Синтезируя жизнь

     Александр Владимирович Марков – доктор биологических наук, палеонтолог, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН, руководитель кафедры биологической эволюции биофака МГУ. Лауреат главной в России премии в области научно-популярной литературы «Просветитель», лауреат премии «За верность науке» Министерства образования и науки РФ в категории «Популяризатор года». Внес вклад в развитие общей теории биологической макроэволюции и математическое моделирование макроэволюционных процессов. Автор более 180 научных публикаций и множества научно-популярных, в том числе известных книг: «Эволюция человека: Обезьяны, кости и гены», «Эволюция человека: Обезьяны, нейроны и душа», «Рождение сложности», «Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий» (в соавторстве с Еленой Наймарк). Один из авторов сайта «Элементы.ру», основатель портала «Проблемы эволюции».

– Александр Владимирович, подошли ли, наконец, ученые к ответу на вопрос о происхождении жизни?

– Если в середине XX века эта тема была, условно говоря, уделом пожилых профессоров, которые вышли на пенсию и имеют возможность сидеть в кресле у камина и размышлять, то сегодня вопрос происхождения жизни стал настоящей экспериментальной наукой. Прогресс просто колоссальный. Конечно, тема проработана далеко не полностью, но мы можем примерно сказать, как и в какой последовательности развивались события.

– С чего же все началось?

– Путь от неживой материи к первой живой клетке был очень долгим. Очень многое должно было зависеть от случайных обстоятельств. Поэтому конкретные сроки оценить проблематично. Все зависит от того, с какого момента начать отсчет. С синтеза первых органических молекул? Но, как мы теперь знаем, аминокислоты и даже некоторые азотистые основания синтезируются и в космосе. Они есть в метеоритах, кометах, астероидах. По сути, это первый этап возникновения живой материи из неживой. То есть молодая Земля с самого начала содержала в себе значительное количество созданной в космосе органики.

– Что было дальше?

– Органические вещества могут синтезироваться в вулканических газах под воздействием электрических разрядов, таких как молнии. Что и было показано в знаменитом эксперименте Стэнли Миллера – том самом, с которого начались серьезные исследования в области происхождения жизни. 

Было также показано, что во многих гидротермальных вулканических источниках, которых сегодня много в районах срединно-океанических хребтов, тоже может происходить синтез органических веществ из неорганических. Речь о так называемых черных, белых и других «курильщиках», вокруг которых образуются известковые постройки, похожие на фантастические замки. Они извергают гидротермальные воды, содержащие минеральные вещества (в разных типах – разные). В зависимости от того, какой вид «курильщика» перед нами, мы можем судить, синтез каких органических соединений в нем происходит. Поэтому для каждого типа источников нашлась своя группа исследователей, убежденных, что именно в нем зародилась жизнь. Они активно друг с другом спорят, но в их теориях много общего – в частности, состав источников. Возле некоторых из них образуются пористые минералы. В зоне смешения извергаемых вод с океаническими возникают градиенты: плавно меняются температура, кислотность и концентрация веществ. И когда эти градиенты идут сквозь пористый минерал, то в его ячейках складываются замечательные условия для органического синтеза.

Поэтому многие считают, что именно эти микрополости могли стать прообразом живой клетки. Подобно клеточной мембране, минеральная структура тоже проницаема для одних веществ и непроницаема для других. То есть в совокупности с порами минералов органические вещества могли представлять собой нечто вроде протоклеток. Это и было вторым этапом зарождения жизни. 

– Разные типы источников извергают разные минеральные вещества. Какие из них имели шансы стать основой жизни?

– Существует много версий. Например, теория так называемого железного мира, делающая акцент на черных «курильщиках». Интересна теория цинкового мира, которую развивает крупный биохимик Армен Мулкиджанян. Она основана на предположении, что абиогенный фотосинтез (образование органических соединений. – Ред.) происходил на частицах сульфида цинка, который выделяется из белых «курильщиков». Сегодня такие выделения наблюдаются только на глубине, но в древности, если атмосферное давление было больше, сульфид цинка мог попадать на мелководье. Тогда под действием ультрафиолетового излучения мог происходить абиогенный фотосинтез. 

– Каким был следующий этап в летописи жизни?

– Мы подошли к ключевому моменту, когда можем сказать: наша система стала живой. Это время появления так называемых репликаторов – молекулярных комплексов, которые, обладали, во-первых, способностью к размножению (стимулированию синтеза собственных копий), во-вторых, наследственной изменчивостью. То есть копирование было не абсолютно точным, возникали ошибки. И эти ошибки наследовались потомками изменившихся молекул. В зависимости от индивидуальных наследственных различий между молекулами одни из них размножались быстрее, другие медленнее. Это означает, что уже начал действовать естественный отбор. Автоматически был запущен мощнейший механизм, способный создавать очень сложные и совершенные системы, которые с течением времени становились все более эффективными в плане размножения. Вот точка отсчета истинной жизни. 

– Как именно появились первые репликаторы?

– Это отдельная интересная наука. Основой ее является теория РНК-мира. Она появилась в середине 1980-х годов, когда были открыты рибозимы (молекулы РНК, обладающие каталитическим действием. – Ред.). Напомню, современные живые организмы основаны на трех классах веществ: ДНК, белках и РНК. ДНК хранит наследственную информацию, белки выполняют всю работу – от мышечных сокращений до генерации нервного импульса, переваривания пищи и т. д. А РНК, на первый взгляд, это нечто лишнее. Она служит посредником между ДНК и белками, помогая передавать наследственную информацию системе синтеза белка на основе инструкций, записанных ДНК.

В свое время теория происхождения жизни столкнулась с вопросом: какая молекула появилась первой? ДНК? Но, кроме хранения информации, она ни на что не способна без белков. Жизнь с одной такой молекулы начаться не могла. Белки? Они могут делать любую работу, но не умеют хранить наследственную информацию. Получается, они тоже никуда не годны без ДНК. А чтобы появились одновременно и ДНК, и белки – крайне маловероятно.

В итоге еще в 1960-е годы несколько самых гениальных биологов того времени, включая Френсиса Крика, предположили, что жизнь могла начаться с РНК – этого странного третьего класса макромолекул. Но эти ученые опередили свое время, их идеи не были восприняты сразу. Ситуация изменилась в середине 1980-х, когда были открыты молекулы РНК со свойствами, характерными в норме для белков, то есть способные к активному катализу химических реакций. То есть это были фактически ферменты, но сделанные из РНК. Стало ясно, что РНК – единственная молекула, которая может совместить обе функции – хранить наследственную информацию и выполнять работу. Вывод напрашивался сам собой: первые живые существа могли быть основаны на РНК. У этих организмов РНК выполняла и то, что сегодня делает ДНК, и то, что делают белки.

Сегодня теория РНК-мира – уже не просто теория, а целая экспериментальная наука, которая быстро развивается.

– Как могли появиться первые молекулы РНК?

– Химики показали, что в естественных условиях, которые с высокой вероятностью сложились тогда на Земле, могут синтезироваться рибонуклеотиды – кирпичики, из которых строится молекула РНК. На поверхности кристаллов некоторых минералов из рибонуклеотидов могут синтезироваться олигонуклеотиды – короткие РНК. А среди таких «коротышек» часто получаются РНК с какими-то интересными свойствами, которые умеют что-то делать. Но в какой момент появляется первый репликатор, первая живая система на основе РНК?

РНК, как и ДНК, – это молекула, в самой структуре которой заложена способность быть репликатором. Главное открытие Джеймса Уотсона и Френсиса Крика – принцип комплементарности (взаимного соответствия химического строения двух макромолекул, обеспечивающего их взаимодействие; комплементарные молекулы подходят друг к другу, как ключ к замку. – Ред.). Выяснилось, что к нити РНК можно пристроить комплементарную нить. Причем последовательность нуклеотидов (сложных биологических веществ, из которых состоят ДНК и РНК. – Ред.) в комплементарной нити в точности закодирована и определяется последовательностью нуклеотидов в той нити, которая служит матрицей. Потом эти две нити снова можно разделить и на каждой опять достроить вторую комплементарную цепь. Таким образом, молекула может размножаться. Сейчас активно исследуются условия, при которых будет идти самопроизвольное размножение молекул РНК. И это тоже интереснейшая и очень большая область, в которой семимильные шаги делает нобелевский лауреат Джек Шостак.

– Подведем итог: первый репликатор, то есть первая живая система, по-видимому, представляла собой комплекс молекул РНК, который был способен к размножению и обладал наследственной изменчивостью. Главное мы имеем. Дальше лишь усложнение?

– Да. Но должны были произойти еще два важнейших события. Первое – появление клетки, окруженной липидной мембраной. Вопрос протоклеток как раз и исследует Шостак, который, в отличие от большинства ученых, считает, что жизнь появилась не в ячейках пористых минералов, а сразу в пузырьках жирных кислот, которые могут спонтанно возникать возле гидротермальных источников и образовывать везикулы.

И завершающий, крайне важный этап – появление системы синтеза белка. Рибозимы – это, конечно, хорошо, но белки все-таки гораздо эффективнее для выполнения разных работ. И в какой-то момент (видимо, не сразу, а очень постепенно) РНК-организмы научились синтезировать белки и кодировать в собственной структуре их устройство. То есть работать одновременно и «чертежами», и устройствами по изготовлению белков на основе этих чертежей. Появился генетический код и механизм трансляции (синтеза белка на матрице РНК).

– Когда ученые смогут синтезировать живую клетку?

– Вот как раз эта тема, с моей точки зрения, совсем не интересна. Ведь все зависит от того, что именно называть живой системой. В каком-то смысле живые системы – искусственные репликаторы – уже создаются. А что считать настоящей жизнью? Конечно, речь не идет о том, чтобы собрать живую клетку со всеми ее составляющими. Причем собрать ее из неживой материи, может, и можно. Но воспроизвести в лаборатории все этапы естественного зарождения клетки – все равно что вывести из амебы ворону. Даже если мы будем знать все этапы, и как именно они происходили, – чтобы сделать это в искусственных условиях, потребуются огромное пространство, сумасшедшие емкости и все-таки время, большее, чем человеческая жизнь.

Тут важно экспериментально показать ключевые моменты. А воспроизводить всю цепочку с нуля – не уверен, что это вообще когда-нибудь понадобится. Слишком трудоемко, затратно, а главное – бесполезно. 

– На Марсе обнаружили жидкую воду. На спутнике Юпитера – Европе – давно подозревают существование подледного океана. Небезосновательно можно предположить наличие там жизни, пусть и бактериальной. Как вы считаете, органика способна самозарождаться в любом «удобном» месте, или она все-таки появилась в некой условной точке и теперь разносится по мирозданию? Насколько часто, в принципе, во Вселенной может зарождаться жизнь?

– Сказать точно пока нельзя, есть только косвенные намеки. Эта вероятность, по-видимому, не очень большая, иначе мы могли бы ожидать, что на нашей планете была не одна жизнь, а несколько. Но все живое на Земле происходит от единого предка. Нет никаких данных, которые бы указывали на то, что жизнь на нашей планете зарождалась более одного раза.

– Я слышала, что, наоборот, жизнь на Земле могла зарождаться множество раз.

– Могла, но до нас дожили потомки только одной ветви. Мы не можем исключить, что она зарождалась много раз, но у нас нет и никаких доводов в пользу этого. Еще один факт – молчание космоса. Никаких достоверных свидетельств того, что нас посещали инопланетяне, тоже нет. Если бы Вселенная действительно кишела жизнью, что-то, наверное, мы бы уже обнаружили.

– Тут, видимо, стоит говорить и о грани между разумной жизнью и просто жизнью?

– Разумеется. Вполне возможно, что микробная жизнь встречается во Вселенной гораздо чаще, чем эукариотическая. А эукариотическая, в свою очередь, чаще, чем разумная. Некоторые этапы появления жизни выглядят как весьма маловероятные, поэтому не исключено, что в нашей Вселенной действительно не так много планет, где зародилась жизнь. С другой стороны, мы видим: то, что недавно казалось невероятным, вдруг оказывается вполне возможным. И по мере накопления таких открытий увеличивается вероятность зарождения жизни где-то еще.

– Секс между мужчиной и женщиной – тоже продолжение жизни. Зачем же нужна романтическая любовь, если можно обойтись физиологическими потребностями? Ведь отношения между супругами часто связаны с неприятностями. Как это оправдано с точки зрения эволюции?

– Есть виды, у которых родители вообще не заботятся о детях. Есть те, у кого бремя ответственности лежит только на самке. И гораздо более редкий вариант – когда о потомстве заботится самец. А есть животные, у которых заботятся оба родителя. К ним относимся и мы. И чтобы эти двое оставались вместе и не поубивали друг друга, между ними должна быть эмоциональная привязанность. Это очень оправданная, с точки зрения эволюции, вещь. По крайней мере, для видов, которым требуются ресурсы обоих родителей.

А ссоры – они по умолчанию. Все животные агрессивны. Все охраняют свое личное пространство, следуя своим эгоистическим интересам. Но если бы любви не было – ссор было бы не меньше, а больше.

– Любовь с точки зрения биологии – это только химия или все-таки что-то еще?

– Конечно, нельзя сводить высокие уровни организации к низшим. Но наличие низких уровней – в данном случае химии – является необходимой базой. Не будет химии – не будет любви.

– Вопреки устоявшемуся мнению о временных рамках любви, может ли эта химическая реакция продолжаться всю жизнь?

– Может. Мы знаем случаи, когда люди любят друг друга до конца своих дней. Наверное, это редкость, но тем не менее. У нас есть отделы мозга, отвечающие за всякого рода привязанности. И что интересно, любовь связана с активностью тех же отделов, которые отвечают за привязанность, например, к просмотру сериалов по вечерам, алкоголю, наркотикам, азартным играм и т. д. Поэтому любовь напоминает привычку, которая нам нравится и без которой через какое-то время мы не можем обойтись.

Романтическая любовь в процессе эволюции развивалась много раз у разных животных, которые приходили к совместной заботе о потомстве. И появлялась она, по-видимому, всегда на основе более древней, более распространенной в природе родительской любви. Эволюция взяла этот, уже имеющийся, блок любви и немного его перенастроила – чтобы привязанность возникала не только к пищащему маленькому существу, но и к большому, но тоже симпатичному. Кстати, аналогичная вещь произошла и при возникновении «симбиоза» с собаками. Общение с собаками очень похоже на общение с детьми.

– Можно ли продлить любовь, если принимать гормоны, такие как окситоцин или вазопрессин?

– Этим уже занимаются. Сложно что-то сказать про эффективность, но, скорее всего, она будет, если уровень окситоцина повышать аккуратно и в нужный момент. Там все очень тонко. Укол, например, не подействует, потому что окситоцин должен попасть в мозг. Его нужно колоть либо непосредственно туда (но технически в нашем случае это невозможно), либо закапывать в нос. Через обонятельный эпителий он каким-то образом попадает в мозг. Я слышал, что в США назальный спрей окситоцина уже прописывают супругам, которые жалуются на охлаждение отношений.

Окситоцин активизирует нейронные сети в мозге, которые отвечают за доверительное, доброе отношение к другим людям. Единственное, что не может окситоцин, – повысить любовь к конкретному человеку. Эффект его сводится к общему возбуждению теплых чувств к людям в принципе. Но если рядом с человеком, получившим дозу окситоцина, в тот момент будет находиться его вторая половина, вся любовь, разумеется, направится на нее. Обидно будет, если в этот момент рядом окажется совсем не тот объект.