ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Біологія — 09.11.19
    ТЕКСТ: Девід Крістіан
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська, «Наш Формат»
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Лука без ДНК, або Як з’явилося життя. Уривок з книги «Велика історія всього»

    Можливо, перші форми життя на планеті були дещо схожими на віруси, не мали мембранної оболонки та «харчувались» енергією, що вивільнялась при перепадах температур та кислотності. Більше деталей до портрету останнього спільного предка всього живого — в уривку з книги Девіда Крістіана «Велика історія всього», що цьогоріч вийшла друком у видавництві «Наш Формат».

    Від збагачених хімічних середовищ до життя: останній універсальний спільний предок Лука

     

    Життя з’явилося на ранніх етапах історії Землі — отже, створити прості форми життя не так уже й важко там, де існують правильні умови. Але точно визначити, коли саме з’явилося життя, непросто, бо перші організми жили понад 3 мільярди років тому, бо вони були мікроскопічними й бо скелі, де вони були поховані, вже давно щезли від ерозії. Тепер найкращим прямим доказом найдавнішого життя на Землі є мікроскопічні скам’янілості, знайдені 2012 року у віддаленому західноавстралійському регіоні Пілбара. Виявилося, що вони складаються з бактерій, які жили приблизно 3,4 мільярда років тому. У вересні 2016 року в журналі Nature з’явилася стаття з описом знайдених у Гренландії скам’янілостей віком 3,7 мільярда років, схожих на коралоподібні строматоліти. Якщо вони справді те, чим їх усі вважають, життя зародилося набагато раніше, ніж ми думали, — незабаром після закінчення Пізнього важкого бомбардування, приблизно 3,8 мільярда років тому. На початку 2017 року, спираючись на виявлені в північному Квебеку викопні утворення, вчені висловили припущення, що життя могло з’явитися ще раніше — 4,2 мільярда років тому. Тепер нам доведеться почекати й подивитися, чи підтвердиться ця гіпотеза. 

     

    Біологи ще не мають повної картини розвитку перших живих організмів. Але більшість етапів цього процесу вже відомі і зрозумілі. 

    Науковці називають останнього універсального спільного предка Лукою (від англ. LUCA, last universal common ancestor), але точно не знають, як саме він міг виглядати. Лука жив раніше, ніж найраніші життєформи, які нам досі вдавалося відкрити, і в нього було багато спільних рис із організмами, відомими як прокаріоти — одноклітинними, генетичний матеріал яких не захищений ядром. Сьогодні прокаріотів можна знайти у двох із трьох великих доменів організмів, еубактеріях і археях. (Третій домен, до якого належить наш вид, називається еукаріоти). 

     

    Ми ніколи не знайдемо жодних викопних решток Луки, оскільки він насправді є гіпотетичним створінням, такою собі збірною картинкою першого живого організму — ніби поліцейський ескіз злочинця в розшуку. Утім навіть такий портрет допоможе нам зрозуміти, як почалося життя.

     

    Лука міг бути майже живим, але не зовсім живим. Такий собі зомбі на межі між життям і нежиттям. Насправді це не така вже й дивна ідея, як може спершу здаватися. Віруси, наприклад, теж не зовсім живі, бо вони не цілком відповідають нашому визначенню живої істоти. У них немає метаболізму, в них надзвичайно крихкі мембрани, тому навіть не зовсім ясно, чи можемо ми зарахувати їх до клітин. Це просто трохи ускладнені пакетики з генетичним матеріалом, які чіпляються до складніших організмів. Вони захоплюють іншу клітину, беруть керування метаболізмом на себе і використовують його для самовідтворення. Коли у вас грип, віруси відкачують енергію з метаболічної системи комунікацій. Не знайшовши клітин для захоплення, віруси припиняють роботу і впадають у щось схоже на анабіоз. Деякі клітини живуть глибоко у скелях і мають надзвичайно повільний метаболізм; вони живуть на крихітних дозах води й необхідних речовин. Вони здатні повністю й надовго припинити життєдіяльність, прямо як той рок-гітарист Готблек Дез’ято із «Ресторану на краю Всесвіту» Дугласа Адамса, який цілий рік був мертвим, щоб не платити податки. Податки, яких уникають ці організми, — це, звичайно, ентропійні податки на складність. Лука, найімовірніше, жив у схожій проміжній зоні.

     

    Перше життя було пористою скелею, яка генерувала складні молекули і енергію, — аж до появи білків і самої ДНК

    Нік Лейн

    Фотороботи Луки створювалися шляхом визначення декількох сотень, найпевніше, дуже давніх генів, які досі існують у більшості сучасних прокаріотів. Знаючи, які типи білків вони виділяють для забезпечення життєдіяльності, ми можемо зрозуміти, в якому типі середовища розвивався Лука.

     

    Портрет Луки (точніше, його родини, оскільки ми говоримо про мільярди організмів) може змінюватися разом із змінами середовища. У нього був свій геном, отже, він міг відтворюватися. І він еволюціонував. Йому могло бракувати власної мембрани й метаболізму. Стінки його клітин, вочевидь, складалися з пористої вулканічної породи, а метаболізм залежав від геохімічних потоків енергії, якими він не міг керувати. Білки, які створював Лука, підказують, що він жив на краю лужних океанічних джерел, можливо, у дрібних порах лавоподібних порід і живився енергією від перепадів температур, кислотності й потоків протонів і електронів. Хімічні нутрощі Луки, мабуть, просто вихлюпувалися в теплу воду із земних надр — лужну, отже, з надлишком електронів. Назовні вулканічних пор, які Люка мав за домівку, текла прохолодніша океанська вода з підвищеною кислотністю, отже, з надлишком протонів. Невеликий перепад електричного поля між домівкою Луки й зовнішнім світом, ніби заряджена батарейка, забезпечував достатньо вільної енергії для запуску метаболізму, забору живлення ззовні і очищення від відходів.

     

    Ось як описував Луку один із піонерів дослідження зародження життя Нік Лейн:

     

    Він [Лука] був не вільною живою клітиною, а скельним лабіринтом мінеральних клітин, відгородженим каталітичними стінками, що складалися із заліза, сірки і нікелю, і живився природними градієнтами протонів. Перше життя було пористою скелею, яка генерувала складні молекули і енергію, — аж до появи білків і самої ДНК.

     

    Попри свою простоту порівняно із сучасними організмами, Лука вже мав багато точних біохімічних ґаджетів, зокрема багато інструкцій для метаболічних і репродуктивних апаратів сучасних клітин. Імовірно, в нього був геном на базі РНК, а значить, він міг відтворюватися правильніше й точніше, ніж прості хімічні сполуки, і тому, найпевніше, швидко еволюціонував. Він також використовував живильні потоки енергії для утворення АТФ (аденазинтрифосфату), тієї самої молекули, яка займається транспортуванням енергії в сучасних клітинах.

    І у зорях, і у клітинах концентровані потоки енергії необхідні, щоб задовольнити жагу ентропії до енергії й подолати універсальну тенденцію всіх речей до деградації

    Від Луки до прокаріотів

     

    Лука та його родичі вже виконали найважчу частину роботи, необхідної для еволюції перших справжніх живих організмів. Але в Луки не було мембрани, яку можна брати з собою всюди, хай куди б потрапила клітина, і метаболізму, який не був би прив’язаний до енергетичних потоків вулканічних джерел. Не було в нього, здається, й комплексного розвиненого репродуктивного механізму сучасних організмів, основою якого є найближчий родич РНК — подвійна спіраль ДНК. Сьогодні ми знаємо, що повинно було розвиватися, але не розуміємо, як саме воно розвивалося.

     

    Пояснити еволюцію захисних мембран клітини неважко. Вони створені з довгих ланцюгів фосфоліпідів, які в належних умовах легко переконати утворити нашарування, що сформують напівпроникну бульбашкоподібну структуру. Імовірно, як стверджував Теренс Дікон, автокаталітичні реакції еволюціонували й нашаровували фосфоліпіди дуже повільно, молекулу за молекулою. Якщо це справді так, неважко уявити родича нашого Луки, який поволі сплітав собі мембрану.

     

    Пояснити, як клітини розвинули механізми репродукції й живлення, набагато складніше, але ці механізми настільки фундаментальні й елегантні, що варто зрозуміти, як саме вони працюють.

     

    Розвиток нових способів використання енергетичних потоків, щоб клітини могли віддалитися від вулканічних отворів, означав створення еквівалента електричної мережі, до якої молекули могли під’єднуватися, коли йшли у своїх справах. Головну роль у цьому процесі відіграли ферменти (ензими) — спеціальні молекули, що можуть діяти як каталізатори, прискорюючи реакції клітин і зменшуючи енергію активації, необхідну для запуску діяльності. Нині ензими відіграють найважливішу роль у всіх клітинах. Більшість їх — білки, утворені з довгих ланцюгів амінокислот. Дуже важливою є точна послідовність амінокислот, котра визначає, як саме білок складатиметься у форму, необхідну для виконання конкретної роботи. Ензими проходять крізь молекулярний субстрат, шукаючи відповідну цільову молекулу, до якої пасуватимуть, мов гайковий ключ до гайки чи болта. Потім вони випускають енергетичні мікроімпульси, щоб зачепити, пов’язати і розчавити або розщепити молекулу або зв’язати її з іншими молекулами. Більшість реакцій у вашому тілі ніколи не відбулися би без дії ферментів. Інакше їм знадобиться така потужна енергія активації, що вона пошкоджуватиме клітини.

     

    Щойно фермент надав потрібного вигляду своїй молекулярній мішені, він відпадає від неї і йде на пошуки інших молекул, які підкорятимуться його волі. Дія ферментів може вимикатися або вмикатися іншими молекулами, які до них приєднуються і трохи змінюють їхню форму. Як і мільярди транзисторів у комп’ютері, ферменти керують фантастично складними реакціями, які проходять усередині клітини.

     

    Ферменти отримують необхідну енергію для виконання своєї роботи з клітинного еквівалента електричної мережі. Найпевніше, ця система розвинулася на дуже ранніх етапах історії життя. Енергію ферментам і решті клітини доставляють молекули АТФ, аденозинтрифосфату, — імовірно, ця молекула важко працювала вже за часів Луки. Ферменти разом з іншими молекулами викачують енергію АТФ, розриваючи невеликі групи атомів і випускаючи енергію, яка і зв’язує їх із молекулою. Зруйнована і виснажена молекула (тепер вона стала АДФ — аденозиндифосфатом) прямує до спеціальних молекул-генераторів, які підзаряджають її, відновлюючи втрачені атоми. Молекули-генератори заряджаються завдяки надзвичайному процесу, який називається хеміосмос. Відкрили його в 1960 році, але працює він безперервно з часів Луки. Усередині кожної клітини поживні молекули розбиваються, щоб віддати свою енергію.

     

    Певна частина цієї енергії йде на перегін протонів ізсередини клітини (де їхня концентрація низька) назовні (де вона висока). Це схоже на підзарядку батареї. Завдяки цьому процесу утворюється електричний градієнт між внутрішнім і зовнішнім зарядом клітини з напругою, аналогічною тій, яку Лука, ймовірно, використовував у лужних отворах. Щоб керувати нанороторами, спеціальні мембранні молекули-генератори (АТФ-синтази — для обізнаних) використовують напругу, створену протонами, що повертаються ззовні. Як на конвеєрі, ротори заряджають АДФ- молекули, відновлюючи групу молекул, яку вони втратили, а потім заряджена, відновлена АТФ повертається у клітину й чекає, доки інші молекули під’єднаються й підзарядяться енергією, необхідною для подальшої роботи.

     

    Ці слабкі потоки енергії підтримують складні внутрішні структури клітин так само, як злиття протонів підтримує структуру зір. Завдяки їм перші живі клітини теж змогли виплатити ентропії податки на складність, оскільки в клітин, як і у зір, дуже багато енергії йде на підтримку функціонування складних структур. Але так само як і в зорях, багато енергії витрачається дарма, бо жодна реакція не проходить зі стовідсотковою ефективністю. Звичайно, ентропія полюбляє цю втрачену енергію. І у зорях, і у клітинах концентровані потоки енергії необхідні, щоб задовольнити жагу ентропії до енергії й подолати універсальну тенденцію всіх речей до деградації.

     

    У живих організмах енергія має ще одну функцію, якої не було в зорях: вона створює копії клітин. Ці копії дозволяють клітинам тікати від ентропії, зберігаючи свої складні структури навіть після того, як окремі клітини вмирають. Нащадки Луки розвинули елегантні та ефективні методи репродукції, якими досі користуються всі живі створіння. Ці методи залежать від ключової молекули, молекули ДНК, чию структуру описали в 1953 році Френсіс Крік і Джеймс Вотсон, спираючись на попередні дослідження, проведені Розаліндою Френклін. Розуміння еволюції дуже залежить від розуміння роботи ДНК, тому до цієї чудової молекули варто придивитися пильніше.

     

    Як і мільярди транзисторів у комп’ютері, ферменти керують фантастично складними реакціями, які проходять усередині клітини

    ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) дуже близька до РНК (рибонуклеїнової кислоти). Обидві вони полімери, тобто довгі ланцюги однакових молекул. Але, на відміну від білків, що утворюються з низки амінокислот, і мембран, які формуються з фосфоліпідів, ДНК і РНК утворилися з довгих низок нуклеотидів. Це молекули цукру, до яких приєднуються невеликі групи молекул, відомі як основи. Існує чотири типи основ: аденін (А), цитозин (Ц), гуанін (Г) і тимін (Т). (В РНК замість тиміну урацил (У)). І тут починається магія. Як виявили Крік і Вотсон, ці чотири основи, мов букви алфавіту, несуть у собі величезну кількість інформації. При формуванні ланцюгів молекули ДНК або РНК пов’язуються між собою. При цьому залишки азотистих основ випинаються, утворюючи довгі низки, що складаються з основ А, Ц, Г і Т-типів (або У — у випадку РНК). Кожна група з трьох літер є кодом певної амінокислоти або зберігає інструкцію, що робити далі (наприклад: «Припинити зчитування»). Отже, послідовність ТТА означає «Додати в молекулу амінокислоти лейцин», а ТАГ виконує функцію крапки і означає «А тепер припиняємо копіювання».

     

    Інформацію молекул ДНК і РНК можна зчитати і скопіювати, оскільки основи люблять зв’язуватися за допомогою водневих зв’язків, які досить легко утворюються і руйнуються. Але зв’язуються вони лише дуже специфічними способами. А поєднується лише з Т (або У — у випадку РНК), а Ц з Г. Спеціальні ферменти розкривають ділянки ДНК, які відповідають певному гену або коду конкретного білка, і кожна база притягує свою протилежність, щоби створити новий короткий ланцюг РНК-нуклеотидів, комплементарний до вихідного. Новостворений сегмент перекидається до великої молекули-рибосоми, такої собі білкової фабрики. Рибосома зчитує послідовність трійок літер і одну за одною виштовхує відповідні амінокислоти саме в тому порядку, що необхідний для утворення певного білка, який потім потрапляє у клітину для виконання своєї роботи. Саме так рибосоми можуть виробляти всі ті тисячі білків, необхідних для

    клітини.

     

    Остання порція магії полягає в тому, що молекули ДНК і РНК можуть використовувати ці механізми копіювання для створення власних копій і копій усієї інформації, яку містять. Основи, які випинаються зі своїх цукрово-фосфатних ланцюгів, потрапляють у клітинний субстрат і захоплюють свої комплементи. Так, Ц (цитозин) завжди утворює зв’язок лише з Г (гуаніном), а А (аденін) — лише з Т (тиміном) або У (урацилом) — у випадку РНК. Новододані основи притягують нові молекули цукру, що поєднуються між собою, формуючи новий ланцюг, точне доповнення першого. У ДНК ці два комплементарні ланцюги зазвичай переплітаються, тому ДНК переважно існує у вигляді подвійного ланцюга або спіралі, схожої на пару звивистих сходів. Спіраль може переплітатися так щільно, що акуратно упаковується всередині кожної клітини й розпаковується, лише коли необхідно зчитати чи скопіювати генетичну інформацію. Втім, РНК за нормальних умов існує як одинарний ланцюг, і, як білок, вона здатна складатися в певні форми і діяти як фермент.

     

    Ця невелика різниця між РНК і ДНК надзвичайно важлива, оскільки вона означає, що, на відміну від ДНК, котра здебільшого функціонує лише як сховище генетичної інформації, РНК може і зберігати інформацію, і робити хімічну роботу. Це водночас апаратне і програмне забезпечення. Саме тому більшість дослідників вважають, що коли на Землі ще жив Лука, саме РНК була носієм більшості генетичної інформації. Найімовірніше, Лука жив у світі РНК. Але зберігання інформації в РНК менш захищене, ніж у ДНК, оскільки там ця інформація постійно зазнає ударів жорстокого внутрішнього світу клітини, тоді як подвійні низки ДНК захищають свою дорогоцінну інформацію від вихору за її за межами. У світі РНК генетичну інформацію можна легко втратити чи знищити. Справжня еволюція почалася лише після розвитку світу ДНК нащадками Луки, справжніми прокаріотами, які домінують у сучасному світі мікроорганізмів.

    ТЕКСТ: Девід Крістіан
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська, «Наш Формат»
    Статті
    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Ідеї
    Пропаганда у російському кіно

    Як кіно стало частиною пропагандистської та політичної ідеології росії та чи можна якось дати цьому раду?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: