Как появилась жизнь на земле?

Чтобы ответить на столь сложный и дискуссионный вопрос, для начала определимся, что же такое жизнь. Принято считать, что живое отличается от неживого двумя ключевыми свойствами: саморепликация – производство собственных копий и дарвиновская эволюция – изменчивость и отбор более эффективных форм. Например, бактерии – живые, ведь они могут делиться, но при этом могут происходить мутации. Если сломались жизненно важные белки – бактерия не выживет, но иногда случаются и полезные мутации, таким образом происходит селекция.

Итак, каким образом могла начаться жизнь? Прежде всего, необходимы органические вещества. Откуда они могли взяться? В середине 20-го века ученые Миллер и Юри провели эксперимент, попытавшись воспроизвести древнюю земную атмосферу: взяли воду (H2O), метан (CH4), аммиак (NH3), водород (H2) и угарный газ (CO), поместили в изолированную пробирку и пропустили через эту смесь ток. В результате получилось много аминокислот и сахаров!

Тем не менее, для начала жизни необходимы рибонуклеотиды. Почему же именно рибонуклеотиды, из которых строится РНК? Напомним, как вообще протекают основные процессы в клетке. Наследственная информация хранится в виде ДНК, это рецепт, по которому живет клетка, затем эта информация переписывается на РНК, которая служит как бы листком с информацией, чтобы не тащить большую книгу с рецептами на кухню и не портить её. Наконец, на основе РНК синтезируется белок. Получается, что РНК является как бы связующим звеном между ДНК и белком. Кроме того, РНК участвует во многих важных процессах в клетке, например, пептидная связь между аминокислотами при синтезе белка обеспечивается за счет рибосомальных РНК, а аминокислоты доставляются в рибосому с помощью транспортных РНК. К тому же, многие кофакторы, которые помогают белкам, являются модифицированным рибонуклеотидами: например, кофермент А или НАД (никотинамидадениндинуклеотид). Поэтому ученые считают, что жизнь началась с самореплицирующихся молекул РНК, которые и несли наследственную информацию, и катализировали жизненные процессы, эта концепция называется гипотезой РНК мира. Но откуда взять рибонуклеотиды?

Оказывается, они могут получится из несложных веществ: циамида, глигольальдегида, гицеральдегида и фосфата (см. иллюстрацию). Эти вещества могут присутствовать в атмосфере, например, циамид может получиться из метана и азота. Однако одиночные рибонуклеотиды – это ещё не всё, ведь, чтобы получилась РНК, их нужно соединить в цепочку. Этому способствует глина: между её тонкими слоями рибонуклеотиды концентрируются и могут образовывать полимеры, эти слои как бы сжимают рибонуклеотиды, и они "берутся за руки".

Таким образом могли получиться РНК, способные к репликации других молекул РНК. Но это ещё не всё! В таком случае, когда молекулы размножают не себя, а другие молекулы РНК, если одна из молекул начнет делать это лучше (в результате мутации), то ей от этого не будет никакой выгоды, и дарвиновской эволюции не будет! Но если поместить группы реплицирующих друг друга молекул в мембранные протоклетки, то будет вероятность сконцентрировать более эффективные молекулы в одной протоклетке, и она уже будет иметь конкурентное преимущество. Как это работает, показано на картинке. Мембрана дает еще одно преимущество: внутрь могут диффундировать нуклеотиды, и там собираться в цепочки, которые уже не будут способны пройти через мембрану, таким образом, эффективность полимеризации увеличивается. Удивительно, но такие мембраны могут возникнуть сами по себе! Дело в том, что они построены из жирных веществ, которые "не хотят" соприкасаться с водой, поэтому они собираются в мицеллы, чтобы минимизировать площадь контакта с водой, примерно масло в супе собирается в круглые капли.