Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

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.

Существует также более фундаментальная проблема: как создать сами молекулы РНК в «первичном бульоне». Молекула состоит из трех частей: РНК-основания, которое кодирует свою генетическую информацию (подобно ДНК-основаниям), фосфатной группы и сахара под названием рибоза. Хотя некоторые успехи были достигнуты в разработке вероятных химических реакций, которые могли бы создать РНК-основания и фосфатные компоненты в «первичном бульоне», наиболее достоверная реакция, которая дает рибозу, также производит множество других сахаров. Нет никакого известного небиологического механизма, с помощью которого рибоза могла бы быть сгенерирована самостоятельно. И даже если рибоза была создана, разместить все три компонента вместе в правильной последовательности — сама по себе сложная задача. Когда вероятные формы трех компонентов РНК сведены вместе, они просто объединяются произвольными способами в неизбежную первичную «гадость». Химики обходят эту проблему, используя специальные формы оснований, чьи химические группы модифицированы, чтобы избежать нежелательных побочных реакций — но это жульничество. И в любом случае возникновение «активированных» оснований является еще менее вероятным в первичных условиях, чем возникновение обыкновенных исходных оснований РНК.

Тем не менее химики способны синтезировать основания РНК из простых химических веществ, проводя крайне сложную серию тщательно контролируемых реакций, в которых каждый желаемый продукт из одной реакции выделяют и очищают, прежде чем брать его для следующей реакции. По оценкам шотландского химика Грэма Кэрнса-Смита, насчитывается около 140 шагов, необходимых для синтеза РНК-оснований из простых органических соединений, которые предположительно присутствовали в «первичном бульоне»[171]. Для каждого шага есть минимум пять альтернативных реакций, которых следует избегать. Это позволяет легко визуализировать химический синтез: представим себе каждую молекулу как некий вид молекулярного «кубика», причем каждый шаг соответствует броску, где число шесть позволяет генерировать правильный продукт, а любое другое число указывает на то, что продукт был получен неправильный. Таким образом, шансы любой исходной молекулы в конечном счете превратиться в РНК эквивалентны тому, чтобы выбросить шестерку на кубике 140 раз подряд.

Конечно, химики сильно повышают эти немыслимо малые шансы, тщательно контролируя каждый шаг, но в добиологическом мире приходилось полагаться только на случай. Возможно, солнце вышло в нужное время, чтобы испарить небольшой пруд с растворенными химическими веществами вокруг грязевого вулкана? Или, может быть, грязевой вулкан извергся, чтобы добавить в воду немного больше серы для создания другого набора соединений? Возможно, гроза всколыхнула смесь и ускорила еще несколько химических изменений с помощью электрической энергии? Эти вопросы можно было бы задавать и дальше, но достаточно легко оценить вероятность того, что, полагаясь только на случай, каждый из 140 необходимых шагов дал бы один правильный вариант из шести возможных: она составляла 1 к 6140 (примерно 10 109). Для того чтобы иметь статистический шанс получить РНК чисто случайным образом, вам понадобилось бы по крайней мере такое количество исходных молекул в вашем «первичном бульоне». Но 10 109 — это гораздо больше, чем число элементарных частиц во всей видимой Вселенной (около 1080). На Земле просто не было достаточного количества молекул или достаточно времени, чтобы создать значительные количества РНК в те миллионы лет, что прошли между ее формированием и возникновением жизни во времена, которыми датируются породы Исуа.

Тем не менее представьте себе, что синтез значительных количеств РНК случился путем какого-то еще не открытого химического процесса. Теперь мы должны преодолеть не менее сложную проблему укладки четырех различных оснований РНК (эквивалентных, как вы помните, четырем буквам ДНК-кода: A, G, C и T) вместе в правильной последовательности, чтобы сделать рибозимы способными к самовоспроизведению. Большинство рибозимов — это отрезки РНК длиной по меньшей мере 100 оснований. На каждой позиции на отрезке должно присутствовать одно из четырех оснований, так что есть 4100 (или 1060) различных вариантов собрать отрезок РНК длиной 100 оснований. Насколько велика вероятность того, что случайное перемешивание РНК-оснований будет генерировать только правильную последовательность вдоль длины отрезка для создания самовоспроизводящихся рибозимов?

Пока мы тут развлекаемся с большими числами, мы как раз можем посчитать. Получается, что 4100 отдельных отрезков по 100 РНК-оснований в длину будут иметь общую массу 1050 килограммов. Именно столько нам потребуется для того, чтобы иметь одну копию большинства отрезков и, следовательно, разумный шанс, что один из них будет иметь все свои основания, расположенные в правильном порядке, для того, чтобы быть способным к самовоспроизведению. Тем не менее вся масса галактики Млечный Путь, по оценкам ученых, равняется примерно 1042 килограммов.

Понятно, что мы не можем полагаться только на случай.

Конечно, возможно, что среди 4100 вероятных комбинаций 100 РНК-оснований найдется больше чем одна, способная к самовоспроизведению. Там их может быть намного больше. Там даже могут быть триллионы возможных репликаторов, которые образованы из отрезков РНК длиной 100 оснований. Возможно, самовоспроизводящиеся РНК на самом деле довольно распространенное явление и нам нужен лишь миллион молекул, чтобы иметь какой-то шанс формирования саморепликатора. Проблема с этим предположением только одна: это всего лишь предположение! Несмотря на многочисленные попытки, никто никогда не создавал ни одной самореплицирующейся РНК (или ДНК, или белка) и не наблюдал их в природе. Это неудивительно, если учесть, насколько непростой работой является саморепликация. В современном мире нужна целая живая клетка, чтобы совершить этот подвиг. Могли ли это сделать гораздо более простые системы несколько миллиардов лет назад? Конечно, они должны были это сделать, иначе мы бы здесь сегодня не рассматривали эту проблему. Но как это было достигнуто, прежде чем клетки эволюционировали, далеко не ясно.

Принимая во внимание трудности идентификации биологических саморепликаторов, мы могли бы получить представление, задавая более общий вопрос: насколько вообще сложна саморепликация в любой системе? Современные технологии предоставили нам большое количество машин, которые могут копировать материал: от копировальных машин для ЭВМ до 3D-принтеров. Может ли какое-либо из этих устройств сделать копию самого себя? Вероятно, ближе всего к этому подошел 3D-принтер, например такой, как RepRap (сокращенно от англ. Replicating Rapid Prototyper — «самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов»), который является детищем Адриана Боуера из британского Университета Бата. Эти машины могут печатать свои собственные компоненты, которые затем могут быть собраны в еще один 3D-принтер RepRap.

Но не совсем. Машина печатает только пластик, а ее собственный каркас выполнен из металла, как и большинство ее электрических компонентов. Так что реплицировать он может только пластиковые детали; к тому же они должны быть вручную собраны с использованием дополнительных частей, чтобы получился новый принтер. Цель дизайнеров — сделать самовоспроизводящиеся принтеры RepRap (существует несколько альтернативных конструкций) доступными для всех. Но на момент написания этой книги мы пока далеки от построения подлинно самореплицирующейся машины.

Таким образом, если поиск самовоспроизводящихся машин не помогает нам в нашем стремлении обнаружить, насколько проста или сложна саморепликация, мы можем отойти от материального мира и изучить этот вопрос в компьютерах, где наши беспорядочные и сложные в получении химические вещества можно заменить простыми строительными блоками цифрового мира, а именно битами, которые могут иметь только значение 1 или 0. А байт данных, состоящий из 8 бит, представляет один символ текста в компьютерном коде и может быть примерно приравнен к единице генетического кода — ДНК- или РНК-основанию. Теперь мы можем задать вопрос: среди всех возможных строк байтов насколько часто появляются те, которые могут копировать сами себя на компьютере?