Наука плоского мира IV: Судный день - Терри Пратчетт

Работникам, повторившим этот эксперимент в подходящих газовых средах, удалось получить и многие другие органические соединения, например, сахара и даже азотистые основания, из которых состоят молекулы ДНК и РНК, жизненно важные для всех земных организмов. Мы уже упоминали и ДНК, и ее двойную спираль так или иначе, сейчас эта молекула пользуется широкой известностью. РНК, то есть «рибонуклеиновая кислота», известна не так хорошо: она похожа на ДНК, но устроена проще. За рядом исключений РНК состоит из одной цепочки и не образует двойных переплетенных нитей. Конкретные разновидности РНК играют ключевую роль в развитии любого организма.

Вполне вероятно, что в древних морях Земли уже встречались эти две молекулы; более того, их появление, скорее всего, было неизбежным. К тому же теперь нам известно, что многие из упомянутых простых органических соединений встречаются в составе метеоритов; они могут возникать даже в космическом вакууме. Это дает нам еще один вероятный источник органических веществ. Словом, небольшие органические молекулы встречались повсеместно и в больших количествах, причем их существование было никак не связано с деятельностью живых организмов.

Впрочем, несмотря на такое многообещающее начало, одной лишь простой химии недостаточно. Важнейшие молекулы, входящие в состав организмов, устроены намного сложнее и содержат значительно больше атомов, соединенных довольно специфическим образом. Грэм Кэрнс-Смит предположил, что молекулы глины бы идеально подошли на роль катализатора, с помощью которого простые органические соединения могли бы превратиться в полимеры, подобные тем, что встречаются в живых организмах пептиды и белки за счет соединения аминокислот и, вполне возможно, небольшие цепочки нуклеиновых кислот, включая РНК и ДНК, за счет соединения азотистых оснований с фосфором и сахарами. Необходимые для этого процессы опять-таки не выходят за рамки стандартной химии и не требуют вмешательства живых существ. Было бы удивительно, если бы древние моря испытывали недостаток полимеров. Создание сложных молекул вовсе не проблема. Возможно, что нам их сложность дается с трудом, но природа просто следует правилам; сложность в той или иной форме является их неизбежным следствием.

И все же полимеры это еще не жизнь. Не считая кое-каких довольно специфических обстоятельств, они не способны ни к размножению, ни даже к репликации. (Репликация это создание точных копий; размножение создание неточных копий, которые, тем не менее, способны размножаться дальше это дает больше возможностей, но еще хуже поддается пониманию.) По-видимому, как репликация, так и размножение, требует не простой сложности, а сложности с организацией, причем отследить источник такой организации совсем не просто. Впрочем, упомянутые специфические обстоятельства могут возникать естественным путем, благодаря определенным сортам глины, которые сам по себе обладают способностью к репликации. В водной среде небольшие глиняные пластины могут без посторонней помощи образовывать блоки, состоящие из практически одинаковых копий.

С конца 1990-х годов произошло немало изменений. Тогда в «Науке Плоского Мира» мы уделили особое внимание идеям Гюнтера Вахтершаузера. Его гипотеза отличалась от общепринятого на тот момент первичного бульона Миллера-Юри, в котором спонтанно возникали нуклеиновые кислоты первое проявление наследственности. В отличие от них, Вахтершаузер предположил, что вначале возник метаболизм, то есть действующая биохимия. Согласно его гипотезе, это могло произойти в местах с избытком серы, оксида железа и сульфида железа в сочетании с подходящим источником тепла, приводящим в действие химическую реакцию. Одно из возможных мест, удовлетворяющих всем перечисленным условиям, это подводный гидротермальный источник, также известный как «черный курильщик». Внутри него расплавленная порода поднимается из мантии по трещинам, которые образуются в местах раздвижения океанского дна. То же самое, хотя и не столь эффектно, происходит в подводных вулканических кратерах. Опираясь на эту железо-кислородно-серную химию, Вахтершаузер придумал ряд химических реакций, довольно точно воспроизводящих цикл Кребса биохимическую систему, которая играет важнейшую роль практически в любом живом организме.

В ходе лабораторных испытаний этот сценарий показал довольно неплохие, хотя и не идеальные, результаты. Таким образом, теория происхождения жизни перешла от первичного бульона, плескавшегося в водоемах или открытом море, к некой первичной пицце, по поверхности которой были разбросаны разные молекулы. Эта идея понравилась нам в 1999 году, благодаря своему отличию от систем, в которых первыми возникают наследственные факторы; для нас оставалось неясным, почему такие системы обязательно должны реплицироваться какая им от этого выгода. К тому же Вахтершаузер был не только биохимиком, но еще и юристом, а юристы не так уж часто высказывают оригинальные научные идеи.

Однако на тот момент заметную популярность стала приобретать совершенно другая идея гипотеза РНК-мира. РНК и ДНК это разновидности нуклеиновых кислот, названных так из-за того, что их можно обнаружить внутри клеточных ядер. Существует множество других разновидностей нуклеиновых кислот; некоторые из них намного проще ДНК и РНК, другие напротив, значительно, сложнее. Обе молекулы представляют собой длинные цепочки, состоящие из четырех видов более мелких единиц нуклеотидов. Нуклеотиды состоят из азотистых оснований, особых молекул, похожих на сложные аминокислоты, соединенных с сахаром и фосфатной группой. Проясняет ли это дело? Нам показалось, что нет. Во многих источниках можно получить более подробную информацию, но в данном случае нам нужно всего лишь подобрать подходящие слова, чтобы четко обозначить предмет нашего разговора.

Нуклеиновые кислоты нашли применение одной замечательной хитрости, которая заключается в их способности образовывать двойные цепочки, содержащие в каждой из половин одну и ту же «информацию», закодированную разными, но взаимосвязанными способами. Четыре основания, играющие роль кодовых букв ДНК, образуют друг с другом пары, а их последовательность на одной из цепочек состоит из «напарников» соответствующих оснований второй цепочки. Благодаря этому проявляется ключевое свойство парных оснований: каждая из цепочек обуславливает структуру своей пары. Если цепочки разделяются и обзаводятся новыми парами, прикрепляясь к комплементарным основаниям вот чудеса вначале у нас была одна двойная цепочка, а теперь их стало две, и обе полностью совпадают с первой. Эта молекула не просто обладает способностью к самокопированию: она действительно копируется при условии, что в ее распоряжении находится достаточное количество свободных оснований. А вот остановить ее будет не так просто.

У РНК есть свои хитрости. Она может играть роль фермента, биологического катализатора; она способна даже катализировать собственную репликацию. (Катализатор это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само при этом не расходуется: его молекулы вмешиваются в ход реакции, помогают достичь цели, а затем возвращаются на место.) Кроме того, она может катализировать и другие химические реакции, которые играют важную роль в живых организмах. Это универсальная ремонтная молекула жизни. Возможность объяснить происхождение РНК в отсутствие живых существ стала бы крайне важным шагом от неживой химии к примитивным формам жизни. К сожалению, понять, каким образом РНК могла без посторонней помощи появиться в первичном бульоне, оказалось довольно сложно. На протяжении многих лет в теории РНК-мира не хватало одного из ее важнейших элементов.

Теперь эта проблема себя исчерпала. За последние годы было найдено множество различных решений, и некоторые из них достижимы не только в теории, но и экспериментальным путем. Первые цепочки оснований, задействованных в этом процессе, были довольно короткими получить цепочку из шести оснований легко, однако теперь их длина может доходить до 50 и более. Эта величина не сильно уступает длинам цепочек, которые можно обнаружить в настоящих биологических ферментах, обычно состоящих из 100–250 оснований. А значит, у нас есть все основания надеяться на то, что длинные цепочки РНК действительно были частью упомянутого первичного бульона. Есть и более вероятный сценарий: жировые мембраны, очень похожие на мембраны клеток, удалось синтезировать в условиях, приближенных к тем, которые, по мнению ученых, имели место на примитивной Земле, а РНК может присоединяться к таким мембранам разными выгодными способами. Более того, по одной из недавних гипотез цепочки РНК могли подвергаться многократному разбиению на части разрываться под влиянием высоких температур в черных курильщиках и заново соединяться в более холодных циклических конвекционных потоках. Эта замечательная идея в точности повторяет способ копирования ДНК, который используется в системах, анализирующих последовательность оснований с помощью полимеразной цепной реакции, в ходе которой чередование высоких и низких температур заставляет цепочки отделяться друг от друга и дает возможность собрать комплементарную последовательность в результате количество копий многократно удваивается. С помощью этого естественного физико-химического процесса могла реплицироваться и РНК.