Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни - Ричард Докинз

И тут Шпигельман в искусственном мире – в пробирке, в отсутствие каких-либо клеток – запустил действующую модель эволюции. Его экспериментальная установка представляла собой длинный ряд пробирок, содержащих Qβ-репликазу и строительные элементы, не содержащих РНК. В первую пробирку он поместил небольшое количество Qβ-РНК, и она послушно синтезировала множество своих копий. Взяв каплю полученной жидкости, Шпигельман поместил ее во вторую пробирку. Эта “затравочная” РНК принялась реплицироваться во второй пробирке, и через некоторое время Шпигельман извлек оттуда каплю жидкости и перенес в третью пробирку. И так далее. Похоже на то, как искра, воспламеняя сухую траву, приводит к появлению нового костра. Однако огонь не наследует качеств искры, а молекулы РНК у Шпигельмана это делали. И это позволило добиться эволюции путем естественного отбора в ее самой простой форме.

Шпигельман брал пробы каждого “поколения” РНК из пробирок и изучал их свойства, в том числе способность инфицировать бактерии. И получил удивительные результаты. Эволюционирующие РНК становились все меньше и одновременно утрачивали способность к инфицированию бактерий. Через 74 поколения от типичной молекулы РНК в пробирке осталась лишь небольшая часть исходного размера “дикого” предка. РНК “дикого” типа представляла собой цепь длиной 3600 “бусин”. Спустя 74 поколения естественного отбора средний обитатель пробирки уменьшился до скромных 550 оснований. Такая молекула уже не годилась для инфицирования бактерий, зато отлично справлялась с инфицированием пробирок.

Произошло вот что. Со сменой поколений в РНК происходили спонтанные мутации, и выжившие мутанты приспосабливались жить в мире пробирок, а не в естественном мире бактерий, которые можно инфицировать. Основное различие предположительно в том, что РНК в пробирках могла обходиться без тех частей кода, которые нужны для синтеза четырех указанных выше белков, необходимых вирусу “дикого” типа для паразитирования на бактериях. И то, что осталось от РНК, было минимумом, нужным для репликации в тепличном мире пробирок, полных Qβ-репликазы и строительных компонентов.

Этот выживший кусочек РНК, размером менее десятой части своего “дикого” предка, стал известен как монстр Шпигельмана. Благодаря небольшому размеру эта экономичная конструкция репродуцируется быстрее, чем конкуренты, и поэтому естественный отбор постепенно увеличивает его численность в популяции (популяция в данном случае – самое верное слово, хотя мы говорим о свободно плавающих молекулах, а не о вирусах или каких-нибудь других организмах).

Поразительно, но “монстр Шпигельмана” снова эволюционирует при повторных проведениях эксперимента. Более того, Шпигельман вместе с Лесли Оргелом, ведущим специалистом в области исследований происхождения жизни, провел дополнительные эксперименты. Ученые добавляли в раствор вредное вещество – бромистый этидий. В таких условиях в растворе эволюционировал другой монстр, устойчивый к бромистому этидию. То есть загрязнение раствора разными химическими веществами способствует эволюции монстров с разной специализацией.

Шпигельман в экспериментах избрал отправной точкой Qβ-РНК “дикого” типа. Манфред Сумпер и Рюдигер Люче из лаборатории Манфреда Эйгена провели другой опыт, также получив удивительные результаты. Они показали, что при определенных условиях в пробирке, в которой нет РНК, а есть лишь компоненты для ее синтеза и фермент Qβ-репликаза, может спонтанно синтезироваться самореплицирующаяся РНК. В подходящих условиях она эволюционирует, превращаясь во что-то вроде “монстра Шпигельмана”. Здесь уместно вспомнить о креационистах, которые боятся (или, лучше сказать, надеются), что крупные молекулы слишком “невероятны”, чтобы появиться в результате эволюции. Сила кумулятивного естественного отбора (и его отличие от слепого случая) такова, что “монстру Шпигельмана” нужно лишь несколько дней, чтобы выстроить себя с нуля.

Однако эти эксперименты все же нельзя назвать проверкой гипотезы “мира РНК”. Нам так или иначе приходится “мошенничать”, обеспечивая постоянное наличие Qβ-репликазы. А гипотеза “мира РНК” связывает свои надежды с каталитическими способностями самой РНК. Ведь если РНК может катализировать другие реакции (что она, как известно, делает), почему бы ей не катализировать собственный синтез? Сумпер и Люче обошлись без РНК, однако Qβ-репликазу все-таки использовали. Таким образом, нужен новый эксперимент, в котором не использовалась бы и Qβ-репликаза. Исследования на эту тему продолжаются, и я ожидаю интереснейших результатов.

А сейчас я хотел бы поговорить о модном направлении мысли, которое полностью совместимо с идеей “мира РНК” и многими другими современными теориями происхождения жизни. Новизна в том, что первые важные события происходили не в “маленьком теплом пруду”, а в глубинах Земли. Чтобы найти “Кентербери” и закончить наше путешествие, пилигримам придется спуститься под землю. Главный вдохновитель этой теории – Томас Голд, большой оригинал. Вообще-то он астроном, но заслуживает редкого ныне звания полимата. Причем Голд настолько выдающийся ученый, что его избрали и в Королевское общество, и в Национальную академию наук США.

Голд считает, что мы напрасно делаем упор на Солнце как на исходную энергетическую движущую силу жизни. По его мнению, нас могло ввести в заблуждение то, что кажется таким знакомым: мы придаем себе и собственному типу жизни центральное положение, которого не заслуживаем. Когда-то учебники утверждали, что жизнь зависит от солнечного света. Затем, в 1977 году, было сделано ошеломляющее открытие: в вулканических жерлах на океаническом дне есть сообщества необычных существ, обходящихся без солнечного света. Жар от лавы нагревает воду выше 100 °C (что, однако, значительно ниже точки кипения вследствие колоссального давления на глубине). При этом окружающая вода остается очень холодной, и температурный градиент стимулирует различные типы бактериального метаболизма. Живущие там термофильные бактерии (включая серных бактерий, которые используют сероводород из жерл) составляют основу сложных пищевых цепей. Верхние звенья таких цепей включают кроваво-красных червей погонофор, достигающих трех метров в длину, а также морских блюдечек, мидий, морских звезд, усоногих рачков, белых крабов, креветок, рыб и кольчатых червей, которые способны жить при 80 °C. Как мы видели, существуют бактерии, умеющие обращать себе на пользу адские температуры, однако такого не замечали за животными, поэтому открытых червей-полихет назвали помпейскими червями. Некоторых серных бактерий приютили животные, например устрицы и гигантские погонофоры, которые имеют биохимические механизмы, позволяющие использовать гемоглобин (он придает им кроваво-красный цвет) для скармливания сульфидов своим бактериям. Эти колонии, живущие за счет извлечения бактериями энергии из жерл вулканов, поразили всех сначала своим существованием, а затем и богатством форм, разительно контрастирующим с пустыней морского дна.

Но даже после сенсационного открытия многие биологи продолжают считать, что жизнь полностью зависит от Солнца. Большинство ученых считает существ из глубоководных сообществ пусть восхитительными, но все же редкими и нетипичными исключениями. Голд думает иначе. По его мнению, именно в пекле под высоким давлением возникла жизнь. Не обязательно в море, а, возможно, в горных породах глубоко под землей. А исключения – это как раз мы, живущие на поверхности, в окружении света и прохладного свежего воздуха! Голд указывает, что гопаноиды – органические молекулы в стенках бактериальных клеток – повсеместно встречаются в горных породах, и приводит оценку специалистов: іо-100 триллионов тонн гопаноидов в горных породах по всему миру. Это гораздо больше органического углерода (всего триллион тонн), содержащегося в обитающих на поверхности жизненных формах.

Голд считает, что породы пронизаны трещинами, которые, хоть и почти невидимы глазу, обеспечивают более миллиарда триллионов кубических сантиметров теплого влажного пространства, подходящего для жизни на бактериальном уровне. Тепла и химических веществ, составляющих эти породы, достаточно для поддержания жизни огромного количества бактерий. Многие бактерии, указывает Голд, живут при температуре до 110 °C, что позволяет им жить на глубине 5-10 км (для преодоления этого расстояния им потребовалось бы менее тысячи лет). И, хотя это невозможно проверить, Голд считает, что биомасса бактерий, живущих в горячих недрах, может превышать биомассу знакомых нам поверхностных жизненных форм, существующих за счет энергии Солнца.

Голд и другие ученые напоминают, что термофилия – нередкое явление среди бактерий и архей. Она распространена настолько широко, что, возможно, именно она была тем примитивным состоянием, из которого эволюционировали знакомые нам холодолюбивые формы жизни. Температурные и химические условия на поверхности первобытной Земли (некоторые ученые называют этот период гадейским) были сильнее похожи на условия Голда, чем на сегодняшние поверхностные. И можно привести доводы в пользу того, что, погружаясь вглубь горных пород, мы погружаемся вглубь времен и открываем мир, похожий на “Кентербери”.