Вопрос, как зародилась жизнь, остается величайшей загадкой биологии. В Гарвардском университете провели эксперимент, приблизивший научное сообщество к ответу. Его результаты изложены в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Самые ранние известные свидетельства жизни — это крошечные окаменелости древних микробов возрастом около 3,8 миллиарда лет. Но их открытие не дало понимания, как и когда именно возникла жизнь. Какие простые биологические молекулы привели к появлению сложных клеток? Был ли один источник жизни или несколько событий? Началась ли жизнь на Земле или на другой планете? Эти вопросы веками ставили биологов в тупик.
Чарльз Дарвин предполагал, что жизнь зародилась в «теплом мелком пруду», а затем развилась в разнообразные формы. В 1950-х годах Стэнли Миллер и нобелевский лауреат Гарольд Юри провели эксперименты в Чикагском университете, где смоделировали условия ранней Земли — атмосферу из метана, аммиака, водорода и воды с электрическими разрядами молний — и получили аминокислоты, органические молекулы, которые служат строительными блоками белков.
Энергичный профессор Хуан Перес-Меркадер, который называет себя «77-летним мальчишкой», начинал карьеру с теоретической физики — изучал теории великого объединения, суперсимметрии, супергравитации и суперструн. Затем заинтересовался астробиологией — и в конечном итоге пришел в Гарвард с амбициозной инициативой «Происхождение жизни».
Все формы жизни обладают несколькими базовыми свойствами: обрабатывают химическую информацию, усваивают энергию (например, потребляют пищу или осуществляют фотосинтез) для поддержания своей жизнедеятельности и построения тела, размножаются и эволюционируют в ответ на окружающую среду.
Перес-Меркадер разработал математические уравнения, описывающие базовую физику и химию биологии, и использовал их решения для создания искусственной жизни в пробирке. Долгое время эти усилия оставались теоретическими изысканиями без экспериментального подтверждения.
Но затем произошел прорыв в лаборатории благодаря самосборке, индуцированной полимеризацией — процессу, в котором неупорядоченные наночастицы спонтанно организуются и собираются в структурированные объекты на масштабах в миллионные или миллиардные доли метра.
Наконец, эти инструменты позволили Перес-Меркадеру и его коллегам воплотить свои теории в жизнь — в прямом смысле.
В новом эксперименте исследователи проверили, как жизнь могла «запуститься» из материалов, похожих на те, что содержатся в межзвездной среде — облаках газа и твердых частиц, оставшихся после эволюции звезд в галактике, — плюс световая энергия звезд. Пробирка выступила в роли лабораторной версии «теплого мелкого пруда» Дарвина.
Ученые смешали четыре небиохимические (но углеродные) молекулы с водой в стеклянных пробирках, окруженных зелеными светодиодами, похожими на праздничную гирлянду. Когда лампы загорались, смесь вступала в реакцию и образовывала амфифилы — молекулы с гидрофобными (отталкивающими воду) и гидрофильными (притягивающими воду) частями.
Эти молекулы самособирались в шарики — мицеллы. С изменением состава жидкости внутри них они превращались в клеткоподобные «везикулы». Эти везикулы выбрасывали новые амфифилы, как споры, или просто разрывались — и высвободившиеся компоненты формировали последующие поколения клеткоподобных структур. Но новые «споры» немного отличались друг от друга, и некоторые из них оказывались более способными к «жизни и размножению» — демонстрируя таким образом то, что исследователи назвали «механизмом наследуемой изменчивости», основой дарвиновской эволюции.
По мнению Перес-Меркадера, именно так могла зародиться жизнь около 4 миллиардов лет назад: «То, что мы видим в этом сценарии, — это возможность начать с молекул, которые ничем не примечательны — не таких, как сложные биохимические вещества, из которых состоит живая природа. Эта простая система — лучший способ старта грандиозного проекта под названием жизнь».
Эксперимент показал, как простая самовоспроизводящаяся система может быть создана из небиохимических молекул, согласен профессор астрономии Димитар Саселов, возглавляющий проект «Происхождение жизни».
«Поскольку она имитирует ключевые аспекты жизни, это дает нам представление о происхождении и ранней эволюции живых клеток», — пояснил он. «Исследование показывает, что поведение, подобное жизни, может наблюдаться у простых химических веществ, не имеющих прямого отношения к биологии, более или менее спонтанно при наличии световой энергии», — прокомментировал профессор химии Стивен П. Флетчер из Оксфордского университета, не участвовавший в исследовании. «Насколько мне известно, это первый случай, когда кому-то удалось создать структуру, обладающую свойствами жизни, из полностью однородного на химическом уровне материала, не имеющего ничего общего с естественной жизнью», — подытожил Перес-Меркадер.
