Знание-сила, 2008 № 05 (971)

Рождение клетки

Что бы ни лежало в основе первичной жизни — молекулы белков, как считают одни биологи, или молекулы РНК, как считают другие, а то и какие-то еще более простые самовоспроизводящиеся молекулы, как считают третьи, — в любом случае ясно, что на пути дальнейшего развития этой жизни стояло множество препятствий, и не последним из них была незащищенность первых «живых молекул». Поэтому важнейшим следующим шагом в эволюции жизни было приобретение «живыми молекулами» защитной оболочки, иными словами — появление первых живых клеток.

Это был кардинальный шаг. С одной стороны, «живые молекулы» отгораживались от опасных воздействий окружающей среды. С другой — они избавлялись от «молекулярного паразитизма» себе подобных. В самом деле, представим себе такую молекулу «на воле». Вот в результате какой-то счастливой случайности она приобрела такое изменение (мутацию), благодаря которой стала способной производить какой-то выгодный для себя белок — например, помогающий ей извлекать пищу из окружающей среды. И что же? Поскольку она ничем не отгорожена от своих соседок, те могут, не прикладая рук, воспользоваться этим белком, как своим, оставив нашу молекулу, что называется, не солоно хлебавши.

Если же молекула будет заключена в оболочку, все результаты ее деятельности, все блага полезных мутаций в ней будут принадлежать только ей, и, стало быть, эти мутации будут давать немедленное и явное преимущество в выживании только этой молекуле. Так что приобретение защитной оболочки выгодно вдвойне — она защищает нашу молекулу не только от окружающей среды, но и от соседок-паразитов. Это считается главным стимулом, который способствовал эволюции жизни, ибо, укрывшись внутри такой оболочки, первичные «живые молекулы» получали возможность в полной мере проявить свою способность изменяться, развиваться и усложняться, и естественный отбор способствовал только тем из них, которые менялись в сторону лучшего приспособления к требованиям выживания.

А как все это происходило в реальности? Что, первые «живые молекулы» сами создавали себе такие защитные оболочки или же эти оболочки каким-то образом складывались сами собой, а потом «живые молекулы» в них внедрялись? А если внедрялись, то на каком этапе своего развития и как? К ответу на эти вопросы можно идти двумя путями — «сверху вниз» и «снизу вверх», посредством постепенного упрощения или с помощью постепенного усложнения. В первом случае исследователь последовательно отщепляет от реального живого микроорганизма один за другим все его «лишние» гены, чтобы, идя против хода естественной эволюции, постепенно дойти от нынешней сложной клетки до клетки с минимальным геномом, которая еще способна функционировать, как живая, и выявить ее свойства. Идя этим путем, американец Клайд Хатчисон еще в 1999 году пришел к выводу, что число генов в таком минимальном геноме близко к 200 — 250. Правда, в 2006 году были открыты бактерии с несколько меньшим числом генов, но оказалось, что эти простейшие организмы не все жизненные функции выполняют сами, часть необходимых им для жизни веществ они получают от более сложных клеток, с которыми живут в симбиозе.

На пути «снизу вверх» биологи пытаются, напротив, повторить ход эволюции путем искусственного создания простейшей живой клетки из ее составных частей. Для этого они синтезируют пустую клеточную оболочку (мембрану), а затем последовательно «начиняют» ее все более сложным набором искусственно синтезированных генетических молекул и белков, чтобы постепенно прийти к простейшему микроорганизму, который уже сможет функционировать самостоятельно, как живой. Синтез пустой оболочки требует знания ее состава. Изучая мембраны живых клеток, биологи уже установили, что они состоят из двух слоев палочкообразных молекул — так называемых фосфолипидов, на одном конце которых находится фосфорная химическая группа, а на другом — липидная. Липиды, как всякий жир, гидрофобны, то есть не любят воду и избегают соприкасаться с ней. Напротив, фосфорные группы гидрофильны — тянутся к воде и образуют с ее молекулами взаимовыгодные химические связи.

Казалось бы, палочкам фосфолипидов достаточно расположиться так, чтобы их фосфорная группа была обращена к воде, окружающей клетку, а липидная — внутрь клетки, к ее протоплазме, и все — мембрана готова. Но беда в том, что протоплазма тоже содержит воду. Именно поэтому реальные мембраны сделаны не из одного, а из двух слоев фосфолипидов — это позволяет повернуть фосфорные группы каждого слоя в сторону наружной и внутренней воды, а липиды упрятать внутрь, повернув их друг к другу. Поскольку все эти палочки связаны друг с другом довольно слабыми химическими связями, они могут смещаться относительно друг друга, в итоге такая конструкция сохраняет гибкость и подвижность.

На самом деле мембраны живых клеток имеют более сложное строение, потому что в них существуют поры, образованные молекулами специальных белков, на их поверхности торчат рецепторы, получающие сигналы от других клеток и молекул. Воссоздать всю эту сложность биологи пока не могут, как не могут они пока воссоздать и весь тот сложный набор генетических молекул и белков, который находится внутри нынешних живых клеток. Поэтому они работают с упрощенными моделями, или протоклетками. Важный шаг в создании таких протоклеток сделал американский биолог Джек Шостак. Ему удалось показать, что молекулы некоторых жирных кислот способны сами собой собираться в двуслойные пустые оболочки, обладающие способностью довольно долго расти и делиться (то есть размножаться). Известно, что такие жирные кислоты легко образуются даже в тех химических условиях, которые существовали на ранней Земле, когда еще никаких «живых молекул» не было, так что пустые оболочки вполне могли возникнуть тогда сами собой, независимо от возникновения «живых молекул». Шостак показал также, что определенный вид РНК-молекулы, так называемый рибозим, помещенный в такую оболочку, сохраняет способность сам себя расщеплять, то есть остается химически активным. Эта простейшая комбинация жировой оболочки и РНК-молекулы и является той протоклеткой, с помощью которой биологи пытаются приблизиться к пониманию процесса рождения первых живых клеток.

Существует еще несколько сценариев спонтанного образования пустых оболочек. Не так давно одна из сотрудниц Шостака, американка Ирена Чен, сумела экспериментально подтвердить правдоподобность всех этих сценариев. Общим для них является предположение, что первые «живые молекулы» активно соединялись с первыми, спонтанно образовавшимися пустыми оболочками. Но что могло понудить их к этому? Понятно, что это могло быть счастливой случайностью (например, одна из «живых молекул» случайно приобрела мутацию, благодаря которой стала производить какой-то белок, способствовавший ее соединению с пустой оболочкой), а могло быть продиктовано взаимной выгодой (например, выигрывалась какая-то энергия или увеличивалась устойчивость системы в целом).

Чтобы выяснить, какой из двух вариантов справедлив, исследовательница помещала в пробирочную среду множество пустых мембран и такое же множество пузырьков, в которых содержались молекулы РНК. В те и другие вносились специальные радиоактивные «метки», которые позволяли следить за каждым пузырьком. Оказалось, что пузырьки, несущие в себе РНК, жадно похищают целые куски мембран пустых пузырьков. Чен выяснила, что причиной этого является увеличение внутреннего давления в мембране, содержащей молекулу РНК. Снизить это давление пузырек мог, увеличившись в размерах, и поэтому он начинал похищать куски чужих мембран. Получалось, будто молекула РНК побуждала свой пузырек к более быстрому росту. А поскольку такой рост происходил за счет других пузырьков, то между ними возникало соперничество, в котором побеждали те, кто имел внутри молекулу РНК, то есть был ближе к настоящей клетке, иными словами — был выше по эволюционной лестнице. И что интересно — для такого соединения пустого пузырька с молекулой не требовалось ждать «счастливой случайности» вроде появления какого-то белка, помогающего молекуле построить вокруг себя защитную оболочку, достаточно было наличия свободных молекул и пустых пузырьков, чтобы их соединение в протоклетку оказалось чрезвычайно выгодным им обоим.

Взаимовыгодность этого процесса подтвердил и второй эксперимент Ирены Чен. В нем она показала, как «совершенствование» оболочки может способствовать совершенствованию клетки в целом. Выяснилось, что если поместить жировые пузырьки в питательную среду из жирных молекул, то они начинают расти за счет присоединения новых жирных кислот из среды, и в результате такого бурного роста в мембране пузырька запасается дополнительная энергия. При наличии внутри пузырька молекулы РНК эта «оболочечная энергия» расширяет круг возможных биохимических реакций молекулы, а это усиливает вероятность, что молекула случайно набредет на путь, ведущий к новым усовершенствованиям. Тогда эта протоклетка получит новое преимущество перед другими конкурентами. Вот так, без всякой помощи, за счет одной лишь кооперации живых молекул с их оболочками и самых зачаточных форм дарвиновской эволюции, клеточная форма жизни начинает перевешивать более простые ее формы (свободные «живые молекулы» и пустые пузырьки). Взаимовыгодная кооперация и дарвиновская конкуренция, заключает Чен, сильно облегчают очередной фундаментальный шаг в эволюции жизни — переход от «голых» живых молекул к настоящим клеткам.

Фундаментальность этого шага состояла в том, что первые же клетки немедленно стали новой лабораторией природы, в которой она — теперь уже со много большей эффективностью — могла вести основанные на методе проб и ошибок эксперименты по усовершенствованию и отлаживанию жизненных процессов. О том, насколько совершенными оказались в итоге ее творения, свидетельствует тот факт, что созданные таким путем прокариоты — бактерии и археи — оставались неизменными на протяжении последующих миллиардов лет, пережив за это время неоднократные земные катаклизмы. Эти прокариоты существуют и сейчас и, возможно, переживут все другие, более поздние формы жизни, включая род человеческий, но эта их выживаемость является, конечно, следствием простоты. Дальнейшее усложнение жизни потребовало перехода к многоклеточным существам, а это было невозможно без появления нового, более совершенного и гибкого вида клеток — так называемых эукариотов, или клеток, имеющих внутри мембраны еще и особое клеточное ядро. Но история появления такого ядра — это уже совсем другая история.

Ирина Прусс