Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

От «гадости» к клеткам

Представьте себе, что, пытаясь приготовить первичный бульон, вы очищаете всю «гадость» со дна всех подгоревших кастрюль во всем мире, а затем растворяете все эти триллионы сложных органических молекул в океане. Теперь добавьте немного гренландских грязевых вулканов в качестве источника энергии и, возможно, искру молнии — и перемешайте. Как долго вы должны размешивать суп, прежде чем создадите жизнь? Миллион лет? Сто миллионов лет? Сто миллиардов лет?

Даже самая простая жизнь, такая как наша химическая «гадость», чрезвычайно сложна. В отличие от «гадости», однако, она также высоко-организованна. Проблема с использованием смол в качестве исходного материала для создания организованной жизни состоит в том, что случайные термодинамические силы, которые действовали на молодой Земле, — молекулярные движения, подобные движениям бильярдных шаров, о которых мы говорили в главе 2, — как правило, нарушают порядок, а не создают его. Вы бросаете курицу в кастрюлю с водой, нагреваете ее, перемешиваете, варите и получаете куриный бульон. Но вы не выливаете бульон из банки в кастрюлю в надежде получить курицу.

Конечно, жизнь не началась с курицы (или яйца). Самые простые самовоспроизводящиеся живые организмы сегодня — это бактерии, которые гораздо проще, чем любая птица[170]. Самая простая из бактерий называется микоплазма (бактерия, которая была предметом эксперимента Крейга Вентера по синтезированию жизни). Но даже эти существа являются чрезвычайно сложными формами жизни. Их геном содержит около 500 генов, которые кодируют примерно такое же количество сложных белков, и они, наряду с ферментами, создают липиды, сахара, ДНК, РНК, клеточную мембрану, хромосомы и тысячи других структур, каждая из которых гораздо сложнее, чем двигатель вашего автомобиля. На самом деле микоплазма — это не совсем полноценная бактерия, она не может выживать самостоятельно и должна получать многие биомолекулы от своего хозяина: она является паразитом и как таковая не смогла бы выжить в любом реальном «первичном бульоне». Более вероятным кандидатом можно назвать другой одноклеточный организм — цианобактерию, которая способна к фотосинтезу и, таким образом, может обеспечивать свои потребности. Если цианобактерии присутствовали на ранней Земле, они могли быть потенциальным источником низких уровней 13C, обнаруженных в породах Исуа в Гренландии (возрастом 3,7 миллиарда лет). Но эта бактерия является гораздо более сложной, чем микоплазма, с геномом из почти двух тысяч генов. Как долго вы должны размешивать свой океан «первичного бульона», чтобы «приготовить» цианобактерии?

Британский астроном, который ввел термин «Большой взрыв», сэр Фред Хойл, все время проявлял интерес к происхождению жизни. Вероятность того, что в результате случайных химических процессов зародилась жизнь, по его словам, столь же высока, как и вероятность того, что пронесшийся над свалкой торнадо соберет «Боинг». Дело в том — и Хойл это ярко демонстрирует, — что клеточная жизнь, какой мы ее знаем сегодня, является слишком сложной и организованной для того, чтобы возникнуть только по воле случая; ей должны были предшествовать более простые саморепликаторы.

Мир РНК

Так какими были эти ранние саморепликаторы? И как же они действовали? Поскольку они не дожили до наших дней, по-видимому не выдержав конкуренции со своими более успешными потомками, знания об их природе в основном строятся на догадках. Одна из них заключается в экстраполяции назад от сегодняшних простейших форм жизни, чтобы представить себе более простой саморепликатор, своего рода «урезанную» бактерию, которая, возможно, является предшественником всей жизни на Земле.

Проблема заключается в том, что не представляется возможным выделить простые саморепликаторы из живых клеток, так как ни один из компонентов клеток не способен к самовоспроизведению сам по себе. Гены ДНК не копируют себя, это работа фермента ДНК-полимеразы. В свою очередь, эти ферменты не воспроизводят себя, потому что они должны быть сначала закодированы в цепочках ДНК и РНК.

РНК будет играть важную роль в этой главе, так что полезно напомнить, что это такое и что она делает. РНК (рибонуклеиновая кислота) проще своей химической «сестры» ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), и здесь речь идет об одинарной спирали по сравнению с двойной спиралью ДНК. Несмотря на это различие, РНК имеет сходный со своей «сестрой» потенциал кодирования генетической информации — у нее просто нет дополнительной копии этой информации. И так же, как и у ДНК, ее генетическая информация записана четырьмя различными буквами, так что гены могут быть закодированы в РНК так же, как и в ДНК. На самом деле многие вирусы, такие как вирус гриппа, например, обладают РНК-, а не ДНК-геномами. Но в живых клетках — бактериальных, животных или растительных — РНК играет роль, отличную от ДНК: генетическая информация, записанная в ДНК, сначала копируется в РНК в процессе считывания гена, который мы обсуждали в главе 7. А поскольку, в отличие от относительно массивной и неподвижной ДНК, короткие части РНК могут свободно перемещаться по клетке, они могут нести генетические сообщения генов от хромосом к аппарату синтеза белка. При этом последовательность РНК считывается и переводится в последовательность аминокислот, которые входят в белки, например ферменты. Таким образом, в современных клетках по крайней мере, РНК является ключевым посредником между генетическим кодом, написанным на ДНК, и белками, которые идут на то, чтобы создавать остальные компоненты наших клеток.

Возвращаясь к нашему вопросу происхождения жизни, заметим, что, хотя живая клетка в целом является самовоспроизводящейся сущностью, отдельные ее компоненты таковыми не являются; подобно тому как женщина является самовоспроизводящимся организмом (с небольшой «помощью»), но ее сердце или печень — нет. Это создает проблему при попытке экстраполировать назад от сегодняшней сложной клеточной жизни к ее более простым доклеточным предкам. Если сформулировать вопрос иначе: что появилось первым — ДНК, РНК или ферменты? Если сначала были ДНК или РНК, то что их создало? Если сначала был фермент, то как он был закодирован?

Одно из возможных решений было предложено американским биохимиком Томасом Чехом, который открыл в 1982 году, что наряду с кодированием генетической информации некоторые молекулы РНК могли взять на себя функцию ферментов по катализации реакций (работа, за которую он разделил в 1989 году Нобелевскую премию по химии с Сиднеем Альтманом). Первые примеры этих рибозимов, как они были названы, нашли в генах крошечных одноклеточных организмов тетрахимен (Tetrahymena), которые являются одним из видов простейших, найденных в пресноводных водоемах; однако с тех пор выяснилось, что рибозимы играют важную роль во всех живых клетках. За их открытие быстро ухватились как за возможное решение головоломки в стиле «яйцо или курица» о происхождении жизни. Гипотеза мира РНК (такое название она получила) предполагает, что изначально химический синтез привел к образованию молекул РНК, которые могли выступать в качестве как генов, так и ферментов и, таким образом, могли одновременно кодировать свою собственную структуру (как ДНК) и делать копии самих себя (как ферменты) из биохимикатов, имеющихся в «первичном бульоне». Этот процесс копирования был первоначально достаточно бессистемным, что приводило к большому количеству мутантных версий, которые конкурировали друг с другом в «дарвиновской» молекулярной конкуренции, рассмотренной ранее. С течением времени эти репликаторы РНК привлекли белки, чтобы повысить эффективность репликации, что привело к появлению ДНК и в конце концов первой живой клетки.

Идея о том, что мир самовоспроизводящихся молекул РНК предшествовал возникновению ДНК и клеток, теперь стала почти догмой в исследованиях о происхождении жизни. Было доказано, что рибозимы могут выполнять все основные функции, которых можно ожидать от любой самовоспроизводящейся молекулы. Например, один класс рибозимов может соединить две молекулы РНК вместе, в то время как другой может разделить их. Еще одна форма рибозимов может делать копии коротких отрезков (всего лишь небольших участков) РНК-оснований. Из этих простых действий мы можем представить себе более сложные рибозимы, способные катализировать полный набор реакций, необходимых для самовоспроизведения. После того как саморепликация начала действовать, в силу вступил и естественный отбор; так что мир РНК пошел по пути конкуренции и привел в конце концов (по крайней мере так считается) к первой живой клетке.

Однако с этим сценарием не все так гладко. Хоть рибозимы и могут катализировать простые биохимические реакции, самовоспроизведение рибозимов является гораздо более сложным процессом, включающим определение самим рибозимом последовательности собственных оснований, поиск таких же химических веществ в окружающей среде и сборку этих химических веществ в правильной последовательности, чтобы создать свою точную копию. Это непростая задача даже для белков, которым повезло жить в клетках, наполненных «правильными» биохимикатами, так что сложно представить, как рибозимы умудрялись в хаотичном и грязном «первичном бульоне» совершать подобные подвиги. На сегодняшний день никому не удалось найти или создать рибозим, который смог бы взять на себя такую сложную задачу, даже в лаборатории.