енную разновидность РНК (рибосомную РНК).
Таким образом, РНК является одновременно и частью «программного обеспечения», и исполнительным механизмом. Она может как направлять химические реакции, так и служить их катализатором. Среди этих реакций имеются и такие, что обеспечивают репликацию самой РНК. Если в молекулярном механизме, который делает копии ДНК, используется хитроумный набор химических винтиков и шестеренок, сама РНК может обеспечивать синтез пар оснований, необходимых для ее собственной репликации. Представьте, что это означает. Молекулы РНК, совмещающие в себе функции программы и исполнительного механизма, потенциально способны обойти парадокс курицы и яйца: как собрать молекулярный исполнительный механизм, не имея готовой молекулярной программы, то есть инструкции по сборке? Как синтезировать молекулярную программу, не имея готового молекулярного исполнительного механизма, то есть инфраструктуры, которая должна выполнять синтез?
РНК, воплощая в себе обе функции, представляет собой сплав курицы и яйца и поэтому способна положить начало эпохе молекулярного дарвинизма.
Так выглядит гипотеза РНК-мира. Речь в ней идет о том, что до появления жизни существовал мир, полный молекул РНК, которые средствами молекулярного дарвинизма эволюционировали на протяжении почти непредставимого числа поколений в химические структуры, составившие в конечном итоге первые клетки. О подробностях можно спорить, но ученые смогли в общих чертах представить себе, как могла выглядеть эта фаза молекулярной эволюции. В 1950-е гг. нобелевский лауреат Гарольд Юри и его аспирант Стэнли Миллер смешали газы (водород, аммиак, метан, водяной пар), составлявшие, по их мнению, атмосферу ранней Земли, пропустили через газовый коктейль электричество, чтобы имитировать удары молний, и сделали знаменитое заявление о том, что получившаяся в результате бурая слизь содержит аминокислоты — кирпичики, из которых строятся белки. Хотя дальнейшие исследования показали, что первоначальные газовые смеси, которые изучали Миллер и Юри, не отражали корректно химический состав ранней атмосферы Земли, в аналогичных экспериментах с другими газовыми смесями, которые его отражали (включая смесь, составленную Миллером и Юри для имитации токсичных выбросов действующих вулканов, которые, как ни странно, оставались неисследованными на протяжении более чем полстолетия[80]), аминокислоты были получены не менее успешно. Более того, аминокислоты с тех пор обнаружены даже в межзвездных облаках, кометах и метеоритах. Так что весьма вероятно, что химический бульон на юной Земле вполне способен был произвести самокопирующиеся РНК-молекулы с самыми разными наборами аминокислот.
А теперь представьте, что по ходу репликации молекул РНК случайная мутация запустила нечто новое: РНК-мутант «уговорила» некоторые аминокислоты в окружающем бульоне собраться в цепочки и образовать первые рудиментарные белки (запустились грубые версии тех процессов, которые в настоящее время протекают в рибосомах).
Если при этом совершенно случайно оказалось, что некоторые из этих простейших белков повышают эффективность репликации РНК — в конце концов, катализ химических реакций есть одна из функций белков, — то эти белки ожидает щедрая награда: белки приведут мутантную форму РНК к доминированию, а большое количество мутантных молекул РНК поможет синтезировать больше белков.
Вместе они образуют химическую положительную обратную связь, которая сделает случайную молекулярную аберрацию нормой. Со временем продолжающиеся молекулярные «махинации», возможно, наткнутся на следующую химическую новость: двойную молекулу, напоминающую садовую лестницу, — некую рудиментарную форму ДНК, которая окажется более стабильной и более эффективной структурой для молекулярного копирования и потому постепенно узурпирует процессы репликации и сместит РНК на вспомогательные роли. Случайное образование молекулярных мешочков — стенок клетки — еще повысит приспособленность, сосредоточив химические вещества в ограниченных областях и обеспечив им защиту от внешних помех. Новинки распространятся по всей химической популяции, и все структуры, необходимые для рудиментарных клеток, будут в наличии[81].
Так родится клетка.
РНК-мир всего лишь одна из многочисленных гипотез, в которой особое значение придается генетическому компоненту жизни: молекулам, которые содержат в себе информацию и путем репликации передают ее последующим поколениям. Если гипотеза подтвердится, нам придется разбираться и с возникновением самой РНК; не исключено, что она могла появиться на еще более раннем этапе молекулярной эволюции из еще более простых химических составляющих. Другие гипотезы уделяют больше внимания метаболическому компоненту живого мира: молекулам, которые служат катализаторами реакций. Вместо самокопирующейся молекулы, способной играть роль белка, в этих сценариях в качестве отправной точки используются белковые молекулы, способные к репликации. Третьи сценарии рассматривают две совершенно отдельные линии развития, одна из которых ведет к появлению молекул, способных к самовоспроизведению, а вторая — молекул, способных служить катализаторами химических реакций; только позже оба эти процесса сливаются с образованием клетки, способной выполнять базовые функции размножения и обмена веществ.
Существует также множество предположений о том, где впервые сформировались химические предшественники жизни. Некоторые исследователи утверждают, что небрежное замечание Дарвина о «теплом мелком прудике» не слишком перспективно, потому что сотни миллионов лет на Землю обрушивался настоящий дождь каменных обломков, что делало ее поверхность не особенно гостеприимной[82].
Тем не менее биолог Дэвид Димер предположил, что для возникновения жизни необходима среда, в которой чередуются влажный и сухой периоды, как на кромке воды у берега пруда или озера. Исследования его команды показали, что циклическое чередование влажного и сухого периодов может подтолкнуть липиды к образованию мембран — клеточных стенок, внутри которых молекулярные фрагменты можно побудить соединяться в более длинные цепочки, сходные с РНК и ДНК[83]. Химик Грэм Кернс-Смит предположил, что кристаллы — системы, растущие за счет постоянного присоединения атомов и выстраивания из них упорядоченной повторяющейся структуры, — в микропорах глинистых оснований могли стать ранней системой самокопирования и предвестником подобного поведения у более сложных органических молекул на пути к жизни[84]. Еще одним убедительным вариантом, разработанным и предложенным геохимиком Майком Расселом и биологом Биллом Мартином, являются трещины на дне океана, из которых поднимаются теплые, насыщенные минералами струи, порождаемые взаимодействием морской воды с породами, составляющими мантию Земли[85]. Эти так называемые щелочные гидротермальные жерла представляют собой известковые трубы, поднимающиеся со дна океана — некоторые из них вырастают до высоты более 50 м, выше статуи Свободы, — и полные щелей и отверстий, через которые непрерывно вытекает энергичный поток химических соединений. Гипотеза состоит в том, что внутри многочисленных завихрений, возникающих в этих башнях, молекулярный дарвинизм творит свое химическое волшебство, создавая репликаторы, которые со временем становятся все более сложными и хитроумными и в конечном итоге порождают жизнь на Земле.
Исследования в этой области ведутся на самых передовых рубежах науки. Лабораторные попытки воспроизвести эти процессы интересны, но пока не дают однозначных результатов. Нам еще только предстоит создать жизнь с нуля. Я не сомневаюсь, что однажды, возможно скоро, нам это удастся. Пока же формируется общий научный нарратив по вопросу происхождения жизни. После того как молекулы обретают способность к репликации, случайные ошибки и мутации начинают питать молекулярный дарвинизм, продвигая химические составы вдоль важнейшего вектора увеличения приспособленности. На протяжении сотен миллионов лет этот процесс вполне способен выстроить химическую архитектуру жизни.
К этому моменту вы, возможно, уже пришли к выводу, что молекулы жизни, должно быть, прекрасно освоили курс органической химии. В противном случае откуда бы им знать все, что они, кажется, знают? Откуда ДНК знает, что нужно расщепиться пополам и дополнить обнажившиеся основания комплементарными основаниями, образовав таким образом точную копию первоначальной молекулы? Откуда РНК известно, что нужно делать копии отдельных участков ДНК, переносить эту информацию к соответствующим клеточным структурам, где другие, но родственные молекулы знают, как считать с этих участков генетический код и связать из подходящих цепочек аминокислот действующие белки?
Разумеется, молекулы ничего этого не знают. Их поведение управляется слепыми, неразумными законами физики. Но вопрос остается: как получается, что молекулы раз за разом надежно и точно реализуют поразительно хитроумную серию сложных химических процессов? Все это заставляет вспомнить перефразированный мною главный вопрос Шрёдингера из книги «Что такое жизнь?». Толкотня и блуждание молекул внутри камня управляется законами физики. Толкотня и блуждание молекул внутри кролика тоже управляется законами физики. Чем же они различаются? Теперь мы увидели, что частицы в кролике испытывают на себе дополнительное влияние внутреннего информационного архива кролика, его клеточного «программного обеспечения». При этом важно — критически, жизненно важно, — что эта информация не упраздняет законы физики. Их ничто не может упразднить. Вместо этого, примерно как водяная горка не упраздняет законы гравитации, но благодаря своей форме ведет съезжающего по особой траектории, по которой он без нее не стал бы двигаться, так и клеточное «программное обеспечение» кролика исполняется при помощи химических приспособлений, которые благодаря своей форме, структуре и составляющим ведут различные молекулы по траекториям, по которым они в иной ситуации тоже не стали бы двигаться.