Оболочка

Все организмы дискретны в пространстве и имеют наружную оболочку. Однако поначалу преджизнь существовала, вероятно, в виде «живых растворов». Чтобы не раствориться окончательно, они должны были ютиться в крошечных полостях, которые часто встречаются в минералах. Это тем более удобно, что некоторые минералы (пирит, сульфид цинка) являются неплохими катализаторами для биохимических реакций. Поверхность минералов могла служить матрицей, основой, к которой прикреплялись молекулы РНК. Упорядоченная структура кристаллов помогала упорядочить и структуру этих молекул, придать им нужную пространственную конфигурацию.

Но рано или поздно преджизнь должна была обзавестись собственными оболочками — перейти от доорганизменного уровня к организменному. Идеальным материалом для таких оболочек являются липиды, молекулы которых способны образовывать на поверхности воды тончайшие пленки. Если взболтать такую воду, в ее толще образуется множество мелких пузырьков — водяных капелек, покрытых двухслойной липидной оболочкой (мембраной). Эти капельки проявляют интересные свойства, которые делают их похожими на клетки. Липидные мембраны обладают избирательной проницаемостью: одни молекулы сквозь них проходят, другие — нет. Благодаря этому одни вещества втягиваются в каплю, другие выводятся, третьи — накапливаются внутри. Правда, для того, чтобы это происходило постоянно, одних мембран недостаточно. Нужно еще, чтобы внутри капли одни вещества превращались в другие, а для этого там должны находиться катализаторы — белки или РНК.

Изучением свойств водно-липидных капель (коацерватов) занимался академик А. И. Опарин. Он считал, что коацерваты были одним из этапов на пути возникновения жизни. Опарин обнаружил, что при определенных условиях коацерваты могут расти и даже «размножаться» делением.

Первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем. Впоследствии они могли вступить в симбиоз (взаимовыгодное сожительство) с «живыми растворами» — колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов. Подобное сообщество уже можно назвать организмом.

Предположение о первичности гетеротрофов (так думали Опарин и Холдейн – теория «первичного бульона»). Или, может быть, жизнь зародилась в трещинах и полостях горных пород или в гидротермальных источниках, где пищей первым организмам служила органика, образующаяся в недрах Земли. «За»: 1) простые (теоретически). Использовать готовую органику для построения собственных клеток должны уметь все живые организмы, но автотрофам нужно вдобавок эту органику самим синтезировать из простых молекул. Логично предположить, что способность к связыванию CO₂ и синтезу органики развилась позже, как «надстройка» над гетеротрофным метаболизмом. Но если совсем простые, как микоплазма, то очень требовательные. «Против»: 1) слишком быстро съели бы весь «первичный бульон» (впрочем, бульон мог и пополняться – например, за счет абиогенного фотосинтеза на сульфиде цинка) 2) крупные заряженные органические молекулы не пролезают сквозь липидные мембраны.

Другие считают более вероятным, что первые организмы были автотрофами, не нуждались в готовой органике и синтезировали ее сами из углекислого газа и других простых веществ, используя энергию окислительно-восстановительных реакций (хемоавтотрофы) или света (фотоавтотрофы).

Предположение о первичности фотоавтотрофов. Аргументы «за»: 1) древнейшие ископаемые микроорганизмы (3,5 млрд лет) внешне напоминают цианобактерий (хотя внешнее сходство – плохой критерий). 2) самодостаточны (теоретически). Но нуждаются в доноре электрона. «Против»: 1) система фотосинтеза – сложная, а если донор электрона используется легкодоступный (вода), то совсем сложная, 2) сравнительная геномика не подтверждает.

Предположение о первичности хемоавтотрофов. «За»: 1) сравнительная геномика подтверждает очень большую древность не противоречит; самые архаичные по многим признакам прокариоты (археи) – как раз хемоавтотрофы; 2) действительно самодостаточны (например, могут жить в полной изоляции глубоко в недрах земли).

Это один из примеров эволюционных деревьев прокариот (с датировками)

Уже работают над созданием искусственных «протоклеток» – простейших живых систем, которые можно рассматривать как модели (реконструкции) древнейших этапов становления живой клетки.

Это – разведка другого возможного пути к появлению первой живой клетки. Здесь предполагается, что протоклетки с оболочкой появились еще до того, как возникли рибозимы – РНК-полимеразы. Вначале, согласно этим моделям, репликация РНК шла вообще без помощи специальных катализаторов, будь то белки или рибозимы. Такое в принципе возможно, хотя процесс идет очень медленно.

У неферментативной репликации 3 основные проблемы: 1) не идет без праймера (как и репликация с помощью рибозимов), 2) реплицируется далеко не любая последовательность (как и при репликации с использованием рибозимов), 3) процесс очень медленный.

В ходе этих исследований удалось решить проблему непроницаемости мембраны для крупных органических молекул (это одна из проблем, ставящих под сомнение теорию о первичности гетеротрофов).

Мембрана протоклетки вовсе не обязательно должна была состоять из тех же липидов, что и мембраны современных клеток. Устойчивые двухслойные мембраны получаются из множества разных липидов, жирных кислот, спиртов и других амфифильных соединений (то есть имеющих полярную гидрофильную «голову» и гидрофобный углеводородный «хвост»). Такие молекулы в воде сами собой могут собираться в двухслойные пленки-мембраны: гидрофобные хвосты поворачиваются внутрь, подальше от воды, а гидрофильные «головы» торчат наружу, образуя оба поверхностных слоя мембраны.

Оказалось, что проницаемость мембраны зависит прежде всего от формы молекул, из которых она сделана: чем больше «голова» молекулы по отношению к длине «хвоста», тем выше проницаемость. Например, хорошей проницаемостью обладает мембрана из декановой кислоты с соответствующим глицериновым моноэфиром и декановым спиртом.

Однако нуклеотид-трифосфаты, как выяснилось, наотрез отказываются проходить сквозь любые липидные мембраны. Причина в том, что они несут слишком сильный отрицательный заряд. У нуклеотид-дифосфатов и нуклеотид-монофосфатов заряд меньше, и им удается пройти сквозь декановые мембраны, но из таких «кирпичиков» ДНК сама собой не синтезируется (напомню, речь сейчас идет о неферментативной репликации!)

Однако и здесь нашелся обходной путь. Нуклеотиды можно активировать иным способом — присоединив к ним вместо трех фосфатов один фосфат и молекулу имидазола (имидазол — органическое соединение, представляющее собой кольцо из трех атомов углерода и двух атомов азота; является составной частью одной из 20 «канонических» аминокислот —гистидина). Нуклеотиды, активированные имидазолом, годятся для синтеза ДНК и РНК, но имеют только один отрицательный заряд, а не четыре, как нуклеотид-трифосфаты.

Многие допускают, что на заре жизни для синтеза нуклеиновых кислот могли использоваться не нуклеотид-трифосфаты, как теперь, а нуклеотиды, активированные имидазолом. Такие нуклеотиды даже лучше справляются с этой работой, чем нуклеотид-трифосфаты, особенно при отсутствии катализаторов - полимераз.

Может быть, переход от нуклеотидов, активированных имидазолом, к менее эффективным нуклеотид-трифосфатам был обусловлен необходимостью предотвратить утечку нуклеотидов из клетки (нуклеотид-трифосфаты, как мы помним, сквозь мембраны не проходят). Это, конечно, произошло уже тогда, когда клетки научились сами синтезировать строительные блоки для синтеза нуклеиновых кислот и перестали «всасывать» их извне.

Нуклеотиды, активированные имидазолом, достаточно свободно проходят сквозь некоторые виды мембраны. На этом основании удалось создать плохонькую «протоклетку».

Взяли короткие молекулы ДНК с затравкой (праймером) и с недореплицированным «хвостиком», состоящим из 15 нуклеотидов Ц (цитидинов). Молекулы были помещены внутрь мембранных пузырьков. Эти пузырьки с начинкой — модельные протоклетки — поместили в среду, оптимальную для неферментативного синтеза ДНК. После этого протоклетки стали получать «пищу» — активированные имидазолом нуклеотиды. И в протоклетках пошла (хоть и очень медленно, по 96 мин. на нуклеотид) репликация ДНК. Тем самым была показана принципиальная возможность существования гетеротрофных протоклеток.

Хотя мне лично кажется, что сначала все-таки появились рибозимы – РНК-полимеразы, сообщества совместно размножающихся рибозимов, и только потом они обзавелись оболочками - мембранами.

Следы РНК-мира. У всех живых существ до сих пор в синтезе липидов важнейшую роль играет кофермент А, представляющий собой не что иное, как модифицированный рибонуклеотид. Это еще напоминание об РНК-мире.