В рассуждениях об эволюции мы достигли этапа, когда необходимо ввести определение, чем же отличается живое от неживого, т. е. попытаться ответить на вопрос, что есть жизнь.
Одно из первых, если не первое, научное определение жизни в 60-е годы 19-го века дал Фридрих Энгельс, заявивший: жизнь есть форма существования белковых тел. Представления, сформулированные через 80 лет известным физиком Эрвином Шредингером в книге “Что такое жизнь?”, мало отличаются от представлений Энгельса. Шредингер, как и Энгельс, приписывал белку все основные функции в клетке, в том числе наследственные. Однако специалистам уже была известна работа Эвери и его сотрудников, опубликованная в 1944 г. (Avery et al., 1944). В экспериментах по переносу наследуемых признаков у пневмококков авторы показали, что трансформирующим началом, а следовательно, веществом, обеспечивающим наследственные (генетические) свойства клетки, является ДНК, а не белки, как считалось ранее. Именно с этого момента началась многократно описанная гонка, завершившаяся в 1953 г. установлением Уотсоном и Криком биспиральной структуры ДНК (Watson and Crick, 1953a) и описанием ими же механизма полуконсервативной репликации ДНК (Watson and Crick, 1953b). Как следствие, в качестве живых были признаны системы, в которых “обязательными компонентами являются два важнейших класса биополимеров — белки и нуклеиновые кислоты” (Энгельгардт, 1984). Дальнейшие исследования в области эволюции клетки показали, что в ранних клетках нуклеиновым кислотам могли предшествовать менее сложно организованные носители наследственных свойств, также способные к полуконсервативной репликации (например, уже упоминавшиеся ПНК).
Поэтому в настоящее время предложено более общее определение живого, состоящее из трех положений: 1) Способность к самовоспроизведению, 2) Способность к размножению, 3) Способность к конкурентной эволюции. При этом подразумевается клеточная структура живого организма, пользующегося внешними источниками энергии и поступающими из среды исходными материалами для биохимических реакций.
Согласно приведенному определению, описанные выше делящиеся мультимолекулярные комплексы, которые отгородились от среды и других комплексов малопроницаемой мембраной, следует рассматривать как самые примитивные, но уже живые клетки.
2.7. Попытки моделирования примитивных клеток
В ранних работах о происхождении жизни была выдвинута идея предклеточных структур, существующих в водной среде в форме “микросфер” (Fox, 1965; 1991) и “коацерватных капель” (Опарин, 1966). Микросферы формировались из т. н. протеиноидов — белковоподобных веществ, образованных путем термической полимеризации наборов аминокислот. Несмотря на отсутствие липидов, микросферы ограничены похожей на мембрану структурой, формирование которой зависит от присутствия в протеиноидах звеньев с гидрофобными боковыми группами. При механических воздействиях микросферы дробились (делились), можно было также добиться их слияния.
Коацерватные капли конструировались из готовых белков, в том числе ферментов, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов, хлорофилла и других веществ, которые можно встретить в живой клетке. Показательно, что ферментативные реакции в коацерватных каплях протекали эффективнее, чем в окружающей среде. Накапливая материал, коацерватные капли увеличивались в размерах и делились. Однако реально коацерватные капли, конструировавшиеся из веществ, характерных для современных клеток, весьма далеки от ранних автореплицирующихся комплексов, которые по составу были намного примитивнее, но полностью воспроизводились в дочерних структурах.
В последние годы вновь проявился интерес к проблеме экспериментального изучения возможных свойств примитивных клеток. Этот интерес отразили конференции по искусственным формам жизни (для обзора см. Rasmussen et al., 2004). Здесь следует заметить, что самые ранние отпечатки клеток, обнаруженные к настоящему времени на Земле, возраст которых 3.5 млрд лет, принадлежат уже клеткам современного типа. Однако тонкие детали структуры этих клеток и, тем более, молекулярный состав практически неопределимы. Отпечатки предшествовавших им примитивных клеток вообще не найдены. Поэтому любые современные версии примитивных клеток, даже успешные, могут рассматриваться лишь как правдоподобные, но отнюдь не обязательно существовавшие структуры.
Предложены несколько вариантов моделирования примитивных клеток, которые соответствовали бы приведенному выше определению живого. Так, исследуются системы, содержащие пептид-нуклеиновую кислоту (ПНК) как относительно простой автореплицирующийся компонент. Предполагается, что автореплицирующиеся молекулы (протогены), принимая определенные конформации, смогут выполнять матричные и каталитические функции (например при синтезе пептидов). В системах присутствуют также пигментные комплексы, призванные обеспечивать их энергией позаимствованной у Солнца. Обязательным участником такой системы является мембрана, организующая все компоненты и изолирующая систему (клетку) от среды. Эта мембрана может быть образована липидами (см. Segre et al., 2001) или другими, способными образовать мембрану в водной среде, соединениями, например гетероциклическими, которые благодаря поступлению из космоса и локальным синтезам присутствовали в значительном количестве на Земле в период становления на ней жизни (Ehrenfreund et al., 2006). Основная задача исследователей — запустить в искусственно организованных клетках самоподдерживающиеся синтетические и другие процессы, которые обеспечили бы их рост и деление. В настоящее время разным группам исследователей удалось в липидном пузырьке осуществить отдельные синтезы, в частности экспрессировать определенные белки (Luisi et al., 2006), провести авторепликацию ПНК (Rasmussen et al., 2003). Возможность деления липидных пузырьков доказана экспериментально (Hanczyc and Szostak, 2004; Luisi et al., 2004). Однако еще предстоит сделать главное: наладить взаимозависимые синтетические и другие процессы, которые обеспечат воспроизводство содержимого пузырька и его деление с образованием двух полноценных структур, способных повторить цикл. По достижении этой цели метаболирующие пузырьки можно будет переименовать в искусственно полученные примитивные клетки. Очевидно, что в делящихся примитивных клетках отсутствовал механизм эквивалентного распределения автореплицирующихся молекул между дочерними клетками. Поэтому в клетке за период роста должны были пройти несколько циклов воспроизводства молекул, чтобы при делении вероятность их попадания в обе дочерние клетки была велика. Напомним, что именно таков механизм сохранения митохондрий в поколениях эукариотических клеток.
Собственные возможности ранних клеток были весьма ограничены. Их развитие должно было быть направлено, в первую очередь, на совершенствование автореплицирующихся молекул и ускорение их синтеза. Представляется маловероятным, чтобы в числе продуктов ранних клеточных синтезов были элементы клеточной оболочки. Тем более что эти элементы, каковыми могли быть жирные кислоты, липиды, “гидрофобные” пептиды, накапливались в среде как продукты химических реакций. Об этом свидетельствуют эксперименты, воссоздающие условия, которые могли существовать на ранней Земле. Среди продуктов были, в частности, обнаружены липиды фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин (Epps et al. 1978; Deamer, 1986). Эти липиды принадлежат к числу основных составляющих липидного бислоя, образующего стенки (мембраны) современных клеток. Для таких молекул характерно наличие гидрофильной головки и гидрофобного конца, образованного протяженными углеводородными цепочками. Липиды стремятся самоорганизоваться в бислой, обе поверхности которого гидрофильные, а внутренняя область, цементирующая бислой, сформирована из гидрофобных углеводородных цепочек. Там, где присутствовала влага, липидные бислои образовывали поверхностный слой, состоявший преимущественно из замкнутых микроструктур — везикул (пузырьков), внутренняя полость которых была заполнена водной средой. Везикулы могли захватывать приобретшие способность к метаболизму молекулярные ансамбли, формируя таким образом ранние клеточные структуры (Monnard and Deamer, 2002).
Липидная оболочка содержала разнообразные вкрапления, в частности пептиды, нарушавшие регулярность структуры бислоя, Эти вкрапления облегчали транспорт через мембрану веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки.
Примитивные клетки формировались не только на основе молекулярных ансамблей, “сползших” с создавшей их поверхности, но и сами каталитические пылинки могли оказаться включенными в клетки. В этом случае поверхностный катализ сохранялся в клетке, что существенно повышало ее возможности.
Предложена гипотеза, основанная на предположении, что липидные мембраны с самого начала были основой, объединившей “репликаторы” (нуклеиновые кислоты или их предшественники), катализаторы, пептиды. Конкуренция этих все усложнявшихся нуклео/ белково/липидных ансамблей приводила к отбору воспроизводившихся наиболее точно и быстро. Симбиотические взаимодействия (слияния) ускоряли эволюцию этих прото-организмов (CavaHer-Smith, 2001).
