Поскольку два самых важных процесса, которые организуют клетки, – это рост и деление, следует вернуться к вопросам, имеющим отношение к мембране протоклетки. Мы видели, что двухслойные мембраны прекрасно возникают сами из жирных кислот и других простых липидов. Двухслойная структура напоминает мембраны современных клеток, однако свойства такой мембраны гораздо лучше подходят примитивной протоклетке, нежели сложной современной клетке, работающей с помощью высокоразвитых белковых приспособлений. Примитивная клетка должна полагаться для выживания на свойства собственного состава и структуры, поэтому ей не обойтись без мембраны, которая спонтанно пропускает внутрь питательные вещества и выводит наружу отходы. Высокая проницаемость мембран из жирных кислот допускает такие транспортные процессы безо всяких пор и каналов, которым еще предстоит возникнуть в ходе эволюции. Однако современные клетки отводят значительную часть своего генома на кодирование белков, которые управляют ростом и делением. Могли ли первоначальные клетки расти и делиться просто в ответ на физическое воздействие среды? Как ни удивительно, эксперименты показали, что да, могли, и мало того, для этого есть несколько разных способов.

Пожалуй, самое красивое в физике жирных кислот – то, что из них, оказывается, выстраиваются самые разные структуры в зависимости от природы среды, в которой они находятся. В кислом растворе жирные кислоты формируют масляные капельки, а в щелочном растворе (где концентрация гидроксильных ионов выше, чем ионов водорода) они собираются в очень маленькие агрегаты – мицеллы. Размером мицеллы всего в несколько нанометров, а состоят они из очень динамичных скоплений, в которые входит от примерно десяти до сотни молекул[25]. Только при промежуточных уровнях pH, как правило, в очень слабых щелочных растворах жирные кислоты действительно складываются в двухслойные мембраны, образующие оболочку протоклеток, о которой мы говорили. Они обладают незаурядной способностью взаимодействовать с разными фазами, что и дает им возможность стать простым средством для питания везикул, благодаря чему они сначала растут, а потом делятся. Когда мицеллы, стабильные только при pH выше 10 (щелочной раствор), попадают в суспензию из везикул с более низким pH, молекулы жирных кислот в мицеллах обычно интегрируются в уже имеющиеся двухслойные мембраны, площадь которых в результате увеличивается. Если везикулы окружены одной мембраной, рост ее поверхности дает резкие флуктуации формы, что в конце концов приводит к отпочкованию маленьких везикул от родительской. Таким образом, просто скормив везикулам их молекулы-компоненты, можно непосредственно вызвать их рост и деление, и никаких сложных механизмов не потребуется. Неожиданный вариант такого способа роста и деления происходит, если родительская везикула многослойна. В этом случае внешний слой мембраны начинает расти первым. Поскольку между слоями мембраны очень мало места, внешняя мембрана, чтобы вырасти, сначала выпускает тонкий отросток-трубочку, который постепенно удлиняется и утолщается. Со временем слои мембраны обмениваются материалом, и окончательная структура представляет собой длинное многослойное волоконце. Оно довольно хрупко, и даже небольшое механическое воздействие – например, ветер, дующий по поверхности пруда, – способно его разрушить, и тогда оно распадется на дочерние везикулы. Важно отметить, что ни при том, ни при другом способе роста и деления содержимое везикул не протекает наружу, поэтому генетические молекулы вроде РНК на протяжении всего цикла сохраняются внутри везикулы.

Теперь мы можем подумать о том, какое геохимическое окружение могло бы обеспечить рост и деление протоклеток в результате добавления мицелл. Начнем с того, что представим себе протоклетки, существующие в пруду, по поверхности которого идет рябь от ветра, а окружающие породы таковы, что среда в пруду слегка щелочная. Теперь представим себе какое-то изолированное место, где накапливаются жирные кислоты, – может быть, в водоеме, где среда более щелочная, и они приобретают форму мицелл. Если этот резервуар мицеллярного материала переполняется, скажем, после дождя, поток воды, несущий мицеллы, может пролиться в пруд с протоклетками, и они начнут расти и делиться. В таком сценарии нет ничего такого уж невероятного – но все же это довольно специфический набор условий. Нет ли более простого способа расти и делиться? И в самом деле, есть очень любопытный процесс, который обеспечивал бы рост протоклеток благодаря конкуренции. Физическая основа этого феномена состоит в том, что везикулы, содержащие в высокой концентрации растворенные материалы, например РНК, начинают осмотически раздуваться, если окружающий раствор не такой концентрированный. В сущности, вода проникает в везикулы и «пытается» разбавить внутренние РНК до той же концентрации, что и снаружи. Поскольку РНК не может проникнуть за мембрану, нарастает внутреннее давление, что приводит к раздуванию сферической везикулы. Эта ситуация стабильна, если в том же растворе нет других везикул, которые содержат меньше РНК (или вообще ее не содержат), а поэтому или менее раздуты, или совсем не раздуты. А тогда происходят потрясающие вещи. Поскольку жирные кислоты – одноцепочечные липиды, они не очень надежно укреплены внутри мембраны и могут довольно быстро покидать ее и входить либо в ту же самую, либо в другую мембрану. Этот процесс позволяет молекулам жирных кислот перемещаться между везикулами, а в результате площадь поверхности раздутых везикул растет, поскольку в их мембраны входят новые жирные кислоты. Одновременно менее раздутые или ненапряженные везикулы теряют жирные кислоты и уменьшаются в размерах. То есть везикулы, содержащие более высокие концентрации РНК, растут за счет соседних везикул, содержащих меньше РНК. Следствием такого конкурентного роста становится то, что повышение темпа репликации РНК внутри протоклетки вызывает рост ее мембраны за счет везикул, в которых репликация РНК не идет или просто идет медленнее.

Это прекрасный пример того, как связь между репликацией РНК и ростом мембраны может быть вызвана исключительно физическими причинами, а не эволюцией биологических приспособлений. Но и здесь есть оговорка. Осмотический рост предполагает, что растущие везикулы раздуваются и поэтому имеют сферическую форму. Сферической везикуле очень трудно разделиться, поскольку у нее не хватает площади поверхности на создание дочерних везикул того же объема. Поэтому на деление требуется много энергии, чтобы сжать сферическую везикулу, и в результате теряется часть ее содержимого, если не произойдет чего-то такого, что уменьшит объем везикулы. Оказывается, эта проблема довольно просто решается, например, при внезапном появлении в окружающей воде соли или других мелких молекул. Это выведет воду из изначально раздутой везикулы, и та сократится в объеме, но сохранит площадь поверхности. Как показано выше, это приведет к флуктуациям мембраны, изменению формы и делению.

Чтобы собрать полностью функционирующую протоклетку, остался один шаг. Надо объединить процессы репликации РНК и репликации везикул, а ведь они совсем разные. Здесь перед нами встает множество проблем. У каждой есть несколько решений, по крайней мере в принципе, однако до сих пор определенных ответов так и не получено. Самая насущная и досадная проблема – совместимость на системном уровне. Главное препятствие состоит в том, что химия копирования РНК требует относительно высоких концентраций двухвалентных катионов вроде магния, однако это приводит к стремительному разрушению мембран из жирных кислот, как уже упоминалось. Пока что открыты два варианта решения, проверенные на уровне «принципиальной возможности». Первый – ввести так называемое хелатообразующее вещество, чтобы оно связалось с ионами магния, и тогда ион будет закрыт с одной стороны. Например, в этом очень поможет цитрат, который хорошо связывается с ионами магния – настолько хорошо, что цитрат магния часто входит в состав витаминно-минеральных пищевых добавок с магнием. А еще магниево-цитратный комплекс играет важную роль как катализатор в реакциях копирования матричной РНК. Однако важно отметить, что на мембраны из жирных кислот ионы магния, связанные в комплексы, не влияют. Поскольку мембрана защищена от разрушения цитратом, можно наблюдать процесс копирования матричной РНК внутри везикул из жирных кислот в присутствии цитрата. Хотя это, безусловно, обнадеживает, едва ли в предбиологических условиях было достаточно цитрата, а все другие, более правдоподобные варианты хуже защищают мембраны. Не исключено, что частичную защиту могла бы дать смесь гидрокси- и кетокислот, получаемая при ультрафиолетовом облучении озерной воды с содержанием карбоната и сульфита, но для избавления от этой несовместимости необходимо вмешательство и других факторов. Отчасти решением может быть участие неродственных молекул, стабилизирующих мембраны. Например, недавние исследования химиков Сары Келлер, Роя Блэка и их коллег из Вашингтонского университета в Сиэтле показали, что мембраны из жирных кислот стабилизируются компонентами нуклеотидов вроде рибозы и аденина. Стабилизация мембран соединениями, которые могли присутствовать в предбиологической среде, – это очень перспективно и указывает на то, что сочетание их воздействия с ионно-комплексными соединениями может дать по крайней мере частичный ответ на вопрос о совместимости.

Совершенно иной подход к тому, как обеспечить химическую совместимость реакций копирования РНК и цельности мембраны, заключается в поисках альтернативного состава мембраны. Хотя сегодня главные компоненты двухцепочечных фосфолипидов – жирные кислоты, в предбиологической среде вполне могли существовать и вещества, занимающие промежуточное положение между жирными кислотами и фосфолипидами. Глицериновые эфиры жирных кислот и родственные им жирные спирты давно применялись в смеси с жирными кислотами для создания более прочных мембран. Если мы добавим фосфат к глицериновому эфиру жирных кислот, у нас получится лизофосфолипид. Эти молекулы работают как детергенты, и если их концентрация слишком высока, они растворят мембрану. Но в присутствии химических реакций, активирующих фосфаты (те самые реакции активации, которые нужны для копирования РНК), фосфат циклизуется. Возникающие в результате циклофосфолипиды обладают весьма любопытными свойствами. Поскольку у циклического фосфата всего один отрицательный заряд, он взаимодействует с ионами магния лишь слабо. А значит, мембраны, содержащие значительную долю циклофосфолипидов, обычно выдерживают повышенные концентрации ионов магния. Казалось бы, вот и решение проблемы совместимости, но, увы, все не так просто. Чтобы протоклетки размножались неопределенно долго, состав их мембраны должен поддерживаться в неизменном состоянии. Однако циклофосфолипиды не образуют мицеллы при высоком pH, поэтому циклофосфолипиды не получается использовать непосредственно для роста протоклеток. Есть заманчивый вариант – кормить везикулы либо жирными кислотами, либо лизофосфолипидами, которые затем могут превращаться в циклофосфолипиды в мембране. Есть и другие альтернативы жирным кислотам, но они чреваты такими же сложностями. Например, короткоцепочечные фосфолипиды могут быть такими же динамичными, как и мембраны из длинноцепочечных жирных кислот, при той же площади гидрофобной поверхности.

Так или иначе, очевидно, что необходимы дальнейшие поиски предбиологически реализуемых путей к синтезу жирных кислот и их альтернатив. Это очень перспективное направление исследований, ведь наградой ученым будет объяснение, как могли возникать и сохраняться популяции протоклеток, обходящие несовместимость химии РНК и свойств мембран.

В этой главе мы намеренно дали довольно подробное описание положения дел в экспериментальной науке. Нашей целью было показать, как изучение физических процессов роста и деления мембраны с одной стороны и химических процессов репликации РНК – с другой позволило нам прийти к логичной, пусть и неполной, модели устройства первых клеток на молодой Земле. Такой сценарий, безусловно, далеко не окончателен, и еще многое предстоит сделать, чтобы заполнить пробелы. Тем не менее нынешняя модель основана на солидной базе данных экспериментов и подтверждена надежными теоретическими аргументами. Если мы готовы до поры до времени принять такую модель протоклетки в общих чертах, мы сможем начать размышлять о том, какой эволюционный путь привел к развитию основных черт современных клеток – тех самых особенностей, которыми была наделена клетка-первопредок, из которой зародилась жизнь (LUCA[26]). Среди этих особенностей, в частности, клеточные мембраны, состоящие из более сложных липидов, и широкий ассортимент мембранных белков, контролирующих транспортировку молекул сквозь мембрану всех клеток в обе стороны. Вторая важная черта – сложная система метаболических реакций, которая создает многие, если не все, питательные вещества для клетки. Наконец, это синтез белков, закодированных в РНК, который делает возможным производство белковых ферментов, мембранных белков и цитоскелета (структуры, помогающей клеткам сохранять форму и нормально функционировать). Ниже мы вкратце опишем вероятный сценарий эволюции этих характерных биологических особенностей.

Одна особенно соблазнительная модель конкуренции протоклеток за ограниченные ресурсы предполагает синтез при помощи РНК-ферментов двухцепочечных липидов, которые напоминают фосфолипиды в современной мембране. Эксперименты в лаборатории Шостака показали, что присутствие небольшого количества таких липидов в мембранах на основе жирных кислот в моделях протоклеток позволяют таким везикулам расти за счет жирных кислот, похищенных у соседних везикул, которые не содержат фосфолипидов. Это явление становится возможным потому, что молекулы жирных кислот прочнее удерживаются в мембранах, содержащих хотя бы крошечную долю двухцепочечных фосфолипидов. В результате молекулы жирных кислот медленнее выходят из мембраны в окружающий раствор, а входят в мембрану в прежнем темпе, поэтому мембрана растет, а окружающие мембраны, состоящие из чистых жирных кислот, сокращаются.

Важное следствие из этого физического эффекта состоит в том, что протоклетка, у которой в ходе эволюции возник РНК-фермент, способный катализировать синтез фосфолипидов, могла расти за счет своих соседок. Такое конкурентное преимущество помогало бы клеткам, производящим фосфолипиды, захватывать локальную популяцию протоклеток и доминировать в ней. Однако, как только потомки первоначальной клетки захватывали популяцию, их конкурентное преимущество теряло силу, ведь теперь все клетки вокруг вырабатывали фосфолипиды. В этот момент начиналась интересная эволюционная гонка вооружений. Дело в том, что любая клетка, вырабатывающая больше фосфолипидов, чем ее соседки, сохраняла конкурентное преимущество и росла, поглощая жирные кислоты, похищенные у соседок. Такая конкуренция теоретически приводила к тому, что производительность машинерии, синтезирующей фосфолипиды, постепенно возрастала, а следовательно, росло и количество фосфолипидов в клеточной мембране. Однако повышение доли фосфолипидов вскоре начинало сильно влиять на клеточную физиологию, причем как положительно, так и отрицательно. Мембраны из жирных кислот со значительной долей фосфолипидов становились менее проницаемыми для заряженных и полярных растворенных веществ. Таким образом, протоклетка, которая выживала за счет захвата питательных веществ вроде нуклеотидов из своего окружения, теряет такую способность – точнее, поступление питательных веществ замедляется с повышением содержания фосфолипидов в мембране. С другой стороны, сниженная проницаемость мембраны открывает новые перспективы для эволюции клетки, поскольку внутренние метаболические реакции наконец превращаются в преимущества, так как молекулы, синтезируемые внутри клетки, больше не могут быстро утекать и питать соседние клетки. Теперь внутренние метаболические пути обеспечивают эволюционный успех тем клеткам, у которых есть РНК-ферменты, катализирующие метаболические реакции. Или же, напротив, клетки приобретают в ходе эволюции специализированные системы для импорта необходимых питательных веществ. Таким образом, снижение проницаемости мембран приводит к двум новым требованиям отбора, которые подталкивают и к эволюции внутренних метаболических реакций, и к эволюции мембранных транспортных механизмов.

Эволюция метаболизма должна была происходить пошагово, причем так, чтобы каждый шаг давал преимущество при отборе. Можно представить себе, что это было достигнуто через эволюцию новых РНК-ферментов, каждый из них синтезировал какое-то соединение, запас которого у клетки истощается или его трудно добыть. Поскольку новые РНК-ферменты кодировались геномом РНК клетки, такой эволюционный прогресс мог проходить поэтапно. Сначала появлялась потребность в расширенном геноме, который кодировал бы дополнительные РНК-ферменты. Это повышало скорость и точность репликации генома. По мере того как источники нуклеотидов в среде истощались, становилось полезно развивать внутренний синтез активированных нуклеотидов из все более простых и доступных исходных молекул. Насколько далеко может зайти такой процесс при условии, что его катализируют только РНК, совершенно неясно. Очевидно другое – в какой-то момент живая материя в ходе эволюции обрела способность синтезировать полезные пептиды, а затем постепенно все более крупные и активные ферменты. Однако такие достижения потребовали появления кодированного синтеза пептидов, а эволюция генетического кода остается одной из главных загадок ранней эволюции. Считается, что и этот процесс шел через множество этапов. Некоторые самые распространенные и простые в изготовлении аминокислоты, вероятно, включались в генетический код первыми, а аминокислоты, образуемые более сложным биосинтетическим путем, интегрировались позднее. Эта гипотеза соответствует тому, что самые простые в изготовлении аминокислоты обычно обладают самым прочным связыванием кодона—антикодона (связью между трехнуклеотидными единицами генетического кода в транспортной РНК и матричной РНК), а кроме того, они склонны занимать так называемые семейные ячейки кодонов, то есть разные группы из четырех кодонов, которые кодируют одну и ту же аминокислоту. В остальном отношения между аминокислотами и кодонами, по-видимому, произвольны, так что генетический код в целом можно представлять себе отчасти как результат детерминированного пути, а отчасти – как итог какой-то запечатлевшейся в веках исторической случайности.

А это наконец подводит нас к теме следующей главы – к связи между происхождением жизни на Земле и формированием и эволюцией самой Земли.