Де починається життя? Межа, якої ми досі не бачимо

Жива клітина складається з неживих молекул. Вірус еволюціонує, але не живе самостійно. Віроїд — лише кільце РНК. Де саме хімія переходить у життя — і чи існує взагалі одна чітка межа?

Якби ти мав провести одну чітку межу між хімією і життям — де поставив би риску?

Дізнатися більше →

Уявімо, що ми можемо розібрати живу клітину до останньої молекули.

Знімемо мембрану. Виймемо ДНК. Розкладемо окремо білки, РНК, ліпіди, цукри, воду, солі. На столі не залишиться нічого містичного: лише звичайні атоми й молекули, які підкоряються тим самим законам фізики та хімії, що й вода в склянці або камінь під ногами.

А тепер спробуємо скласти все назад.

У який момент ця купа речовин знову стане живою?

Ми легко впізнаємо життя, коли бачимо дерево, кота чи бактерію. Але що ближче підходимо до його нижньої межі, то менш чіткою стає лінія. Вірус має генетичну інформацію й еволюціонує — але сам не виробляє енергію й не розмножується без клітини. Віроїд — це взагалі маленьке кільце РНК без білкової оболонки й без жодного білка, який воно кодує. А в лабораторії існують клітини, геном яких зменшили майже до мінімуму — і навіть у них ми досі не розуміємо функції всіх необхідних деталей.

Межа між живим і неживим виявилася не стіною. Вона схожа на туманну смугу.

Спочатку — незручність: єдиного визначення життя немає

Наука не має одного визначення життя, яке без суперечностей охоплює всі відомі випадки. Є робочі формули. Одна з найвідоміших в астробіології: життя — це самопідтримувана хімічна система, здатна до дарвінівської еволюції.

Ця формула корисна, але не є остаточною відповіддю. Саме NASA підкреслює, що це робочий орієнтир, а не універсальний закон природи. Вона добре нагадує про дві речі: живе повинно підтримувати себе як систему і повинно мати спадковість із варіаціями, на яких може працювати природний добір.

Але одразу виникають винятки. Окрема стерильна робоча бджола не розмножується, але жива. Насіння може роками майже не демонструвати активного метаболізму. Вірус еволюціонує, але сам по собі не підтримує хімічну систему. Тож ознаки на кшталт «росте», «розмножується», «рухається» або «має ДНК» поодинці не працюють як тест.

Критерії працюють разом. Жодна окрема властивість — рух, ріст, ДНК чи розмноження — не є універсальним тестом життя.

Клітина — найнадійніша нижня межа

Якщо відкласти суперечки й попросити біолога назвати найпростішу систему, яку майже ніхто не заперечуватиме як живу, відповіддю буде клітина.

Навіть найпростіша клітина відділена від середовища мембраною. Усередині є генетична інформація, система її копіювання, молекулярні машини для читання генів і синтезу білків, механізми отримання енергії, контроль хімічного складу та здатність створити нову клітину.

Ключове слово тут — система. ДНК окремо не жива. Рибосома окремо не жива. Мембрана окремо не жива. Фермент окремо не живий. Але певна організація цих неживих компонентів підтримує себе, відтворюється й еволюціонує.

Саме тут наше інтуїтивне запитання змінюється. Можливо, життя — не особлива речовина. Можливо, життя — це особливий спосіб організації звичайної речовини.

Наскільки малою може бути справжня клітина?

Природні мікоплазми давно були моделлю біологічного мінімалізму. Вони втратили багато генів, бо живуть у багатому середовищі господаря й можуть імпортувати речовини, які іншим бактеріям доводиться синтезувати самим.

Але вчені пішли далі. У 2016 році команда J. Craig Venter Institute створила JCVI-syn3.0 — клітину з хімічно синтезованим геномом, скороченим до 531 тисячі пар основ. У ньому залишилося 473 гени: 438 білок-кодуючих і 35 генів некодуючих РНК.

Клітина жила, росла й розмножувалася у спеціально підібраному багатому середовищі. Але ділилася дивно: утворювала клітини нерівних форм і розмірів. Виявилося, що «мінімум для виживання популяції» — ще не те саме, що «мінімум для акуратної, стабільної клітини».

Коли дослідники повернули 19 генів, отримали JCVI-syn3A з 493 генами. Подальша робота показала, що сім із цих доданих генів разом значною мірою відновлюють нормальну морфологію поділу. Два були відомими генами поділу; функції кількох інших на той момент залишалися неясними.

Мінімальна клітина — не «одна молекула, що розмножується». Навіть радикально скорочена JCVI-syn3A залишається складною інтегрованою системою.

І тут мінімалізм робить загадку більшою

Мінімальна клітина не показала нам одну чарівну «формулу життя». Навпаки: вона показала, наскільки взаємозалежні базові функції.

Деякі гени можна вилучити лише за певних умов. Якщо середовище надає готову амінокислоту, клітині не потрібен увесь шлях її синтезу. Якщо середовище зміниться — колишній «необов’язковий» ген може стати необхідним.

Тому не існує універсального числа генів, нижче якого життя неможливе. Мінімум залежить від того, що ми вимагаємо від системи і що дозволяємо їй брати ззовні.

Це важлива поправка до слова «самостійна». Жодна істота не є самодостатньою в абсолютному сенсі. Людина теж не синтезує всі необхідні речовини й потребує їжі, кисню та екосистеми. Різниця — у тому, яку частину власної організації система несе всередині себе.

Вірус: інформація, яка прокидається лише в чужій клітині

Тепер зробимо ще один крок до межі.

Вірус має геном — ДНК або РНК. Його послідовність мутує. Вірусні популяції еволюціонують природним добором. Вони створюють складні адаптації до господарів і можуть вести довгу еволюційну «історію».

Але віріон поза клітиною не має власних рибосом, не синтезує білки, не виробляє енергію й не копіює геном самостійно. Він може бути хімічно майже інертною частинкою. Щойно потрапляє в придатну клітину, його генетична програма перебудовує роботу клітини й запускає створення нових вірусних частинок.

Отже, вірус одночасно виконує одну з найголовніших вимог життя — дарвінівську еволюцію — і провалює іншу: не є самопідтримуваною клітинною системою.

Тому питання «вірус живий чи неживий?» не має однієї відповіді, прийнятої всіма. За клітинним визначенням життя — ні. За підходами, які ставлять у центр еволюційну інформацію, межа виглядає менш очевидною.

Віроїд: забираємо навіть вірусну оболонку

Якщо вірус здається надто простим, віроїд робить наступний крок.

Віроїди — інфекційні агенти рослин, що складаються лише з короткої одноланцюгової кільцевої РНК. У них немає капсида. Вони не кодують білків. Їхня РНК використовує ферменти клітини-господаря для копіювання й поширення.

І все ж послідовності віроїдів змінюються, їхні варіанти можуть по-різному розмножуватися й взаємодіяти з господарем, а отже на них діє добір.

Перед нами майже чиста спадкова інформація, яка несе настільки мало власної машинерії, наскільки це взагалі можливо для відомого інфекційного агента.

Назвати віроїд організмом важко. Але назвати його просто «неживою молекулою» теж психологічно незручно: звичайна молекула не має поколінь, спадкових варіантів і еволюційної історії, яка розгортається всередині чужих клітин.

На межі властивості життя розходяться. Еволюція, самовідтворення, метаболізм і автономність не зникають одночасно.

А ще нижче — молекули, які копіюють форму

Є й інші пограничні системи. Пріони — білки, певна просторова форма яких може змушувати інші молекули того самого білка переходити в подібний стан. Вони не мають ДНК чи РНК і не є клітинами. Їх зазвичай не відносять до живих організмів.

Кристал теж «росте»: приєднує нові молекули й може передавати геометричний порядок. Полум’я поширюється, споживає паливо й підтримує складну хімію. Але ми не вважаємо їх живими, бо вони не несуть відкритої спадкової інформаційної системи, здатної накопичувати адаптивну еволюційну історію так, як це робить біологія.

Отже, окремі властивості життя можуть існувати в неживих системах. Дивовижність починається тоді, коли кілька таких властивостей зчіплюються в один цикл.

Що було першим: інформація чи метаболізм?

Ми не знаємо точного маршруту, яким на ранній Землі нежива хімія перейшла до перших еволюціонуючих систем.

Одна з найвпливовіших ідей — «РНК-світ». РНК особлива тим, що може і зберігати послідовнісну інформацію, як генетичний матеріал, і виконувати каталіз, як фермент. Рибозими показують, що одна молекулярна платформа потенційно могла поєднувати функції, які сучасні клітини розділяють між ДНК і білками.

Але «РНК-світ» — не готовий запис першого життя. Залишаються питання про походження нуклеотидів, копіювання довгих послідовностей, помилки, енергетику, появу мембран і перехід до кодованого синтезу білків.

Інші моделі наголошують на метаболічних мережах, автокаталітичних реакціях, мінеральних поверхнях або на одночасному співрозвитку кількох компонентів. Сучасна наука не змушена вибирати просте «спочатку гени» або «спочатку метаболізм». Реальний шлях міг бути мережею взаємно підсилювальних процесів.

Протоклітина: момент, коли хімія отримує «всередині» і «зовні»

Одна з ключових ідей досліджень походження життя — компартменталізація. Ліпідні та споріднені молекули можуть самі утворювати пухирці. Якщо всередині такого пухирця опиняються реакції, що підтримують одна одну, з’являється принципово нова річ: успіх внутрішньої хімії може бути пов’язаний із долею конкретного компартмента.

Тоді варіанти, які краще ростуть, утримують речовини, копіюють інформацію або діляться, можуть ставати численнішими. Хімія отримує не тільки реакції — вона отримує лінії походження.

Саме тут межа між хімією та біологією стає особливо цікавою. Можливо, першого моменту «ось тепер воно живе» взагалі не було. Можливо, був довгий перехід, у якому дедалі більше властивостей, що сьогодні нерозривно з’єднані в клітині, поступово збиралися в одну систему.

Може, життя — це хімія, яка навчилася пам’ятати?

У розмовах про визначення життя Джеральд Джойс звертав увагу на одну дуже сильну відмінність: біологія має спадкову історію. Хімічна реакція просто відбувається. Жива система зберігає сліди того, що в попередніх поколіннях допомагало виживати й відтворюватися.

Ця пам’ять не обов’язково означає ДНК у сучасному вигляді. Головне — щоб інформація могла передаватися з варіаціями, а середовище могло відбирати варіанти. Тоді минуле починає змінювати майбутнє.

У цьому сенсі життя — не просто складна хімія. Це хімія, в яку вбудована історія.

І де ж проходить межа?

Якщо вимагати повної клітинної автономії, межа проходить між клітиною та вірусом. Якщо поставити в центр еволюцію інформації, віруси вже опиняються ближче до живого. Якщо дивитися на походження життя, сама спроба провести тонку риску може бути неправильно поставленим завданням.

Природа не зобов’язана мати категорію «живе» з нашого підручника. Вона має молекули, реакції, мембрани, потоки енергії, копіювання, помилки, добір і історію. Наше слово «життя» накриває ту частину цього простору, де все це зібралося в надзвичайно стійку самопродовжувану систему.

І, можливо, найглибша загадка полягає не в тому, як провести межу.

А в тому, як звичайна матерія одного разу отримала здатність зберігати власне минуле, будувати своє майбутнє — і не зникати після однієї хімічної реакції.

Картка FAUNIGMA

Питання: де починається життя?

Найнадійніший приклад мінімального живого: клітина — система з мембраною, спадковою інформацією, молекулярною машинерією та метаболізмом.

Пограничні системи: віруси, віроїди, самореплікативні та автокаталітичні молекулярні системи.

Робоче визначення NASA: самопідтримувана хімічна система, здатна до дарвінівської еволюції — корисний орієнтир, але не остаточна універсальна дефініція.

Головна межа знання: ми не знаємо точного історичного маршруту від пребіотичної хімії до першої системи, яку вже без вагань назвали б живою.

Головне питання після відповіді: чи був початок життя моментом — чи процесом?

Джерела

Featured Image: NIAID Integrated Research Facility / Unsplash. Схеми: FAUNIGMA.