Код жизни. Как случайность стала биологией: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Дицианоимидазол и цианацетилен реагируют и образуют промежуточный продукт CV-DCI, он же циановинил-дицианоимидазол. CV-DCI кристаллизуется в виде плоских кристаллов, и его можно считать стабильной формой хранения или запасом цианацетилена.

Глава 4. Аминокислоты и пептиды

Любые попытки выяснить, как зародилась жизнь на Земле, предполагают поиск химического пути, который приводит к выработке белков. Белки с ферментной активностью катализируют самые разные метаболические реакции, необходимые для синтеза материалов на строительство новых клеток. Вдобавок белки, собирающиеся в волокна, контролируют форму клеток и такие динамические процессы, как движение и деление клеток. Все эти белки создаются в результате сложного процесса трансляции: клеточная машина, известная как рибосома, транслирует (т. е. переводит) генетическую информацию из матричных РНК, то есть из длинных цепочек нуклеотидов, в белки, то есть упорядоченные цепочки аминокислот. Такую задачу трансляции позволяет решить генетический код, который сопоставляет последовательности кодонов РНК последовательностям аминокислот. Этот процесс настолько сложен, что при зарождении жизни еще не мог идти полным ходом, однако первые зачатки этой процедуры, вероятно, отражены в химии синтеза аминокислот – в химических реакциях, которые приводят к выработке пептидов (коротких цепочек аминокислот), а в итоге и в тех чудесных химических превращениях, которые связывают аминокислоты с РНК. Начнем с начала и рассмотрим, какие химические пути приводят к появлению аминокислот.

Первым делом мы рассмотрим знаменитый революционный эксперимент и подробно разберем его, поскольку это подскажет нам, как реалистично реконструировать пути аминокислотного синтеза на молодой Земле. В 1952 году химик Стэнли Миллер, тогда еще аспирант, под руководством нобелевского лауреата Харолда Юри придумал и провел в Чикагском университете эксперимент с целью исследовать, какие условия могли существовать на ранней Земле. В результате обнаружилось, что при электрическом разряде в искусственной «атмосфере» из водорода, метана, аммиака и воды происходит синтез двух аминокислот, и для того времени это было открытие колоссальной важности. Когда мы поняли, что аминокислоты, без которых немыслима жизнь, главный строительный материал белков, можно производить таким простым способом, это потрясло химический мир и вдохновило ученых на десятилетия исследований. Кстати, Юри благородно заявил, что этот эксперимент – исключительная заслуга Миллера. Часто говорят, что эксперимент Миллера – Юри продемонстрировал механизм синтеза аминокислот, что не совсем правда. На самом деле в результате реакции были получены так называемые α-аминонитрилы, близкие родственники α-аминокислот (с той поправкой, что вместо кислотной карбоксильной группы к центральному α-углероду присоединена нитрильная группа). Само по себе это не страшно, так как нитрилы медленно гидролизуются в воде и превращаются в карбоксилаты (соединения с карбоксильной группой). Эта реакция гидролиза существенно ускоряется в присутствии сильных кислот, и именно их Миллер и добавил, чтобы добыть аминокислоты из их предшественников-нитрилов. Более того, сульфид, которого много в вулканических регионах, тоже может ускорять гидролиз нитрилов и их превращение в карбоксильные кислоты, но при этом получается более реакционноспособный промежуточный продукт. Это значит, что превращение α-аминонитрилов в аминокислоты, либо быстрое, либо медленное, в зависимости от конкретных химических условий, было обычным явлением на ранней Земле.

Суть вот в чем. Если мы хотим понять, как могут создаваться аминокислоты, нам нужно прежде всего разобраться, как получить α-аминонитрилы. Самый простой способ открыл в середине XIX века немецкий химик Адольф Штреккер. Он показал, что α-аминонитрилы вырабатываются при смешивании альдегидов (молекул с группой C=O) с циановодородом и аммиаком. Эта реакция, известная как реакция Штреккера, хорошо известна и широко применяется. Здесь главное отметить, что нам сразу видна связь между синтезом предшественников аминокислот и предшественников нуклеотидов, поскольку и там и там идут реакции альдегидов с циановодородом.

Как мы уже видели, когда циановодород атакует альдегиды в воде, получается циангидрин. Далее восстановление группы – CN (например, гидратированным электроном) до альдегидной группы[21] дает сахар, а из простых сахаров затем формируются нуклеотиды. Более того, при небольших вариациях на ту же тему, когда циановодород атакует альдегид в присутствии аммиака, получается α-аминонитрил, а в этом случае гидролиз нитрила дает аминокислоту. А конкретнее формальдегид, циановодород и аммиак совместно дают нитрил глицина, α-аминонитрил, соответствующий аминокислоте глицину. Поразительная связь между синтезом нуклеотидов и аминокислот – важное свидетельство, что все строительные материалы биологии могли синтезироваться одновременно в похожих условиях, возможно, даже по соседству!

Теперь, когда мы проследили химические истоки аминокислот через α-аминонитрилы к альдегидам, мы можем сказать, что цель поисков предбиологических путей к аминокислотам – пути к соответствующим альдегидам. Для некоторых простейших аминокислот это вполне очевидно. Например, самый простой в производстве альдегидов (и поэтому, скорее всего, самый распространенный) – одноуглеродный формальдегид. Как мы уже знаем, формальдегид реагирует с циановодородом и дает простейший циангидрин – гликолонитрил. В присутствии аммиака создается нитрил глицина, который, в свою очередь, гидролизуется и дает самую простую аминокислоту – глицин.

Отвлечемся на забавную этимологию: глиц- и глик- в названиях этой группы соединений происходят от глико, сахар, и отражают сладковатый вкус глицина и других веществ. Поскольку глицин – самая простая аминокислота, мы бы ожидали, что в предбиологических условиях он и встречался чаще остальных аминокислот. Однако для изготовления более интересных пептидов нам понадобится кое-что, помимо глицина. Легко видеть, откуда взялись две другие аминокислоты – серин и аланин. Серин получается непосредственно из двухуглеродного сахара гликольальдегида, с которым мы сталкивались в главе 3, в ходе синтеза Штреккера: циановодород реагирует с аммиаком, после чего происходит гидролиз нитрила в карбоксильную кислотную группу. Чтобы получить аланин, нужна еще одна реакция – восстановление гликольальдегида до ацетальдегида. В ходе этой реакции гидроксильная группа гликольальдегида (атом кислорода, связанный с атомом водорода) замещается атомом водорода. Интересно, что эта реакция восстановления обусловлена теми же химическими механизмами, что и восстановление нитрила до альдегида. В обоих случаях гидратированные электроны, полученные при облучении ферроцианида ультрафиолетом (см. главу 3), служат мощными восстановителями, которые запускают аналогичные реакции. Когда таким образом генерируется ацетальдегид, тот же синтез Штреккера дает распространенную аминокислоту аланин.

Итак, нам известно, как из одних и тех же компонентов создать три простейшие аминокислоты, из которых затем получатся нуклеотиды. Теперь обсудим две следующие аминокислоты, побольше и посложнее: треонин и валин. Чтобы добраться до них, как и до других, еще более сложных аминокислот, нам придется повторять все тот же небольшой набор реакций. Хотя нагромождение непроизносимых названий разных соединений может отпугнуть, вы наверняка заметите, что принципы их получения очень просты. В первых реакциях происходит атака циановодорода на альдегид в воде. Это дает более крупный циангидриновый продукт либо, в присутствии аммиака, α-аминонитрил. Второй набор состоит из реакций восстановления под воздействием гидратированных электронов, в том числе восстановление нитрила – CN до альдегида (через промежуточный продукт) и восстановление группы – OH до – Н. Третий набор – атака гидросульфида (HS-) на нитрильную группу, что дает группу, которая затем может либо гидролизоваться и дать карбоксилат, либо восстановиться и дать альдегид. На основе этих трех простейших типов химических реакций мы можем без труда получить и треонин, и валин. Чтобы получить треонин, начнем с того же ацетальдегида, который мы применяли, когда получали аланин посредством синтеза Штреккера, только на сей раз мы позволим ацетальдегиду прореагировать с циановодородом, чтобы получить новый циангидрин, а затем восстановим его нитрильную группу и получим новый альдегид. Затем мы повторим этот цикл реакций с циановодородом, и в присутствии аммиака сформируется новый α-аминонитрил, прямой предшественник треонина.

Валин можно получить очень похожим способом, но с одним интересным фокусом. Чтобы получить валин, мы начнем с глицеральдегида, трехуглеродного сахара, представляющего собой главный ингредиент в синтезе нуклеотидов. Вспомним, что глицеральдегид нестабилен и спонтанно изомеризуется в кетон, где углерод с двойной связью с кислородом находится не на конце, а в середине молекулы. Чтобы использовать глицеральдегид для изготовления нуклеотидов, нам надо предотвратить реакцию изомеризации или обратить ее, если она все-таки произойдет. Но при изготовлении валина такой этап изомеризации необходим: валин обладает двумя гидроксильными группами, по одной на каждом атоме углерода на концах трехуглеродной цепочки. Эти гидроксильные группы могут быть замещены атомами водорода, и тогда получится ацетон (его часто используют как растворитель в составе средств для снятия лака). Ацетон можно применять для получения валина при помощи первоначальной реакции с циановодородом, что дает новый циангидрин, а затем провести восстановление гидроксила до водорода и восстановление нитрила до другого альдегида, прямого предшественника валина в ходе синтеза Штреккера.

Рассматривая синтез все более крупных и сложных аминокислот, мы видим все больше связей между нуклеотидами и аминокислотами. Особенно яркий пример такой связи – пути к аминокислотам аспарагину, аспарагиновой кислоте, глутамину и глутаминовой кислоте.

Все эти четыре аминокислоты можно получить, если начать с цианацетилена, того же самого исходного реактива, который играет такую важную роль в синтезе азотистых оснований нуклеозидов Ц и У. В случае синтеза нуклеозидов цианацетилен, медленно высвобождаемый из своей «запасной» кристаллической формы CV-DCI, реагирует с РАО и дает дегидратированную форму нуклеозида Ц (-Ц). Однако в среде, богатой циановодородом и аммиаком, цианацетилен дает α-аминонитрил, предшественник аспарагина и аспарагиновой кислоты. Этот предшественник содержит две нитрильные группы. Одна расположена рядом с аминогруппой, которая гидролизуется в карбоксилат, а другая – на противоположном конце молекулы. Если вторая нитрильная группа проходит частичный гидролиз, получается аспарагин, а дальнейший гидролиз во второй карбоксилат дает аспарагиновую кислоту. Более того, углеродный хребет α-аминонитрила можно удлинить восстановлением одного нитрила до альдегида, за которым следует обычное добавление циановодорода и дальнейшая реакция, которая дает молекулу на один углерод длиннее – предшественник глутамина, из которого после гидролиза получается глутаминовая кислота.

Если синтез глутамина и глутаминовой кислоты был не слишком сложным, вот два похожих, однако более длинных пути к двум другим аминокислотам – пролину и аргинину. Эти аминокислоты интересны тем, что играют важные, но совсем разные роли в структуре пептидов и белков. Пролин – единственная биологическая аминокислота, имеющая кольцевидную структуру.

Поэтому она создает изгиб или излом в структуре пептида и к тому же прерывает канонические структуры, которые мы обнаруживаем в белках, например знаменитую α-спираль, которую открыл нобелевский лауреат химик Лайнус Полинг. Аргинин, с другой стороны, несет положительный заряд на боковой цепочке и, следовательно, может сильно взаимодействовать с отрицательно заряженными молекулами наподобие РНК. На первый взгляд пролин и аргинин выглядят совсем по-разному, однако в последовательности реакций, приводящей к их синтезу, есть общий ранний предшественник, а кроме того, обе они рано отходят в сторону от пути, ведущего к кислым аминокислотам. Циановодород и ацетилен могут давать цианацетилен, однако их можно сочетать и по-другому, и тогда мы получим соединение под названием акрилонитрил (строго говоря, это реакции окисления и восстановления). В целом получение пролина и аргинина из акрилонитрила – это последовательность реакций тех же типов, о которых мы говорили при обсуждении других аминокислот. Однако у каждого пути есть свои особые этапы, например реакция, дающая положительно заряженную группу в молекуле, из которой в дальнейшем получится аргинин. Напротив, путь к пролину предполагает, что довольно рано должно появиться пролиновое кольцо, и за этим последуют несколько более знакомых реакций.

Мы уже знаем, что 11 из канонических 20 образующих белки аминокислот, которые мы обнаружили в живой материи на Земле, можно получить при помощи одной и той же SETI химических реакций (так называемых цианосульфидных окислительно-восстановительных фотохимических реакций), которая к тому же дает как минимум два из четырех канонических нуклеотидов – кирпичиков, из которых состоит РНК. Возникает естественный вопрос: как же быть с остальными девятью аминокислотами, известными современной биологии? Некоторые из них, в частности ароматические аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан, как предполагают, добавились в генетический код позднее. Это предположение основано отчасти на том, что не существует очевидного предбиологического пути к их получению. Возможно, эти аминокислоты возникли в ходе эволюции клеточного метаболизма и именно тогда были задействованы в синтезе белков. Однако такое мнение в будущем может измениться, поскольку мы открываем новые предбиологические пути. Например, до последнего времени было неизвестно, каким предбиологическим путем можно было получить аминокислоту цистеин, относительно нестабильную, но затем оказалось, что цистеин получается в три этапа из α-аминонитрилового предшественника родственной ему аминокислоты серина.

Подведем краткие итоги всего, о чем мы говорили в последних трех главах. Сначала мы увидели, как последовательность концептуальных прорывов, в основном достигнутых благодаря размышлениям о геологических условиях на ранней Земле, привела к открытию химических путей ко многим (но еще не ко всем) основным кирпичикам, из которых состоит живая материя. Важно, что эти пути дают ограниченный набор релевантных веществ в больших количествах, в отличие от более ранних гипотез, позволявших получить много химических компонентов, при том что исходных материалов, необходимых для создания живой материи, было исчезающе мало. Однако даже такие относительно производительные «новые» пути синтеза не позволяют создать сложные молекулы вроде нуклеотидов в рамках сценария «первичного бульона». Устарелая концепция «первичного бульона» в наши дни вытеснена представлениями о постоянном накоплении осадочных или кристаллических промежуточных продуктов, причем от одного такого вещества к другому ведет короткая последовательность реакций. Но главное – нам удалось показать, что и накопление запасов промежуточных продуктов, и протекающие химические реакции были вполне возможны на поверхности ранней Земли. Как считают современные ученые, главная трудность, из-за которой, очевидно, производство молекул живой материи заняло так много времени, – это не сами химические реакции, а относительно низкая вероятность того, что в нужное время в нужных местах произошла нужная последовательность изменений в окружающей среде. Ведь только тогда запасы этих веществ могли накапливаться и не уничтожаться, а затем переходить к следующему химическому превращению – и так до тех пор, пока не сложатся все условия для появления первых живых клеток.

Глава 5. Путь к протоклетке

Все живое на Земле состоит из клеток. Большие организмы вроде нас – из триллионов клеток, а простые, вроде бактерий или дрожжевых грибков, – всего из одной или из небольшого скопления клеток. В каком-то смысле клетки – это единицы жизни, так как живая материя растет и размножается благодаря росту и дальнейшему делению клеток. Поэтому когда-то в прошлом должна была существовать первая клетка, и мы вправе задаться вопросом, какой она была, каковы были ее структура и химический состав. С точки зрения зарождения жизни нам хотелось бы знать, как первая клетка возникла из неживых химических веществ, присутствовавших на поверхности ранней Земли, в какой среде это произошло и какие источники энергии были ей доступны. Как ни удивительно, проблема самозарождения как таковая решается довольно просто. Гораздо сложнее понять, как такая невероятно простая клетка безо всяких биохимических механизмов, которые еще не успели возникнуть в ходе эволюции, могла расти и делиться, чтобы дать все больше и больше дочерних клеток. Однако, прежде чем углубиться в эти вопросы, нам следует спросить себя, почему жизнь началась с формирования простой клетки. Иными словами, нужно четко понять, что такого важного в клеточной организации живой материи.

Сущность клеточной структуры – в том, что клетка представляет собой отдельный модуль, физически локализованный набор молекул, которые так или иначе изолированы от остальной среды. На самом простом уровне легко видеть, почему это так важно. Ведь мы, в конце концов, отдельные особи, и нам не хотелось бы, чтобы наши составные части ни с того ни с сего отделялись и уплывали прочь, теряясь в окружающей среде. То же самое относится и к одноклеточным организмам вроде бактерий, и к самым первым клеткам: нужно как-то удержать компоненты индивидуальной клетки и не дать ей развалиться. Однако есть и менее очевидное обоснование важности клетки как единицы живой материи: локализация в пространстве необходима для запуска дарвиновской эволюции, а следовательно, и для эволюции всего разнообразия живых существ, которых мы видим вокруг. Чтобы понять, почему это так, рассмотрим первоначальную молекулу РНК, которая благодаря своей последовательности наделена способностью катализировать какую-то метаболическую реакцию. Представим себе, например, что данная метаболическая активность – это синтез нуклеотидов, с помощью которого можно делать новые РНК. Теперь представим, что во время репликации этой первоначальной РНК произошла ошибка в копировании последовательности и потомки этой молекулы РНК представляют собой мутантную версию изначальной последовательности. Такая мутантная РНК может катализировать синтез нуклеотидов быстрее первоначального РНК-фермента. Если бы все это происходило с РНК, плавающими на свободе, продукты этой метаболической реакции просто растворились бы в окружающей среде и, вероятно, помогли бы другим РНК, которым требовались нуклеотиды для репликации. В сущности, мутантная РНК не получила бы никакой пользы от своей повышенной способности к катализу. А теперь представим себе альтернативный сценарий, при котором первоначальная РНК остается внутри своего отдельного отсека, а остальные РНК – каждая в своем отсеке. В такой ситуации мутантная РНК, которая случайно обрела особый талант к метаболической активности, сможет его использовать, поскольку плоды ее таланта, в нашем случае нуклеотиды, физически останутся внутри того же модуля. Там они могут поучаствовать в репликации мутантной РНК, но не других РНК. Это даст мутантной РНК преимущество в естественном отборе.

Подобный довод в пользу эволюционного преимущества клеточной структуры применим почти ко всем последствиям мутаций. Приведем другой пример. Представим себе молекулу РНК, которая функционирует как РНК-полимераза, помогающая реплицировать собственную последовательность. Это вовсе не фантастическая ситуация, такие молекулы задействованы в лабораторных экспериментах. Как мы заметили в главе 2, молекула РНК, способная помочь реплицировать собственную последовательность, называется РНК-репликаза. Считается, что РНК-репликазы сыграли важнейшую роль в ранней эволюции жизни. В нашем примере представим себе, что молекула РНК должна свернуться в специфическую трехмерную форму, чтобы послужить катализатором, совсем как белковые ферменты. С другой стороны, для репликации молекула РНК должна развернуться, чтобы фермент, производящий копирование, мог пройтись вдоль ее линейной последовательности и синтезировать копию. То есть для того, чтобы молекула РНК копировала сама себя, нам нужны две молекулы РНК с одинаковой последовательностью (или с комплементарными последовательностями). Одна из этих молекул должна развернуться, чтобы послужить образцом для копирования, а другая – оставаться свернутой, чтобы действовать как копирующий фермент. Такое требование ясно показывает, насколько важна клеточная структура, ведь без физической локализации в одном месте эти две РНК разойдутся в разные стороны, и копирование станет маловероятным или и вовсе невозможным. Теперь представьте себе РНК-полимеразу, которая свободно плавает в растворе, где ее окружает множество неродственных РНК. Логично предположить, что она будет деятельно создавать копии других РНК. Хуже того, мутантная версия, которая представляет собой улучшенный вариант РНК-полимеразного фермента, будет активнее копировать другие, неродственные РНК, но сама не получит никакой выгоды от своих особых талантов РНК-полимеразы. С другой стороны, если рассматривать сценарий клетки, мутантная РНК с особым талантом к репликации получит массу преимуществ, ведь она будет реплицировать сама себя или, по крайней мере, родственные молекулы, произошедшие от общего предка.

Есть и третье обоснование клеточной структуры живой материи, надежно подтвержденное экспериментами: сопротивляемость паразитам. Среди первых примеров экспериментов по молекулярной эволюции – блестящие опыты, которые ставил в шестидесятые годы ХХ века молекулярный биолог Сол Шпигельман и его коллеги из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн. В ходе его экспериментов использовался белковый фермент, способный реплицировать РНК-геном вируса под странным названием Qβ, поражающего бактерии. Вирус Qβ сохраняет полную длину генома на протяжении многих поколений роста в бактериальных клетках, то есть репликации в отдельных модулях. Однако Шпигельман в ходе цикла экспериментов заметил, что такое размножение генома РНК вируса в растворе привело к быстрому распространению гораздо более коротких паразитных РНК. Поскольку эти паразитные РНК меньше, чем РНК с полноценным геномом, они реплицируются гораздо быстрее и быстро начинают доминировать в популяции. Короткие РНК возникают в ходе репликации вируса, когда полимеразный фермент случайно пропускает часть последовательности, что приводит к мутации под названием «делеция». Делеция возможна и в случаях, когда вирусная РНК реплицируется в пределах клетки, но тогда мутанты не могут распространяться по популяции, так как они неполноценны. Казалось бы, странно приводить вирусы в пример, если речь идет о роли клеточной структуры в защите от паразитов, однако суть ясна: репликация РНК в растворе (то есть не в отдельных модулях) приводит к коллапсу популяции, поскольку мелкие дефективные РНК размножаются быстрее и побеждают в конкуренции более длинные РНК. Напротив, дефективные носители делеции (в нашем случае – паразиты по отношению к самому вирусу) не могут взять верх и погубить целую популяцию.

Теперь, когда мы убедились, что жизнь не могла зародиться без клеточной структуры, у нас есть все возможности задаться вопросом, какого рода физические отсеки лучше всего подходили для первых клеток, которые мы условимся называть протоклетками.

Для начала рассмотрим, можем ли мы ответить на вопрос о первых живых клетках, опираясь на то, как решают эту проблему современные живые существа. К вопросу о возможных альтернативных видах модулей мы еще вернемся. В предыдущих главах мы говорили в основном об открытии все более реалистичных химических путей к получению нуклеотидов, необходимых для создания генетических молекул протоклетки, и простых аминокислот, которые, вероятно, играли сразу несколько ролей в функционировании протоклетки. Помимо нуклеотидов, РНК, аминокислот и пептидов, у протоклеток был еще один фундаментальный компонент, который есть и у современных живых существ, – клеточная оболочка, мембрана. Биологические мембраны состоят из разнообразных молекул с одним общим свойством – они амфифильны, то есть один их конец гидрофильный и любит контактировать с водой, а другой гидрофобный и предпочитает быть подальше от воды. Это свойство приводит к спонтанному образованию мембран, состоящих из двух слоев липидов (жироподобных соединений), в которых гидрофильная сторона обоих слоев обращена к окружающей воде, а гидрофобная часть направлена внутрь мембраны и спрятана от воды. Современные липиды генерируются метаболическими путями внутри клетки, но как возникли молекулы, формирующие мембрану, на ранней Земле? На самом деле это один из сложнейших вопросов в области предбиологической химии. Самый простой класс молекул, способных формировать мембраны, – жирные кислоты, представляющие собой, в сущности, гидрофобную углеводородную цепочку, которая заканчивается гидрофильной карбоксильной группой (атомом углерода с двумя присоединенными к нему атомами кислорода и одним атомом водорода, т. е. COOH). Структура этих молекул очень проста, но нам пока не удалось понять, как создать их в условиях, возможных на ранней Земле. Все широко обсуждаемые модели предбиологического синтеза жирных кислот, от возникновения при падении метеоритов до синтеза глубоко в недрах Земли, по-видимому, не в состоянии объяснить, откуда взялись высокие концентрации жирных кислот, необходимые для создания мембран. Хотя сейчас исследуются и другие пути, для ответа на этот вопрос придется еще немало потрудиться.

Если учесть, что мы так и не знаем, как синтезировались на ранней Земле даже такие простые молекулы, как жирные кислоты, впору засомневаться, удастся ли нам продвинуться на пути к пониманию, как создавались первые протоклетки. Для начала можно, по крайней мере, взглянуть на современные живые клетки. Мы увидим, что самые распространенные липиды – класс молекул, которые мы называем «фосфолипиды». Эти молекулы состоят из двух остатков жирных кислот, присоединенных к центральному глицерину (спирту, встречающемуся в природе), который, в свою очередь, увенчан фосфатом, а тот может быть связан с другими гидрофильными органическими молекулами. Такая структура в целом заставляет задуматься об эволюционном переходе от примитивных мембран, составленных из жирных кислот, через промежуточные, состоявшие из жирной кислоты, соединенной с глицерином и фосфатом, к современной фосфолипидной конструкции. Подобные представления логически привели ученых к разработке весьма плодотворного экспериментального подхода: создавать маленькие структуры, содержащие жидкость, так называемые мембранные везикулы, состоящие из разных типов липидов, и уже потом выяснять, соответствуют ли их свойства требованиям первоначальной протоклетки, которую эволюция еще не успела снабдить соответствующими инструментами.

Главное отличие протоклетки от современной клетки, если считать их отдельными отсеками с оболочкой-мембраной, состоит в том, что у современных клеток в ходе эволюции возникли самые разные белковые машины, внедренные в мембрану. Они обеспечивают и регулируют транспортировку сквозь мембрану всего, что нужно, от воды и ионов до питательных веществ и отходов. Транспортерами служат сложные белки, продукт интенсивной биологической эволюции – а значит, в момент зарождения жизни их не существовало. Без белковых каналов и насосов мембраны, состоящие из фосфолипидов, становятся непреодолимой преградой для обмена молекулами между внутренней частью протоклетки и окружающей средой. Поэтому очевидно, что мембраны протоклетки не могли состоять из таких же фосфолипидов, как сейчас, даже если они были бы доступны как продукт предбиологической химии. Отметим, что протоклетки по определению не содержали катализаторов вроде ферментов и рибозимов, которые возникли позже в ходе эволюции – а значит, не могли и вырабатывать строительный материал вроде нуклеотидов посредством внутренних метаболических процессов. Это очень важно, так как из этого следует, что нуклеотиды, строительный материал РНК, должны были каким-то образом поступать из окружающей среды, где они синтезировались, внутрь клетки, где они требовались как элементы для репликации РНК. Поскольку фосфолипидные мембраны непроницаемы, нам остается заключить, что первоначальные мембраны были совсем другими. По-видимому, мембранные барьеры должны были без всяких специальных приспособлений пропускать большие, полярные и даже заряженные молекулы – например, нуклеотиды.

Примечательно, что жирные кислоты, как выяснилось, способны в воде спонтанно собираться в классические двухслойные мембраны с именно такой проницаемостью. Процесс этой сборки впервые был продемонстрирован более полувека назад. Более того, мембраны собираются двумя разными способами. Во-первых, если раствор жирных кислот постепенно высушивать, он создает тонкую прозрачную пленку, состоящую из множества двухслойных мембран, лежащих друг на друге, словно стопка блинов. Если добавить к этой пленке воды, она проникает между мембранами, поэтому пленка разбухает, отдельные листы-мембраны отделяются друг от друга, отслаиваются и в конце концов сворачиваются в пузырьки-везикулы. Во-вторых, если добавить кислоту в щелочной раствор солей жирных кислот, в нем образуются двухслойные мембраны – сначала в виде маленьких лоскутков, а затем эти лоскутки растут и сворачиваются в сферические везикулы, похожие на клетки. Эти везикулы могут удерживать в себе большие молекулы вроде цепочек РНК неопределенно долго – и именно это свойство гарантирует, что геномные молекулы РНК никуда не сбегут из своего мембранного вместилища. Вот почему везикулы из жирных кислот, содержащие инкапсулированные РНК, часто называют моделями протоклеток. Примечательно, что мембраны из жирных кислот гораздо более проницаемы, чем фосфолипидные, – настолько, что даже нуклеотиды способны проникать через них без помощи эволюционных белковых инструментов. Это неожиданное свойство и делает везикулы из жирных кислот великолепными моделями для лабораторных исследований протоклеток. Как мы вскоре увидим, мембраны из жирных кислот обладают и другими поразительными свойствами, благодаря которым протоклетки имели возможность расти и делиться.

[21] Если точнее, то сначала восстанавливается, а потом гидролизуется. См. реакции 7 и 8 в Приложении: формальдегид реагирует с HCN с образованием гликолонитрила; – CN группа затем восстанавливается до имина, который гидролизуется в альдегид.