Рассказ предка. Путешествие к заре жизни. - Ричард Докинз

Во-первых, история вопроса. Есть вирус, называемый Qb. Это – РНК-вирус, что означает, что вместо ДНК его гены полностью состоят из РНК. Для копирования своей РНК он использует фермент, названный Qb репликазой. В дикой форме Qb – бактериофаг (для краткости фаг) – паразит бактерий, в частности кишечной бактерии Escherichia coli. Бактериальная клетка «думает», что РНК Qb – часть ее собственной информационной РНК, и рибосомы клетки обрабатывают ее точно так же, как свою собственную, но белки, которые при этом производятся, приносят пользу вирусу вместо хозяйской бактерии. Есть четыре таких белка: белок оболочки, чтобы защитить вирус; клеящий белок, чтобы прикрепляться к бактериальной клетке; так называемый фактор репликации, к которому я вернусь через мгновение; и бомбовый белок, чтобы разрушить бактериальную клетку, когда вирус заканчивает копирование, таким образом, выпуская несколько десятков тысяч вирусов, каждый путешествующий в своей небольшой белковой оболочке, пока не натолкнется на другую бактериальную клетку, и цикл возобновляется. Я сказал, что я возвращусь к фактору репликации. Вы могли бы подумать, что он должен быть ферментом Qb репликазой, но в действительности он меньше и проще. Все, что небольшой вирусный ген делает самостоятельно, это производит белок, который сшивает вместе три других белка, создаваемых бактерией, так или иначе, для своих собственных (совсем других) целей. Когда они сшиваются собственным небольшим белком вируса, образованное таким образом соединение является Qb репликазой.

Шпигельман смог выделить из этой системы только два компонента, Qb репликазу и Qb РНК. Он соединял их в воде с некоторым низкомолекулярным сырьем – стандартными блоками для создания РНК – и наблюдал, что происходит. РНК захватывала маленькие молекулы и строила свои копии, используя правило спаривания оснований Уотсона-Крика. Она умело обращалась с ними безо всякой бактерии-хозяина и без белковой оболочки или любой другой части вируса. Это само по себе было хорошим результатом. Заметьте, что синтез белка, который является частью нормальной работы этой РНК в естественных условиях, был полностью изъят из цикла. У нас есть упрощенная система репликации РНК, делающей свои копии, не потрудившись создать белок.

Затем Шпигельман сделал нечто поразительное. Он запустил разновидность эволюции в этом полностью искусственном мире пробирок вообще без участия клеток. Представьте себе его установку в виде длинного ряда пробирок, содержащих Qb репликазу и голые строительные блоки, но никакой РНК. Он отбирал первую пробирку с маленьким количеством Qb РНК, и она должным образом реплицировала намного больше своих копий. Затем он брал маленькую порцию жидкости и помещал каплю во вторую пробирку. Эта затравочная РНК теперь приступала к реплицированию во второй пробирке, и через некоторое время Шпигельман брал каплю из второй пробирки и вносил затравку в третью нетронутую пробирку. И так далее. Это похоже на искру от одного костра, служащую затравкой для нового костра в сухой траве, новый костер служит затравкой для другого, и так далее. Но результат был совсем иным. Если костры не наследуют ни одно из своих качеств от затравки, молекулы РНК Шпигельмана наследуют. И результатом была ... эволюция путем естественного отбора в своей самой начальной и упрощенной форме.

Шпигельман отбирал образцы РНК в своих пробирках в течение «поколений» и контролировал ее свойства, включая возможность инфицирования бактерий. То, что он обнаружил, было замечательным. Эволюционирующая РНК физически становилась меньше и меньше, и, в то же время, всё менее и менее инфекционной, когда бактерии подвергались воздействию ее образцов. После 74 поколений (Это, конечно – пробирочные поколения: число поколений РНК было бы больше, потому что молекулы РНК копируются много раз в каждом пробирочном поколении.) обыкновенная молекула РНК в пробирке эволюционировала в маленький по размеру фрагмент своего «дикого предка». Дикая РНК была ожерельем, длиной приблизительно 3 600 «бусинок». После 74 поколений естественного отбора среднестатистический обитатель пробирки уменьшился до всего лишь 550: не годился для инфицирования бактерий, но был великолепным в инфицировании пробирок. Было ясно, что произошло. Спонтанные мутации РНК случались во всем, и мутанты, которые выжили, были хорошо приспособлены для этих целей в мире пробирок, в отличие от естественного мира бактерий, ожидающих заражения паразитами. Главное различие было, по-видимому, в том, что РНК в мире пробирок могла обойтись без всего кода, предназначенного для создания тех четырех белков, которые должны были создать оболочку, бомбу и другие необходимые условия для выживания дикого вируса как действующего паразита бактерий. То, что осталось, было голым минимумом, необходимым для копирования в избалованном мире пробирок, полных Qb-репликазы и исходных полуфабрикатов.

Этот голый минимум, размером менее десятой части своего дикого предка, выжил и стал известен как Монстр Шпигельмана. Став меньше, упрощенный вариант воспроизводит быстрее, чем его конкуренты, и поэтому естественный отбор постепенно увеличил их представительство в популяции (и популяция, между прочим, является совершенно правильным словом, даже притом, что мы говорим о свободно плавающих молекулах, а не о вирусах или всякого рода организмах).

Невероятно, но почти тот же Монстр Шпигельмана неоднократно эволюционировал, когда эксперимент повторялся снова. Кроме того, Шпигельман и Лесли Оргел (Leslie Orgel), одни из ведущих фигур в исследовании происхождения жизни, проделали дальнейшие эксперименты, в которых они добавили опасное вещество, такое как бромистый этидий, к раствору. В этих условиях развились различные монстры, стойкие к бромистому этидию. Различные химические препятствия способствуют развитию различных специализированных монстров.

Эксперименты Шпигельмана использовали природный «дикий тип» Qb РНК как отправную точку. М. Сумпер и Р. Льюс (М. Sumper и R. Luce), работающие в лаборатории Манфреда Эйгена, получили действительно ошеломляющий результат. В определенных условиях пробирка, не содержащая РНК вообще, а только исходные вещества для создания РНК плюс ферменты Qb репликазы, может самопроизвольно произвести самореплицирующую РНК, которая, при правильных условиях, эволюционирует, становясь подобной Монстру Шпигельмана. И это несмотря на опасения (или, скорее, надежды) креационистов, что большие молекулы являются «слишком невероятными», чтобы эволюционировать. Такова истинная сила кумулятивного естественного отбора (уже существует естественный отбор, миновавший стадию слепой случайности), Монстру Шпигельмана требуется лишь несколько дней, чтобы сформироваться на пустом месте. Эти эксперименты – еще не прямые испытания гипотезы происхождения жизни в РНК-мире. В частности, мы все еще имеем «жульничество» с Qb репликазой, присутствующей повсюду. Гипотеза РНК-мира возлагает свои надежды на собственные каталитические способности РНК. Если РНК может катализировать другие реакции, что она, как известно, делает, не могла бы она катализировать свой собственный синтез? Эксперимент Сумпера и Льюса обошелся без РНК, но был обусловлен наличием Qb репликазы. Нам нужен новый эксперимент, который обошелся бы также без Qb репликазы. Исследования продолжаются, и я ожидаю захватывающих результатов. Но теперь я хочу переключиться на недавно ставшую модной идею, полностью совместимую с РНК-миром и со многими другими из нынешних теорий происхождения жизни. Недавно были предложены места, где первоначально происходили переломные события. Увлекательная теория представила не «теплый маленький пруд», а «горячую глубоко залегающую скалу»: наши странники, чтобы закончить свое путешествие и обнаружить свой Кентербери, теперь оказываются перед необходимостью забуриваться глубоко под землю, в древнейшую горную породу.

Главный вдохновитель теории – другой оригинал, Томас Голд (Thomas Gold), изначально астроном, но достаточно разносторонний, чтобы удостоиться ныне редкой чести быть «многопрофильным ученым», и достаточно известный, чтобы быть избранным в Лондонское королевское общество и в Национальную академию наук США.

Голд полагает, что наш упор на солнце как первичный источник энергии жизни может быть неуместным. Возможно, мы были в очередной раз введены в заблуждение привычными вещами; в очередной раз отвели себе и нашему способу жизни центральное положение, которого мы не заслуживаем. Было время, когда учебники утверждали, что вся жизнь зависела, в конечном счете, от солнечного света. Затем, в 1977 году, было сделано потрясающее открытие, что кратеры вулканов на дне глубоких океанов содержат странное сообщество существ, живущих без благотворного воздействия солнечного света. Тепло от раскаленной лавы поднимает температуру воды больше чем до 100°C, что все еще значительно ниже точки кипения при колоссальных давлениях этих глубин. Окружающая вода очень холодная, и температурный градиент запускает разного рода бактериальный метаболизм. Эти термофильные бактерии, включая сероводородных бактерий, использующих сероводород, источаемый кратерами вулканов, составляют основу сложных пищевых цепей, верхние звенья которых включают кроваво-красных трубчатых червей трехметровой длины, блюдечки, мидий, морских звезд, моллюсков, белых крабов, креветок, рыб и прочих кольчатых червей, способных процветать при 80°C. Как мы видели, есть бактерии, которые смогли преодолеть трудности, такие как катархейские температуры, но ни одно другое животное, как известно, не могло их вынести, и те полихеты, поэтому, были названы червями Pompeii. Некоторых из сероводородных бактерий приютили животные, например мидии и огромные полихеты, которые предпринимают специальные биохимические шаги, используя гемоглобин (отсюда их кроваво-красный цвет), чтобы скармливать сернистые соединения своим собственным бактериям. Эти колонии жизни, основанной на извлечении бактериями энергии из горячих кратеров вулканов, удивили всех сначала самим своим существованием, а затем своим изобилием, которое поразительно контрастировало с полупустынными условиями окружающего морского дна.