Двадцать первый век объявлен веком биологии, и источником самых громких сенсаций в наши дни является именно эта наука. Однако эксперименты, проведенные на Большом адронном коллайдере в конце 2011 г., напомнили, что физиков в ближайшее время может ждать величайший триумф в истории. Бозон Хиггса, буде он действительно найден, завершит физическую картину мироздания, описываемую так называемой Стандартной моделью [1], [2]. Конечно, Стандартная модель — это еще не единая теория поля, а лорд Кельвин еще более ста лет назад предрекал «закрытие физики», но масштаб предполагаемого открытия трудно переоценить. Когда (если?) экспериментаторы разведут в разные стороны шум и сигнал, и открытие мифического бозона будет официально признано, можно будет торжественно открывать сразу все запасы шампанского. Конечно, физику «закрывать» все равно будет рано, но другого такого триумфа будет уже, скорее всего, и не дождаться.

Есть ли такие же животрепещущие темы в биологии? Что-то такое, что реально волновало бы всех, и развеяние мрака над чем позволило бы почивать на лаврах? Редакция журнала Nature решила на досуге задаться этим вопросом и разузнала, что же именно биологи считают самым главным в своей науке. И даже учитывая, что, по сравнению с физикой, биология является отнюдь не точной наукой и не особо жалует дихотомию «да/нет», консенсус был найден: оказалось, что всех интересует... где и как зародилась жизнь и почему она иногда, увы, кончается.

Есть ли жизнь «там, наверху»?

В 1964 году палеонтолог Джордж Симпсон (George Simpson) разразился едкой отповедью в адрес астробиологии — науки, занимающейся поиском внеземной жизни. «Этой „науке“ сначала необходимо доказать, что то, чем она „занимается“, действительно существует!» — написал он [3]. Многие в панике побросали это дело.

Однако это был бесчестный выпад, считает планетолог Кристофер Чиба (Christopher Chyba) из Университета Принстона (Нью-Джерси, США). Чиба многие годы защищает свою позицию, приводя в пример поиски бозона Хиггса, который точно так же никто не видел, как и жизнь на других планетах [4].

Поиск внеземной жизни сравнивают с проверкой «стандартной модели в биологии»: если такая жизнь действительно найдется, будет ли она основана на тех же молекулярных принципах, что и земная жизнь, или же на абсолютно иных? Впрочем, даже если жизнь, основанная на тех же принципах, будет найдена, к примеру, на Марсе, это все равно будет фурор. Главным вопросом будет — где она впервые зародилась, на Земле или на других планетах?

Если исследователям под Женевой примерно ясно, где и как искать бозон Хиггса, у астробиологов дела идут не так хорошо. Конечно, следы воды и метана в атмосфере позволяют сконцентрироваться на планетах земного типа, но как на астрономических расстояниях узнать жизнь — непонятно, сетует Чиба. В пределах солнечной системы есть три места, где, как считают астробиологи, может существовать жизнь:

1. Энцелад — покрытый ледяной коркой спутник Сатурна, внутри которого, согласно данным американского зонда Кассини, может существовать жидкая вода [5].
2. Марс (но не тот Марс, что есть сейчас, а «старый Марс»).
3. Европа — спутник Юпитера, также, видимо, скрывающий под ледяной коркой океан жидкой воды.

Запланированная на август 2012 года американская миссия на Марс включает автоматический марсоход нового поколения «Кьюриосити», на борту которого установлен простейший спектрометр, позволяющий засечь в разреженной атмосфере признаки метана, если они там будут. Однако поиск следов жизни не является приоритетом данной миссии, и ожидать однозначного ответа на идиоматический вопрос «есть ли жизнь на Марсе?», видимо, не приходится. Дело в том, что марсоход не может взять на борт сложное оборудование, которое необходимо для идентификации органических следов жизни, какими на Земле стали бы фрагменты ДНК и молекул хлорофилла. А возвратного модуля, который мог бы принести в земные лаборатории образцы марсианской почвы для детального анализа, осторожные и практичные американцы не планируют, в отличие от печально прославившихся конструкторов «Фобос-Грунта».

Есть ли на Земле внеземная жизнь?

Некоторые ученые предполагают, что на Земле может находиться «параллельная» земной жизнь, основанная на принципиально иной биохимии и формирующая свою «теневую биосферу», которую мы не замечаем лишь по той причине, что совершенно не подозреваем, где смотреть. На самом деле, это не так уж невероятно: один раз «теневая биосфера» уже была обнаружена, когда был изобретен микроскоп, а повторно это случилось, когда стало понятно, что бактерии и археи — это две большие разницы [6].

Вопрос в том, столкнемся ли мы еще раз с чем-то подобным? В наши дни новые виды организмов находят в основном с помощью секвенирования ДНК и РНК, выделенных прямо из окружающей среды (так называемая метагеномика), но как быть, если речь идет о жизни, устроенной принципиально иначе?

Один из вариантов для поиска «внеземной» жизни на Земле — это места с экстремальными химическими и/или физическими условиями. Этой стратегии придерживались ученые, исследовавшие богатые мышьяком воды озера Моно в Калифорнии. В конце 2010 года они сообщили об открытии бактерий-«пришельцев», способных при синтезе молекул ДНК вместо фосфора использовать мышьяк, чего уж никак не приходилось ожидать от земных организмов [7], [8]. Однако на эту статью обрушился поток критики, и многие считают, что основные выводы в ней были сделаны неверно...

Еще один подход — искать жизнь на других масштабах пространства. Если «обычные» микроорганизмы не могут быть сильно меньше, чем они есть (из-за размера рибосом и других «машин» клетки), то гипотетические формы жизни, лишенные этого, могут быть и значительно меньше и заселять, допустим, поры в каменных породах диаметром не более 100 нм [9]. Молекулярный генетик из Университета Юты (Солт-Лейк-Сити, США) Джон Эткинс (John Atkins) намеревается провести секвенирование молекул ДНК и РНК, извлеченных как раз из таких наноскопических пор. Это может столкнуть ученых лицом к лицу с гипотетическим РНК-миром — древнейшей формой химической эволюции на Земле, когда молекулы РНК еще совмещали и генетическую, и каталитическую функцию, не успев обзавестись современными «заместителями» — ДНК и белком. «Предположительно, РНК-мир возник в геологическом масштабе очень быстро. Так почему бы не представить, что это происходило не единожды?» — спрашивает Эткинс.

Как возникла жизнь?..

Еще больше, чем существование «альтернативной» жизни, ученых волнует вопрос, как именно известная нам жизнь зародилась на древней Земле? Не за горами уже тот день, когда биологи «с нуля» смогут сконструировать эволюционирующую и размножающуюся систему, то есть фактически создать жизнь. Да что там, с некоторыми оговорками это уже было сделано [10], [11]. И синтетическая биология стремительно движется к тому, чтобы ликвидировать здесь любые оговорки.

Как известно из одного афоризма, понять многие вещи можно, лишь создав их. В 2009 году вышла статья, описывающая дарвиновскую эволюцию на... молекулах РНК [12]. Ученым удалось показать, что рибозимы — молекулы РНК, способные совмещать в себе как генетическую, так и каталитическую функции — могут размножаться и эволюционировать быстрее, нежели они деградируют. Дело в том, что РНК крайне нестабильна по сравнению с ДНК, но зато ей присуща способность катализировать химические реакции (пусть и не так эффективно, как это делают белки). Делегирование наследственных функций ДНК, а каталитических — белкам предположительно позволило принципиально усложнить организацию живой материи по сравнению с РНК-миром, но именно с него жизнь когда-то могла начать свои первые нетвердые шаги.

Некоторые исследователи идут в своих предположениях еще дальше, предполагая, что началось все не с РНК, а с еще более древних, более просто устроенных и неизвестных в наше время молекул. Ученым хватает изобретательности, чтобы попытаться проверить свои предположения в лаборатории.

...и можем ли мы отсрочить ее конец?

В обзоре, вышедшем в свет в 1993 году, Линда Партридж (Linda Partridge) и Николас Бэртон (Nicholas Barton), оба работавшие тогда над проблемой старения в Университете Эдинбурга, ошарашили геронтологов всего мира. «Крайне маловероятно, что изменение всего нескольких генов или коррекция нескольких метаболических путей способны отсрочить старость», — написали они тогда [13]. С тех пор кое-что изменилось.

Не прошло и года с момента выхода их статьи, как на примере знаменитой нематоды C. elegans (рис. 4) было показано, что точечная мутация в одном гене способна более чем удвоить срок жизни червяка [14]. Тремя годами позже то же проделали с мышью, хотя здесь прирост продолжительности жизни не превышал 70% [15]. Эти две статьи как бы намекают, что и продолжительность человеческой жизни можно увеличить, хотя тут возникнет масса других проблем, основанных на неготовности общества принять огромные количества стариков, ставших внезапно жить дольше. Однако с чисто научной точки зрения все более интересным становится вопрос, как именно запрограммирована старость, и можно ли научиться этот процесс контролировать?

Исследователи процесса старения считают, что первой реалистичной целью будет отодвинуть наступление поры старческих заболеваний на семь лет. Дело в том, что в пожилом возрасте риск развития каких-нибудь критических расстройств в организме удваивается примерно каждые семь лет, и, устранив хотя бы один такой цикл, можно добавить людям по семь лет здоровой жизни, а это было бы поистине монументально.

Однако наблюдения Партридж и Бэртона никто все равно не отменял: старение выглядит запрограммированным процессом, когда сразу целый фронт генов и метаболических путей начинает работать не так, приближая гибель организма. И по-прежнему все так же маловероятно, чтобы какое-нибудь одно лекарство продлило жизнь за здорово живешь.

Вот и получается, что разрешение проблемы старения оказывается более сложной задачей, чем поиск бозона Хиггса. Если последний, по всей видимости, вот-вот найдут, то проблема старения представляется «целой вселенной по сравнению с хиггсовской частицей». Пока ничто не предвещает, что мы вскоре наткнемся на единый механизм, запускающий старение.

Написано по материалам эссе из Nature [16].

Литература

1. Элементы: «ЦЕРН сообщает о первых намеках на обнаружение хиггсовского бозона»;
2. Элементы: «Moriond 2012: новые данные по хиггсовскому бозону»;
3. G. G. Simpson. (1964). The Nonprevalence of Humanoids. Science. 143, 769-775;
4. C. F. Chyba;. (2005). Don't Dismiss Astrobiology. Science. 308, 495f-497f;
5. F. Postberg, J. Schmidt, J. Hillier, S. Kempf, R. Srama. (2011). A salt-water reservoir as the source of a compositionally stratified plume on Enceladus. Nature. 474, 620-622;
6. Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией;
7. F. Wolfe-Simon, J. S. Blum, T. R. Kulp, G. W. Gordon, S. E. Hoeft, et. al.. (2011). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus. Science. 332, 1163-1166;
8. Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни;
9. К вопросу о происхождении жизни;
10. Жизнь в эпоху синтетической жизни;
11. Смыслы «жизни»;
12. T. A. Lincoln, G. F. Joyce. (2009). Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme. Science. 323, 1229-1232;
13. L. Partridge, N. H. Barton. (1993). Optimally, mutation and the evolution of ageing. Nature. 362, 305-311;
14. Cynthia Kenyon, Jean Chang, Erin Gensch, Adam Rudner, Ramon Tabtiang. (1993). A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature. 366, 461-464;
15. Holly M. Brown-Borg, Kurt E. Borg, Charles J. Meliska, Andrzej Bartke. (1996). Dwarf mice and the ageing process. Nature. 384, 33-33;
16. Heidi Ledford. (2012). Life-changing experiments: The biological Higgs. Nature. 483, 528-530.