Продолжение. Часть 1 находится
здесь. В 1922 году на заседании Русского Ботанического общества молодой тогда биолог Александр Иванович Опарин сделал доклад о происхождении жизни, а в 1924 году его концепция была представлена в виде книги, опубликованной в издательстве “Московский рабочий”. (О самой концепции я напишу чуть ниже.) Несмотря на то, что Опарин в 20е и 30е годы занимался различными практическими вопросами в области, которую тогда называли технической биохимией, интерес к материалистической теории происхождения жизни в СССР не ослабевал, так что книга с вариациями названия “Происхождение жизни” и знакомым автором выходила в свет еще неоднократно, в том числе по крайней мере два раза еще в довоенное время. Не считая, разумеется, многочисленных популярных брошюр и газетно-журнальных статей.
Одна из многочисленных популярных книг на тему. Им же несть числа.
Независимо от Опарина к сходным идеям пришел британский биохимик Холдейн в конце 20х годов. Книга Опарина была переведена на английский в 1938 году, так что эта концепция самопроизвольного происхождения жизни называется на Западе гипотезой (или теорией) Опарина-Холдейна. Любопытно отметить наличие связи между интересом к вопросу о естественном происхождении жизни на Земле и биографией и убеждениями Джона Холдейна, который был классическим до карикатурности британским энфаном терриблем (великодушно простите за французский) из хорошей семьи.
Холдейн получил прекрасное образование, досыта повоевал в Великую войну, был исключительно умен и внес заметный вклад в синтетическую теорию эволюции. Он получил орден Почетного Легиона, был избран в Королевское Общество, но при это решил, что он все же марксист. Холдейн даже вступил в Коммунистическую партию Великобритании, однако покинул ее в 1950 году, огорчившись преследованиям генетики в СССР во времена Лысенко.
Два плохих портрета британского марксиста Холдейна. (А хороших я и не нашел, увы.)
В конце 50х годов Холдейн переехал в Индию, где продолжал заниматься биостатистикой. Сохраняя симпатии к марксизму, Холдейн заинтересовался индуизмом, стал вегетарианцем и принял индийское гражданство. В некотором смысле биография Холдейна воспроизвела и даже предвосхитила духовную эволюцию Запада.
Однако вернемся к теории происхождения жизни. Знакомая всем со времен знакомства с учебником общей биологии концепция Опарина-Холдейна состояла в следующем. При наличии на примитивной Земле источников энергии в виде молний и вулканов самопроизвольно происходили различные химические реакции, в которых образовывались органических веществ, входящие в состав живых организмов. Поскольку атмосфера была не окислительной, а восстановительной, эти продукты сохранялись и накапливались в океане, а возможно и мелководной лагуне, образуя «первичный бульон».
Все выглядело именно так. Мамадарагая!
Химические превращения продолжались, из исходных соединений образовывались более сложные; из мономеров образовывались макромолекулы, в т.ч. белковоподобные, которые в свою очередь взаимодействовали друг с другом, что приводило к их самопроизвольной концентрации и образованию частиц, по ряду свойств похожих на клетки.
Такие частицы-протоклетки могли обладать случайно образовавшимися в ходе самопроизвольных реакций ферментативными активностями и за счет этого расти. В результате подобных реакций на поверхности воды могла появиться жировая пленка, которая могла обволакивать протоклетки, покрывая их слоем, похожим на мембрану современных клеток.
На такие протоклетки (исследователи называли их еще пробионтами и другими похожими именами) действовал предбиологический отбор, поскольку сохранялись из них только те, которые были стабильны, имели способность к росту и могли делиться, передавая эти способности дочерним частицам. Так прошли миллионы лет, и протоклетки постепенно стали первыми живыми клетками. Вы несомненно слышали этот рассказ в научно-популярных фильмах.
Если эта концепция напоминает вам идеи Геккеля, мне кажется, что вы недалеко от правды - если бы Геккель жил и работал в 1920е годы он именно так изложил бы свою идею архигонии. (Впрочем, сам термин «архигония» ушел в прошлое вместе с Геккелем. Сейчас для обозначения этих процессов как правило употребляется термин «абиогенез», который стар почти так же, как и «архигония», но происходит из англоязычной литературы.) Однако перевод старой мировоззренческой концепции на язык науки начала 20 века сыграл определенную роль, позволив энтузиастам заняться экспериментальными исследованиями, направленными на подтверждение учения о самопроизвольном возникновении жизни.
Работы школы Опарина были сосредоточены в основном на моделировании этих процессов с использованием сначала природных, а впоследствии и синтетических полимеров. В качестве модели протоклеток использовались коацерватные капли - продукты фазового разделения в растворе полимеров.
Как правило оно наступает в результате взаимодействия двух или более макромолекул; если смешать в растворе полимер, несущий отрицательный заряд на своей поверхности (например, ДНК, или РНК, или какой-нибудь полисахарид из смолы растений, или совершенно синтетическую полиакриловую кислоту) и полимер, заряженный в целом положительно (белок гистон, или белок же протамин, или неприродный синтетический полимер полиэтиленимин), то они прилипнут друг к другу и образуют нерастворимый комплекс. Внешне это выглядит как образование в растворе микроскопических капелек размером приблизительно с живую клетку.
Явление это было обнаружено в начале 1930х годов в растворах биомакромолекул, таких как желатин (белок), гуммиарабик (полисахарид), и т.д. Открывшие его голландские химики провозгласили коацерваты моделью протоплазмы (и в чем-то они, безусловно, являются моделью внутриклеточной среды), а Опарин увидел в них удобную модель для исследования происхождения жизни. С тех пор основным направлением его школы были попытки воспроизведения разных функций протоклеток, которые должны были быть важны для предбиологического отбора, с использованием коацерватов.
А.И.Опарин
С бойцами на привале. Между прочим, я некоторых из этих людей знаю. Во как!
С целью экономии времени я уложу сорок лет исследований в этой системе в несколько параграфов. Очевидно, что понимание того, как она устроена сильно различалось в 1940х и 1970х годах.
В первую очередь, пробионты должны быть стабильны. Коацерватные капли не стабильны; они имеют тенденцию к слиянию и образованию коацерватного слоя - зоны повышенной концентрации полимеров в системе, которая уже не показывает разделения на отдельные частицы. Но их стабильность можно увеличить; один из способов состоит в том, чтобы смешать два противоположно заряженных полимера так, чтобы один был в избытке - это увеличит поверхностный заряд капель, которые будут электростатически отталкиваться друг от друга.
Каплям можно дать способность к обмену веществ. Для этого требуется включить в них фермент(ы), что сделать довольно легко. Достаточно добавить более-менее очищенный фермент к смеси биополимеров при образовании коацерватов и часть его окажется внутри капель. После этого капли будут (естественно) совершать биохимическую реакцию, зависящую от того, какой фермент вы в них добавили.
Ударим красными коацерватами по темноте масс!
Используя этот же подход капли можно заставить расти. Это было сделано с помощью фермента полинуклеотидфосфорилазы, который может собирать из молекул АДФ (похожие на АТФ небольшие молекулы) биополимер эквивалентный РНК по своей химической природе (заметим, что типичный синтез РНК в живой клетке происходит не так, но это не имеет никакого отношения к нашим каплям). За счет этого количество отрицательно заряженного полимера в каплях будет расти, так что они станут увеличиваться в размере.
Капли можно также заставить делиться. Полиэлектролиты, т.е. заряженные в растворе полимеры (а таковы, как я уже говорил, большинство природных биополимеров и многие синтетические), имеют разную плотность заряда; например, у полифосфата (это цепочка связанных друг с другом молекул фосфорной кислоты) один отрицательный заряд приходится примерно на 100 единиц молекулярного веса, у РНК или ДНК - примерно на 300 единиц, а у слабозаряженного гуммиарабика - на 1000 или около того единиц. Если смешать положительно заряженный полимер (например, белок гистон) с двумя отрицательно заряженными, из последних двух свяжется с гистоном преимущественно тот, у которого плотность заряда выше. При этом размер капель зависит от плотности заряда; капли, образованные гистоном и гуммиарабиком, будут в среднем больше капель, образованных гистоном и полифосфатом.
Я уверен, что вы уже угадали, как можно убедить капли проявить важное свойство пробионтов - способность к делению. Если вы сначала приготовите капли, используя полимер с меньшей плотностью заряда (например, из гистона и полинуклеотида, т.е. РНК-подобного полимера), а затем добавите к ним полифосфат, то последний вытеснит полинуклеотид и образует с гистоном капли, которые по размеру будут меньше, чем исходные. Под микроскопом этот процесс выглядит слегка подобным делению клетки.
Итак, можно сказать, что была показана принципиальная возможность стабилизации, обмена веществ и роста, а также деления предбиологических структур. И тем не менее, все эти эксперименты оставляют впечатления химических фокусов. Мы можем продемонстрировать рост капель, но они не обязательно будут стабильны. Можем заставить их поделиться, но они уже не вырастут. Ни одной комбинации компонентов, которая бы придавала коацерватным каплям все эти свойства одновременно найти не удалось.
-Сальвадор! Ты просто обязан написать мои коацерваты! Без них все твои веселые картинки ничего не стоят!
Закончу эту часть вот такой важной заметкой про «британских ученых». Наука не стоит на месте, популярные модели стареют, теряют привлекательность, и их заменяют новые. Однако новое после тщательного анализа нередко оказывается переупакованным старым. Коацерватные капли давно вышли из моды и к ним теперь легко относиться с иронией, совсем как к чужой дохлой кошке, которую хает всяк, кому не лень. Новые песни придумала жизнь и ими теперь заслушиваются миллионы. Но насколько они новые?
Три года назад в очень престижном журнале Nature Chemistry японская группа опубликовала
статью с описанием очень интересной работы, которую в прессе назвали революционной и характеризовали как решение проблемы происхождения жизни и/или создание искусственной жизни.
Выглядел эксперимент вот как. В пузырек, образованный искусственной липидной мембраной, в основных чертах похожей на клеточную (надо сказать, что подобные пузырьки использовали для моделирования пробионтов и раньше), добавили ДНК, температуроустойчивую ДНК-полимеразу и все прочее, необходимое для полимеразной цепной реакции (ПЦР). С целью экономии усилий и времени я не буду подробно объяснять, что это такое (
вот здесь можно про нее почитать), скажу только, что с ее помощью можно экспоненциально увеличивать число молекул ДНК в системе, для чего она и используется в самых разных областях - в фундаментальных биологических исследованиях, при медицинской диагностике, и даже в криминалистике. Но для нее требуется наличие термостабильной ДНК-полимеразы, исходным источником которой являются термофильные микроорганизмы, живущие в горячих источниках.
Когда пузырьки с содержимым, позволяющим проводить ПЦР, поместили в подходящие для ПЦР условия, число молекул ДНК стало увеличиваться, как положено, отчего пузырьки стали расти и делиться. Как видим, эта система очень напоминает коацерватную модель роста. Поэтому и главная проблема модной японской системы та же, что и у старой казачьей коацерватной - подобные опыты основаны на использовании ныне существующих ферментов, которым во времена, моделируемые в таких системах неоткуда было взяться. Это одна из главных претензий к модели подобного рода. О попытке решить эту проблему речь пойдет в следующей части.
Здесь скептически настроенный читатель может возмутиться - неужели все так плохо!? Отчего же все эти работы публикуют? Во-первых, не стоит приуменьшать значения мировоззрения не только для общества, но и для социальной группы, и для отдельного человека. Роль науки в жизни общества несомненно зависит от того, насколько важен предмет ее изучения. Если все в мире без исключения есть лишь формы движения и самоорганизации материи, то наука важнее, чем если не все в мире было бы таково.
Но к счастью (без иронии) не только в этом дело. Частицы вроде коацерватных капель и разных липидных пузырьков могут служить (и служат) носителями лекарств и много для каких других прикладных целей. Когда тематику нашей лаборатории переделывали из материалистически-мировоззренческой в материалистически-полезную, коацерватные капли как модель пробионтов перековались в нерастворимые полиэлектролитные комплексы как носители ферментов и лекарственных веществ и продолжали свой Великий поход невзирая на потерю Кормчего (
см. Часть 1).
Также и японские липидные пузырьки, растущие и дробящиеся в результате ПЦР, могут иметь большое значение для создания наноматериалов, о чем мне намекает тот факт, что финансирование на эту работу исследователи получили по теме “физика мягкого вещества”.
Но мы не будем тут зацикливаться на полезном. В следующий раз поговорим о том, как нам экспериментально приблизиться к условиям первичной Земли. Помните? Там вулканы, огненная лава, молоньи сверкают, над головой пролетают метеориты в строю типа "пеленг", а вдоль дороги мертвые с косами стоят. Что в этом перечислении лишнее?
Продолжение следует