Рецепт «первичного бульона»: к столетию первой гипотезы абиогенеза
Откуда на нашей планете появилась жизнь и как выглядели первые живые существа? Веками этим вопросом ведали философы и представители религии, а вот ученые впервые взялись за него довольно поздно — каких-то сто лет назад. Первой гипотезой абиогенеза, претендующей на объяснение превращения неживого в живое, стал «первичный бульон». Ее описание опубликовал в мае 1924 года Александр Иванович Опарин, биохимик и специалист по физиологии растений и энзимологии, впоследствии — академик АН СССР. Опарин предположил, что первые клетки на древней Земле возникли сами по себе в насыщенной органикой и лишенной кислорода морской воде. Едва ли современные ученые могут воспринимать «первичный бульон» всерьез. Однако эта гипотеза оказала огромное влияние на науку и стала первым шагом на пути научных исследований зарождения жизни. Этот путь все еще далек от завершения.
Жизнь без зарождения
Доступная нам часть планеты Земля заполнена жизнью или следами ее деятельности. Разумеется, люди с первых дней своего существования искали объяснение потрясающему разнообразию земной жизни. Откуда оно взялось и каким было раньше? Поначалу ответы искали в мифологии, религии и философии, и лишь затем по мере прогресса их начали искать при помощи науки.
Блестящие открытия Нового времени — механика Ньютона, развитие астрономии, становление современной химии, создание первых микроскопов и описание микроорганизмов Левенгуком, выявление бактериальной природы биохимических процессов и болезней Пастером, создание эволюционного учения Дарвином и становление клеточной теории — стали фундаментом современного естествознания. Располагая всеми этими достижениями науки сегодня и воспринимая их как данность, мы порой плохо представляем, каким видели мир люди в прошлом.
Новая наука ответила на многие вопросы о строении живого и его функционировании — от деления клетки до эволюции в геологических масштабах времени. Однако она долго игнорировала вопрос абиогенеза — о том, как возникли самые первые живые существа. Причин для этого имелось несколько. Во-первых, широкое распространение креационизма — учения о том, что все живое исходно было создано намеренно божественным вмешательством. Во-вторых, зарождение (а точнее — самозарождение) живых организмов считались чем-то заурядным и происходящим сплошь и рядом. Повседневный опыт «подсказывал», что, например, личинки мух сами собой образуются в мясе, а мыши — из зерна и грязного белья. Были известны и «рецепты» посложнее: скажем, считалось, что «гуси и утки зарождаются из морских раковин, которые в свою очередь рождаются из плодов деревьев, в частности из желудей. Из этих последних возможно и непосредственное образование птиц».
Дело в том, что в древности для людей не существовало четкой границы между живой и неживой природой: считалось, что первая с легкостью получается из второй под действием некоего незримого духовного начала. Это — так называемая жизненная сила, которая, согласно витализму, управляет всем живым и порождает его. Однако упрямый эксперимент постепенно не оставил шансов идеям о том, что для возникновения живых существ достаточно лишь питательной среды и незримой силы в воздухе. Добивающим ударом по самозарождению и витализму стали опыты Луи Пастера. Ученый использовал стеклянные колбы с вытянутым S-образным горлышком, содержащие наваристый бульон и другую органику, на которой обычно процветают микробы. После нагревания, несмотря на доступ воздуха и вместе с ним «жизненной силы» через горлышко, ничего живого там не возникло, поскольку бактерии и прочие микробы оседали на изгибах стекла (как и положено материальным объектам, имеющим массу). А вот после отламывания горлышка бульон быстро портился.
Другая важная причина игнорирования наукой в XIX веке и начале XX века проблемы абиогенеза — господство мнения о вечной и неизменной Вселенной, которую населяет такая же вечная жизнь. В такой картине мира не стоит вопрос, откуда она взялась: жизнь, как и космос в целом, всегда были там, где мы наблюдаем их сейчас. С этим связана еще одна популярная гипотеза появления (но не зарождения) жизни на Земле, которая была в ходу со времен Анаксагора. Речь о панспермии — якобы свободном распространении микробов и прочих зачатков жизни между небесными телами. Среди сторонников панспермии отметился великий химик Сванте Аррениус, который полагал, что бактерии перемещаются по Вселенной благодаря звездному ветру. Несмотря на обилие описанной органики в космосе, сейчас идея панспермии выглядит неправдоподобно. Более того, по сути, это лишь попытка уклониться от вопроса «как возникла жизнь?» за счет перенесения места действия с Земли куда-то еще.
Первая из гипотез
В таком состоянии вопрос абиогенеза застал наступивший XX век. Наука того времени столкнулась с рядом открытий, которые не вписывались в классические представления. Особый вклад внесла физика, в частности — теория относительности Эйнштейна, квантовая физика и развитие представлений о Большом взрыве. Новый этап развития научного знания поощрял смелые необычные гипотезы, которые раньше были чуждыми науке.
Именно в такую науку пришел Александр Иванович Опарин. Опарин родился 2 марта 1894 года в Угличе. В 1917 году он окончил естественное отделение физико-математического факультета МГУ, где обучался на кафедре биохимии растений — в том числе у своего кумира К. А. Тимирязева. В 1925 году Опарин начал читать в университете курс лекций «Химические основы жизненных процессов», затем — курс технической биохимии... Так начиналась блестящая карьера Опарина, который в тридцатилетнем возрасте без защиты диссертации получил степень доктора, пять лет спустя стал член-корреспондентом АН СССР, а в 1946 году — академиком. Опарин побывал в десятках заграничных командировок, представлял СССР на различных научных и не только форумах, стал почетных членом многих иностранных академий и получил многие высокие награды.
Опарин занимался, как сказали бы сейчас, и популяризацией науки — в своих книгах и даже выступлениях на телевидении. Был он и видным организатором науки — вместе с академиком А. Н. Бахом организовал Институт биохимии АН СССР. После смерти Баха в 1946 году Опарин возглавил этот институт и руководил им до своей кончины в 1980 году. Область научных интересов Опарина включает физиологию растений, прежде всего водорослей, исследования ферментов (энзимология) и влияния среды на их активность, а также эволюционную биохимию. Но самым значимым его вкладом в науку стали, безусловно, именно первые в мире труды по абиогенезу, над которыми он начал работать, когда ему не было и тридцати.
Все началось в мае 1922 года, когда Опарин выступил на собрании Русского ботанического общества с первом докладом о своей теории зарождения жизни. Впрочем, тут имеются расхождения: некоторые источники относят это событие к 1924 году, но едва ли это правда, ведь в 1924 году уже был опубликован первый труд Опарина по абиогенезу — небольшая брошюра «Происхождение жизни», которая вышла в издательстве «Московский рабочий». Стиль книжки позволяет отнести ее скорее к научно-популярной, а не научной литературе, — и это важный пример того, насколько в действительности важным для развития науки может быть научпоп.
На страницах «Происхождения жизни» простыми словами изложены ключевые положения биологии и — что не менее важно — подняты вопросы, которые раньше оставались без внимания. Опарин начинает с рассуждения о том, что такое жизнь, и отмечает ряд ее характерных признаков: сложная структура, поглощение энергии извне, способность к самовоспроизводству и саморегуляция. Самым прогрессивным в его словах стал акцент на одновременное наличие всех этих свойств у живых организмов. Именно совокупность этих свойств отличает живое от неживого. Действительно, например, сложную структуру имеют и морозные узоры на окнах (которые были привычны сто лет назад, а сейчас многих жителям центральной России незнакомы), расти и копировать себя в каком-то смысле способны и кристаллы, а поглощающей способностью отличаются глинистые минералы, но все это лишь отдельные признаки живого, которые мы наблюдаем в неживой природе.
Далее Опарин описывает место действия абиогенеза: древнюю необитаемую или «стерильную» планету Земля. Знакомый с достижениями геологии, ученый видит перед собой расплавленный шар, окруженный разреженной атмосферой, которая не содержала кислорода и «носила не окислительный, а обратный, как говорят химики, восстановительный характер, т. е. содержала в себе водород и его соединения (аммиак, сероводород и т. д.)»
Своеобразный химизм среды и обилие энергии сделали возможным образование в только что возникшем древнем океане простых органических соединений Особое значение Опарин здесь отводит взаимодействию карбидов металлов (соединений с углеродом) и воды. Такая реакция, в частности, используется в ацетиленовой горелке. Из простой органики затем получилась сложная. Это и был «первичный бульон» — богатый субстрат, из которого якобы самопроизвольно возникли первые живые клетки. Впрочем, сам этот термин (primordial broth) предложил чуть позже Джон Холдейн — второй соавтор первой гипотезы абиогенеза, которому мы еще уделим внимание.
Итак, по мысли Опарина на заре истории Земли в первичном океане самопроизвольно формировались органические молекулы, которые некому было есть и якобы нечему было окислять — из-за отсутствия кислорода. Среди них появлялись белки или близкие им молекулы, которые имели вытянутую форму и могли образовывать замкнутые пузырьки за счет самопроизвольного разделения фаз коллоидного раствора — их наблюдали в эксперименте уже во времена Опарина. Речь идет о так называемых коацерватах (лат. coacervatus — «собранный в кучу»).
Опарин считал, что коацерваты первичного бульона вели себя подобно живым клеткам: «питались» (вбирали в себя новые вещества извне) и «делились» (распадались на фрагменты, когда становились слишком велики). Внутри у таких пузырьков содержалась особая «персональная» смесь веществ, которая отличала их от окружающего раствора и друг от друга. Иными словами, коацерваты обладали индивидуальностью: какие-то оказывались более удачными и в результате быстрее росли и делились либо имели какие-то иные преимущества. При этом они вступали в конкуренцию за окружающую органику — если та достанется одному коацервату, то не перейдет к другому.
По сути, Опарин распространил представления Дарвина о естественном отборе — движущей силе биологической эволюции — на мир, предшествовавший жизни. В то же время он считал, что описанные им коацерваты и были первыми живыми клетками либо их прямыми предками, а все жители современной биосферы происходят от них.
Помимо дарвинизма, важное влияние на идеи Опарина оказал диалектический материализм, — идеи К. Маркса и Ф. Энгельса, которые были чрезвычайно популярны в то время в СССР. Это сугубо материалистическое учение искало научное объяснение самым загадочным явлениям природы. Более того, классик диалектического материализма Энгельс напрямую обратился к проблеме появления живого и сущности жизни еще в 1878 году, написавший «жизнь есть способ существования белковых тел». Впрочем, тогда Энгельс не мог знать как именно устроены и работают белки, так что содержание этого термина было несколько иным. Примечательно, что те же идеи воспринял и Холдейн, хотя он жил и работал в Великобритании.
В 1929 году, то есть пятью годами позже Опарина, Холдейн опубликовал собственные очень похожие взгляды на абиогенез, поэтому сейчас «первичный бульон» называют гипотезой Опарина — Холдейна. Считается, что Холдейн ничего не знал о работах Опарина, и это неудивительно: к 1929 году книга Опарина оставалась почти неизвестна за рубежом и была переведена на английский позже.
Нельзя не сказать пару слов и о личности Холдейна — британского аристократа и коммуниста, участника войн в Индии и пацифиста, который, в отличие от Опарина, широко известен не только благодаря «первичному бульону», но и вкладом в генетику и синтетическую теорию эволюции. Между тем ход мысли Холдейна удивительно близок опаринскому — с той лишь разницей, что англичанин делает больший акцент на первые живые клетки как самокопирующиеся объекты. Как показала история, такой взгляд прогрессивнее и лучше отражает суть феномена жизни.
Эволюция абиогенеза
С тех пор минуло столетие и ученые создали множество новых гипотез абиогенеза, которые конкурируют между собой, «вымирают», «мутируют» и даже «скрещиваются» (см. книгу М. Никитина Происхождение жизни. От туманности до клетки). Очень важны для учения об абиогенезе революционные преобразования в биологии и науке в целом — такие как открытие структуры ДНК и механизмов ее репликации, трансляции белка и так далее. Как относятся к гипотезе Опарина—Холдейна современные ученые?
В ней, несомненно, содержится ряд ошибок и неточностей, так что считать гипотезу Опарина — Холдейна правдоподобной уже невозможно. Начнем с «места действия»: сейчас принято считать, что первичная атмосфера Земли не была настолько восстановительный и имела другой состав. В таких условиях самопроизвольное «завариваривание первичного бульона» маловероятно. Более того, в мире гипотетических коацерватов посреди океана распад наверняка преобладал бы над ростом и синтезом.
Далее, современные взгляды на состав первичной клетки и биохимическая «память» белков указывают на другую, отличную от океана среду зарождения жизни. Это был скорее небольшой теплый и пресный водоем, — возможно он находился рядом с вулканом и наверняка подвергался действию ультрафиолета. Поразительно, но именно такую картину описал в свое время «натуралист номер один» — Чарльз Дарвин. Он никогда не разбирал абиогенез в своих научных трудах, но как-то мимоходом высказал предположение о том, как он мог произойти, в частном письме к ботанику Джозефу Гукеру еще в 1871 году:
«Часто говорят, что и сейчас имеются все те условия для возникновения живых организмов, какие могли быть прежде. Но если бы (и это «если бы» с большой буквы!) действительно нашелся какой-нибудь теплый маленький водоем, содержащий в растворенном виде все необходимые аммонийные и фосфорные соли, при наличии в нем света, тепла, электрических разрядов и так далее, и в этом водоеме в результате химических реакций образовалось соединение белковой природы, способное постепенно усложняться, то сейчас такое вещество было бы мгновенно поглощено или усвоено — что было невозможно до возникновения живых существ» (цитата по книге М. Маршалла Великий квест).
Но самый большой просчет Опарина состоит в том, что реальные клетки неизмеримо сложнее чем его коацерваты. Размышляя об абиогенезе сто лет назад, он еще не располагал знаниями о молекулярной биологии и сложной регуляции экспрессии генов, а также о матричном синтезе — то есть считывании структуры ДНК и получении на ее основе белков. Такой направленный поток информации между тремя типами молекул — от ДНК и РНК к белкам, — был описан Френсисом Криком только в 1958 году; сейчас это правило называют центральной догмой молекулярной биологии. Невозможно представить, что все эти молекулы вместе со сложными взаимосвязями и регуляцией, а заодно «правилами шифрования» (генетическим кодом) попали в коацерваты случайно и сами по себе.
Поэтому следом за Опариным и Холдейном за абиогенез — теперь сформулированную в явном виде научную проблему, — взялась череда исследователей и целые научные школы.
В 1953 году провели свой знаменитый эксперимент С. Миллер и Г. Юри. С помощью очень простого стеклянного прибора они воссоздали условия, которые, по их мнению, имелись на древней Земле. Установка состояла из двух колб, соединенных трубками: одна моделировали атмосферу, содержала смесь метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2), монооксида углерода (CO) и водяных паров, через которую пропускали электрические разряды; вторая служила «океаном», то есть содержала воду и нагревалась. Таких нехитрым способом Миллер и Юри получили множество аминокислот, сахара, липиды и даже компоненты нуклеиновых кислот. Это была экспериментальная проверка гипотезы «первичного бульона» — и поначалу казалось, что это ее блистательное подтверждение. Но на деле получить смесь различной органики — далеко не то же, что настоящую клетку. Тем более что по современным данным Земля не имела той идеальной для синтеза органики восстановительной атмосферы, которую моделировали Миллер и Юри.
Начиная с 1958 года Сидни Фокс (Sidney W. Fox) и его коллеги провели ряд экспериментов, которые должны были продвинуть подход Миллера и Юри на следующий уровень. Они нагревали смесь аминокислот в надежде, что те самопроизвольно соберутся в настоящие белки. Вышло что-то совсем иное — так называемые протеиноидные микросферы, — которые тем не менее имели некоторые примечательные свойства. Работы Фокса стали первыми в ряду тех, что отводили центральную роль в абиогенезе белкам.
В 1986 биофизик Уолтер Гилберт опубликовал статью, в которой емко сформулировал гипотезу «мира РНК», — пожалуй, самую жизнеспособную и по-прежнему актуальную картину абиогенеза. Гилберт и его единомышленники подчеркивали, что даже самая элементарная живая система должна сочетать в себе две функции: биохимическую (ускорять нужные химические реакции) и генетическую (хранить и передавать информацию). Среди упомянутой триады молекул — ДНК, РНК и белки, — обе работы способна взять на себя только РНК. Так что очень может быть, что первые биологические репликаторы — то есть самокопирующие системы — состояли только из РНК и лишь затем «обросли» ДНК, белками и прочими компонентами.
В конце прошлого века возникли гипотезы абиогенеза, ставящие на первое место появление метаболизма. Действительно, все живое нуждается в энергии, и никакие гипотетически клетки не смогли бы выжить без ее готового источника. Сюда относятся труды Гюнтера Вэхтерсхэузера (Günter Wächtershäuser), считавшего, что первая жизнь использовала энергию химической реакции образования пирита (широко распространенного минерала), а также Майка Рассела, который допускал возникновение жизни в горячих источниках на дне океана. Впрочем, гипотеза второго сейчас уже кажется неубедительной.
В XXI веке в исследованиях абиогенеза начался настоящий бум. Проблемой занимается ряд лабораторий по всему миру, которые проводят множество опытов в подтверждение своих любимых гипотез. Многие недавние работы допускают возникновение более чем одного компонента клетки одновременно — например, нуклеиновых кислот сразу в мембранной упаковке или «мира РНК», который был населен еще и пептидами.
Более того, современные гипотезы становятся более «экологическими», то есть учитывают взаимодействие первых клеток с неживой природой юной Земли, которая помогала первой хрупкой жизни уцелеть (см. М. Орлов, 2022. «Я, монтмориллонит», или Минеральные помощники первой жизни). Таковы гипотеза «первичного майонеза», согласно которой жизнь возникла в среде водно-жировой смеси, и «первичной пиццы» — это предположение о зарождении жизни на подложке из минералов (возможно, глинистых). Оба свежих «гастрономических» названия — это очевидный намек на «первичный бульон», что не оставляет сомнений: гипотеза Опарина — Холдейна все еще не забыта.
Разумеется, столетие назад молодой Опарин не сумел дать правильный ответ на вопрос о зарождении жизни. Его нельзя за это винить, ведь ученый просто не располагал многими необходимыми знаниями. Далеко не все известно и сейчас, так что разгадка тайны абиогенеза все еще впереди. Однако Опарин сделал нечто не менее ценное: задал правильный вопрос, введя его в проблемное поле науки. На этот счет хорошо высказался Джон Десмонд Бернал, британский физик и философ науки: «Программа, намеченная А. И. Опариным, ... породила огромную массу исследований. В начале разработки какой-либо научной программы самое главное ... увидеть и сформулировать сами вопросы. Вспомним ли мы Ньютона, или Лавуазье, ... или Пастера, ... мы всякий раз убеждаемся в правильности этого положения... Данная работа ... послужила отправной точкой для всех остальных».
Михаил Орлов