-
Происхождение жизни
19:05 Окт. 12, 2014
Происхождение жизни
В гостях
Доктор биологических наук, Факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ, Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского,Отдел биоэнергетики МГУ
И. МАКСУТОВ: В эфире программа «Постнаука». И как обычно в это время говорим о науке и что в этой науке происходит. Что сегодня биологическая и химическая наука знает о происхождении жизни и какие есть факты? Какие вопросы сегодня стоят и какие проблемы сегодня существуют? Об этом мы будем говорить с профессором МГУ Арменом Мулкиджаняном. Армен, здравствуйте!
А. МУЛКИДЖАНЯН: Здравствуйте.
И. МАКСУТОВ: Начнем с происхождения жизни. Когда, почему и зачем в науке возникает этот вопрос?
А. МУЛКИДЖАНЯН: На сколько я знаю и помню историю этой области большой проблемы люди с происхождением жизни они не видели, потому что многие века люди и ученые полагали, что жизнь может спонтанно заводится. Об этом много писали. И только Пастер первый поставил первые опыты, где показал, что просто так в бульоне жизнь завестись не может. Все живое на земле происходит от живого. Только в конце 19 века встала научная проблема: Как могла завестись новая жизнь? По этому поводу были разнообразные гипотезы и есть знаменитая цитата из частного письма Ч. Дарвина: «Если представить маленький пруд с разнообразными химическими веществами и под воздействия света, тепла там могли завестись первые белковые молекулы». Научный подход к этой теме сводится к этой цитате. В своих книгах Дарвин очень осторожно вообще ничего не писал. В начале 20 века в этой области были исследования. Мне известно исследования, которые проводились в Англии, где физики и химики пытались имитировать некие реакции, которые приводили к получению органических веществ из неорганических. Эти исследования известны и в 1920 году по ним вышла книжка, но странным образом они не имели эффекта. Книжка академика Опарина вышла в России в 1924 году и произвела достаточно большой эффект. Ее перевод вышел только в 1938 году. С английского перевода отчитывается существование изучения области исследования жизни, потому что Опарин в этой книжке изложил очень подробную гипотезу о том, как могла бы возникнуть жизнь. Он очень четко сформулировал: что все процессы, которые он изложил их можно экспериментально имитировать в лаборатории. И таким образом восстановить последствия реакции, которая могла привезти к возникновению жизни. Этот месседж был воспринят научным сообществом. Параллельно с академиком Опариным английский биохимик Холдуин в 1929 году напечатал небольшую статью, где изложил свою гипотезу о происхождении жизни, и то, что он написал в деталях отличается от того, что написал Опарин, но в целом похоже. Когда Холдейн узнал о существовании книги Опарина, то он охотно признал приоритет книги Опарина. Поэтому эта классическая теория называется теорией "Опарина - Холдейна". Суть их гипотез была в том, что они предполагали, что на земле была восстановлена атмосфера. Это химическое понятие, которое говорит о том, что атмосфера состояла из газов, которые содержат очень много свободных электронов. И в подобном атмосфере ультрафиолетовый свет или грозовые электрические разряды могли приводить к образованию органических молекул и они могли взаимодействовать между собой, усложняться и привезти к образованию белковых тел. В 1953 году Стенли Миллер взялся попробовать с имитировать ситуацию. Была взята колба в нее наказали восстановительную атмосферу: аммиак, водород, метан и долго по этой колбе били электрическими разрядами. В колбах образовалось какое-то количественное вещество, его посильными методами проанализировали и нашли аминокислоты. Это очень знаменитый опыт. И после него стало ясно, что эту научную проблему можно решать экспериментально. Параллельно шли опыты в Москве, так как Опарин в тому времени был уже директором института Биохимии академии наук СССР, результаты этих опытов были менее известны. Потому что это происходило в коммунистической Москве, а Миллер свои опыты ставил в Америке. После этого возникла такая область, где люди пытаются воспроизводить разные стадии этого процесса, там работают самые разные ученые, которые встречаются на конгрессах и обсуждают свои достижения.
И. МАКСУТОВ: Есть экспериментальный подход. В науке о происхождении жизни сегодня больше экспериментов или теорий?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Это зависит от подхода. В англосаксонской, английской и американской науках очень сильно завязан экспериментальный подход. Считается, что пока эксперимент не поставлен, то ничего и нет. Российская, немецкая и французские традиции больше внимания уделяют теоретическим подходам. Надо несколько раз подумать, перед тем как ставить эксперимент. Это очень сильно зависит от национальных традиций. Те, работы, где люди из простых молекул пытаются получить более сложные молекулы, то это надо делать экспериментально. То, что можно намоделировать на компьютере это никому не нужно.
И. МАКСУТОВ: Если попробовать эту проблему происхождения жизни попытаться разбить на этапы. Главная проблема это понять, как из неживого появилось живое. Человек, который не видит сложности в этом может думать, что это слишком просто. Неорганическая химия приводит к появлению более сложных элементов, так же и там, что-то усложнилось и стало живым. Для кого-то наоборот, это превратиться почти в изотерическую религиозную загадку. Как нам приблизиться к этому? Можете пояснить?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Проблема зарождения и происхождения жизни на земле и в космосе внутренне связанна с проблемой, что такое жизнь. По этому поводу часто идут философские дискуссии. Технически эта проблема решается следующим образом: дело в том, что жизнь начинается в том момент, когда появляется первые организмы способные самореплицироваться, то есть воспроизводить сами себя, так же как это делают люди и бактерии. Этот момент, в котором живой организм может копировать сам себя, то он живой, до этого момента это еще не жизнь. Жизнь – это когда организм может сам себя воспроизводить. Следующий вопрос такой: как устроен химически может себя воспроизводить организм, который должен сам себя воспроизводить? Здесь есть 2 подхода. В первом ученые исходят из биологических макромолекул. Мы рассматриваем сложные молекулы, которые участвуют в этом процессе в нашем организме и в организме простейших существ рассматриваются. Существует 3 типа биологических макромолекул: белки, полимеры рибонуклеиновой кислоты РНК и полимеры дезокси-нуклеиновой кислоты ДНК. В наших клетках воспроизведение идет за счет того, что удваиваются молекулы ДНК. Гены записаны, как длинные цепочки ДНК. Когда люди стали думать о том, какие молекулы выступали в качестве несущих информацию молекул самых первых организмов. Самыми первыми полимерами были молекулы РНК. Молекулы РНК в наших клетках играют служебную роль, то есть вся информация записана на полимерах ДНК по этим полимерам синтезируются длинные молекулы РНК и эта молекула РНК используется специальными клеточными машинами, которые называются рибосомы, чтобы синтезировать белок. Это промежуточное соединение между запасенной информацией и белком, который получается на выходе. Оказалось что молекулы РНК умеют не только носить информацию, но и могут сворачиваться в клубки и могут ускорять различные химические реакции . Когда стало понятно, что молекулы РНК выполняют самые разные функции в клетке, не только являясь промежуточным звеном в синтезе белка. Возникли гипотезы, что скорее всего самый организм, что это были какие-то комплексы молекул РНК, которые сами себя воспроизводили. Эта гипотеза впервые возникла в СССР. Позже ее предложили несколько ученых в США и исходя из своих экспериментальных данных это получило очень сильный толчок. В начале 80 годов, когда было показано, что молекула РНК действительно способна ускорять химические реакции, не так хорошо, как белки. Позже, когда была расшифрована первая структура рибосом этой машины, которая делает белок. Там, где есть 2 аминокислоты, которые связываются друг с другом, там есть только петли РНК без белка. Белок создается молекулами РНК. Рибосома очень сложная, состоит из длинных полимеров РНК и молекул белка. Там, где проходит сама реакция белка нет. Получается, что белок делается РНК. Такая гипотеза, которая рассматривается учеными о том, что первые организмы были РНК-организмами и это не так дико звучит, потому что есть РНК содержащие вирусы. В них нет ДНК и они размножаются при помощи тех организмов, которые они заражают. Гипотеза была в том, что организмы были агрегатами молекул РНК, которые сами себя воспроизводили. Некоторые люди утверждают, что были другие и полимеры. По этому поводу проводят химические опыты.
И. МАКСУТОВ: Как возникают первые РНК-организмы, так?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Да. Как они могли быть отобраны? Как шел абиогенный синтез кирпичиков, из которых сложены молекулы РНК. Молекулы РНК называются нуклеотидами. Нуклеотиды - это сложная молекула. Она состоит из основания, это одно или два колечка органически содержащих атомы азота и углерода, все это присоединено к рибозе. Также в ней присутствуют фосфатные группы. Молекула полимеризируется и образуется молекула РНК. Откуда взялись нуклеотиды в неживой природе и как они полимеризировались? Полимеризация в наших организмах требует энергии, то есть она не идет сама по себе. В данный момент ученые работают над этой темой. Это полностью химический подход к вопросу. Люди берут синтезированные цепочки РНК и заставляют их самовоспроизводиться. Другие ученые гипотезируют о том, что агрегаты молекул РНК могли быть встроены в пузыри напоминающие клетки. Это современные опыты и в них наблюдается большой прогресс.
И. МАКСУТОВ: Хотелось бы попробовать обобщить все те факты, которые сегодня в биохимической области науки являются доказанными. Как, например, фактор РНК организма.
А. МУЛКИДЖАНЯН: РНК организма доминирующая гипотеза, но есть люди, которые считают, что это очень сложно. Это специфическая область, где мы до конца ничего не знает. Единственное, что мы знаем хорошо, это про современные организмы. Они изучаемы и в расшифровке геномов организмов достигнут огромный прогресс. Это колоссальный объем надежной информации. Если сравнивать современные организмы и находя какие-то общие черты между разными организмами, то можно пытаться воспроизвести общего предка. Есть такой подход, который идет «сверху вниз» и таким образом мы получаем какую-то информацию. Она гипотетическая и основана на анализе существующих и надежных геномных последовательностей. Часть ученый идут «сверху вниз», другая часть «снизу вверх», но при этом они не приближаются друг к другу. Мы четко видим ,что у нас есть некое пространство между простейшими самовоспроизводящимися агрегатами РНК и самой первой реконструированной клеткой. Самая первая клетка была достаточной сложным организмом. Как она возникла из простейших агрегатов РНК, это основной вопрос который ученые пытаются найти подход. Чтобы спускаться «сверху вниз» нужно дать вводную информацию . Обычное преподавание в школах начинается с обсуждения того , что существуют простейшие организмы, бактерии и более сложные организмы. В 1977 году была напечатана одна из самых важных работ в биологии этого века. Это была работа Карла Вёзе. Данная группа попытались найти способ сравнить все существующие организмы. Найти какой-нибудь маркер и по нему выяснить родственные отношения между всеми организмами. Они сравнили последовательность РНК одной из длинный молекул РНК образующих рибосому, то есть ту машину, которая делает белки, и, оказалось, что когда они сравнили эти последовательности выяснилось, что это разделение на бактерии и царства растений, что это все не верно. На самом деле простейшие бактерия-подобные организмы делятся на две группы, которые сильно отличаются друг от друга. Одну так и продолжали называть бактериями, потому что к ней относится большая часть бактерий, которую мы знаем. Другая группа называется архей. Это малые организмы с простой мембраной без ядра, но они очень сильно отличаются не только по последовательности РНК, но и по многому остальному.
И. МАКСУТОВ: В рассуждениях мы пытаемся добраться от современного мира до простейших форма и понять на каком моменте остановилась наука.
А. МУЛКИДЖАНЯН: Продолжим. Наши клетки содержат такие структуры, которые называются митохондриями и они отвечают за энергетику наших клеток. Митохондрии - это бактерии, которые были захвачены 2 млрд лет назад, но переваренные. Образовался симбиоз между некой архейной клеткой и бактерией, которая стала ее обслуживать как энергетическая станция. Это странный симбиоз. Исследования показывают, что наш геном содержит очень много бактериальных генов, которые взяты не от митохондрии. А есть гены, которые были прихвачены где-то еще. Получается, что клеточные организмы - это сложный генетический микс. Видимо, этот исходный организм, который всем этим обзаводился обладал способностью к фагоцитозу. Например, как ползает амеба. Когда сравнили гены археи бактерии и нашли общий набор генов, то благодаря ему мы и можем говорить о том, что был общий предок. Этот предок умел синтезировать белки, причем его рибосомы были не на много проще современных рибосом. Это сложные комплексы и это было его главное свойство. Важно, что сохраняется взаимная зависимость живых организмов друг от друга. Это является общим свойством биосферы. Например, люди. При всей своей сложности и сложности биохимии, которая проходит в наших клетках мы простейшее соединение с карминовой кислотой не умеем синтезировать и мы завидим от внешней среды, в том, что касается витамина С, не говоря о других витаминах, которые химически тоже сложные. Все живые организмы зависят друг от друга и поэтому биосфера устойчива. Поэтому мы должны друг друга беречь: не только люди людей, но и животных и бактерий. Все нужны и нет никого лишнего.
И. МАКСУТОВ: Мы можем углубиться в этой теме?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Можем, но очень глубоко. Мы идем «сверху вниз», потому что в общем наборе организмов есть две пары генов, которые очень похожи друг на друга и они дуплицировались до «луки». Дальше мы уже двинуться не можем. Мы не много знаем, что было до «луки». «Лука» - это последний и общий предок клеточных организмов. Это тот организм, от которого разветвились бактерии архей. В существовавшей биосфере были клеточные организмы и вирусы. Сейчас основной прорыв в биологии - это пересмотр общего понимания о том, что такое вирусы и какова их роль во внешней природе. Для проблем эволюции происхождения жизни существенно, что вирусы и бактерии археи совершенно разные. У археи свои вирусы. Вирусный мир существовал независимо, то есть были какие-то организмы, которые умели синтезировать белки, а были другие, которые на них паразитировали, но умели синтезировать свою вирусную оболочку – капсиду.
И. МАКСУТОВ: Чуть подробнее про «луку». «Лука» - это мысленный эксперимент. Наше понимание того, что если мы будем отбирать гены , то происходит накопление ошибок, которые рождают многообразие живого мира и оно сходится до какой-то точки, которую мы можем себе представить. Правильно?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Да. Япония выделила мощное финансирование на решение проблем происхождения жизни, создан институт. Я знаю, например, группу в Японии и у них одна из задач - это создать руками «луку» руками.
И. МАКСУТОВ: То есть восстановить организм реконструируя геном.
А. МУЛКИДЖАНЯН: У них в программе восстановить организм, чтобы он существовал. Они приступили только год назад, поэтому новостей по этой теме нет.
И. МАКСУТОВ: Мне кажется, что это красивый экспонат для музея науки.
А. МУЛКИДЖАНЯН: Безусловно. В это пошли серьезные деньги. На основе геномной реконструкции воссоздать организм, чтобы у него было 150 генов и добиться, чтобы он себя воспроизводил, при чем генов, которые были у древнего «луки». Потому что это отдельное направление науки, которая называется поли-геномикой. В ней люди берут последовательность гена архейной бактерии. Археи бактерий сравнивают между собой и восстанавливают последовательность предкового гена и это все очень напоминает по сути и по форме восстановление древних языков. Вы можете сравнить русский, английский и немецкий языки и восстановить предковый индо-европейский язык. Я знаю одного американского коллегу по фамилии Смит, который с одной стороны занимается восстановлением древних геномов, а с другой он в России сотрудничает с группой Старостина по реконструкции языков. Это один и тот же человек и та же работа. С геном можно синтезировать белок и можно изучать его свойства. Это впервые сделал американский химик Стивен Бенар, который недавно был гостем московского Фестиваля науки. Они сделали это первые и этим занимаются. Они восстановили гены «луки», сделали белки и изучили их свойства.
И. МАКСУТОВ: Почему нельзя двинуться дальше «луки»?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Вниз?
И. МАКСУТОВ: Да.
А. МУЛКИДЖАНЯН: В этой ситуации не понятно за что цепляться. Мы не знаем как это происходило дальше. Знания на стадии «луки» на этом и заканчиваются.
И. МАКСУТОВ: То есть не хватает мысленного эксперимента? Не хватает каких-то физических и мокрых экспериментов?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Не хватает теоретических подходов. Я думаю, что будет прорыв, но пока его не видно. Большие успехи делают люди, которые идут «снизу вверх». Я отношусь к людям, которые работают «сверху вниз», но я очень горд успехом людей, которые идут «снизу вверх». Прорыв был достигнут тогда, когда после долгих попыток синтезировать нуклеотиды, РНК подобные олигомеры, полимеры в нормальной водной химии они поставили другую задачу. Задача состояла в том, чтобы подобрать какую-нибудь химию, которая на выходе даст нам нуклеотиды, из которых состоит молекулы РНК. И оказалось, что если брать не воду, а чистый раствор формамида, которая состоит из 1 атома углерода, 1 атома кислорода , 1 атома азота и 3 атома водорода, чтобы компенсировать заряды. Выяснилось, что его можно нагревать, освещать ультрафиолетом и чтобы ты не делал, то легко получаются азотистые основания. Это те 4 компонента, из которых состоит жизнь. Последний прорыв был в 2009 году. Английские ученые Сдарланд и Поунер (НЕ НАШЛА ФАМИЛИИ) провели синтез целого нуклеотида из простейших молекул. До этого люди делали азотистые основания, то есть сахар пытались соединить между собой. Они сделали такой синтез, что у них сразу получился целый нуклеотид. Азотистое основание, сахар и молекула фосфата, связанная с этим сахаром таким образом, что в этой связи запасена энергия для полимеризации. Интересно для нашей группы было то, что в итоге их опыта получился нуклеотид РНК, но выход чистого нуклеотида был 40 % и 60% разнообразных примесей. После чего они светили на эту смесь ультрафиолетовым светом и через 3 дня эта смесь содержала только 2 нуклеотида РНК. Оказалось, что эти нуклеотиды это особо устойчивые к ультрафиолету соединения. Выяснилось, что у нуклеотидов есть такое свойство. Теория об этом существовала и в этом эксперименте это подтвердилось. Ультрафиолетовый свет участвовал в выборе тех нуклеотидов, из которых состоит РНК.
И. МАКСУТОВ: Есть вероятность того, что «лука» есть и в глубинах мирового океана?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Вероятность есть, но очень маленькая.
И. МАКСУТОВ: Возможны ли аммиачные формы жизни?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Это хороший вопрос. Теоретически, возможны, но при гораздо низких температурах. В нашей жизни химические элементы держатся на эквивалентных связях. В принципе, можно построить аммиачную жизнь. Аммиачная форма жизни – это форма жизни, в которой будет все держаться на водородных связях.
И. МАКСУТОВ: Вернемся к движению «снизу вверх». До куда мы можем добраться?
А. МУЛКИДЖАНЯН: На самом деле все близко. Совсем недавно Стивен Бенар выпустил статью от том, что до самовоспроизводящихся агрегатов РНК весь путь пройден. Остается только инженерная задача. Для этого нужно, чтобы были выделены деньги на построение комплекса, где вы с одной стороны заливаете простейшие молекулы, а на выходе вы имеете самореплицирующиеся молекулы РНК. Думаю, что подаются гранты людьми, которые готовы это делать.
И. МАКСУТОВ: Если попытаться обобщить, то мы двигаемся из прошлого к настоящему, то понимаем как происходили разные этапы и разные химические реакции до самовоспроизводящихся молекул РНК. Пока вопрос в том, как провести все эти реакции последовательно, чтобы нигде не нарушился процесс. До «луки» есть дырка и как же ее заполнить непонятно.
А. МУЛКИДЖАНЯН: Может быть мы что-то поймем, когда начнем больше понимать про вирусы. Я с изумлением наблюдаю очень бурное развитие вирусологии, потому что вирусологи занимались патогенными вирусами, которые вредны и совершенно не интересовались вирусами, живущими в природе. Последнее, чем они занялись - это были вирусы океана и в результате нашли очень много всего. Эти вирусы очень важны, так как они обеспечивают обмен генами между живущими в океане бактериями. Когда пересчитали количество вирусов на литр океанской воды и перевели в граммы, то оказалось, что вирусный вес биосферы в 10 раз больше клеточного веса. Мы знаем, что в океане живет огромное количество вирусов, которыми мы начали заниматься, условно говоря, 5 лет назад.
И. МАКСУТОВ: Грубо говоря, что между РНК миром, РНК организмами и «лукой» стоит пространство вирусов, клеток, бактерий.
А. МУЛКИДЖАНЯН: Да. Мир, который очень дружно жил и зависел друг от друга. Этими океанскими вирусами никто не занимался, так как никто не мог подумать, что в океане некому болеть. Они не болезнетворные, они просто часть биосферы.
И. МАКСУТОВ: Есть ли практический смысл у происхождении жизни?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Наибольшего успеха в этой области добиваются люди, которые не ставят своей целью понять происхождение жизни, а делают свою работу, как химики или биологи и по ходу дела присматриваются нельзя ли применить то, что они делают в жизни. На днях Стивену Бенару пришлось срочно улететь в Китай, так как этой стране потребовались его патенты для борьбы с вирусом Эбола. Ему срочно пришлось менять свой маршрут. Все люди, которые в эту область вкладываются и если они успешны, то они занимаются чем-то еще. Всегда есть взаимообогащение между эволюционными подходами и практической деятельностью. Мы занимаемся не только проблемой происхождения жизни, но и совершенно другими вещами.
И. МАКСУТОВ: По сути, происхождение жизни – это ваше хобби.
А. МУЛКИДЖАНЯН: Да. Не очень хорошо заниматься только проблемой происхождением жизни.
И. МАКСУТОВ: Какие есть важнейшие и нерешенные вопросы, которые наиболее актуальны для исследования происхождения жизни?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Дальнейшее исследования мира РНК является экспериментальным. Направления, которые ведутся: добиваться все более эффективной работы реплицирующих организмов, вставлять в них пузыри, чтобы они были отдельными организмами, так как это важно для моделирования эволюции. Дальше интересные события происходят в геологии, потому что в геологии жизнь происходила в каких то геологических условиях. Мы полагаем, что на земле, другие полагают, что где-то на марсе, а потом была занесена на землю. Тут надо разбираться, чтобы представить эту жизнь в ее окружении.
И. МАКСУТОВ: Занесена она были или возникла на земле.
А. МУЛКИДЖАНЯН: Мы предпочитаем думать, что на земле. У нас есть свидетельства. Мы сотрудничаем с геохимиками из экологического факультета МГУ, но мы признаем, что есть и другие взгляды на эту проблему.
И. МАКСУТОВ: Если кто-то захочет заниматься происхождением жизни , то куда ему идти учиться?
А. МУЛКИДЖАНЯН: Идти учиться туда, где ему интересней. Можно учиться на химика, на физика или на биолога и получать профессию. Находить себе род занятий, не связанный с происхождением жизни и потом пытаться понять на сколько его навыки применимы к проблеме происхождения жизни и начинать заниматься этим, как хобби. Вот мой совет.
И. МАКСУТОВ: Спасибо за интересный разговор.
-
Популярные Гости
-
Сергей Миронов
Лидер партии «Справедливая Россия – За правду»
-
Геннадий Зюганов
Лидер КПРФ
-
Никита Кричевский
Экономист
-
Сергей Кургинян
политолог, лидер движения «Суть времени»
-
Игорь Стрелков
Бывший министр обороны самопровозглашенной Донецкой народной республики
-
Александр Дугин
Лидер международного "Евразийского движения"
-
Рамзан Кадыров
Глава Чеченской Республики
-
Ирина Прохорова
Главный редактор издательского дома "Новое литературное обозрение"
-
Максим Шевченко
Телеведущий, журналист
-
Максим Ликсутов
Заместитель мэра Москвы, глава департамента транспорта Москвы
-
Связь с эфиром
- СМС+7 (925) 88-88-948
- Звонок+7 (495) 73-73-948
- Telegramgovoritmskbot
- Письмоinfo@govoritmoskva.ru