Рассказ предка. Путешествие к заре жизни. - Ричард Докинз

На что была бы похожа наследственность без клетки? Разве это не проблема курицы-и-яйца? Конечно, да, если мы соглашаемся с тем, что для наследственности требуется ДНК, ДНК не может быть реплицирована без многочисленных вспомогательных молекул, включая белки, которые могут быть созданы только с помощью закодированной информации ДНК. Но только из того, что ДНК – основная самореплицирующая молекула, которую мы знаем, не следует, что она является единственной, которую можно себе представить, или единственной, которая когда-либо существовала в природе. Грэм Кэрнс-Смит аргументировано доказал, что первоначальные репликаторы были неорганическими минеральными кристаллами, с более поздней узурпацией ДНК, вступившей в главную роль, когда жизнь эволюционировала до пункта, где такой переход под генетический контроль стал возможным. Я не буду приводить здесь его доводы, частично потому что я уже сделал свою лучшую попытку в «Слепом часовщике», но также и по более веской причине. Кэрнс-Смит приводит наиболее ясные из прочитанных мною доводов, что самовоспроизведение имело первостепенное значение, и ДНК должна была иметь какого-либо предшественника, природа которого неизвестна, с оговоркой, что тот демонстрировал истинную наследственность. Я считаю позором, что эта неопровержимая часть его аргументов стала связанной в общественном сознании с его более спорными и спекулятивными доводами в пользу минеральных кристаллов в качестве предшественников.

Я не имею ничего против минеральной теории кристаллов, и я разъяснял ее ранее, но что я действительно хочу подчеркнуть, это первенствующую роль репликатора, и есть большая вероятность, что была более поздняя передача управления к ДНК от некоторого предшественника. Я могу подробнее остановиться на этом вопросе, преднамеренно перейдя в этой книге к различным специфическим теориям того, каким мог быть тот предшественник. Каковы бы ни были ее основные достоинства как первоначального репликатора, РНК, конечно, лучший кандидат, чем ДНК, и она была взята за образец предшественника многими теоретиками в их так называемом «мире РНК». Чтобы представить теорию мира РНК, я должен отвлечься на ферменты. Если репликатор – звезда жизненного шоу, то ферменты играют одну из главных ролей, более чем просто второстепенную роль.

Жизнь крайне зависит от виртуозной способности ферментов катализировать биохимические реакции довольно вычурным способом. Когда я впервые узнал о ферментах в школе, расхожее (и, на мой взгляд, ошибочное) мнение, что наука должна преподаваться на основе обыденных примеров, подразумевало, что мы плевали в воду, чтобы продемонстрировать способность слюнного фермента амилазы переваривать крахмал и образовывать сахар. От этого мы получили впечатление, что фермент похож на агрессивную кислоту. Биологические стиральные порошки, которые используют ферменты, чтобы вываривать грязь из одежды, создают такое же впечатление. Но это – разрушительные ферменты, служащие для расчленения больших молекул на их меньшие составляющие. Конструктивные ферменты вовлечены в синтез больших молекул их меньших компонентов, и они делают это, ведя себя как «автоматизированные антрепренеры», и я объясню почему.

Внутренность клетки содержит раствор из тысяч различного рода молекул, атомов и ионов. Они могли бы попарно объединяться друг с другом почти бесконечным числом различных способов, но в основном они этого не делают. Таким образом, есть огромный ассортимент потенциальных химических реакций, которые могут возникнуть в клетке, но большая часть из них не происходит. Помните об этом, размышляя над следующим. В химической лаборатории на полках есть сотни бутылок, все надежно закупоренные, таким образом их содержимое не сталкивается друг с другом, если химик не желает этого, когда добавляет порцию из одной бутылки к порции из другой. Вы можете сказать, что полки в химической лаборатории также предоставляют огромный ассортимент потенциальных химических реакций, которые могут возникнуть. И снова большая часть из них не происходит.

Но представьте себе, что Вы берете все бутылки со всех полок и выливаете их в один чан, наполненный водой. Нелепый акт научного вандализма, все же такой чан в значительной степени являет собой то, что происходит в живой клетке (Хотя, по общему признанию, с большим количеством мембран, которые усложняют картину.). Сотни компонентов тысяч потенциальных химических реакций не удерживаются в отдельных бутылках в ожидании требуемых реакций друг с другом. Вместо этого они все время смешиваются в одном общем пространстве. Но, тем не менее, они ожидают, в основном не вступая в реакцию, пока этого не требуется, как будто находятся в реальных бутылках. Нет никаких реальных бутылок, но есть ферменты, работающие как автоматизированные антрепренеры, или мы могли бы даже назвать их автоматизированными лаборантами. Ферменты способны к распознаванию, почти так же, как радиоприемник, когда ловит отдельные радиостанции, игнорируя сотни других сигналов, одновременно бомбардирующих его антенну неразберихой несущих частот.

Предположим, что есть важная химическая реакция, в которой компонент А объединяется с компонентом B, чтобы образовать продукт Z. В химической лаборатории мы добиваемся этого, взяв с одной полки бутылку с этикеткой А, а с другой полки бутылку с этикеткой B, смешав их содержимое в чистой колбе и обеспечив другие необходимые условия, такие как высокая температура или взбалтывание. Мы добиваемся определенной реакции, которая нам нужна, взяв только две бутылки с полки. В живой клетке много молекул А и много молекул B, плавающих в окружающей жидкости среди огромного разнообразия молекул, где они могут встретиться, но даже при встрече объединяются редко. В любом случае, их встреча не более вероятна, чем тысячи других возможных комбинаций. Теперь мы вводим фермент, названный abzase, который конкретно приспособлен, чтобы катализировать реакцию A+B=Z. В клетке есть миллионы молекул abzase, и каждая действует как автоматизированный лаборант. Каждый лаборант abzase захватывает одну молекулу, не с полки, но свободно плавающую в клетке. Затем он захватывает дрейфующую молекулу B. Он твердо удерживает А своими захватами так, чтобы тот был обращен в определенном направлении. И так же твердо он удерживает B, чтобы он примыкал к A только в правильном положении и ориентации, чтобы скрепить с A и создать Z. Фермент также может делать другие вещи – аналогично лаборанту-человеку уметь обращаться с мешалкой или зажигать Бунзеновскую горелку. Он может образовать временное химическое соединение с A или B, обмениваясь атомами или ионами, которые, в конечном счете, возвращаются, таким образом, получается, что фермент остается таким же, как был, катализатором. В результате всего этого в определенной формы «захватах» молекулы фермента образуется новая молекула Z. Тогда лаборант выпускает новый продукт Z в жидкость и ждет проплывающий мимо другой компонент А, после чего захватывает его, и цикл возобновляется.

Если бы не было никакого автоматизированного лаборанта, то свободно плавающий A иногда врезался бы в свободно плавающий B при правильных условиях образования соединения. Но такое случайное событие было бы редким, не более обычным, чем случайные столкновения с большим количеством других потенциальных партнеров, в которых либо A, либо B могли бы участвовать. Возможно, столкновение с C и создание Y. Или B мог бы врезаться в D и образовать X. Благодаря случайному медленному перемещению все время создается небольшое количество Y и X. Но все зависит от присутствия лаборанта, фермента abzase. В присутствии abzase Z ставится на поток (с точки зрения клетки) в промышленных количествах: фермент обычно спонтанно увеличивает норму реакции в пределах от миллиона до триллиона раз. Если бы был введен другой фермент, acyase, то A соединился бы с C вместо B, снова же на скорости быстро мчащегося ленточного конвейера, создавая щедрый запас Y. Это все те же молекулы А, о которых мы говорили, не ограниченные бутылкой, но свободно объединяющиеся с B или с C, в зависимости от того, какой фермент присутствует для их захвата.

Скорости выработки Z и Y будут, поэтому, зависеть, кроме всего прочего, от того, сколько каждых из двух конкурирующих лаборантов, abzase и acyase, плавает в клетке. А это зависит от того, какой из двух генов включен в ядре клетки. Однако все немного сложнее: даже если молекула abzase присутствует, она может быть инактивирована. Один способ, которым это может случиться, состоит в том, что появляется другая молекула и занимает активную «впадину» фермента. Это – как если бы на автоматизированного лаборанта временно надели наручники. Наручники напоминают мне, между прочим, необходимость исполнить ритуал, предупреждающий что, как всегда бывает с метафорами, есть риск, что «автоматизированный лаборант» может ввести в заблуждение. У молекулы фермента фактически нет рук, чтобы их протягивать и захватывать компоненты, такие как A, уже не говоря о надевании наручников. Вместо этого у него есть специальные зоны на поверхности, к которой A, скажем, обнаруживает сродство, или из-за аккуратного физического соответствия впадине определенной формы, или еще из-за какой-то неясной химической особенности. И это сродство может быть временно сведено на нет способами, которые напоминают преднамеренное переключение выключателя.