Юный техник, 2015 № 04

ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА «Живое — от неживого»?

Долгое время главной гипотезой о происхождении жизни на Земле считалась выдвинутая еще в 1922 году гипотеза Опарина-Холдейна. В ее основе лежит теория абиогенного синтеза (абиогенез — происхождение живого из неживого).

То есть, говоря проще, ученые, именами которых была названа данная гипотеза, полагали, что вначале на нашей планете были лишь водород, вода, углекислый газ, метан и аммиак. Солнечное излучение, молнии, радиация и вулканическая лава создали из этих веществ первые органические соединения, которые затем соединились в аминокислоты, полисахариды и нуклеотиды, из которых затем образовались первые белки.

Параллельно из тех же составляющих (конечно, тоже совершенно случайно!) были синтезированы и первые молекулы ДНК, которым затем суждено было стать хранительницами генетической информации. Потом молекулы белка и ДНК опять-таки случайно встретились и непостижимым образом «договорились» существовать и работать в едином организме, в котором белок защищал бы ДНК от стрессов, а ДНК хранила бы в себе информацию о строении этого белка. Так возникли простейшие безъядерные бактерии (молекулы ДНК, завернутые в белковую оболочку), а потом и первые организмы.

Главным сторонником гипотезы Опарина-Холдейна считается американский биохимик Стенли Миллер из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Именно ему первому в начале 50-х годов ХХ века удалось, пропуская в колбе через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды мощные электрические разряды, получить отдельные молекулы аминокислот — «кирпичиков», из которых строятся белки. Более того, в экстремальных условиях — внутри мощных автоклавов, где создавались чрезвычайно высокие давления и температуры — исследователям удавалось несколько раз создавать из водорода, углекислоты, метана и аммиака пептиды — простейшие белки.

Однако правоту гипотезы Опарина-Холдейна это вовсе не доказывало. Во-первых, в лаборатории вряд ли в точности воспроизводились условия, что некогда существовали на Земле. Во-вторых, синтезированные белки никак не хотели самоорганизовываться, а, напротив, норовили распасться на простые соединения.

Далее, профессор МГУ Лев Блюменфельд вычислил, что вероятность случайного появления на свет молекулы ДНК за время существования Земли равна 10⁸⁰⁰.То есть для того, чтобы получить всего одну ДНК, у нас должно быть 10⁸⁰⁰ планет возраста Земли. А наша Вселенная, считают специалисты, состоит всего из 10⁸⁰ атомов, не говоря уж о планетах.

Между тем, как показали исследования геологов, на Земле в породах, возраст которых 3,8 млрд. лет (а возраст самой нашей планеты, напомним, чуть превышает 4 млрд. лет), уже наблюдаются ископаемые остатки довольно-таки сложных организмов. Откуда они взялись?

Все это привело к тому, что ныне среди ученых становится все более популярным принцип: «Живое только от живого», имея в виду, что жизнь на нашу планету, скорее всего, попала в виде зародышей из космоса. Что вроде и подтверждается анализом вещества, добытого из недр кометы Темпель-1, а также из метеоритов, некогда упавших на нашу планету.

Однако недавно исследователи из университета Глазго под руководством профессора Ли Кронина вернулись и к варианту Опарина-Холдейна-Миллера, поскольку им все же удалось добиться положительных результатов, создав химическую систему, способную эволюционировать, подобно простейшим организмам.

Профессор Ли Кронин.

Работы ведутся в рамках программы, целью которой является создание необычных форм жизни, не использующие молекулы ДНК и другие биологические составляющие сложных соединений. Этот этап исследований базируется на предыдущей работе профессора Кронина, в которой было исследовано множество видов оснований — составляющих компонентов для синтетической жизни.

На этот раз процесс создания искусственной жизни был автоматизирован с помощью усовершенствованного 3D-принтера, который впрыскивал строго дозированные капельки специальных маслянистых составов в определенные места чашек Петри, наполненных водой.

Капельки эти представляют собой смесь 4 различных химических соединений-оснований. Комбинации соотношения количества этих соединений позволяют создать около 225 видов составов, отличающихся свойствами, поведением и способностью к преобразованию химической энергии в энергию движения. Наличие же источника энергии для движения превращает каждую капельку в своего рода примитивный движущийся робот.

В чашках Петри ученые моделируют процесс эволюции при помощи простых химических соединений.

При помощи видеокамер система позволяет исследователям наблюдать за перемещениями групп капелек, их разделением и слиянием. Те группы, которые преуспели в этих процессах, пополняются свежими веществами и продолжают эволюционировать дальше.

В итоге выяснилось, что уже после смены 20 «поколений» капелек процессы химического совершенствования начинают походить на процесс естественной эволюции, а поведение самой колонии становится более стабильным и прогнозируемым.

«В природе процессы развития организмов от простых к более сложным идут долго, — рассказал профессор Кронин. — Но в нашей системе мы можем изучать эволюционные процессы на более простом уровне. К тому же в чашке Петри реакции происходят гораздо быстрее, чем в природе, что позволяет нам экспериментировать с химической эволюцией достаточно широко».

В дальнейшем ученые планируют уже не просто проводить пассивное наблюдение за происходящими эволюционными процессами. Они будут выискивать случаи неожиданных отклонений и искать возможность вмешиваться в ход процессов, так, чтобы еще больше усугублять эти отклонения.

«В последние годы нам удалось узнать немало нового о процессах биологической эволюции благодаря возможностям современной компьютерной техники и сложных математических моделей. Наши же исследования позволяют взглянуть на эволюционные процессы с новой точки зрения. Благодаря этому, возможно, нам удастся не только открыть некоторые тайны происхождения всего живого на свете, но и создать образцы синтетической жизни, в основе которой лежит не биология, а простая химия», — подчеркнул Л. Кронин.

Параллельно с экспериментами в области химической эволюции группа профессора Кронина занимается созданием первых неорганических аналогов живых клеток, которые ученые называют iCHELL. Эти клетки будут состоять преимущественно из металлов с примесями молекул других соединений. Они станут демонстрировать некоторые черты поведения, присущего живым клеткам, входящим в состав биологических организмов.

Не останавливаются на достигнутом и сторонники теории панспермии, согласно которой жизнь на нашу планету была занесена из космоса. Недавно ученые из Франции и Мексики в своих лабораториях воссоздали условия существования космических льдов и получили… органические соединения, являющиеся важными блоками для образования нуклеиновых кислот!

Опыты ученых означают, что основные соединения для образования сложных биомолекул и возникновения жизни могли появиться еще в межзвездной среде, пишет журнал Proceedings of the National Academy of Sciences. Ученые воспроизвели условия, которые имеют место в молекулярных облаках, из которых развиваются звезды, а затем и планетные системы.

Конкретно исследователей интересовали льды, выступающие основными строительными элементами в таких процессах. В частности, подобные образования имеются в составе астероидов и комет. Они содержат много соединений, необходимых для жизни — воду, оксид и диоксид углерода, метанол, аммиак и метан.

Установка на основе трехмерного принтера, с помощью которой профессор Кронин и его коллеги ведут свои исследования.

Ученые попытались получить из этих соединений более сложные, служащие промежуточными для образования макромолекул, например, нуклеиновых кислот (РНК и ДНК). С этой целью они воспроизвели в аналогах межзвездных облаков интенсивное космическое излучение. В результате им удалось получить альдегиды (в частности, гликолевый и глицериновый), являющиеся, как считается, промежуточными соединениями для синтеза рибонуклеотидов (мономеров РНК).

Следующим шагом исследователей будет поиск следов таких соединений в космосе. Ожидается, что в этом специалистам помогут мощные современные телескопы.

Таким образом, как видите, проблема возникновения жизни на нашей планете все еще не решена, хотя и получены довольно интересные результаты. Исследования продолжаются.

С. НИКОЛАЕВ, научный обозреватель «ЮТ»