Удивительным образом эта глина помогает сформировать РНК – этот процесс много лет назад изучил и описал Джим Феррис. Мы же обнаружили, что эта глина также способствует появлению мембран. Наш эксперимент состоял в следующем: мы поместили окрашенную РНК на поверхность глиняных частиц и использовали их для формирования везикул из жирных кислот.
Удивительным образом глина помогает формированию и генетических молекул, и мембран, а также сводит их вместе. Все это наводит на мысль, что эта простая и распространенная минеральная порода могла сыграть ключевую роль в образовании примитивных клеток.
Основываясь на экспериментах с глиной, можно утверждать, что образование мембран с РНК внутри выглядит не слишком сложно. Следующий вопрос, о котором надо подумать – как такая структура может расти и делиться? Техническая проблема заключается в том, что эти везикулы очень неоднородны. Они разных размеров, и обычно у них больше одной мембраны. Если вы встряхнете в воде жирные кислоты, на выходе получите полный бардак: гигантские везикулы, крошечные везикулы, одни везикулы внутри других (взгляните еще разок на рисунок с «мыльными» пузырями).
Если вы захотите посмотреть на то, как такие структуры растут, вам придется нелегко. Если каждый пузырь немного увеличится в размерах, вы почти наверняка не увидите этого – смесь везикул будет выглядеть так же, как и раньше. Мы топтались на этой проблеме, пока несколько лет назад к нашей лаборатории не присоединился блестящий студент Тин Чжу (Ting Zhu). Он сказал: «Я знаю, как сделать везикулы примерно одного размера». Его идея состояла в том, чтобы избавиться от крупных везикул, продавив всю смесь через фильтр с небольшими отверстиями, а затем избавиться от крошечных, дав им уплыть через еще более мелкий фильтр. Я одобрил первый шаг, но сказал, что второй никогда не сработает, потому что на него потребуется слишком много времени. К счастью, я ошибался. На следующий день Тин вернулся с прекрасной выборкой одинаковых везикул – примерно четыре микрона в диаметре каждая.
Как только это было сделано, нам стал доступен простой и показательный эксперимент. Мы добавили в раствор пищу для везикул – другими словами, больше мылообразных жирных кислот – и приготовились наблюдать их рост. Мы думали, что раз мы начинаем с маленьких сфер-пузырьков, они должны просто вырасти в большие сферы. Мы также считали, что если поверхность будет расти быстрее объема, наши пузырьки станут немного вытянутыми. Но этого не случилось. То, что произошло, стало для всех нас большим сюрпризом. В течение буквально нескольких минут мы наблюдали, как из каждой сферической везикулы появлялись тонкие волнистые нити. Эти нити постепенно становились длиннее и толще, и в конце концов сферы превратились в длинные волокна. При этом никакое содержимое не покинуло оболочку, все осталось внутри.
Схематичная диаграмма цикла роста и деления везикулы. Изначальная сферическая везикула начинает расти, образуя тонкую нить, и в итоге превращается в длинную вытянутую структуру, которая с легкостью делится при несильном встряхивании, образовывая дочерние везикулы. Источник: Тин Чжу.
Этот удивительный результат породил много захватывающих вопросов. Как это происходит? Какие условия благоприятствуют такому типу роста? Но важнее всего было то, что феномен, который мы наблюдали, помог решить одну из наших сложнейших задач – мы поняли, как происходит деление. Видите ли, очень сложно разделить сферическую везикулу на сферы меньшего размера, для этого необходимо слишком много энергии. Но чтобы заставить длинную нитевидную везикулу разделиться, достаточно легонько потрясти ее, и она распадется в случайном месте. В результате примитивная клетка окажется способна делиться на дочерние клетки просто в результате мягкого воздействия волн. Мы сняли видео о таком процессе деления, где сначала виден странный переход от гладкой нити к чему-то похожему на бусы, которые затем распадаются из-за движения жидкости на маленькие дочерние везикулы. Этот процесс схематически проиллюстрирован на финальном слайде.
Шаги, ведущие к появлению органической жизни, кажутся намного проще, если существует больше одного способа сделать каждый из них. Поэтому мы очень рады тому, что существует и совершенно другой способ деления – фотохимический. Серия химических реакций запускается светом и приводит к делению. Нитевидная везикула также превращается в подобие бус, и, наконец, распадается, образуя дочерние везикулы. Опять же, множество интересных вопросов можно задать о том, как именно это происходит, но весьма обнадеживает, что деление протоклеток, выглядевшее поначалу почти невозможным, на деле оказалось достаточно простым процессом.
Итак, мы теперь знаем, что один компонент примитивной клетки – ее мембрана – может расти и делиться простым и надежным способом. Оставшаяся большая проблема заключается в том, как заставить генетический материал размножаться без ферментов (поскольку до возникновения жизни ферментов не было). Вернемся к изображению протоклетки (см. рисунок 21 на вклейке) – у нас есть модель примитивной клетки, состоящей из мембраны и нескольких генетических молекул внутри. По мере роста мембраны генетические молекулы копируются, поэтому, когда происходит деление, они распределяются по дочерним клеткам.
И вот мы там же, откуда и начали, но цикл роста и деления уже может повторяться бесконечно. Я хочу подчеркнуть, что на этой стадии повторяющийся цикл подразумевает начало эволюции – все из-за информации, зашифрованной в нуклеотидах (тех, что составляют генетические молекулы – ДНК, РНК или что-то еще). Нуклеотиды проходят через процесс репликации, неизбежно возникают ошибки, так что спустя определенное время мы получаем множество разных последовательностей. В какой-то момент одна из этих последовательностей случайно делает что-то полезное для выживания клетки. Потомки этой клетки постепенно распространяются по всей популяции, и генетическая структура всех организмов меняется – основной признак дарвиновской эволюции. Было бы очень здорово увидеть спонтанное проявление дарвиновской эволюции прямо в моей лаборатории, засвидетельствовать переход от химической системы к биологической.
Чтобы создать протоклетку, способную эволюционировать, нужно решить, какими будут ее генетические молекулы и как они будут копироваться. Какие химические процессы могут привести к копированию простых генетических молекул (или даже сложных, таких как РНК)? Это проблема, которая занимает людей на протяжении десятилетий. Покойный Лесли Орджел сначала добился впечатляющего прогресса в этой области, но в конце концов за двадцать лет он убедился в том, что химическая репликация РНК просто неправдоподобна. В результате он пришел к мысли, что, возможно, существовала более простая генетическая молекула, которая появилась до РНК. Ученые по сей день ломают копья по этому поводу, но и эту гипотезу мы можем проверить экспериментально. Например, мы можем создать молекулы, которые немного отличаются от РНК, попытаться, по сути, создать версии РНК, которые, возможно, легче копировать.
Именно этим мы сейчас и занимаемся в моей лаборатории. Другая возможность состоит в том, что первыми генетическими молекулами были ДНК, которые намного более стабильны, чем РНК. Их может быть труднее сделать и труднее скопировать, но если на этой стадии все получится, эффект будет длиться дольше, поэтому, возможно, мы начались с ДНК. Есть много других альтернатив – много молекул, которые в принципе могут работать как генетические полимеры, поэтому мы должны создать их, проверить их свойства и подумать о том, как они могли образоваться на ранней Земле.
Я уже упомянул о том, что распространенный глини-стый минерал монтмориллонит может помочь собирать РНК. Этот глинистый материал состоит как бы из множества тонких листов, сложенных стопкой, и потому у него очень большая площадь поверхности. Если в окружающей среде присутствуют правильные «кирпичики» (активированные нуклеотиды), они будут прилипать к поверхности этих тонких глиняных листов. Эти мономеры могут затем объединяться и превращаться в довольно длинные цепи РНК благодаря каталистическому эффекту глинистой поверхности. Возникает действительно большой, интересный и сложный вопрос: как скопировать эти цепи РНК?
Поиск подходящих химических процессов и условий для копирования РНК является сейчас основным нашим занятием. Мы хотели бы начать с цепей РНК и посмотреть, как активированные нуклеотиды находят себе «пару» и постепенно выстраивают вторую, дополнительную цепочку, создавая в итоге двойную спиральную структуру. На данном этапе мы уже можем копировать ограниченное количество РНК, но пока это получается недостаточно быстро и недостаточно точно. Это задачи на будущее. Я снова хотел бы обратить ваше внимание на то, что эти сложные молекулы нужны нам потому, что именно они отвечают за наследственность. РНК, которые выполняют функции, полезные для клетки, например, помогающие ей размножаться или выживать, должны передать эти «навыки» новым поколениям клеток. Вот почему понимание химии, ответственной за репликацию РНК, составляет такую большую часть ответа на вопрос о том, как появилась жизнь на молодой Земле.
Зная только то, что мы знаем сейчас о росте и делении везикул, а также о химической репликации РНК и подобных молекул, мы находимся в точке, когда мы можем начать делать некоторые выводы о типах сред, которые могли бы позволить примитивным клеткам размножиться. Хотя это немного умозрительно, очень интересно подумать о том, что химия говорит нам об окружающей среде. На следующем рисунке показана модель: теория о том, как мог бы выглядеть примитивный клеточный цикл. В его начале какая-то генетическая молекула, возможно, РНК, оказалась внутри мембранного пузырька.
Гипотетическая клетка, реагирующая на среду. Большая часть роста и копирования РНК происходит при низких температурах. Иногда клетку подхватывает поток горячей воды, выбрасываемой из геотермального источника; кратковременное воздействие высокой температуры позволяет разделиться нитям ДНК, а также обеспечивает приток питательных веществ. Источник: Джеймс Симондс.