25757-1 (Перипетии жизни), страница 4

Поразительно, это писалось спустя три с лишним десятилетия после открытия нуклеиновых кислот. Что это? Разобщенность биологии и биохимии? Или проявление той слепоты, которая так часто мешает науке видеть общее в явлениях, кажущихся разнородными?

Между тем гену уже недолго было оставаться «где-то». Его местонахождение вскоре было «найдено» талантливым американским биологом Томасом Гентом Морганом. Он, экспериментируя с плодовыми мушками-дрозофилами (величиной с мелкого муравья), доказал, что генами следует считать участки хромосом (чем подтвердил догадку Вейсмана). Но о нуклеиновых кислотах и он не вспомнил.

Лишь в 1914 г. русский исследователь А. Шепотьев впервые высказал предположение об участии нуклеиновых кислот в передаче наследственности. Но биологи посчитали это чистейшим вымыслом. Ни у кого в то время не вызывало сомнения, что главное во всех живых организмах — белки и что природа вряд ли стала бы поручать кому-то другому столь ответственное дело, как передачу потомству фамильных ценностей.

Должна была пройти еще треть века, прежде чем (это произошло в конце 40-х гг.) работы по нуклеиновым кислотам приковали наконец к себе внимание и стали сенсационными. Сначала установили, что и в мужской и в женской половых клетках содержится совершенно равное количество нуклеиновой кислоты, хотя, скажем, икринку кеты видно невооруженным глазом, а сперматозоид из молоки ее партнера разглядишь не во всякий микроскоп.

И еще. Как известно, вирус бактериофаг — пожиратель бактерий. Действует он хитро: впрыскивает в нее своим хоботком какое-то вещество. Через некоторое время за «крепостной стеной», внутри бактерии, наготове уже целая ватага фагов — точных копий агрессора. Химики установили: троянский конь фага — его нуклеиновая кислота.

Как выяснилось, и для фауны, и для флоры нуклеиновая кислота однотипна. У одуванчика и у человека она состоит из тех же атомов углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора. Здесь всего несколько типов кирпичиков: аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил. Все нуклеиновые кислоты — вариации этих несложных азотистых оснований, соединенных в разной последовательности. Единый материал — общие для всех законы наследственности.

Только теперь было осознано, что в возникновении жизни роль нуклеиновых кислот не меньшая (по крайней мере), чем роль белков, что выяснение «с чего началось— с обмена веществ или с тиражирования?» сродни давнему спору о яйце и курице.

Хромосома оказалась состоящей из нуклеиновой кислоты и белка. Это был длинный ряд звеньев, каждое из которых тоже представляло собой автономную цепочку. Природа демонстрирует здесь гениальную изобретательность, умудряясь из ограниченного числа кирпичиков создавать бесчисленное множество непохожих друг на друга вариаций. В каждой хромосоме, в этом гигантском полимере, не менее 10 тыс. молекул нуклеиновой кислоты, а последние построены из 20 тыс. звеньев-нуклеотидов, то есть азотистых оснований, сооружение которых, в свою очередь, вполне возможно из неорганического вещества.

К тому времени когда это выяснилось, биохимики уже понимали, что и вся другая органика, входящая в живую клетку — углеводы, жироподобные и другие вещества,— тоже может быть синтезирована из простого материала небиологического происхождения.

Итак, круг замкнулся. Макромолекулы, составляющие все живое, сложены из незатейливых кирпичиков, производство которых было, по-видимому, делом незатруднительным в условиях юной Земли.

Оставалось только это проверить. Для начала — в лаборатории.

Производству, хотя бы и экспериментальному, необходимо сырье (лучше недефицитное и в избытке), энергия (тоже желательно в доступной форме) и оборудование. Но первым делом ему нужна, конечно, идея. Родилась она следующим образом.

...Раскаленная Земля остывала. Вулканы извергали клубы пара и горячие газы. Много водорода не могло быть. Он хоть и наиболее распространен во Вселенной, но очень легок, и потому выметался солнечным ветром с планет земного типа. Однако какая-то часть водорода все-таки успевала соединиться с углеродом и азотом, образуя метан и аммиак — наиболее реальное сырье для дальнейшего синтеза органики. Метан — атом углерода в окружении четырех атомов водорода, а аммиак— атом азота с присоединенными тремя атомами водорода. Без такого минимума немыслимы предбиоло-гические соединения — будущие кирпичики белков и нуклеиновых кислот. Следовательно, первичная атмосфера Земли должна была состоять из свежих вулканических газов, метана, аммиака и воды. Свободного кислорода не было — он, окислив, разрушил бы простую органику, сырье для построения живого исчезло бы. К тому же он при нагреве всегда стремится соединиться с водородом, отчего вместо органики образуется вода. Кислород очень агрессивен. В атмосфере он стал накапливаться позже, с появлением биологических источников.

Энергия? Ее в первичной атмосфере было достаточно: тяжелое облачное небо, гремят грозы, сверкают молнии. Ливни образовали океаны. С ними же в него нападала «наработанная» в атмосфере первичная органика. Зрел «бульон».

Так или примерно так рассуждал американский физик, нобелевский лауреат Гарольд Юри, пытаясь смоделировать предбиологические глобальные события на поверхности юной Земли. Он исповедовал теорию сжатия, хотя к середине нашего века уже высказывались серьезные сомнения в ее справедливости. Юри этих сомнений не разделял. Отсюда в его модели остывающая планета, пролившийся с небес океан воды и все такое прочее.

Вместе со своим учеником Стенли Миллером он задумал провести серию экспериментов, которые должны были выяснить вот что. Могли ли источники энергии, имевшиеся на первобытной Земле, обеспечить синтез каких-нибудь органических соединений из газов, содержавшнхся (предположительно) в тогдашней примитивной; атмосфере?

Так в их чикагской лаборатории в 1953 г. появилось необычное сооружение из прозрачного стекла: две колбы (одна с впаянными электродами) и тонкие трубки с кранами. Все соединено в замкнутую герметичную систему, где газы по желанию экспериментаторов могут свободно циркулировать.

Не без волнения начали ученые свой первый опыт. В нижнюю колбу налили воды. Трубки заполнили смесью водорода, метана и аммиака. Подогрели. Поднимающийся пар погнал смесь в колбу с электродами. Последовал электрический разряд напряжением 60 тыс. вольт. «Молния» пронизала нагретые газы. Пауза. Повтор всего цикла: нагрев, движение газов, вспышка в разрядной камере.

Через неделю на электродах был замечен светло-коричневый налет, вода в «океане» (в нижней колбе), куда стекало все, что образовывалось в разрядной камере, стала желтой.

Анализ: в воде появились органические соединения — альдегиды, муравьиная, уксусная, молочная кислоты и... аминокислоты! Целый набор аминокислот!

Изменены условия эксперимента — иной состав газовой смеси, сила и продолжительность разрядов. Результат схожий: синтез простой органики и аминокислот.

Это была сенсация! Она прокатилась по биохимическим лабораториям мира подобно сейсмической волне.

Но не ошиблись ли Миллер и Юри? Была ли обеспечена чистота опыта? Не попали ли аминокислоты в «океан» извне? Десятки вопросов. Восторг оптимистов. Сомнения -скептиков.

Эксперименты американцев повторяли и повторяли Результаты получались сходными. Нет, в Чикаго не ошиблись, аминокислоты там были свежеиспеченными, не подложными.

Тогда, уверовав в успех Миллера и Юри, в лабораториях разных стран стали варьировать условия эксперимента. Хотелось узнать многое. Можно ли менять состав «атмосферы»? Так же ли хорошо работают другие источники энергии? Какими должны быть температура и давление?..

Уменьшение в газовой смеси содержания водорода увеличило выход аминокислот. Но их вообще не получили, когда оставили только углекислый газ, азот и воду. Картина резко изменилась в лучшую сторону с заменой метана на более сложное соединение углерода с водородом — этан. Если же добавляли кислород, то он разлагал метан и аммиак. Синтез органики снова начинался только после того, как в трубках иссякал запас кислорода.

Сильно нагретую смесь газов пропускали через раскаленный кварцевый песок. Он действовал как катализатор— количество аминокислот увеличивалось.

Меняли источники энергии. Сильное ультрафиолетовое воздействие работало в специальных камерах ничуть не хуже, чем у Миллера разряды «молний». Близкие результаты давали бета- и гамма-излучения.

В конце концов все это убедило. Да, аминокислоты могли синтезироваться в смоделированной Юри и Миллером примитивной атмосфере Земли.

Такой же вывод созрел и в отношении другой органики. Для синтеза нуклеиновых кислот требуются сахара, фосфаты и азотистые основания. Сахара в несколько этапов образуются из формальдегида (бесцветного газа с резким запахом). Пять молекул убийственного яда — синильной кислоты — способны породить молекулу аде-нина (основание). В ходе этой же реакции на промежуточной стадии может появиться и другое основание — гуанин. А присоединение аденина к одному из Сахаров (рибозе) дает аденозин — полуфабрикат для производства молекул, служащих у всех живых клеток источником энергии,— аденозинтрифосфата (АТФ).

Преуспев в лабораторном синтезе этой органики, исследователи, понятно, не могли остановиться на полпути. Их уже волновала возможность экспериментального синтеза биологических полимеров в условиях, приближенных к тем, что существовали (по модели Юри) на поверхности юной Земли.

Небиологическое сочленение друг с другом кирпичиков нуклеиновой кислоты удалось при нагревании их в присутствии полифосфатов.

Однако серьезные трудности появились при попытках синтезировать белок в «океане». Дело вот в чем. Связывание аминокислот друг с другом сопровождается отщеплением воды от соединяющихся концов. Но вокруг «океан» воды, и она мешает этому процессу. ,. В лабораторных реакциях затруднение удавалось преодолевать несколькими способами. Скажем, действием цианоацетилена, который получали, пропуская электрический разряд через смесь, содержащую все ту же синильную кислоту. Ведь так же могла действовать в процессах предбиологической полимеризации энергия молний. Кроме того, существовали же способы просто уменьшить количество воды в непосредственной близости от полимеризующихся соединений. Самый простой — испарение. Мелководье вдоль окраин морей при нагревании солнцем должно было еще больше мелеть, отчего «питательный бульон» концентрировался бы. Правда, здесь очень мешала летучесть главных предшественников биомолекул — синильной кислоты, формальдегида, аммиака. Их бурное испарение при нагреве лишало бы все «производство» исходного сырья.

Но, как выяснилось, концентрировать предбиологи-ческие соединения можно и на мокрой глине. Органика хорошо адсорбируется на ее поверхности. Силикатные частички глины, разделенные пленками воды, имеют огромную поверхность для синтеза и могут как катализаторы ускорять его течение. В лабораторных опытах это удавалось. Получали белковоподобные цепочки, содержащие десятки аминокислот.

А вот еще один способ — высушивание. В одной из американских лабораторий соорудили из сухих смесей аминокислот при температуре 130°С тоже довольно длинную цепочку. Разве не могло быть так, спрашивал автор эксперимента, что образовавшиеся в океане аминокислоты выплескивались волнами на скалы или на горячий вулканический пепел, где они высыхали, полимеризовались от нагревания и затем их смывало обратно в океан?

Когда белковоподобные цепочки, полученные высушиванием, стали нагревать в концентрированном водном растворе до 130—180° С, то происходило самопроизвольное их сворачивание в микроскопические сферы, у которых возникал уплотненный внешний слой, напоминающий оболочку клетки. Эти микросферы даже росли за счет органики из раствора.

А в Институте молекулярной биологии АН СССР обнаружили вообще нечто фантастическое. Там экспериментировали с молекулой нуклеиновой кислоты, собирающей заготовки для белков. Ее, действуя ферментами, «разрезали» на несколько крупных частей. Каждая из них, Взятая отдельно, теряла способность связывать соответствующую аминокислоту. Когда же фрагменты смешали, то смесь стала хорошо «узнавать» свою аминокислоту. Иными словами, в смеси происходила частичная самосборка фрагментов нуклеиновой кислоты.

Больше того, сегодня науке известна и полная самосборка биологических объектов у некоторых вирусов. Их разъединяли на белок и нуклеиновую кислоту. Затем все снова смешивали. И происходило полное восстановление исходных вирусов. Причем каждый раз сборка прекращалась именно в тот момент, когда к нити нуклеиновой кислоты присоединялось положенное для этого вируса количество белковых единиц.

Еще более сложная самосборка выявлена в лаборатории академика А. С. Спирина. Здесь «демонтировали» рибосомы — молекулярные фабрики синтеза белка в живой клетке. В соответствующих условиях из смеси фрагментов самовосстанавливались полноценные рибосомы... В общем, и с образованием полимеров, и даже с самосборкой биообъектов в предполагаемых условиях первичной Земли вроде бы не обнаружилось непреодолимых проблем. Все получилось, как говорится, лучше некуда. Не хватало только второго Геккеля, который произнес бы какую-нибудь историческую фразу о том, как недалеко время, когда «закопошится» все, что с таким хитроумием и старательностью насинтезировали в лабораторных колбах.

Но вместо этого кто-то истолок кусок базальта — самой древней на Земле горной породы, которая «помнила» состав атмосферы в тот счастливый для всех нас момент, когда Земля почувствовала себя настоящей планетой. Истолок, нагрел, проанализировал выделившиеся газы и установил, что перед ним главным образом пары воды, углекислота и азот, водорода и метана ничтожно мало, аммиака нет вообще. Но ведь это же отражение состава древней атмосферы! Выходит, она не располагала всем необходимым для производства органики.

Стройное сооружение предбиологического синтеза, с таким трудом возведенное несколькими поколениями биохимиков, зашаталось, стало оседать и разваливаться буквально на глазах. Здесь уместно было вспомнить слова соратника Дарвина, английского биолога Томаса Гексли: «Великая трагедия науки — уничтожение прекрасной гипотезы безобразным фактом».

А дальше вообще все пошло юзом, что называется, одно к одному. Как выяснилось, светимость Солнца в те совсем далекие времена была на 20—30 процентов ниже современной (некоторые ученые утверждают, что даже на все 60 процентов). А это сразу ведет к очень неприятной для биохимиков ситуации — на поверхности Земли тогда должны были царить отрицательные температуры, Мороз вместо жары? Лед вместо горячего «бульона»? Какой же в таких условиях синтез органики!

Впрочем, это еще было не самое неприятное. Выход из «студеного тупика» подсказал сам же углекислый газ, доминировавший в новой гипотетической первичной атмосфере. Он мог создавать на Земле парниковый эффект. Тут суть в приходе и расходе энергии. Получает ее Земля от Солнца главным образом в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. А отражает в космическое пространство инфракрасное (тепловое) излучение. Углекислый газ же почти прозрачен для приходящих от Солнца лучей, но, подобно экрану, отбрасывает назад значительную часть тепловой энергии. Она нагревает поверхность планеты и атмосферу.

Этот «парник» отчасти спасал положение. Но лишь отчасти, так как не меньшая угроза обнаружилась со стороны кислорода. Он образовывался в атмосфере, как установили геофизики, при разложении паров воды под действием света. Причем, согласно расчетам, образовывался активно и в количестве весьма значительном. Но в присутствии кислорода первичная органика не могла бы долго сохраняться.