Если звезда замерзает, отсоединяется ли ее слизистая оболочка и пытается ли попасть на Землю? В один весенний день я заметила, как у маленького пруда лежат молочные комочки, разбросанные по траве. Они были жесткими, но эластичными, при этом самый большой из них размером почти в мою ладонь. На протяжении сотен лет такие находки называли «небесной слизью», или Sputum astrotum, реже – звездчатое желе, или метеорологическое желе. Научное объяснение носит гораздо более приземленный характер. Весной амфибии женского пола до предела наполнены тысячами яиц, которые находятся в специальном желе. Если на лягушек и жаб в это время нападают лисы или другие хищники, они преждевременно выделяют часть икры, которая при соприкосновении с влажной травой увеличивается в размере и вызывает отторжение у нападающего.

Так, значит, от звездной слизи мы спасены. Правда, по мнению некоторых ученых, четыре миллиарда лет назад молодая еще Земля могла заразиться чем-то, в лучших традициях Лавкрафта. И заразилась она самой жизнью. Это попытка пролить свет на ту темноту и неизвестность, которая окружает тему происхождения жизни. Земля сформировалась четыре миллиарда шестьсот миллионов лет назад в виде сияющего огненного шара из космической пыли и газа. Чуть спустя она столкнулась с другим небесным телом. В результате столкновения от Земли отделилось вещество, которое уплотнилось и, вероятно, стало Луной.

Чудовищное время: Земля вращалась в восьмичасовых днях, постоянно бушевали массивные штормы. Вулканы извергали ядовитые газы, а Луна, в свою очередь, находилась так близко, что создавала огромные волны в палеоокеане. Эта эра называется Катархеем, что заимствовано от названия Гадес – подземного мира в греческой мифологии. Несмотря на все сложности, где-то здесь, в безопасном уголке, зарождалась жизнь. Что мы найдем, если ненадолго оставим венец древа жизни и спустимся к корням? На этом пути есть много развилок, например, появление эукариотической клетки, возникшей из слияния микробов. Любопытно, что у нее первой было обнаружено ядро с оболочкой. Таким образом, эукариотическая клетка, будучи источником происхождения всех высших организмов, положила конец единоличному верховенству микробов.

В поиске ответа на вопрос о происхождении жизни мы также сталкиваемся с LUCA, последним общим предком (Last Universal Common Ancestor) всех живых существ. Еще Чарльз Дарвин, проявив великолепную интуицию, предположил, что все существующие сегодня виды имеют общего предка. Последний общий предок, впрочем, несмотря на все современные анализы, может быть лишь теоретическим конструктом. Для его выработки изучаются гены распространенных и глобально не поменявшихся видов до момента их пересечения в определенной точке. Эта точка – LUCA, сумма искусственно измененных, или скорее омоложенных, сущностей. LUCA обозначает не старейшего микроба, а прародителя, от которого, благодаря генетическому превосходству, недостатку конкуренции или простому совпадению, произошла сегодняшняя жизнь во всем ее разнообразии.

Несмотря на загадочность LUCA, он, благодаря своим точно подсчитанным характеристикам, может рассказать нам некоторые детали. Итак, согласно ему, наш последний общий предок жил по меньшей мере три с половиной миллиарда лет назад в глубине океана, на морском дне, рядом с гидротермальными источниками, выпускавшими высокоминерализованную воду и снабжавшими микробов энергией. LUCA – это ранний, но все же сложноустроенный фундамент нашей истории. Что же мы найдем, если, пропустив его, дойдем до основания Древа Жизни? Эрнст Геккель в качестве объяснения предлагал первичную слизь Bathybius, находящуюся между неживым и живым миром. И все же где и как зародилась жизнь?

Эти процессы так сложно отследить, поскольку они происходили невообразимо давно на планете, сильно отличавшейся от нашей нынешней своим крайне бурным темпераментом. Здесь больше вопросов, чем ответов, но мы можем попытаться дать хотя бы одно объяснение. Что такое жизнь? Достаточно ли одной органической молекулы или нужно объединиться нескольким? А может, требуется целая клетка? По этому вопросу в науке нет единого мнения, но при этом ученые сходятся в части тех условий и предпосылок, которые должны присутствовать, чтобы сделать жизнь возможной в принципе.

Необходимо самовоспроизводство, чтобы передавать собственные свойства следующим поколениям. Также крайне важна самоорганизация, поскольку она превращает биологические структуры в единство, представляющее собой нечто большее, чем просто сумму отдельных частей. Следующий ключевой момент – это обмен веществ, способствующий выработке энергии. А окружающая среда? У ранней жизни на Земле даже скоординированные и организованные процессы не могли происходить без защиты от хаотичного внешнего мира.

Первым организмам приходилось ограждаться, равно как и сегодняшним клеткам с их биологической мембраной. Как это было возможно на ранней Земле? Когда? Где?

Ответ на вопрос «как» берет свое начало в предбиологической эволюции, когда химия начала распространять свое действие на биологию, в результате чего стали появляться простые компоненты, впоследствии объединившиеся в более сложные структуры. Это были протеины и РНК, хранитель информации, родственный ДНК нашей клетки, но представляющий собой более простую нуклеиновую кислоту. Вместе они, вероятно, образовали простую клетку. При этом, как станет известно позднее, решающую роль в этом играли гидрогели. На вопрос «когда» также есть ответ: канадские ученые обнаружили определенные следы, указывающие на присутствие микробов в камне, насчитывавшем четыре миллиарда лет. Таким образом, это свидетельство присутствия сложноустроенного живого организма. Это подтверждено не до конца, но многие находки и открытия указывают на то, что жизнь появилась удивительно быстро после возникновения самой Земли, и столь же стремительно начала развиваться.

Самый сложный вопрос – «где?». Мы все инопланетяне? Астробиологи считают, что происхождение жизни отчасти произошло в космосе, откуда, как говорят, молекулы, поспособствовавшие зарождению жизни, попали на Землю с помощью астероида. Космический импульс мог бы объяснить, как жизнь на Земле, несмотря на столь сложные внешние обстоятельства, быстро укрепила свои позиции. Кроме того, на астероидах были найдены биомолекулы – к примеру, аминокислоты, – составляющие основу протеинов. В любом случае описанный выше сценарий не дает точного ответа на вопрос о происхождении жизни, а скорее просто отодвигает его еще дальше – в космическую плоскость.

Земные сценарии тоже имеют место – например, гипотеза о зоне прибоя палеоокеана или о водных резервуарах во льдах, в которых ранние молекулы могли долго продержаться из-за низких температур. Чарльз Дарвин, в свою очередь, высказал гипотезу о дарящем жизнь болоте, о чем и писал ботанику Джозефу Далтону Хукеру: «Но если (ах, это очень большое “если”) мы могли бы представить, что в маленьком теплом болотце со всеми видами аммонийных солей фосфатида и фосфорных солей, светом, теплом, электричеством и т. д. химическим образом могло получиться протеиновое соединение». Правда, великий Дарвин не осмелился публично защищать этот тезис. По его словам, вопрос о происхождении жизни был ultra vires (то есть за пределами полномочий) для ученых того времени. Тем не менее идея спокойного происхождения жизни также присутствовала и, более того, нашла отражение в стихотворении Готфрида Бенна 1913 года «Напевы». В нем поэт в виде «кусочка слизи» мечтает вернуться в бытие наших предков, в теплое болотце, что, правда, больше говорит об усталости от жизни, чем выражает научную позицию. После долгого затишья теплое болотце Дарвина снова становится темой для обсуждения среди ученых. Правда, теперь речь идет скорее о горячем вулканическом солевом озере, а не о теплом болоте, которое Дарвин, вероятно, наблюдал в идиллическом Кенте на юго-востоке Англии.

Впрочем, еще популярнее теория о том, что жизнь началась у гидротермальных источников в вечной темноте глубокого моря. В 1977 году у морского дна были обнаружены так называемые «черные курильщики», из которых в океан поступает насыщенная минералами вода температурой до 400 °C под давлением в сотни атмосфер. Плотный бактериальный газон был расположен по краям этих источников и создавал основу для экосистемы, самыми узнаваемыми представителями которой являются ярко-красные черви Riftia, которые при необходимости могут прятаться в своих белых оболочках. В тканях этих червей обитают бактерии, получающие энергию от минеральных источников и снабжающие ею своего хозяина.

Именно так в первый раз было доказано присутствие жизни в столь экстремальной среде без солнечного света и под высоким давлением. Поскольку эта среда отчасти напоминала Катархей, «черные курильщики» долго оставались фаворитами в вопросе о происхождении жизни. Тем не менее они, вероятно, имели слишком высокую температуру для хрупких биомолекул. Таким уязвимым структурам было бы легче выжить рядом с более мягкими подводными гидротермальными источниками. Примером таковых являются достигающие шестидесяти метров в высоту щелочные «белые курильщики», которые находятся в зоне под названием «Потерянный город» в Атлантическом океане.

Они уходят глубоко в морское дно, где, согласно одной современной теории, сформировались, обогащались, взаимодействовали между собой и конкурировали первые биомолекулы. Гидротермальные источники чрезвычайно пористые, со множеством маленьких ниш, в которых, вероятно, как в каменных дырах, могли параллельно происходить многочисленные эволюционные эксперименты. Можно назвать эти явления неким мозговым штурмом, тест-драйвом жизни, происходившим в безопасности от разрушительной окружающей среды, но все же в тесном с ней контакте. Свидетельством тому является еще и тот факт, что при взаимодействии кислой морской воды с щелочными источниками выделяется энергия, способствующая ускорению биологических процессов. В этом состоит данная теория, но доказательства ей, как и всем остальным, найти практически невозможно.

С 1940-х годов в качестве колыбели тогда еще уязвимой и нежной жизни рассматриваются глинистые минералы, поскольку биологические структурные элементы могут поселиться и закрепиться на их пористых поверхностях. Эта идея всегда была на втором плане, но сейчас набрала популярность в актуализированной форме. Согласно ей, глинистые минералы на раннем этапе были альтернативой защитной клеточной мембране. В морской воде и в условиях, которые были свойственны палеоокеану, минералы могли создавать гидрогель, на котором биомолекулы охотно селились и от которого обогащались. Впрочем, эта желеобразная масса способна на большее: она защищает нуклеиновые кислоты, такие как ДНК, дает им возможность осуществлять функции по дублированию и передаче генов в протеинах, а также даже ускоряет воспроизводственные процессы.

Итак, разрушительные энзимы были вынуждены держаться на дистанции, а продуктивные энзиматические реакции, наоборот, получили импульс. Ученые предполагают, что определенные энзимы, особенно хорошо функционирующие в глинистом гидрогеле, могли развиться в ходе эволюции. Кроме того, тут скрывается ответ на вопрос, как протоклетки могли изолироваться без современных сложных мембран. Дело в том, что им это было и не нужно, потому что гидрогель сам создавал защищающее от окружающей среды пространство.

Когда бы мы как предки наши были —

Комочком слизи в глубине болот,

Любовь и смерть и счастье в топком иле,

И соков бытия невпроворот.

Возможно, не было необходимости и в глинистом матриксе. Если структурные компоненты нуклеиновых кислот накапливаются в большом количестве, то, например, при перепаде температуры, они могут объединиться в более длинные молекулы. Правда, часто они вскоре снова отделяются. Как показали мюнхенские физики Дитер Браун и Кристоф Маст, многие цепочки ДНК и РНК при определенных обстоятельствах все же остаются стабильными и, даже объединившись с аналогичными молекулами, образуют более крупные комплексы.

С этим связано одно интересное наблюдение: нуклеиновые кислоты сами создавали гидрогели толщиной в несколько миллиметров. Подобное поведение было также замечено у протеинов. Иными словами, центральные биомолекулы клетки могут создавать слизи для себя одних.

Сыграли ли гидрогели роль в развитии первых клеток? Не существует однозначного доказательства, однако в современных клетках чувствуется определенное эхо. Клетки – это не гидрогели, но имеют с ними много сходств. Наконец, они за счет трехмерной структуры пронизаны полимерами, скрепляющими жидкость внутри клетки. В результате получается определенный вязкоупругий гель, в котором отдельные молекулы и структуры могут свободно передвигаться. В любом случае органеллы, такие как ядро клетки и митохондрии, имеют свои собственные оболочки.

Рисунок 23. Многометровые «белые курильщики» (1) создают гидротермальную среду в глубинах Атлантики. Она носит название «Потерянный город» и представляет собой экстремальную окружающую среду, в которой микробы выживают благодаря тому, что окружены слизистыми биопленками (2)

В предприятии под названием «клетка» органеллы представляют собой отделы, к которым требуется код доступа. Например, тот, кто хочет попасть в ядро клетки, должен сначала пообщаться с очень придирчивым гидрогелем в одной из пор ее гелевой оболочки. Остальные молекулы делят пространство внутри клетки как общую рабочую зону без четко закрепленных мест. В целом царит некий хаос, однако при необходимости молекулы объединяются в команды и начинают работать над отдельными проектами. Протеины в таком случае объединяются в собственный гель в и без того желеобразном пространстве внутри клетки. Эти структуры называются немембранными органеллами. Они могут образовываться также и в ядре клетки. Здесь речь идет о жидких капельках, которые взаимодействуют друг с другом, но при этом не смешиваются с остальным содержимым клетки. Таким образом, это открытое, но разделенное на зоны пространство, предназначенное для конкретных функций. Речь идет об активности генов, производстве протеинов, клеточной реакции на стресс и других важных процессах, протекающих здесь под контролем и без отвлекающих факторов.

Впрочем, опять же, это временное явление, поскольку немембранные органеллы вскоре снова распадаются. Если же они остаются в подобной форме, последствия могут быть серьезными. Иными словами, четко отлаженный процесс выходит из-под контроля, а жидкие капли застывают и становятся жестким материалом. Ученые связывают такие нарушения с тяжелыми заболеваниями, например с болезнью Альцгеймера. При данной форме деменции в мозге откладываются нерастворимые клубки, которые разрушают нервные клетки.

Тем не менее все еще мало известно о строении, функции и растворении этого геля. Правда, есть указания на то, что чрезмерно застывшие немембранные структуры могут играть роль и при других видах деменции, при болезни Паркинсона, а также при диабете второго типа и боковом амиотрофическом склерозе. Эти процессы исследуются медленно, потому что сама цитоплазма – это очень сложная жидкость, и немембранные органеллы сохраняются только в этой среде. Несмотря на это, эти вопросы могли бы развить совершенно новые отрасли клеточной биологии, выводы которой пригодились бы как здоровым, так и больным организмам.

Рисунок 24. Слизевики растут в форме токийской сети железных дорог (1). Томас Генри Гексли, «бульдог Чарльза Дарвина» (2). В «Путешествиях Гулливера» Джонатана Свифта (1726) герой встречает Гуигнгнмов (4) в одноименном месте (3). Плодовое тело слизевика Physarum psittacinum (5)