Что, если жизнь можно сварить в пробирке? Биологи из Гарварда играют в бога
NewsMakerСекрет 4-миллиардолетней загадки раскрыт в лаборатории с зелёными лампочками.
Как зародилась жизнь — главный и до сих пор неразгаданный вопрос биологии. Учёные из Гарварда приблизились к его решению, создав искусственные химические системы, напоминающие примитивные живые клетки. Эти структуры имитируют метаболизм, способность к самовоспроизведению и элементарную форму эволюции — те самые свойства, без которых невозможна жизнь. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Насколько мне известно, никто прежде не создавал нечто подобное — структуру, демонстрирующую признаки живого, но построенную из полностью однородных, не имеющих никакого отношения к биологии молекул», — говорит старший автор работы Хуан Перес-Меркадер, научный сотрудник департамента наук о Земле и планетах Гарвардского университета, а также участник инициативы по изучению происхождения жизни. «Я невероятно, невероятно воодушевлён этим».
По словам директора инициативы и профессора астрономии Димитара Сасселова, главная заслуга исследования в том, что авторам удалось продемонстрировать: даже из простейших, неорганических соединений можно собрать самовоспроизводящуюся систему, воспроизводящую ключевые черты живой клетки. Сам Сасселов в этом проекте участия не принимал, но считает его важным вкладом в понимание ранних этапов эволюции жизни.
Древнейшими свидетельствами живых организмов считаются микроскопические ископаемые возрастом около 3,8 миллиарда лет. Однако находка этих микроорганизмов не дала ответа на фундаментальные вопросы: из каких молекул могла сформироваться жизнь? Произошло ли это один раз или несколько? Возникла ли она на Земле или была занесена извне?
Учёные спорят об этом уже не одно столетие. Дарвин ещё в XIX веке предполагал, что жизнь могла начаться в «тёплом маленьком пруду», а затем развилась в разнообразные формы. В 1950-х Стэнли Миллер и лауреат Нобелевской премии Харольд Юри провели известный эксперимент, воспроизводивший ранние условия на Земле. В смеси метана, аммиака, водорода и воды с электрическими разрядами удалось получить аминокислоты — строительные блоки белков.
Хуан Перес-Меркадер, которого его коллеги называют «77-летним ребёнком» за нескрываемый энтузиазм, пришёл к этой теме через физику. В начале карьеры он занимался теорией суперсимметрии, суперструн и объединённых физических моделей. В 1990-х переключился на астробиологию, основал Центр астробиологии в Мадриде и обеспечил участие Испании в марсианской программе NASA. В Гарвард он пришёл в 2010 году с новой амбициозной целью: понять, почему вообще существует жизнь.
Все организмы, независимо от сложности, обладают базовыми свойствами: они управляют химической информацией, извлекают энергию из внешней среды для построения своих структур, размножаются и изменяются с течением времени под действием среды. Перес-Меркадер свёл эти функции к математическим уравнениям и использовал их как руководство для построения модели жизни в пробирке.
Долгое время его идеи оставались теоретическими. Ситуация изменилась с появлением техники самосборки на основе индуцированной полимеризации — процесса, в котором наночастицы могут спонтанно формировать организованные структуры, находясь в растворе. Это и стало тем самым инструментом, который позволил впервые получить в лаборатории химические системы, ведущие себя как простейшие формы жизни.
В рамках нового исследования команда попыталась воссоздать условия, в которых жизнь могла «загрузиться» с нуля — из молекул, подобных тем, что встречаются в межзвёздной среде. Эти космические пылевые облака — побочные продукты эволюции звёзд — были помещены в земные лабораторные условия, где в качестве энергии выступал свет. Моделью дарвиновского «тёплого пруда» стала обычная пробирка с водой.
Учёные добавили в неё четыре углеродсодержащих, но небелковых соединения. Вокруг пробирки разместили зелёные светодиоды, и под их воздействием началась реакция: появились амфифильные молекулы — с одной стороны гидрофобные, с другой — гидрофильные. Эти соединения сформировали сферические структуры — мицеллы, внутри которых возникла иная химическая среда. Со временем они превратились в пузырьки, напоминающие клеточные везикулы.
Некоторые из них «выбрасывали» наружу дочерние амфифильные молекулы, как споры, другие разрывались, после чего из оставшихся компонентов собирались новые структуры. Причём каждый новый «пузырёк» слегка отличался от предыдущего. Те, что были устойчивее, чаще доживали до следующего «поколения». В этом исследователи усматривают зачатки наследственности и отбор — первые шаги к эволюции .
Профессор химии Оксфордского университета Стивен Флетчер, не участвовавший в работе, но занимающийся аналогичными вопросами, считает результаты сенсационными. По его словам, авторам удалось наблюдать «поведение, характерное для живых систем, возникшее почти спонтанно из предельно простых соединений под действием света».
Сам Перес-Меркадер выражается ещё прямее: он уверен, что эксперимент даёт ключ к пониманию того, как могла начаться жизнь около 4 миллиардов лет назад. По его мнению, простейшие химические системы вполне могли постепенно усложняться, в конечном счёте породив общего предка всех современных форм жизни.
«Мы начинаем с молекул, которые ничем не примечательны, не похожи на те сложные биохимические соединения, из которых состоит живое сегодня», — объясняет он. «Но именно простая система — лучшее основание, с которого могла начаться жизнь».
Как зародилась жизнь — главный и до сих пор неразгаданный вопрос биологии. Учёные из Гарварда приблизились к его решению, создав искусственные химические системы, напоминающие примитивные живые клетки. Эти структуры имитируют метаболизм, способность к самовоспроизведению и элементарную форму эволюции — те самые свойства, без которых невозможна жизнь. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Насколько мне известно, никто прежде не создавал нечто подобное — структуру, демонстрирующую признаки живого, но построенную из полностью однородных, не имеющих никакого отношения к биологии молекул», — говорит старший автор работы Хуан Перес-Меркадер, научный сотрудник департамента наук о Земле и планетах Гарвардского университета, а также участник инициативы по изучению происхождения жизни. «Я невероятно, невероятно воодушевлён этим».
По словам директора инициативы и профессора астрономии Димитара Сасселова, главная заслуга исследования в том, что авторам удалось продемонстрировать: даже из простейших, неорганических соединений можно собрать самовоспроизводящуюся систему, воспроизводящую ключевые черты живой клетки. Сам Сасселов в этом проекте участия не принимал, но считает его важным вкладом в понимание ранних этапов эволюции жизни.
Древнейшими свидетельствами живых организмов считаются микроскопические ископаемые возрастом около 3,8 миллиарда лет. Однако находка этих микроорганизмов не дала ответа на фундаментальные вопросы: из каких молекул могла сформироваться жизнь? Произошло ли это один раз или несколько? Возникла ли она на Земле или была занесена извне?
Учёные спорят об этом уже не одно столетие. Дарвин ещё в XIX веке предполагал, что жизнь могла начаться в «тёплом маленьком пруду», а затем развилась в разнообразные формы. В 1950-х Стэнли Миллер и лауреат Нобелевской премии Харольд Юри провели известный эксперимент, воспроизводивший ранние условия на Земле. В смеси метана, аммиака, водорода и воды с электрическими разрядами удалось получить аминокислоты — строительные блоки белков.
Хуан Перес-Меркадер, которого его коллеги называют «77-летним ребёнком» за нескрываемый энтузиазм, пришёл к этой теме через физику. В начале карьеры он занимался теорией суперсимметрии, суперструн и объединённых физических моделей. В 1990-х переключился на астробиологию, основал Центр астробиологии в Мадриде и обеспечил участие Испании в марсианской программе NASA. В Гарвард он пришёл в 2010 году с новой амбициозной целью: понять, почему вообще существует жизнь.
Все организмы, независимо от сложности, обладают базовыми свойствами: они управляют химической информацией, извлекают энергию из внешней среды для построения своих структур, размножаются и изменяются с течением времени под действием среды. Перес-Меркадер свёл эти функции к математическим уравнениям и использовал их как руководство для построения модели жизни в пробирке.
Долгое время его идеи оставались теоретическими. Ситуация изменилась с появлением техники самосборки на основе индуцированной полимеризации — процесса, в котором наночастицы могут спонтанно формировать организованные структуры, находясь в растворе. Это и стало тем самым инструментом, который позволил впервые получить в лаборатории химические системы, ведущие себя как простейшие формы жизни.
В рамках нового исследования команда попыталась воссоздать условия, в которых жизнь могла «загрузиться» с нуля — из молекул, подобных тем, что встречаются в межзвёздной среде. Эти космические пылевые облака — побочные продукты эволюции звёзд — были помещены в земные лабораторные условия, где в качестве энергии выступал свет. Моделью дарвиновского «тёплого пруда» стала обычная пробирка с водой.
Учёные добавили в неё четыре углеродсодержащих, но небелковых соединения. Вокруг пробирки разместили зелёные светодиоды, и под их воздействием началась реакция: появились амфифильные молекулы — с одной стороны гидрофобные, с другой — гидрофильные. Эти соединения сформировали сферические структуры — мицеллы, внутри которых возникла иная химическая среда. Со временем они превратились в пузырьки, напоминающие клеточные везикулы.
Некоторые из них «выбрасывали» наружу дочерние амфифильные молекулы, как споры, другие разрывались, после чего из оставшихся компонентов собирались новые структуры. Причём каждый новый «пузырёк» слегка отличался от предыдущего. Те, что были устойчивее, чаще доживали до следующего «поколения». В этом исследователи усматривают зачатки наследственности и отбор — первые шаги к эволюции .
Профессор химии Оксфордского университета Стивен Флетчер, не участвовавший в работе, но занимающийся аналогичными вопросами, считает результаты сенсационными. По его словам, авторам удалось наблюдать «поведение, характерное для живых систем, возникшее почти спонтанно из предельно простых соединений под действием света».
Сам Перес-Меркадер выражается ещё прямее: он уверен, что эксперимент даёт ключ к пониманию того, как могла начаться жизнь около 4 миллиардов лет назад. По его мнению, простейшие химические системы вполне могли постепенно усложняться, в конечном счёте породив общего предка всех современных форм жизни.
«Мы начинаем с молекул, которые ничем не примечательны, не похожи на те сложные биохимические соединения, из которых состоит живое сегодня», — объясняет он. «Но именно простая система — лучшее основание, с которого могла начаться жизнь».