Издательство Corpus представляет книгу Майкла Маршалла «Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле» (перевод Михаила Орлова).
Майкл Маршалл — британский научный журналист, чьи статьи регулярно появляются на страницах Observer, Nature, New Scientist и Telegraph. Кроме того, он редактор веб-сайта BBC Earth, широко известного телевизионного канала, специализирующегося на научной документалистике. «Великий квест» — первая книга Маршалла, давно и с увлечением занимающегося глобальной проблемой зарождения на Земле (или не на Земле, а в глубинах космоса?) жизни.
Автор взял множество интервью у исследователей, изучил наследие тех, кто робко задавался вопросом о происхождении жизни в прошлые века, и с удивлением обнаружил, что всерьез наука заинтересовалась поисками ответа на этот вопрос лишь в начале прошлого века. Теорий возникновения живого существует множество, ожесточенные споры не утихают, и автор подробно анализирует гипотезы, многие из которых представляются весьма экзотическими.
Предлагаем прочитать начало одной из глав книги.
Еще одна длинная молекула
В1789 году во Франции произошли два важнейших события. Первое из них — Французская революция, в ходе которой была свергнута монархия, а король казнен на гильотине. Всё это в итоге привело к диктатуре Наполеона Бонапарта и десятилетиям войны. Второе событие, возможно, оказалось даже более эпохальным, хотя его обычно упускают из виду.
В тот год химик Антуан Франсуа (граф де Фуркруа) изучал химический состав живых организмов. Годом ранее ему удалось выделить три различных типа соединений в тканях животных. Это были "желатин" из кожи, "альбумин" из молока и яиц и "фибрин" из мышц. В 1789 году Фуркруа опубликовал похожее исследование химического состава растений пшеницы. На сей раз химик сумел выделить тот же альбумин и еще одно, четвертое, соединение — "глютен". Стало понятно, что все эти загадочные субстанции имеют какое-то очень большое значение для живых организмов.
Фуркруа первым из ученых идентифицировал белки — один из четырех типов молекул в основе живого. Это было поистине фундаментальное открытие, однако вскоре оно оказалось отодвинуто на второй план.
Во Франции бушевали революция и неотъемлемая от нее параноидальная подозрительность. Людей отправляли на гильотину без должного судебного разбирательства, а то и вовсе бессудно. Среди жертв оказался и коллега Фуркруа — Антуан Лавуазье, которого не без оснований считают родоначальником химии как самостоятельной науки. К несчастью для него, он одновременно был и аристократом, и сборщиком податей, а потому в 1794 году лишился головы. Один из первых биографов Лавуазье обвиняет Фуркруа в том, что он не вступился за своего товарища. Однако позднее это обвинение вызвало определенные сомнения, так как у нас нет серьезных оснований считать, что двое этих ученых работали вместе. Тогда ситуация совершенно вышла из под контроля, и любой протест мог восприниматься как контрреволюционное выступление и грозить казнью. К тому же задачу по спасению Лавуазье очень затрудняло само его происхождение.
Вероятно, из-за всего этого революционного хаоса работы Фуркруа на протяжении нескольких десятилетий оставались в тени. Лишь в 1838 году важный шаг в изучении белков сделал Геррит Ян Мульдер. Он взял фибрин, альбумин и желатин и смог расщепить эти соединения на отдельные химические элементы. Оказалось, что все эти пробы содержат углерод, водород, кислород, азот, калий и серу. Но особенно важным оказался тот факт, что соотношение числа атомов во всех молекулах было чрезвычайно близким: "в альбумине яиц всегда на один атом серы приходится один атом фосфора". Мульдер счел, что это означает принадлежность всех данных субстанций к одному типу молекул. Термин же "протеин" для обозначения таких веществ первым предложил коллега Мульдера Йенс Якоб Берцелиус.
Оказалось, что по меркам молекул белки являются настоящими гигантами. По оценкам Мульдера, каждая из молекул состояла более чем из 1200 атомов. Тогда многие химики считали, что такие крупные молекулы попросту не могут существовать, а должны рассыпаться на части — как карточный домик при первом прикосновении. Следовательно, это открытие подготовило почву для признания учеными в качестве основы жизни крупных, так называемых "макромолекул" вроде ДНК.
До конца XIX века химики смогли установить состав белков. Ключевым моментом стало открытие в их составе более простых молекул — аминокислот. Первая из них была выделена из аспарагуса (спаржи) еще в 1806 году — эта аминокислота получила название "аспарагин". Остальные аминокислоты открывали на протяжении XIX и в начале XX века.
Все аминокислоты имеют общую структуру и отличаются только одной своей частью. Они имеют центральный атом углерода, к которому присоединены четыре других остатка. Первый из них — остаток амина: атом азота с парой болтающихся водородов. Второй — карбоксильный остаток: еще один углерод, соединенный с двумя кислородами и водородом. Третьим является очередной водород, и, наконец, имеется также нечто четвертое — и это нечто может изменяться и зависит от конкретной аминокислоты.
Всё живое на Земле построено из двадцати аминокислот. Самая простая — это глицин, где пресловутое нечто являет собой единственный атом водорода. В то же время у аспарагина это самое нечто содержит целых восемь атомов — данный остаток сравним по размерам с целым глицином. Другие аминокислоты сложны примерно настолько же.
В ряде случаев при распаде белков высвобождаются отдельные аминокислоты. Это указывает на то, что белки и аминокислоты неким образом связаны. И вот в 1902 году настал драматический момент: Франц Хоффмайстер и Эмиль Фишер выступили с докладами на одной и той же научной конференции и выдвинули одну и ту же теорию. Хоффмайстер был нелюдимом, отказавшимся от ряда престижных университетских должностей, а Фишер — неутомимым экспериментатором, даже пережившим отравление ртутью.
Хоффмайстер сделал свой доклад утром, а Фишер — во второй половине дня. Оба предположили, что белки представляют собой длинные цепи из соединенных вместе аминокислот. Это объясняет, почему белки могут быть так похожи и при этом так различаться (хотя входящие в их состав атомы почти совпадают, сами белки имеют совершенно несхожие свойства): разные аминокислоты могут быть соединены в цепочку с различным порядком. Вот почему построенные из ограниченного набора строительных блоков1 молекулы очень сильно различаются. Любой, кому доводилось собирать и динозавра, и ракету из одного и того же комплекта “Лего”, в состоянии представить, насколько разнообразными могут оказаться эти молекулы.
Почти полвека спустя британский биохимик Фредерик Сэнгер установил точный состав первого белка. Он определил последовательность аминокислот в инсулине, синтез которого нарушается при диабете. Ряд опубликованных между 1949 и 1952 годами статей Сэнгера принес ученому первую из двух его Нобелевских премий. В своих работах Сэнгер продемонстрировал, что инсулин состоит из 51 аминокислоты, которые образуют две цепочки с двумя перемычками между ними. С тех пор стали известны аминокислотные последовательности сотен2 различных белков.
А еще химикам удалось узнать, что белки имеют трехмерную структуру. Когда-то считалось, что форма молекул белков округлая или продолговатая, однако сейчас нам известны примеры чрезвычайно сложных белковых структур. В 1958 году была установлена структура первого белка — содержащегося в мышцах миоглобина. Разрешение рентгеновских снимков того времени было недостаточным для выяснения положения отдельных атомов, однако общую форму аминокислотной цепочки разглядеть удалось. Полученное изображение напоминает кусок пластилина, который скрутили и завязали узлом. Спустя три года удалось получить картинку лучшего качества и рассмотреть на ней отдельные атомы. В наши дни подобные изображения получены для тысяч белков.
Сейчас известно, что в живых организмах белки выполняют огромное множество различных функций. Из них образован внутренний каркас клетки (так называемый «цитоскелет»). Некоторые белки работают как насосы: они пронизывают собой внешнюю мембрану клетки и пропускают небольшие молекулы внутрь или наружу, обеспечивая клетку необходимыми питательными веществами и предотвращая «отравление» ее ненужными. Некоторые являются рецепторами — как, например, родопсин в нашей сетчатке, способный чувствовать свет и делающий нас зрячими.
Но, пожалуй, самое большое впечатление производят белки-ферменты. Это молекулярные машины, выполняющие химические реакции в живой клетке. Ферменты являются катализаторами, то есть они не изменяются в ходе той реакции, которой управляют. Поэтому одна молекула фермента может быть использована много раз подряд и не расходоваться3.
Исходно белковая природа ферментов не была известна. Ее установил американский химик Джеймс Самнер в 1926 году. Девять лет этот ученый изучал кристаллы фермента, называемого уреаза, и в итоге смог доказать, что это белок. Самнер по большей части работал один и был стеснен в средствах. Но особенно тяжко приходилось ему потому, что он, будучи левшой, из-за несчастного случая с огнестрельным оружием еще в юности лишился левой руки.
Структуры ферментов способны удивить своим устройством любого инженера. Нередко несколько аминокислотных цепочек оказываются закручены друг вокруг друга в замысловатые спирали или образуют изгибы, что делает возможной идеально подобранную форму «активного центра». Именно этой частью фермент захватывает свою специфическую «молекулу-мишень». Эмиль Фишер, изучавший химический состав белков, в 1894 году предложил для объяснения работы ферментов механизм «замка и ключа». Живая клетка — это непрестанная работа множества конвейеров, где сотни ферментов расторопно и без устали производят разные полезные соединения.
В 1908 году канадский биохимик Арчибальд Макаллум ничего этого не знал. Ему было известно, что белки — это цепочки из аминокислот, но полный спектр разнообразия их структур и возможностей еще только предстояло выяснить, а доказательство белковой природы ферментов Самнер приведет лишь через двадцать лет. Тем не менее ключевое значение белков для жизни сомнений не вызывало, и потому Макаллум предположил, что именно белки являются исходной формой жизни. По-видимому, он первым опубликовал это предположение — хотя Дарвин и высказал его раньше в частном письме.
Макаллум, очевидно, вдохновлялся открытием, сделанным шестью годами ранее Хоффмайстером и Фишером. Подчеркивая, что белки образованы аминокислотами, Макаллум утверждал, что этот факт может объяснить возникновение жизни на Земле: «Если мы сумеем объяснить, как белки могли сформироваться без участия живой материи, мы будем в состоянии объяснить и образование самой живой материи».
Макаллум рассуждал о наиболее просто устроенных белках — точнее, пептидах, представляющих собой две соединенные вместе аминокислоты. Эти так называемые дипептиды широко распространены в живых организмах, причем — при всей своей простоте — довольно разнообразны. Так, к дипептидам относятся и подсластитель аспартам, и обнаруженный в мясе карнозин. Макаллум считал, что такие простые молекулы образуются легче, чем белки вроде инсулина, но это не мешает им выполнять различные жизненно важные функции. И далее ученый делает потрясающее предположение: «Не исключено, что состоящие всего лишь из нескольких молекул белка ультрамикроскопические частицы могут быть способны к независимой жизни и размножению путем деления после достижения ими определенного размера». Однако это предположение не вызвало большого энтузиазма, и идея о белках как о первой жизненной форме пребывала в забвении до 1950-х годов, когда у нее наконец появился ярый защитник.
К тому времени, когда Миллер экспериментально доказал возможность существования аминокислот на юной Земле, Сидни Уолтер Фокс уже был состоявшимся биохимиком. Он родился в Лос-Анджелесе в 1912 году и внешне смахивал на Мэтта Деймона — только коренастого и в очках. Фокс женился на русской женщине по имени Рая, и у них родилось трое детей, причем все они стали учеными. В 1955 году Фокс основал в Университете Флориды свою лабораторию.
Вдохновленный опытами Миллера, Фокс хотел сделать следующий шаг в том же направлении: получить простые белки из тех самых аминокислот, которые синтезировал Миллер. При соединении двух аминокислот выделяется одна молекула воды, поскольку две исходные молекулы теряют два атома водорода и один атом кислорода. Это навело Фокса на мысль, что заставить аминокислоты объединиться можно за счет удаления воды. Иными словами — простой нагрев.
Сперва всё пошло совсем не по плану, и Фокс получил только черную смолистую грязь. Но потом он вспомнил, что две аминокислоты в белках встречаются особенно часто: это аспарагиновая кислота и глютаминовая кислота. В итоге в 1958 году его команда провела серию захватывающих экспериментов. Ученые выяснили, что аспарагиновая кислота соединяется с любой другой аминокислотой даже при мягком нагревании. Это заставило Фокса задаться вопросом — а нельзя ли соединить ее со всеми другими аминокислотами сразу? «Если это возможно, — пишет он, — мы сумеем получить нечто вроде белка настолько простым путем, что его спонтанное образование на древней Земле удастся представить без малейшего затруднения».
В то время в распоряжении Фокса были два аспиранта, Аллен Веготски и Каору Харада, а также лаборантка Донна Кейт. Эксперимент с целью соединить воедино все двадцать аминокислот изначально сочли безнадежным и потому поручили его Кейт: время аспирантов не хотелось тратить попусту. Продержав смесь аминокислот с большим избытком аспарагиновой и глутаминовой кислот несколько часов при температуре 170 °C, Кейт получила крошечные гранулы белого цвета.
Проанализировать результат должен был Харада. Для этого предстояло разрушить полученное соединение на исходные образующие его аминокислоты и выяснить, сколько их и какие они. К всеобщему удивлению, оказалось, что это соединение содержало не то 15, не то 16 различных аминокислот! Следующие эксперименты дали тот же результат.
Это означало, что полученные Кейт гранулы состояли из соединившихся аминокислот. В отличие от обычных белков, это соединение не имело в своей основе аккуратную цепочку — оно было скорее случайным по структуре и порядку аминокислот. Фокс дал им название «протеиноиды», поскольку они, хотя и не являются настоящими белками, тоже состоят исключительно из аминокислот — только беспорядочно слипшихся. Результаты экспериментов были опубликованы в 1958 году за авторством всего двоих — Фокса и Харада. В маленьком примечании также упоминалась «техническая помощь миссис Донны Кейт».
В следующем году Фокс и его команда добились еще более поразительного успеха. Исследователи получили очень маленькие шарики протеиноидов размером менее одной тысячной сантиметра. Эти шарики, которые напоминали простые клетки, позднее стали называть «сферулы» или «микросферы», а «добыла» их в ходе эксперимента новая лаборантка Джин Кендрик. Задуманный опыт снова казался слишком уж простым: кипячение протеиноидов в растворе соли в течение 1 минуты. За один раз этот эксперимент позволял получить свыше миллиона микросфер, которые затем можно было хранить неделями.
Фоксу сразу пришло на ум сравнение с коацерватами, которые, по предположению Опарина, стали основой первых примитивных клеток (см. главу 2). Вскоре Фокс заключил, что протеиноидные микросферы являются лучшими кандидатами на звание первой клетки, чем любые коацерваты. К тому же их очень легко получить: для этого достаточно просто синтезировать протеиноиды при нагреве аминокислот, поместить их в горячую воду и потом высушить. В 1960 году Фокс озвучил мысль, развитию которой он посвятил весь остаток своей жизни, — мысль о том, что протеиноидные микросферы представляют собой очень хороший ответ на вопрос «Как началась жизнь?».
Фокс убедился в превосходстве своих протеиноидных микросфер при встрече с Опариным в 1969 году в Москве. Фокс тогда попросил показать ему образцы коацерватов, но демонстрация совершенно не задалась. Прямо в присутствии Опарина его лаборантка много раз пыталась получить их, но — безуспешно. «Было очень заметно, что и она, и Опарин очень разочарованы и что им стыдно».
Поначалу Фокс был осторожен и избегал громких высказываний. В 1963 году на конференции в Уэйкулле он был заметно сдержан: «Я считаю, что естественно предположить (и говоря об этом, я вовсе не обязательно отстаиваю противоположную точку зрения), что на основании того, что первые события в истории становления клетки определяли ДНК или РНК либо только РНК, мы не обязаны считать, будто развитие представленной РНК и ДНК преджизни происходило без участия белка. Сейчас я считаю подобное предположение излишним и, возможно, психологически сдерживающим».
Встречались у Фокса и еще более осторожные высказывания. Однако следующие двадцать лет сделали Фокса куда решительнее. Отчасти это было связано с нападками на его идеи — ведь отмалчиваться ученый не мог. Например, Алан Шварц, аспирант Фокса в 1960–1965 годах, вспоминал о «яростных атаках» со стороны других химиков после лекции в Университете Флориды. Один из них, Де Лос Де Тар, заявил нечто вроде «только Бог может создавать белок».
За всей этой критикой явно стояли эмоции, и Фоксу приходилось отвечать столь же энергично, хотя и используя более взвешенные аргументы. В Уэйкулле на него обрушился с критикой Карл Саган, назвавший его идеи «неправдоподобными с точки зрения геологии». Претензии заключались в том, что для получения микросфер исходный материал должен подвергнуться большим перепадам температуры, а затем быть смочен и высушен. По словам Сагана, «такая последовательность изменений условий с легкостью доступна в лаборатории, но вот насколько часто она наблюдается в природе — это вопрос». Критические замечания подобного рода приходилось выслушивать и химикам вроде Поннамперума: да, ваш эксперимент хорош, но может ли такое происходить в реальности?
В течение нескольких лет Фокс упорно доказывал, что микросферы не просто выглядят как живые клетки, но и ведут себя так же. К 1965 году он убедился, что его микросферы могут даже делиться надвое с образованием двух «дочерних» микросфер, что очень напоминает деление клеток. А к 1980 году стало ясно, что и протеиноиды, и микросферы Фокса имеют каталитическую активность, пусть и небольшую. Иными словами, они могли работать как слабые ферменты. Это был намек на то, что протеиноидные микросферы способны ускорять химические реакции и тем самым создавать другие важные молекулы, включая нуклеиновые кислоты.
К сожалению, иногда Фокс слишком увлекался и высказывал бездоказательные утверждения. В 1988 году он, к примеру, заявлял, что его микросферы склонны образовывать пары, и сравнивал это с сексуальным влечением. Он даже уподоблял беспорядочное движение микросфер, связанное с постоянными ударами по ним более мелких молекул, брачным танцам. Однако одноклеточные организмы вроде бактерий не способны к половому размножению. Для них характерно только простое деление надвое. Секс вообще был изобретен в ходе развития живого на удивление поздно.
Шварц отмечает, что Фокс слишком уж увлекался полученными им результатами. «Он опирался на довольно ограниченные данные и полагал, что все они соответствуют его ожиданиям, однако никогда толком не вникал в детали, — говорит Шварц. — Виной всему был лишь его энтузиазм, а не попытки кого то обмануть. Он мог сначала выбрать какие то свойства, потом продемонстрировать, что результат их подтверждает, а после этого сразу переключиться на что то другое».
Чрезвычайная уверенность в себе Фокса иногда шла во вред окружающим. Когда в 1960 году Шварц приступил к работе над своей диссертацией, Фокс предложил ему очень амбициозную тему. Окрыленный успехом с протеиноидами, Фокс решил, что можно попытаться получить тем же самым способом нуклеиновые кислоты, — скажем, ДНК. То есть попробовать попросту нагревать смесь нуклеотидов. Целых три года Шварц занимался в подвальном помещении лаборатории производством «черных грязей». Теперь он называет это «полным безумием». Фокс оказался никудышным научным руководителем. Будь он повнимательнее, Шварц не потратил бы столько времени на бесперспективный проект.
1. Давайте еще больше всё усложним и скажем, что короткие цепочки из аминокислот называются пептиды. Термин «белок» применим к более крупным молекулам, обычно длиннее пятидесяти аминокислот. Но для простоты мы в нашей книге будем называть цепочки аминокислот белками вне зависимости от того, сколько в них аминокислот.
2. Думаю, речь идет скорее о многих тысячах. — Прим. перев.
3. Термин «катализ» первым, в 1836 году, использовал Берцелиус, незадолго до создания им термина «протеин».