| |
 |
Но эктогенетическое общество – это не воплощение мечты об искусственном создании жизни. Эктогенез – это лишь перенос уже существующего в виде оплодотворенной яйцеклетки живого существа в другое место и доведение его там до зрелого состояния; лишь декорации вызревания изменятся при эктогенезе с плоти материнской утробы на стеклянную пробирку.
Что же можно сказать о возможности создания самой изначальной клетки из неживых материалов? Вот тогда мы бы действительно создали принципиально новое живое существо, никоим образом не происходящее от какого-либо из уже существующих.
Легко сказать… Даже одна отдельно взятая клетка – крайне сложная система, несмотря на малый размер – гораздо более сложная, чем океанские лайнеры и небоскребы, которые мы умеем создавать.
Давайте обратимся за помощью к природе и посмотрим, как же она сама формирует клетки? Ответ оказывается простым – все существующие сегодня клетки всех живых существ происходят от других таких же клеток. Клетки, присутствующие в вашем организме, происходят от изначальной оплодотворенной яйцеклетки; она, в свою очередь, была образована из отцовского сперматозоида и материнской яйцеклетки, а те – происходили, в свою очередь, от других клеток, и линии происхождения обеих этих клеток можно проследить до двух оплодотворенных яйцеклеток, из которых в конечном итоге и получились ваши отец и мать. Такую преемственность можно проследить и дальше – на миллиарды лет назад, для все ныне живущих существ.
Но ведь когда-то, в самом начале, первые клетки ведь должны же были образоваться не из других клеток? Как же это случилось? Неизвестно. Мы можем только строить догадки.
Потребовалась великая дерзость научной догадки, чтобы ученые смогли выдвинуть предположение о том, что переход от не-клеток к клеткам, от мертвого к живому, свершился в ходе слепого, случайного химического процесса. Наша западная культура была слишком глубоко пропитана представлениями о святости и уникальности жизни и совершенно не готова была признать ее результатом случайности. Слишком прочно укоренились представления о божественности, о целенаправленном сотворении живых существ и человека в особенности, как то описывает Библия. Даже те, кто разумом отрицал истинность Библии, не могли набраться духу и избавиться от впитанных с детства представлений.
Так что неудивительно, что разрушить эту зачарованность первым сумел биохимик из Советского Союза – официально атеистического государства. Этим биохимиком оказался А. И. Опарин, чьи труды на эту тему датируются начиная с 1924 года. По его гипотезе, первые живые клетки появились благодаря неизбежному и достаточно простому природному явлению.
В частности, большую роль Опарин придавал естественному образованию капель одной из жидкостей при растворении в другой, в тех условиях, которые преобладали в первобытном океане.
Сейчас, поколение спустя, в этом же направлении гораздо дальше продвинулся Сидней Фокс из Института Молекулярной Эволюции в Университете Майами.
Профессор Фокс для начала создал химическую систему, разработанную таким образом, чтобы максимально воспроизводить условия, бытовавшие, по представлениям химиков, на Земле несколько миллиардов лет назад, и стал эту систему нагревать – уж чего-чего, а тепла, благодаря Солнцу, на нашей планете всегда было предостаточно.
Сначала в растворе находились лишь простые вещества, которые были очень широко распространены на Земле много эпох назад – и выяснилось, что одного лишь нагревания достаточно, чтобы из этих веществ образовывались аминокислоты, а затем – эти же аминокислоты сами по себе объединялись в длинные белкообразные цепочки, которые ученый назвал «протеиноидами».
Лучше всего это получалось при температурах выше точки кипения воды, и некоторые биологи сомневались, что в условиях первобытной Земли такой процесс мог происходить без того, чтобы образуемые протеиноиды не распадались с той же скоростью, с какой и формировались. Однако, Фокс тут же обрисовал картину, при которой протеиноиды образовывались в горячем вулканическом пепле, а затем тут же растворялись и смывались горячим дождем, не успевая в массе своей распасться.
Далее, Фокс обнаружил, что при растворении его протеиноидов в горячей воде и последующем остывании раствора большие белкообразные молекулы демонстрируют тенденцию скапливаться вместе и слипаться в крошечные шарики, которые ученый назвал «микросферами».
Эти микросферы во многом напоминают простейшие клетки. По размеру и форме они напоминают маленьких бактерий. Как и клетки, они окружены некой мембраной. Путем соответствующих изменений окружающей жидкости их, как и клетки, можно заставить раздуваться или, наоборот, ссыхаться. На них могут образовываться почки, которые могут иногда вырастать до больших размеров и отсоединяться. Они могут делиться надвое, могут объединяться в цепочки. Даже вещество внутри микросфер имеет некоторые свойства рабочих лошадок живой ткани – ферментов.
Конечно, микросферы не соответствуют ни одному определению живой ткани, но разве граница между живым и неживым непременно должна быть четкой и резкой? Многие биологи считают, что такой однозначной границы быть не может. Скорее, живую и неживую материю разделяет широкая зона, находящиеся в которой объекты можно рассматривать, как в некоторой степени живые, а в некоторой – неживые. Если придерживаться такой точки зрения, то микросферы, хоть им и далеко еще до собственно живой ткани в строгом смысле слова, уже не являются полностью неживыми.
Возможно, Фокс, или кто-то другой, сможет, подталкивая микросферы все дальше, провести их через весь путь от неживого к несомненно живому. А может быть – нет. Сложно сказать.
Может быть, попытки перепрыгнуть от ничего сразу к клетке – изначально ошибочны. Вполне возможно, что клетка – не самый подходящий объект для выбора в качестве первичной цели в попытке создать живую материю. Скорее всего, не она первой появилась на свет в ходе естественной эволюции от неживого к живому. Клетка, в том виде, в котором мы ее знаем, может представлять собой не пример самой примитивной живой ткани, а результат ее долгой эволюции. Ведь на протяжении несчетных миллионов лет перед тем, как появилась первая клетка, наверняка должны были существовать более простые структуры. Просто, стоило появиться на свет клеткам, как они полностью вытеснили своих предшественников в ходе конкурентного отбора, и теперь нам кажется, что проще клеток ничего нет, не было и быть не может.
Но эти «протоклетки» исчезли не совсем бесследно.
В каждой клетке содержатся еще более мелкие тела. Например, клеточное ядро, в котором находятся хромосомы, обеспечивающие механизм наследственности. Снаружи ядра в клетке располагаются митохондрии, представляющие собой энергетический аппарат. В клетках растений имеются хлоропласты – живые аналоги солнечной батареи, превращающие энергию солнечного света в пищевые запасы энергии химической.
Все эти органеллы могут представлять собой потомков «протоклеток». Возможно, что протоклетки пришли к совместному существованию с образованием сложных структур, как к более эффективному, чем самостоятельное. И уже эти объединения протоклеток (известные нам сейчас, как клетки) и завоевали весь мир.
Самыми важными изо всех органелл можно назвать хромосомы. Каждому виду живых существ свойственно свое характерное количество хромосом. Например, в клетках человека их 46, и все вместе на определенных стадиях роста клеток они напоминают массу толстых переплетенных макарон.
Каждый раз, когда клетка делится надвое, каждая хромосома подвергается изменениям, в результате которой из одной хромосомы получается две, причем абсолютно одинаковых. Этот процесс получил название «репликация». Если проследить историю 46 хромосом любой их 50 триллионов клеток организма взрослого человека, то выяснится, что они происходят от 46 хромосом изначальной оплодотворенной яйцеклетки. А хромосомы этой оплодотворенной яйцеклетки были получены из двух родительских клеток, половина – из отцовского сперматозоида, половина – из материнской яйцеклетки. И происхождение каждой из них тоже можно проследить вплоть до оплодотворенной яйцеклетки соответствующего родителя – и так далее.
Именно хромосомы отвечают за формирование ферментов в клетке. В каждом поколении хромосомы обоих родителей образовывают новую комбинацию; да и иные небольшие изменения в хромосомах тоже происходят при переходе от родителей к детям. В результате не бывает двух живых существ, чьи хромосомы в точности совпадают, а значит, в чьих клетках производятся в точности одинаковые ферменты. (Из этого правила есть одно исключение – однояйцовые близнецы, происходящие из одной и той же оплодотворенной яйцеклетки).
Именно ферменты отвечают за химические механизмы, действующие в каждой клетке, а значит – именно они придают каждому живому существу его индивидуальность. Поэтому и следует рассматривать хромосомы, как основу клетки, как же, как мы рассматриваем клетку, как основу взрослого живого существа.
Микросферы Фокса не имели этой важнейшей составляющей. Если бы мы могли синтезировать хромосомы, а затем внедрить их в микросферы – у нас, несомненно, получилась бы живая материя. Впрочем, если бы мы могли синтезировать хромосомы, то не исключено, что можно было бы создать им такие условия, когда они сами собрали бы вокруг себя целые клетки.
Последнее предположение не так удивительно, как кажется, поскольку имеется и непосредственное свидетельство в пользу того, что хромосомы представляют собой более базовую единицу живой материи, чем клетки. Клеток без хромосом не бывает, а вот хромосомы (несколько видоизмененные, правда), бывают и без клеток.
Мы называем такие хромосомообразные объекты вирусами. Вирус гораздо меньше клетки и гораздо проще по строению. По размерам вирус равен хромосоме, по химическому строению и функциям – сходен с ней.
Вирусоподобные объекты существовали миллиарды лет назад, задолго до того, как началась эволюция клеток, и уже тогда они были способны к самостоятельной репродукции. Видимо, все необходимое для роста и размножения в то время входило непосредственно в их состав, а значит, они были несколько сложнее современных вирусов.
Поскольку существующие сегодня вирусы, так сказать, развращены существованием клеток. Современный вирус – это чистой воды паразит, утративший все средства к самостоятельному существованию и вне клетки способный лишь не разрушаться, не более того. Однако, стоит ему проникнуть в подходящую клетку, как ее-то химический механизм вирус оказывается вполне способным использовать для своих целей. За счет ресурсов клетки вирус размножается, и иногда в процессе этого убивает саму клетку.
Сначала было много споров насчет того, считать ли вирус живым существом, и сейчас большинство биологов сошлись на том, чтобы считать. Это решение стало одной из причин других споров – о том, когда же будет искусственно синтезирована живая материя. Если под живой материей подразумевать целую клетку – то до этого еще далеко. Если же под живым существом подразумевать вирус – то наша цель гораздо ближе, чем кажется.
Как правило, вирус репродуцируется только попав в клетку, используя ее ферменты, строительный материал и энергию, которых в клетке предостаточно. Но что если взять небольшое количество вирусов и предоставить им все необходимое вне клетки?
В октябре 1965 года профессор Сол Шпигельман из Университета Иллинойса представил результаты своей работы в этом направлении. Ему удалось получить вирус в пробирке. В некотором смысле это можно назвать синтезом простейшей живой формы, но все-таки это был не совсем полноценный синтез. Изначально для размножения была использована часть вируса, так что весь процесс напоминает скорее выращивание цыпленка (или человека) из яйца. А мы хотели бы видеть синтез живой ткани с самого начала – из полностью неживой материи.
Чтобы понять, как такое возможно вообще, давайте рассмотрим химическое строение хромосомы или вируса.
Содержимое хромосомы или вируса представляет собой длинную, закрученную спиралью, цепочку атомов, представляющую собой молекулу нуклеиновой кислоты. Разновидность нуклеиновой кислоты, содержащаяся как в хромосомах, как и в более сложных вирусах, называется «дезоксирибонуклеиновая кислота», сокращаемая обычно, как ДНК. Молекулу ДНК окружает белковая оболочка.
Молекулы как ДНК, так и белка имеют чрезвычайно сложное строение, и могут иметь бесчисленное множество вариантов (см. гл. 2). О разнообразии белков биохимики знали на протяжении уже более века, а вот нуклеиновые кислоты попали в поле зрения ученых достаточно недавно. Кроме того, белки строятся из составных единиц более двадцати различных типов, а нуклеиновые кислоты – только из четырех. Поэтому до 1940-х гг. считалось само собой разумеющимся, что именно белки, а не ДНК, представляют собой самую важную часть хромосомы или вируса. Однако, начиная с 1944 года, стали накапливаться факты, говорящие в пользу именно ДНК.
В качестве примера можно привести эксперимент, который провел в 1955 году Хайнц Френкель-Конрат, занимаясь химическими исследованиями в Калифорнийском Университете в Беркли. Френкель-Конрат сумел разделить белковую оболочку и нуклеиновокислотное ядро вируса. Ни одна из этих составляющих по отдельности, ни белок, ни нуклеиновая кислота, не могли заразить клетку – вирус казался мертвым. Тогда ученый смешал обратно белок с нуклеиновыми кислотами, и некоторая часть вирусов смогла снова объединиться и обрести способность заражать клетки.
Некоторое время этот эксперимент воспринимался, как убийство живого организма с последующим его воскрешением. Хотя организм, о котором идет речь, и представлял собой простейшую из возможных форму жизни, новость о самой возможности воскрешения попала на все заголовки газет.
Впрочем, выяснилось, что никто в ходе эксперимента не умирал и не воскресал. Живым существом оказалась сама нуклеиновая кислота. В некоторых (очень редких) случаях ей удавалось заразить клетку и в отсутствие белковой оболочки. Белок помогает нуклеиновой кислоте проникнуть в клетку, как автомобиль – помогает человеку добраться из Нью-Йорка до Чикаго, но в принципе, нуклеиновая кислота может, хоть и с трудом, сделать это сама, так же как человек может в случае крайней необходимости добраться из Нью-Йорка до Чикаго пешком.
Оказалось, что и при заражении клетки целым, не разделенным, вирусом, внутрь клетки проникает лишь нуклеиновая кислота. Белковая оболочка, выполнив свою задачу – облегчив проникновение, остается сброшенной снаружи. Нуклеиновая же кислота, попав внутрь клетки, не только размножается сама, но и обеспечивает формирование там же белковой оболочки (ведь составляющий ее белок не совпадает в точности ни с одним из белков, вырабатываемых клеткой самостоятельно).
На нуклеиновых кислотах, и в первую очередь на самой важной их разновидности – ДНК – ученые сосредоточили свое внимание после 1944 года. Физик новозеландского происхождения Морис Уилкинс, один из британских разработчиков атомной бомбы во время Второй Мировой войны, рассмотрел ДНК с помощью облучения молекул рентгеновскими лучами. Полученные им таким образом фотографии тщательно изучили британский коллега ученого биохимик Фрэнсис Крик и американец доктор Джеймс Уотсон. В 1953 году эти двое установили строение ДНК, выяснив, что это двойная спираль из четырех различных, но очень похожих между собой структурных единиц, получивших название «нуклеотиды».
В зависимости от распределения нуклеотидов между собой, возможных вариантов строения всей молекулы ДНК получается несчетное множество. Уотсон и Крик установили, что молекула ДНК может формировать новые молекулы, являющиеся точной копией ее самой.
Другие биохимики долго и кропотливо выясняли, и, наконец, установили, каким именно образом последовательность элементов ДНК приводит к образованию белка с конкретной, единственно соответствующей ей последовательностью аминокислот. Отдельные участки ДНК способны производить каждый свой фермент, и именно таким образом ДНК и управляет всей внутриклеточной химией. Система соответствий последовательности нуклеиновой кислоты и последовательности аминокислот в белке называется генетическим кодом.
Теперь очевидно, что главной химической реакцией живой материи является способность молекулы ДНК воспроизводиться. Эта реакция – основной закон жизни, все остальное – лишь комментарии. Следовательно, если мы сможем образовать молекулу ДНК из простых, неживых химических соединений, то это и будет синтезом изначальной жизни. Конечно, между этим достижением и синтезом человека может лежать еще целая пропасть научной работы, но все же синтез ДНК стал бы первым настоящим шагом по мосту через эту пропасть. А граница между живой и неживой материей была бы пересечена раз и навсегда.
А как же пересекла эту границу в свое время сама природа? Ведь это произошло миллиарды лет назад, когда не было еще ни ферментов, которые могли бы облегчить работу, ни других нуклеиновых кислот, которые могли бы послужить шаблоном.
Скорее всего, на доисторической, безжизненной еще Земле лишь достаточно простые по строению молекулы могли присутствовать в большом количестве в океане, который принято считать колыбелью жизни, и в атмосфере. Состав этих молекул можно приблизительно высчитать по общему составу молодой Земли (а его, в свою очередь – по известному нам составу Солнца и всей Вселенной в целом) с применением известных нам химических законов.
Итак, предположим, что мы взяли исходные молекулы воды, аммиака, метана, синильной кислоты, и прочих – и стали подвергать их энергетическому воздействию в виде ультрафиолетового и радиоактивного излучения, потоков электронов и электрических разрядов (молний). Всего этого в условиях доисторической Земли было предостаточно. Что же произойдет?
Чарльз Дарвин, основатель теории эволюции путем естественного отбора, задался этим вопросом еще сто лет назад. Его интересовало, не мог ли химический состав живых существ самостоятельно зародиться из такой системы; не имела ли место некая «химическая эволюция», аналогичная эволюции биологической?
Первым, кто попытался с помощью эксперимента найти ответ на этот вопрос, стал Мельвин Кальвин из Калифорнийского университета. В 1951 году он стал подмечать, что под воздействием энергонесущего излучения из простых веществ могут образовываться сложные.
В 1952 году Стэнли Миллер из Чикагского Университета продвинулся еще дальше в этом вопросе. Он поместил простые химические вещества вроде тех, что присутствовали на доисторической Земле, в камеру, совершенно лишенную какой бы то ни было живой материи, и на протяжении недели подвергал их воздействию электрических разрядов. Через неделю в смеси обнаружилось достаточно много гораздо более сложных веществ, в том числе – четыре аминокислоты, аналогичные встречающимся в составе природных белков.
С тех пор целый ряд других химиков, в их числе – Филипп Абельсон из Института Карнеги и Джоан Ото из Хьюстонского университета, проводили подобные же эксперименты. Под воздействием энергии в различных формах из простых веществ во всех проводимых экспериментах образовывались сложные, а из этих сложных – еще более сложные. И все получаемые сложные вещества оказывались сходными с теми, что обнаруживаются в составе живых тканей. Видимо, когда-то давно и естественный путь зарождения жизни был таким же – вслепую и наугад, но неуклонно вперед.
В частности, цейлонско-американский биохимик Сайрил Поннамперума во время работы в Научно-Исследовательском Центре Эймса при НАСА продемонстрировал процесс пошагового производства молекул нуклеотидов – строительного материала для нуклеиновых кислот. В нуклеотиде содержится атом фосфора. Следовательно, в исходный состав были добавлены простые фосфорсодержащие соединения. Совместно с такими учеными, как Карл Саган и Руфь Маринер, Поннамперума провел серию экспериментов, в результате которых была получена полноценная нуклеотидная молекула. К 1963 году уже удалось синтезировать нуклеотиды в особо энергетически насыщенной форме, из которых можно создавать и сами нуклеиновые кислоты.
И вот, в сентябре 1965 года, Поннамперума объявил о том, что ему удалось продвинуться еще на шаг – объединить два нуклеотида в «динуклеотид», в котором оба нуклеотида были соединены с помощью той же самой химической связи, что объединяет нуклеотиды и в естественных нуклеиновых кислотах.
Теперь в распоряжении химиков оказалась непрерывная цепь поэтапного синтеза, начиная с самых простых веществ, существующих на нашей планете с тех пор, как она впервые обрела современный вид, и заканчивая молекулами, из которых состоят уже сами нуклеиновые кислоты. В этой цепи нет ни одного недостающего звена.
Возникает картина неизбежности молекулярной эволюции. Стоит лишь взять планету, похожую на Землю, где имеется достаточно простых химических соединений, добавить энергии от ближайшего солнца, и избежать образования нуклеиновой кислоты не удастся. Единственное, что останется на долю ученых в таком случае – это просто следить за процессом, в крайнем случае – ускорять его.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
п»ї1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41
| |
| |
|
|
|
