предвосхищают день, когда человек, видоизменяя или создавая нужные гены, сможет придавать растениям, животным или людям любой желаемый облик.

Доктор Поннамперума уже пробует соединить нуклеотиды таким образом, чтобы получить молекулы ДНК и РНК. Он считает, что ему удалось соединить два или три нуклеотида. Однако ему предстоит большая работа, поскольку для того, чтобы создать молекулу ДНК самого примитивного живого организма, требуется около ста тысяч такого рода "кирпичиков".

Не могли ли нуклеотиды миллиарды лет назад соединиться в океане в "молекулу-прародительницу", которая стала матерью всего множества живых созданий, населяющих Землю? Не могла ли жизнь возникнуть тогда, когда спираль нуклеиновой кислоты начала присоединять к себе более простые молекулы, находящиеся в океаническом бульоне, и располагать их вокруг себя в виде нового протеина?

В 1965 году доктор Сол Шпигельман из Иллинойского университета смешал в пробирке звено неживых молекул РНК с энзимом и несколькими нуклеотидами. В результате он создал вирус РНК, заключенный в протеиновую оболочку и способный расти и размножаться без дальнейшего вмешательства доктора Шпигельмана. Если бы такой вирус возник в первобытном океане, он мог бы в сравнительно короткий трок создать миллиарды себе подобных вирусов. А в результате новых химических изменений они могли бы все более усложняться, обретая множество новых форм, что в конечном счете привело бы к возникновению различных видов живых существ.

Но как ни заманчива подобная гипотеза, далеко не все ученые уверены, что все произошло именно таким образом. Доктор Коммонер оспаривает эту точку зрения, утверждая, что в естественных условиях вирусы и молекулы ДНК неспособны размножаться самостоятельно. По его словам, "способность ДНК размножаться в значительной мере зависит от наличия организованной структуры живой клетки, и, следовательно, такая способность у ДНК могла появиться лишь после того, как возникла эта организованная структура". Бернал вторит ему, заявляя, что "простая одиночная молекула нуклеиновой кислоты сама по себе ничего произвести не может".

Взгляды Бернала на происхождение жизни перекликаются с концепцией А. И. Опарина, русского биохимика, явившегося первооткрывателем в этой области науки, которой он посвятил свыше сорока лет жизни. Оба ученых считают, что первородный органический материал имел вид полужидких или студнеобразных капелек. С появлением такого рода капелек значительно уменьшилась опасность распада или растворения потенциально живого вещества. Вместо того чтобы рассеяться, молекулы группировались в капельки, в каждой из которых были налицо все основные условия для метаболизма. Каждая капелька могла сохранять свою индивидуальную особенность и развиваться независимо от всех остальных.

Отдельные капельки оказывались в большей мере приспособленными к жизни, чем другие. Они нашли надежный способ извлекать из окружающей водной среды мелкие органические частицы. Часть этого материала накапливалась в них, остальная часть распадалась, служа источником энергии. Пока эти химические реакции находились в равновесии, капля органического желе могла продолжать свое существование и расти. Но всякая капля, где вещество, используемое для получения энергии, распадалось быстрее, чем оно могло быть восстановлено, вскоре погибала.

Опарин делает смелое предположение, что выдвинутый Чарльзом Дарвином принцип естественного отбора и борьбы за существование начал действовать уже на этом уровне. По Дарвину существа, в силу особенностей своего строения лучше других приспособленные к окружающей их среде, имеют больше шансов уцелеть и размножиться. Существа менее приспособленные оказываются в подчинении у более приспособленных или попросту гибнут. Опарин полагает, что это могло происходить уже при возникновении жизни. Наилучшим образом организованные капли увеличивались быстрее, чем другие, выхватывая "пищу" у них изо "рта", и за их счет становились все более сложными.

Впоследствии сгустки, подверженные метаболизму, приобрели нечто вроде покрова или пленки. Этот покров, служивший им вместилищем, препятствовал их распаду; отныне малые молекулы могли проникать в сгустки или покидать их, или пронизывать их только под контролем возникшей оболочки. Одна из групп длинных органических молекул (липиды) соединилась в виде полос, которые и смогли выполнять роль перегородок. Встав на нужное место, они превратили высокоорганизованную и сложную систему в обособленное, самостоятельное устройство, или клетку.

Вслед за этим произошло обособление внутренних частей клетки, причем, по-видимому, различные молекулы выполняли при этом различные функции. Одна часть клетки, возможно, стала сердцем, или ядром, - центром управления, заключающим в себе и главный план клетки. В другой части клетки могли располагаться аминокислоты и иные элементы для производства протеинов, а в третьей - энзимы для метаболизма. Возможно также, что все эти части развивались независимо, а потом каким-то образом соединились. Но, так или иначе, всякий сгусток, приобретавший все эти свойства, становился живым организмом.

Такая последовательность превращения студенистой капельки в живую клетку, естественно, лишь предположительна. В том, каким именно образом происходила эволюция клеток, заключается самая сокровенная тайна биологии. Но ясно одно: жизнь возникла в результате естественного и непрерывного процесса, происходившего в течение миллиардов лет. Нельзя определить момент, о котором можно сказать: "вот откуда началась жизнь". Четкой границы, отмежевывающей живое от неживого, не существует. Одно переходит в другое постепенно; между ними расположены промежуточные ступени, как, например, вирусы, которые нельзя отнести ни к первой группе, ни ко второй.