Шредингер и возможное существование различных типов жизни
#вирусы #клеточная теория #происхождение жизни #синтетическая биология #астробиология
Восемьдесят лет назад лауреат Нобелевской премии физик Эрвин Шредингер прочитал в дублинском Тринити-колледже три лекции под названием "Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки", чтобы объяснить жизнь с точки зрения законов химии и физики.
Определения жизни опираются на клеточную теорию, которая в первую очередь утверждает, что жизнь состоит из клеток. Недавнее открытие гигантских вирусов, наряду с разработкой синтетических клеток в начале XXI века, поставило под сомнение существующее представление о том, что такое жизнь. Таким образом, вместо того чтобы ответить на вопрос Шредингера, современная биология пришла к новому сценарию, согласно которому на Земле и, возможно, во Вселенной может существовать несколько типов жизни, а не только один. Спустя 80 лет после дублинских лекций вопрос Шредингера может звучать следующим образом: "Какими бывают жизни"?
Что такое жизнь?
В 1935 году немецкий физик Макс Дельбрюк хотел изучить "универсальное явление, управляющее жизнью", то есть генетическую репликацию. Он задал фундаментальный для биологии вопрос: как законы физики могут объяснить необычайную стабильность генов на протяжении многих поколений? Под влиянием идей Дельбрюка 5 февраля 1943 года австрийский физик Эрвин Шредингер прочитал в Тринити-колледже в Дублине серию лекций под названием "Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки", в которой он также подчеркнул термодинамический аспект жизни: тот факт, что гены и организмы представляют собой высокоупорядоченные структуры, по-видимому, остающиеся вне термодинамического равновесия, кажется, бросает вызов второму закону термодинамики, который гласит, что все во Вселенной переходит в хаос. Как генам и живым организмам удается избежать космического натиска, который сметает все на своем пути и приводит к окончательному хаосу?
Лекции Шредингера были опубликованы в книге под названием "Что такое жизнь? (Schrödinger, 1944), которая стала очень популярной в биологии. В последующие десятилетия были предложены сотни определений жизни, в основном опирающихся на клеточную теорию, которая утверждает, что
(1) живые организмы состоят из клеток;
(2) каждая клетка возникает из другой клетки; и
(3) клетки являются основной единицей всех живых организмов.
Но в 2000-2004 годах два крупных открытия всколыхнули биологию, а именно: открытие гигантских вирусов французской школой вирусологов (Forterre, 2010; Claverie and Abergel, 2016; Colson et al., 2017; Abergel and Claverie, 2020) и синтетические организмы, разработанные in vitro командой Крейга Вентера в США (Venter, 2014). С тех пор эти открытия бросили вызов представлениям о том, что такое жизнь, выдвинув революционную идею о том, что на Земле может существовать больше видов жизни. Кроме того, в последние несколько лет активизировались поиски жизни в космосе. Если инопланетная жизнь будет обнаружена, ее природа может отличаться от той, что существует на нашей планете. Таким образом, кажется, что загадки жизни умножилась. Спустя 80 лет после лекций в Дублине, вопрос Шредингера стал таким: "Какими бывают жизни"?
Вирусы и жизнь
Вирусы в подавляющем большинстве случаев являются самыми многочисленными и разнообразными биологическими образованиями на планете, и практически все живые существа инфицированы широким спектром вирусов. С тех пор как в 1898 году были открыты вирусы, начались дебаты о том, живые они или нет. Поскольку их биология сильно отличается от биологии клеток, исследователи задались вопросом: "Что такое вирус"?
В 2003 году французские вирусологи обнаружили странный вирус, инфицирующий амеб в резервуаре с водой больницы в Брэдфорде, Англия, который был назван мимивирусом (La Scola et al., 2003; Raoult et al., 2004). Интересно, что его биология не была похожа на биологию известных вирусов, поскольку мимивирус в 100 раз больше известных в то время вирусов и даже больше многих бактерий. Более того, его геном содержит сотни генов, многие из которых являются ключевыми для клеточного метаболизма и считаются присутствующими "только" в клетках (Colson et al., 2017).
В то время как обычные вирусы содержат от 4 до 15 генов, мимивирус имеет 1018, а питовирус (другой гигантский вирус) - более 2550 генов, 90% из которых не были похожи ни на один известный ген. В 2008 году Ла Скола и Раульт обнаружили, что гигантские вирусы, в свою очередь, инфицируются другими вирусами, называемыми "вирофагами", что, как предполагалось, происходит "только" с клетками (La Scola et al., 2008; Colson et al., 2017). В то время все это не имело смысла при классическом представлении о том, что такое "вирус", то есть частицы в 100-500 раз меньше бактерий, содержащие мало генов и никогда не инфицируемые другими вирусами.
Со временем новые гигантские вирусы и вирофаги были обнаружены во многих других средах, заражая амеб, микроводоросли и динофлагеллят. Когда мимивирус заражает амебу, в ее цитоплазме образуется четко определенный отсек, называемый "фабрикой вирионов", где синтезируются и собираются компоненты новых вирионов. В это время мимивирусы ведут себя и очень напоминают внутриклеточные паразитические бактерии (которые являются живыми клетками). Клавери и другие предположили, что подобно тому, как паразитические организмы нуждаются в другом виде для завершения своего жизненного цикла, вирусы также являются живыми организмами, которым для той же цели требуется клетка-хозяин (Claverie, 2006; Raoult and Forterre, 2008; Claverie and Abergel, 2010, 2016; Forterre, 2010; Koonin and Dolja, 2013; Dupré and Guttinger, 2016).
Открытие гигантских вирусов и вирофагов заставило французских вирусологов подвергнуть серьезному сомнению нынешнее значение слова "вирус" и вновь задать вопрос, спустя столетие после открытия, "что такое вирус?". Они также поставили более широкие вопросы, такие как: являются ли вирусы живыми? Нужно ли нам пересмотреть понятие "жизнь"?
Определения понятия "жизнь" не существует, но существует консенсус в том, что "живые существа" обладают по крайней мере тремя характеристиками: метаболизмом, генетическим материалом и репродуктивной способностью. Однако "живое существо" - это понятие, установленное клеточной теорией за десятилетия до открытия вирусов. Действительно, вирусы противоречат такому определению, а мимивирусы заставляют нас переосмыслить, что такое жизнь. Более того, вирусы имеют гены, белки, реплицируются, экспрессируют свою генетическую информацию, эволюционируют в результате дарвиновских процессов, адаптируясь к среде обитания, взаимодействуют с окружающей средой, играют критическую роль в эволюции клеток, сильно влияют на биогеохимию Земли, занимают экологические ниши во всех экосистемах, и, вероятно, были ключевыми для возникновения и ранней эволюции жизни.
В связи с этим Клавери предложил радикальную идею о том, что гигантские вирусы являются живыми и что их жизнь состоит из фазы "временно живого организма" (вирусная фабрика внутри инфицированной клетки) и инертной фазы (вирусная частица или вирион), которая служит транспортным средством для переноса генов из клетки в клетку (Claverie, 2006; Claverie and Abergel, 2016). Раульт и Фортерр выдвинули идею о том, что вирусы могут соответствовать типу жизни, отличному от клеточного, и предложили существование двух видов жизни на Земле: вирусной и клеточной (Raoult and Forterre, 2008).
Жизнь и синтетическая биология
Американский биохимик Пол Берг и его коллеги разработали в 1970-х годах мощную технологию слияния ДНК разных видов, так называемую "рекомбинантную ДНК". Манипуляции с ДНК дали начало синтетической биологии (СБ), которая применяет инженерные принципы и дизайн к живым организмам для искусственного создания новых биологических систем и сообществ. СБ рационально конструирует новые генотипы и фенотипы для конкретных технических применений, используя биологическое шасси, то есть клетку-хозяина, которая генетически модифицируется путем введения модульных функциональных единиц ДНК.
В настоящее время СБ является важнейшей областью исследований, в которую в США и Великобритании с 2015 года вложено ∼$12 млрд. инвестиций для промышленного и биотехнологического применения. Достижения СБ являются революционными и имеют огромное влияние на человечество. В конечном счете, проектирование живых организмов на уровне ДНК создало параллельное биоразнообразие.
В 2010 году Крейг Вентер искусственно создал первую в истории бактерию с синтетическим геномом, Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 (Gibson et al., 2010), пересадив полный геном, изготовленный искусственно, в природную M. genitalium. Недавно та же команда создала бактерию Mycoplasma mycoides с уменьшенным искусственно минимальным геномом, состоящим из 452 генов, который может поддерживать рост и самовоспроизведение. Этот геном меньше, чем у любой естественной жизнеспособной независимой клетки. Эта синтетическая бактерия получила название "JCVI-syn3A" (Hutchison et al., 2016; Breuer et al., 2019).
Далее в эукариотах ученые заменили хромосому почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae на сильно модифицированную, синтетическую версию (Richardson et al., 2017). Кроме того, у многих видов были перепроектированы генные сети и метаболические пути. Сам генетический код также был изменен in vitro. Он был расширен или сокращен у различных организмов путем подавления стоп-кодонов и переназначения кодонов для синтеза обширного каталога белков с неестественными аминокислотами. Более того, в настоящее время космическая СБ разрабатывает различные биологические системы для освоения космоса и будущих поселений человека на различных внеземных телах. Вскоре космическая СБ будет проектировать искусственные организмы, способные жить в экстремальных условиях, т.е. в биореакторах, подверженных широким колебаниям температуры, ионизации и минимальному количеству питательных веществ. Однако мы до сих пор не знаем, что это будут за организмы.
С развитием СБ концепция живого должна теперь включать синтетическую жизнь, а именно организмы, обладающие различными областями генома (даже полным геномом) или генетическим кодом, разработанным человеком.
О возможности обнаружения инопланетной жизни
Цель астробиологов - поиск жизни в космосе. Считается, что жизнь может появиться на каком-либо теле во Вселенной, как только будут созданы благоприятные физико-химические условия. Однако возможная инопланетная жизнь могла возникнуть в экзотических условиях и, следовательно, может быть основана на химическом составе, совершенно отличном от земного. Следовательно, формальное определение "жизни" для астробиологов невозможно, поскольку мы не знаем, какой будет жизнь в других местах космоса, и поскольку у нас есть только единственный пример земной жизни. Действительно, внеземная жизнь может еще больше размыть нынешние земноцентричные определения жизни.
Современное открытие тысяч экзопланет подстегнуло поиск жизни в космическом пространстве. Развитие технологий для обнаружения возможных признаков инопланетной жизни (т.е. "биосигнатур") также ускорилось с использованием земных телескопов и космических технологий, используемых в космических миссиях.
Биосигнатуры определяются как объект, вещество и/или модель, происхождение которых указывает на биологический агент (Des Marais et al., 2008). Однако без определения жизни, основанного на различных возможных биохимических характеристиках за пределами Земли, идентификация инопланетной жизни является очень сложной задачей. Более того, чтобы понять, что такое жизнь, нам необходимо знать широкие фундаментальные принципы, которые управляют жизнью во всей Вселенной. Тем не менее, возникновение жизни должно быть обусловлено вероятностными событиями под влиянием термодинамических условий.
На сегодняшний день признанными биосигнатурами являются атмосферный кислород (O2), озон (O3), метан (CH4), закись азота (N2O) и хлористый метил (CH3Cl), химическое неравновесие в атмосфере, низкая энтропия и неслучайно высокое обилие специфических сложных соединений. Измерение молекулярной сложности как индикатора жизни в любом месте уже исследовалось (Nikolić et al., 2003; Marshall et al., 2021), поскольку живые организмы, по-видимому, являются единственными системами, способными производить высокосложные молекулы в изобилии. Другими особенностями любой инопланетной жизни являются потребность в энергии для запуска метаболических реакций, жидком растворителе для опосредования таких реакций, питательных веществах для увеличения биомассы и сложности системы, а также способность производить каталитические молекулы, которые запускают метаболические реакции.
Некоторые из методов обнаружения биосигнатур включают тандемную масс-спектроскопию для измерения путей молекулярной сборки с высокими порядками сложности; измерения доплеровских линий, смещенных из-за планетарной атмосферы; спектроскопические сигналы; отраженный свет; изменения концентраций газов; метрики химического неравновесия; оценка спектральных сигнатур газов; фотометрический анализ кривых блеска; термоэмиссионная спектрометрия; спектроскопия излучения; прямая визуализация с использованием адаптивной оптики или коронографии.
Происхождение жизни на Земле
Как зародилась жизнь на Земле? Исследователи изучают, как самые ранние химические процессы на Земле привели к появлению первых живых клеток, которые в дальнейшем эволюционировали и стали последним универсальным общим предком (last universal common ancestor - LUCA), и выдвигают различные модели пребиотической эволюции. Хотя обсуждение происхождения жизни выходит за рамки данной статьи, здесь мы упомянем некоторые из наиболее актуальных исследований на эту тему.
Сценарии, основанные на генетическом материале, сосредоточены на происхождении репликации полимеров и полимеров, несущих генетическую информацию. Сторонники метаболизма, напротив, исследуют, какой набор химических реакций впервые смог поддержать жизнь. Одним из самых распространенных сценариев является предложение о существовании РНК-мира, поскольку он отвечает на извечный вопрос о том, что было первым в ранних клетках - ДНК или белки.
Еще в 1980 году было обнаружено, что предшественники рибосомальной РНК и РНК, входящая в состав рибонуклеазы Р, катализируют химические реакции подобно ферментам. Эти каталитические РНК были названы "рибозимами" (Zaug and Cech, 1980; Cech et al., 1981; Guerrier-Takada et al., 1983). То есть РНК может выступать и как носитель генетической информации, и как катализатор химических реакций. В связи с этим Уолтер Гилберт предположил, что первые клетки могли основывать свою биологию на каталитических молекулах РНК, которые несли генетическую информацию и в то же время катализировали собственное дублирование. Гилберт назвал этот гипотетический сценарий "Мир РНК" (Gilbert, 1986). Открытие каталитической РНК ясно показало, что для возникновения жизни не нужен генетический код, белки или ДНК.
Были предложены альтернативные химические модели мира РНК. Согласно одной из наиболее устоявшихся, жизнь могла возникнуть в минеральных отложениях в пористых породах щелочных гидротермальных источников в глубине океанов. Эта микросреда богата серой, железом, никелем, марганцем, магнием и другими важнейшими для жизни минералами. Эта модель, получившая название "железо-серный мир", была предложена Гюнтером Вехтерсхойзером и развита Мартином Расселом и его коллегами. В ней железо-серные минералы могли катализировать синтез органических молекул, а ранняя жизнь могла поддерживаться за счет градиентов протонов, возникающих в минеральных стенках микропор, которые генерируют большое количество энергии. В этом глубоком, темном и минеральном райском саду существование молекул, несущих информацию, не было необходимым для возникновения ранних клеток.
Другим интересным сценарием является предложение о создании множества автокаталитических органических соединений, которые автовоспроизводятся как транзитные посредники между химическими системами и генетически закодированными ферментами. Сети автокаталитических молекул могли быть первыми самоподдерживающимися, автотрофными метаболическими сетями, возможно, предшествовавшими белкам и РНК в начале жизни (Kauffman, 1986; Smith and Morowitz, 2004; Hordijk and Steel, 2010; Xavier et al., 2020).
Жизнь в тени?
Жизнь на Земле возникла благодаря благоприятным физико-химическим условиям, которые преобладали в начале существования нашей планеты. Поэтому жизнь могла возникнуть на Земле независимо несколько раз, и альтернативные существующие формы жизни согласуются с преобладающими моделями происхождения жизни (Cleland, 2019b). Недавно было высказано предположение, что на нашей планете могут существовать микроорганизмы-потомки, по крайней мере, второго генезиса жизни, образующие своего рода параллельную, "теневую биосферу", существующую наряду с известной биосферой, которая является потомком единственного, монофилетического LUCA (Cleland and Copley, 2005; Cleland, 2007, 2019b; Davies et al., 2009; Davies, 2011). Если вторая форма жизни существовала в прошлом или существует сегодня, она может отличаться от известной биосферы.
Отсутствие доказательств существования жизни в тени может быть связано с методами, которые в настоящее время используются для исследования микробного мира, а именно: микроскопия, культивирование в специфических средах роста и метагеномные методы, которые могут оказаться недостаточными для изучения клеток иной природы. Однако они могут быть среди нас.
Об определении различных возможных типов жизни
В следующем году исполнится 80 лет с тех пор, как Шредингер спросил, что такое жизнь? В настоящее время, вместо того чтобы дать убедительный ответ, современная биология пришла к неожиданному сценарию, в котором на Земле и, возможно, во Вселенной могут существовать несколько типов жизни . Таким образом, современная биология, похоже, не приблизилась к решению загадки Шредингера. Наоборот, мы отдалились от нее в связи с очень сложной панорамой того, что представляют собой живые организмы.
Клеточная теория была создана как концептуальная основа для понимания природы живых организмов еще до того, как были открыты вирусы и родилась СБ, не говоря уже об инопланетных жизнях (если они когда-нибудь будут найдены). Современные концепции жизни и того, что значит "быть живым", в основном основаны на клеточной теории и определяют земные организмы, которые являются потомками общего предка, представляющего собой, таким образом, единственный тип жизни. Эти определения исключают вирусы и некоторые организмы, созданные СБ, не говоря уже о возможной жизни в тени и, возможно, внеземных формах жизни.
Помимо клеточной, вирусной и синтетической жизни, невозможно узнать, сколько видов жизни может существовать во Вселенной и какова их природа. Нужно ли современной биологии разработать несколько определений жизни - в отличие от одного - для Вселенной? Сможем ли мы в будущем ответить на вопрос Шредингера?
