Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Одна из самых экзотических попыток создания мягких внешних покровов клеток связана с именем индийского исследователя Кришны Бахадура из Аллахабадского университета[308]. Нередко его соавтором бывала супруга, С. Ранганаяки, имя которой история не сохранила. В 1954-м (спустя год после знаменитого эксперимента Миллера) Бахадур описал альтернативный способ получения аминокислот из более простых соединений[309]. Благодаря этому ученого пригласили на московскую конференцию 1957 года, в которой, впрочем, он участвовать не смог.
За несколько следующих лет группа исследователей под руководством Бахадура создала напоминающие клетки частицы, названные им “Дживану”, от санскритского jeeva (“жизнь”) и anu (“мельчайшая частица”). Бахадур получал свои Дживану при смешивании различных соединений, их встряхивании и освещении лучами солнца. Исследователь не ограничивал себя каким-то определенным рецептом: иногда Бахадур использовал что-то наподобие протеиноидов Фокса, иногда в ход шли менее близкие живому соединения, вроде оксида меди. Каждая капля Дживану была окружена слоем, несколько напоминающим мембрану.
Бахадур впервые описал свои Дживану в 1963 году, опубликовав статью в малоизвестном индийском журнале[310]. Год спустя четыре статьи с подробными описаниями вышли в не менее сомнительном немецком журнале[311]. Прочитавшие их биологи испытывали интерес, смешанный с настороженностью. Статьи Бахадура наполнены цитатами из Вед – древнеиндийских священных писаний. Он даже видит прямую связь между Дживану и индуистскими воззрениями на природу жизни, согласно которым четких границ между живой и неживой природой не существует. Он рассматривал свои крошечные частицы как нечто живое и говорил об их метаболизме и даже способности к размножению. И если другие ученые не спешили называть такие простые системы настоящей жизнью, то у Бахадура, кажется, не было в этом ни малейших сомнений. Нетрудно догадаться, почему к его работам отнеслись скептически.
Тем не менее внимание NASA он привлек. Сирил Поннамперума и его коллега Линда Карен отправились в командировку для того, чтобы дать свой отзыв о работах Бахадура[312]. Они раскритиковали “запутанные” и “составленные ненадлежащим образом” протоколы экспериментов, из-за чего последние оказалось трудно воспроизвести. Ученые сделали вывод, что “приведенных доказательств недостаточно для того, чтобы считать Дживану живыми”. Иначе говоря, выводы Бахадура сочли преувеличенными. И хотя Поннамперума и Карен не стали опровергать их полностью, заключив, что “природа и свойства Дживану остаются невыясненными”, однако из-за этой авторитетной критики работы индийского ученого оказались забыты[313]. После смерти Бахадура его бывший ученик Винод Кумар Гупта, продолживший заниматься Дживану, публиковал статьи, в которых среди прочего описывал “субстанции наподобие фосфолипидов” на их внешней поверхности. Это еще больше сближало Дживану с настоящими клетками[314]. Так или иначе, но в историю науки Дживану вошли скорее как курьез, чем как настоящее достижение. 
Первым продемонстрировал протоклетки с мембраной почти как у настоящих клеток американский биолог Дэвид Димер. Он родился в 1939 году, а исследованием мембран занялся в 1960-е. Его карьера складывалась на удивление удачно. Однажды, в 1989 году, когда Димер ехал по штату Орегон, его внезапно озарило: он понял, что последовательность нуклеотидов ДНК можно прочитать, заставив ее проходить через белковый канал с помощью электрического поля. Четыре разных азотистых основания при прохождении через пору должны вызывать характерные изменения электрического поля. Он поскорее свернул на обочину и записал эту идею, прежде чем ехать дальше. Позднее Димер и его коллеги разработали на основе этого технологию так называемого нанопорового секвенирования ДНК. Компактные версии подобного оборудования побывали даже на Международной космической станции.
Димер заинтересовался возникновением первых мембран в 1975 году, спустя несколько лет после публикации правильной модели их структуры. Весной того года он был в творческом отпуске в Институте Бабрахама неподалеку от Кембриджа, Великобритания. Компанию ему составлял его коллега (тоже специалист по мембранам) Алек Бэнгхэм[315]. Несколькими годами ранее Бэнгхэм прочел лекцию под названием “Первыми были мембраны”. “Мы направлялись вместе с Алеком в Лондон в его «мини-купере» и остановились пообедать, – вспоминал позже Димер. – И вдруг мы осознали, что никто никогда не задумывался о том, как образовались первые мембраны на ранней Земле”. Да, первые клетки обзавелись мембранами, однако как именно это произошло?
 
Исследованием этого вопроса занялся аспирант Димера, Уильям Харгривз. В 1977 году Харгривз, Димер и еще один их коллега опубликовали результаты экспериментов, из которых следовало, что фосфолипиды могли образоваться на юной Земле из более простых соединений[316]. Ученые представили себе небольшой водоем на песчаном берегу, наполняемый приливами и содержащий различные растворенные вещества. Их внимание привлек глицерин – простое соединение из группы спиртов, который может быть использован для получения липидов. Его иногда также называют “глицерол” и используют в качестве подсластителя для продуктов. Исследователи смешали глицерин с химически активным соединением – цианамидом, а также водой. После этого они нагрели смесь до 65 °C, получив несколько липидов, в том числе фосфолипиды.
Ученые также доказали, что полученные ими фосфолипиды способны к самому главному для этих веществ трюку: самопроизвольному образованию структур, напоминающих клетки. Димер и его коллеги растворили полученную фосфолипидную жижу в солевом растворе и хорошенько потрясли. В результате фосфолипиды собрались в крошечные сферические пузырьки, которые внешне напоминали клетки. При ближайшем рассмотрении оказалось, что каждый из пузырьков имеет внешнюю мембрану, образованную двойным слоем фосфолипидов, – совсем как у настоящей клетки. Такие структуры называются “везикулы” – их можно обнаружить в любой живой клетке, которой они нужны для хранения различных важных субстанций (вроде питательных веществ).
Команда Димера нашла подтверждения тому, что простые подобия клеток, состоящие из тех же химических соединений, что и современные мембраны, могли самопроизвольно образоваться и миллиарды лет назад. Как и в случае других подобных экспериментов, возникает вопрос – действительно ли использованные реакции могли происходить в прошлом? Но в данном случае все выглядит правдоподобно. Цианамид и глицерин представляют собой простые и очень распространенные молекулы, так что они наверняка были и на древней Земле. А мест, где вода имеет температуру 65 °C, немало и на Земле современной.
За этим последовали эксперименты с использованием других липидов[317]. И в результате в начале 80-х годов Димер имел уже право утверждать, что “напоминающие современные мембраны структуры могут быть с легкостью получены из липидных компонентов, которые наверняка были и на пребиотической Земле”[318].
И все же везикулы – это еще не клетки. Недостаточно просто создать внешнюю мембрану и придать ей форму правильной сферы – а в то время Димеру и его коллегам не удалось добиться чего-то большего. На следующем этапе предстояло выяснить, могут ли везикулы служить хранилищем для биологических молекул вроде ДНК. Над этой проблемой он работал совместно с Гейлом Барчфелдом. Они тоже представили себе небольшое озерцо, которое бесконечно то пересыхало на солнце, то вновь наполнялось дождевой водой. Димер и Барчфелд смешали фосфолипидные везикулы с ДНК и подвергли их подобным циклам высыхания и повторного увлажнения. При высыхании везикулы резко изменили свою форму: фосфолипиды превратились в плоские слои, которые напоминали стопки начиненных ДНК блинчиков. После повторного увлажнения везикулы возвращались в исходную форму – но теперь уже с ДНК внутри. Такие протоклетки по-прежнему нельзя назвать живыми, однако этот опыт Димера и Барчфелда стал шагом вперед[319].