Клетка как первоисточник жизни и самовоспроизводящаяся структура
Основное положение:
• Первая живая клетка представляла собой самовоспроизводящуюся биологическую структуру, окруженную мембраной.
Мы полагаем, что жизнь возникла, когда некая самовоспроизводящаяся структура начала обосабливаться от окружающей среды. Это было необходимо как для защиты от возможных непредсказуемых повреждений, так и для предотвращения ее поглощения первичным «питательным бульоном» неопределенного состава.
Исследования последних лет позволяют предположить, что первая самовоспроизводящаяся структура могла быть построена из рибонуклеотидов. Таким образом, можно думать, что первый живой биологический объект представлял собой некую примитивную РНК, окруженную защитной мембраной. Назовем этот объект протоплазматический коацерватной каплей.
РНК должна была обладать способностью к саморепликации, образуя свою копию из предшественников нуклеотидов. Мы не знаем, могла ли она обладать какой-либо еще каталитической активностью, но наиболее вероятно, что она была способна осуществлять реакции синтеза предшественников, необходимых для репликации.
Самая первая самовоспроизводящаяся структура обладала саморегулирующейся РНК, окруженной мембраной.
Некоторые взаимодействия между самовоспроизводящейся структурой и окружающей мембраной происходили уже на ранних этапах существования коацерватной капли. Так, способность РНК стимулировать рост мембраны облегчила образование клетки. В последних исследованиях выяснен возможный механизм этой стимуляции. Когда РНК окружена липидным слоем, то в результате существования в ее молекуле заряженных участков создается осмотическое давление. Это приводит к возникновению напряжений в мембране, которые снимаются при увеличении ее поверхности, за счет образования новых участков из липидов.
Такое физическое взаимодействие между нуклеиновой кислотой и мембраной, возможно, осуществлялось на начальном этапе объединения коацерватных капель.
Непроницаемость мембран для водных растворов является их фундаментальным биологическим свойством. В то же время в коацерватной капле должен был происходить обмен между содержимым и окружающей средой, так как в противном случае она быстро бы исчерпала внутренние ресурсы. Вероятно, какая-то часть веществ из внешней среды попадала в каплю через случайные отверстия, образующиеся в мембране, которые, однако, снижали ее прочность.
Такая первичная «мембрана» обеспечивала сегрегацию самовоспроизводящейся структуры от окружающей среды. Вероятно, это был единственный способ отделить внутреннее содержимое коацерватной капли от первичного «питательного бульона».
В первичной клетке присутствовал самореплицирующийся геном и плазматическая мембрана, контролирующая импорт и экспорт метаболитов.
Переход от такого неконтролируемого обмена между внутренней и окружающей средами к способности поддерживать определенный состав содержимого стал важнейшим этапом на пути превращения протоплазматической коацерватной капли в некую первичную клетку. Этот этап завершился развитием в мембране первой из важных систем, которая обеспечила проникновение в клетку компонентов внешней среды и выведение из нее продуктов жизнедеятельности.
Что еще необходимо для того, чтобы назвать подобную биологическую структуру клеткой? Самовоспроизводящаяся структура должна обладать не только функцией воспроизводства, но и способностью прямым или косвенным образом определять свойства внешней среды, включая окружающую мембрану. Должны также существовать метаболические системы, необходимые для превращения питательных веществ, поступающих из внешней среды, в молекулы, необходимые клетке для построения внутренних структур. Также необходима система реализации энергии и создания ее запасов в форме, позволяющей клетке воспользоваться ими для осуществления энергопотребляющих процессов.
В современной клетке наследственный материал не только является самовоспроизводящимся, но и заключает в себе функцию кодирования. Существует специальная система репликации и экспрессии ДНК. Белки превосходят РНК по большей каталитической активности и по разнообразию форм. Сейчас мы достаточно легко можем понять, как произошла эволюция генетического материала от самовоспроизводящейся РНК к ДНК, которая способна как реплицироваться, так и транскрибироваться в РНК.
Однако совсем не просто представить себе, каким образом генетический код стал отражать последовательность аминокислот в белках. В то же время, поскольку генетический код универсален, мы знаем, что такая система передачи генетической информации должна была возникнуть на самых ранних этапах эволюции. Таким образом, генетическим материалом клетки является ДНК, а РНК участвует в экспрессии генов, выполняя три разные роли: функционируя как переносчик информации и средство транспорта, а также служа основным компонентом структуры рибосом, в которых происходит синтез белков.
