Происхождение жизни: узнаем ли мы когда-нибудь, как всё началось?

Происхождение жизни можно изучать в лаборатории, воспроизводя условия молодой Земли и наблюдая, как из простой химии возникают всё более сложные молекулы. Но здесь есть необычная проблема: даже если однажды удастся получить в лаборатории систему, которую можно назвать живой, это ещё не докажет, что почти четыре миллиарда лет назад природа прошла именно этим путём.

Мы пытаемся восстановить событие, свидетелей которого не осталось, а сама ранняя Земля многократно переработала большую часть следов своего прошлого.

И всё же кое-что известно. Древнейшим достаточно уверенным свидетельствам жизни не менее 3,4 миллиарда лет, а сама жизнь могла появиться значительно раньше. Большинство исследователей также не представляет её возникновение как один внезапный момент. Между неживой химией и первой клеткой, вероятно, существовала длинная цепочка промежуточных систем.

Именно эту цепочку наука пытается восстановить.

Что должно было появиться раньше?

Современной клетке одновременно нужны как минимум три вещи. Ей необходимо получать и использовать энергию, хранить и копировать информацию и отделять себя от окружающей среды оболочкой.

Но что появилось первым?

Одна из самых известных идей — «мир РНК». Сегодня РНК участвует в передаче генетической информации, но некоторые молекулы РНК способны ещё и ускорять химические реакции. Поэтому РНК выглядит привлекательным кандидатом на роль ранней молекулы, которая могла совместить две функции: хранить информацию и помогать собственному воспроизведению.

Проблема в том, что получить современную функциональную РНК из простой химии ранней Земли совсем не просто. Кроме того, привычная нам РНК довольно уязвима.

Отсюда возникает интересная возможность: первая система наследования могла быть гораздо менее аккуратной, чем современные молекулы.

В Университете Макмастера в Канаде работает установка Planet Simulator. В небольшой камере исследователи могут менять состав атмосферы, температуру, влажность и излучение, имитируя разные условия на молодой Земле или других планетах.

В экспериментах, моделирующих древнюю Землю, группа физика Майкела Райнштедтера наблюдала образование цепочек РНК длиной примерно до 100 оснований. Они имели структурные дефекты и не были похожи на идеально синтезированную лабораторную РНК, зато оказались необычно устойчивыми.

Это пока не доказательство существования такого предшественника современной РНК на ранней Земле. Исследователи ещё проверяют, способны ли подобные несовершенные молекулы выполнять две принципиальные функции: ускорять реакции и передавать информацию.

Но сама идея меняет вопрос. Возможно, искать следует не современную биологическую молекулу, возникшую сразу в готовом виде, а химическую систему, которая лишь позднее стала такой, какой мы её знаем.

Есть и другая большая группа гипотез — «сначала метаболизм». В этих сценариях начало жизни связывают не с молекулой наследственности, а с сетями химических реакций, которые могли поддерживать и усложнять сами себя. Наследование в привычном смысле появилось бы позже.

Реальная история могла включать элементы обоих сценариев. Поэтому спор «РНК или метаболизм?» не обязательно имеет простой ответ.

Где химия могла превратиться в биологию

Не меньше споров вызывает место происхождения жизни.

Для химических реакций мало иметь подходящие вещества. Их часто необходимо собрать в одном месте и создать условия, при которых они смогут взаимодействовать. Океан здесь создаёт очевидную проблему: он способен просто разбавить необходимые компоненты.

Поэтому исследователи рассматривают среды, где вещества могли периодически концентрироваться. Например, небольшие водоёмы, переживающие циклы высыхания и наполнения водой.

Особенно интересны содовые озёра — сильно щелочные водоёмы с большим количеством карбонатов. В них может накапливаться фосфат, необходимый современной жизни для нуклеиновых кислот, энергетического обмена и других процессов.

Один из наиболее наглядных примеров — Last Chance Lake в Канаде. Летом вода испаряется, растворённые вещества концентрируются, а затем озеро снова наполняется. Подобные циклы могли создавать химические условия, которых трудно добиться в огромном объёме океана.

Это одна из причин, по которой вопрос происхождения жизни сегодня звучит не только как «какие молекулы появились первыми?», но и как «в какой среде они могли встретиться в нужных концентрациях?».

Даже созданная в лаборатории жизнь не решит загадку автоматически

Здесь возникает главная проблема всей области.

Предположим, исследователи точно восстановят правдоподобные условия ранней Земли. Из простых веществ начнут возникать более сложные молекулы, затем системы наследования, обмена энергией и оболочки. В конце концов получится нечто, способное воспроизводиться и эволюционировать.

Это было бы огромным достижением. Оно показало бы, что переход от неживой химии к биологии возможен без уже существующей жизни.

Но исторический вопрос остался бы: именно так это произошло на Земле или эксперимент продемонстрировал лишь один из нескольких возможных путей?

Здесь мнения исследователей расходятся.

Одна позиция состоит в том, что химия и физика могут настолько жёстко ограничивать возможные решения, что при подходящих условиях природа снова и снова будет приходить к похожей организации. Тогда лабораторное воспроизведение перехода к жизни способно приблизить нас не просто к возможному сценарию, а к реальному механизму.

Другая позиция осторожнее: если возможных химических маршрутов несколько, мы сможем показать, как жизнь могла возникнуть, но не обязательно узнаем, как именно возникла земная жизнь.

Неожиданную проверку может дать поиск жизни за пределами Земли. Если независимая жизнь на других мирах при похожих условиях окажется построена по сходным химическим принципам, это будет аргументом в пользу того, что у перехода от химии к биологии существуют предпочтительные пути. Если же биохимия окажется совершенно иной, пространство возможных решений будет выглядеть гораздо шире.

Поэтому загадка происхождения жизни постепенно превращается в экспериментальный вопрос. Учёные уже умеют получать многие её строительные блоки, исследовать самосборку мембран, моделировать древние среды и проверять возможные предшественники наследственных систем.

Самая трудная граница проходит дальше: между набором молекул и системой, которая способна сохранять информацию, использовать энергию, воспроизводиться и начать дарвиновскую эволюцию.

Когда-то на Земле химия пересекла эту границу. Мы пытаемся выяснить не только как это могло произойти, но и существовал ли у природы один путь к жизни или множество.