Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Наука: цикл «Происхождение жизни» - появление первых живых микроорганизмов


Ирина Лагунина: В прошлой передаче цикла "Происхождение жизни" речь шла о том, какую роль сыграли молекулы рибонуклеиновых кислот в развитии живой природы на нашей планете. Сегодня - о том, зачем в мире РНК появились белки и ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), и о возникновении первых живых микроорганизмов. С доктором биологических наук Александром Марковым беседует Ольга Орлова.



Ольга Орлова: В какой момент в РНК-мире понадобилось появление ДНК и белков?



Александр Марков: Начнем, например, с ДНК. Синтез ДНК идет похожим образом на синтез РНК. Чтобы получить из рибонуклеотида, РНК-кирпичика дезоксирибонуклеатид, то есть ДНК-кирпичик, достаточно одной химической реакции. Но это маленькое химическое изменение приводит к тому, что молекула становится более устойчивой, ДНК более устойчива, чем РНК, она лучше годится на роль хранителя информации.



Ольга Орлова: Устойчивая - это имеется в виду?



Александр Марков: Химически более устойчива. Она дольше живет. РНК молекула довольно коротко живущая, особенно при высоких температурах. И РНК-молекула химически активная, она активно сворачивается в разные трехмерные конструкции, вступает в реакции, она может что-то катализировать, сама себя, а ДНК инертная молекула, она спокойная, консервативная, хотя смысл тот же самый - последовательность нуклеотидов. Поэтому в принципе можно представить, что ДНК изначально возникли как некая покоящаяся стадия в жизненном цикле РНК для переживания неблагоприятных условий, например. Простая химическая реакция, и мы переходим в спокойную форму.



Ольга Орлова: А как появились белки?



Александр Марков: Белки имеют совсем другую химическую природу, чем РНК и ДНК, они по-другому сделаны. Они сделаны из аминокислот и даже по химическому составу, по элементному составу отличаются. Если в ДНК и РНК содержится много фосфора, то в белках фосфора нет вообще, аминокислоты не содержат фосфора. Зато в ДНК и РНК нет серы, сера не входит в состав этих молекул совсем, в белках обязательно есть сера. Поэтому можно себе представить, что эти два типа органических молекул изначально в разных условиях зарождались и может быть где-то в одних местах существовали какие-то каталитические циклы на основе РНК, а в других существовали какие-то циклы на основе белков, но в какой-то момент они и соединились, вступили в симбиоз, начали взаимно катализировать синтез друг друга, РНК катализировали синтез определенных простых белков, а белки катализировали синтез определенных РНК. От этого этапа тоже остались забавные следы в строении некоторых молекул, небольших активных биологически молекул.



Ольга Орлова: Какие?



Александр Марков: Есть такой кофермент А, я очень люблю разглядывать его формулу. Это небольшая сравнительно молекула, которая играет ключевую роль во многих химических процессах, например, в синтезе жиров, липидов. Если посмотреть на эту молекулу, то мы увидим, что это опять же рибонуклеотид с некоторыми модификациями, к которому приделан странный хвостик, который очень напоминает примитивный короткий белок, там есть две так называемые пептидные связи.



Ольга Орлова: А как возник генетический код?



Александр Марков: Генетический код современных живых организмов - это то, через что реализуется основная информационная связь между РНК и ДНК с одной стороны, с другой стороны между белками. Это каждые три нуклеотида в молекуле ДНК кодируют одну аминокислоту в молекуле белка. Или если пользоваться той терминологией, которой мы пользовались до сих пор, можно сказать, что три нуклеотида, последовательность из трех определенных нуклеотидов ДНК или РНК катализирует присоединение строящейся молекулы белка строго определенной аминокислоты. Сейчас никто не знает, как именно появился генетический код. Известно, что он одинаков у всех живых организмов. Гены разных живых существ, от бактерий до человека, являются взаимопонятными, код одинаков. Это говорит о том, что он возник один раз, все ныне живущие организмы унаследовали именно этот генетический код. Если другие варианты и были, то они не дожили до наших дней. Скорее всего в начале генетический код был неполным, нечетким, неточным. Катализ был не точный, а приблизительный. Специфический катализ должен был развиваться постепенно. Но это мы уже вступаем в область неких домыслов, мы не знаем, как возник генетический код. Еще есть такая проблема, как взаимодействие с липидными мембранами. Все живые клетки ограничены снаружи мембраной, которая у большинства живых организмов состоит из липидов. И в теории РНК-мира до недавнего времени была большая проблема, РНК очень плохо взаимодействует с липидными мембранами, не хотят с ними соединяться, вступать в какие-то комплексы. И было непонятно, как мог существовать окруженный мембраной РНК-организм. Тем не менее, решили исследователи эту задачу, оказалось, что все дело в ионах металлов, которые образуют комплексы с молекулами РНК. Это резко расширяет возможности рибозимов и активных молекул РНК. Мы знаем, что в древнем океане было гораздо больше, чем сейчас растворено всяких редких металлов, ионов, таких как вольфрам, например, которых сейчас очень мало, но раньше было гораздо больше, кобальт, молибден, и ионы этих металлов, образуя комплексы с различными молекулами РНК, резко расширяют их возможность. Оказалось, что соединяясь с ионами кальция, молекулы РНК могут образовывать устойчивые соединения с липидными мембранами и даже могут определенным образом регулировать проницаемость этих мембран. Это все тоже экспериментально воспроизводится.



Ольга Орлова: То есть были посредниками, ионы кальция играли роль посредников между ними и помогали взаимодействовать таким образом.



Александр Марков: Металлы и сейчас играют важную роль, входя в состав многих белков, металлопротеины называются, такие белки, в состав многих ферментов входят ионы металлов.



Ольга Орлова: Таким образом, мир живой усложнился и из РНК-мира уже возникли организмы, где есть ДНК, есть белки и РНК. А что было дальше?



Александр Марков: Дальше мы можем только гадать, какие не дожившие до нас возникали конструкции и комбинации самых первых живых существ, но мы можем довольно определенно сказать, что все живое, существующее на планете сейчас, происходит, если не конкретно от одной клетки, от одного предка, то от некоей небольшой популяции клеток. Прежде всего, потому что у нас у всех один и тот же генетический код, принципиально одно и то же строение рибосом, транспортных РНК и многие другие молекулярные особенности одинаковые у всех без исключения форм жизни. Даже придумали название для этого предполагаемого общего предка всего живого, его зовут LUKA - последний универсальный общий предок. Жил он больше четырех миллиардов лет назад, по всей видимости, он не был каким-то одним конкретным микроорганизмом, а скорее представлял некое сообщество микроорганизмов, которые активно обменивались между собой генами. Кстати, обмен генами, который сегодня распространен в мире бактерий – это неотъемлемое свойство жизни с самого начала. Те же самые эксперименты по РНК-миру показали, что эволюция РНК, в разных условиях пытаются смоделировать в лабораториях эволюцию молекулы РНК теми или иными способами. Выяснилось, что, начиная с самого раннего этапа развития каких-то коротких кусочков РНК в разных условиях, уже ничего не получается, если у этих молекул РНК нет возможности друг с другом обмениваться кусками, соединяться, разъединяться.



Ольга Орлова: Генетическое однообразие противопоказано.



Александр Марков: Да, эволюции идет за счет блочно-модульного принципа - это как конструктор «Лего». Где-нибудь возникает удачная деталька и она тут же начинает комбинироваться с другими детальками, которые возникли в других местах. То есть жизнь это конструктор «Лего», детальки не просто так, детальки все такие, что они опробованы на каких-то других моделях. Вчера из этого был сделан самолетик, значит с большой вероятностью из этого получится неплохая машинка завтра. Обмен удачными находками, обмен удачными мутациями, новыми генетическими вариантами между разными организмами, он должен был идти с самого начала, иначе ничего бы не получилось. А у более сложных организмов этот обмен упорядочился и появилось половое размножение - это более эффективная, более сложная форма того же самого обмена кусочками. Теперь большие споры идут среди биологов по поводу того, какой образ жизни вел этот первый организм, как он жил, какой у него был обмен веществ, как он получал энергию. Очень быстро этот LUKA дал начало двум ветвям жизни, так называемые бактерии и археи - две основных группировки прокариотов, безъядерных организмов. Есть два способа поиска ответа на вопрос, какой образ жизни вели древнейшие микроорганизмы. Первое - это так называемый молекулярно-филогенетический анализ, то есть построение эволюционных деревьев на основе сравнения геномов современных микроорганизмов. Строя такие деревья, сейчас для этого существует хорошие, надежные, мощные методики, можно понять, в каком порядке появлялись разные группы, в каком порядке происходили ответвления. И таким образом можно понять, кто появился раньше, кто позже и кто первым. Вот такой анализ показывает, что с большой вероятностью первыми были метаногенные археи - это такие микроорганизмы, которые по сей день живут везде, где нет кислорода, но есть такой хороший восстановитель, как молекулярный водород, например. Эти метаногены живут, в частности, в кишечнике, там, где закапываются свалки, они заводятся под землей в бескислородных условиях, производят метан. Тает вечная мерзлота в Сибири, они там тут же заводятся, начинают производить метан, в болотах и так далее. Так вот метаногенные археи, помимо того, что они по сравнительной геномике хорошие кандидаты на роль первых организмов, они еще по своей экологии хорошие кандидаты, потому что им ничего не нужно, кроме самых простейших химических соединений для жизни.



Ольга Орлова: То есть они очень неприхотливы?



Александр Марков: Да, по крайней мере, они неприхотливы к биологическому окружению своему, им достаточно простых веществ, как углекислый газ, молекулярный водород, который образуется, например, в недрах земли в ходе определенных процессов, углекислый газ есть в атмосфере и был всегда, ну и воды немножко. Микроэлементы, которые есть в минералах, в земной коре. Но основное нужно СО2 и Н2 и такие микробы реально могут жить в недрах земли, скажем, без всякой связи с остальной биосферой, вне всякой зависимости от остальной биосферы и они живут в недрах земли до глубины несколько километров. Если все живое на поверхности земли погибнет, то они долго там будут жить, совершенно ни о чем не беспокоясь. То есть это очень древние и независимые существа, которые в принципе могли бы быть первыми. Любое живое существо размножается в геометрической прогрессии и отходы его жизнедеятельности должны были бы накапливаться и очень быстро этими отходами сам бы и отравился. Крупнейший наш микробиолог академик Заварзин подчеркивает это обстоятельство и он говорит, что организм, который в одиночку способен замкнуть геохимический цикл, также невозможен как вечный двигатель. Замкнуть биогеохимический цикл может только сообщество из нескольких разных микроорганизмов, в котором одни микробы утилизируют отходы жизнедеятельности других и таким образом замыкают цикл. С другой стороны, некоторое время мог существовать и один вид микробов, если, например, его развитие было ограничено какими-то факторами, а продукты жизнедеятельности, отходы жизнедеятельности не создавали очень большой экологической проблемы и потихоньку накапливались.


XS
SM
MD
LG