.
Именно поэтому РНК занимает центральное место в фантазиях биологов о происхождении жизни. Самый простой способ представить, как могла появиться Центральная догма, – это сначала представить себе самодостаточную, самокопирующуюся молекулу РНК, а затем то, как эта РНК обзавелась белками, научившись превращать свою собственную четырехбуквенную последовательность в совершенно новую, более многофункциональную цепь из 20 аминокислот. Это открыло перед РНК невиданные возможности для оптимизации собственных функций, включая производство более стабильного, двухцепочечного архива – молекулы ДНК.
КСТАТИ
РНК-мир – ни в коем случае не установленный факт, а только гипотеза: при написании этой книги, например, мне пришлось отбиваться от знакомых эволюционистов, яростно и вполне убедительно доказывающих, что первыми должны были появиться не нуклеиновые кислоты, а белки, то есть что Берцелиус со своем термином «протеин» («первовещество») попал в точку.
Если же все-таки следовать мнению большинства и верить в РНК-мир, можно сказать, что РНК – это исходная форма жизни, главным событием в истории которой стало изобретение белков14, 15. В современной клетке почти все важное делают белки, а РНК в основном просто переносит генетическую информацию. Но некоторые из наиболее древних клеточных машин сохранили в себе, как предполагается, следы добелкового мира, в котором РНК сама выполняла химическую работу. Главная из таких машин – рибосома, станция производства белка.
Рибосома – это конгломерат из нескольких десятков молекул, включающих РНК и белки, но первенство в синтезе белка принадлежит именно РНК16. Рибосомная РНК ответственна за самую главную ступень процесса: формирование пептидной связи, то есть связи между двумя аминокислотами в растущей цепи белка. Другая РНК, называемая транспортной, выступает в качестве переносчика аминокислоты. Она подставляет нужную аминокислоту под растущую цепь белка в зависимости от того, какое трехнуклеотидное «слово» в данный момент проходит сквозь рибосому в составе матричной РНК, с которой белок считывается.
Сказать, что в ходе трансляции одни РНК берут другую РНК и делают на ее матрице белок, – преувеличение, но не слишком большое. То есть в истории жизни вполне можно представить себе момент, когда доселе самостоятельные РНК научились производить на своей основе белки и заложили тем самым основу будущей Центральной догмы.
В общем, если возможен абиогенез РНК-мира, имея миллиард-другой лет и долю фантазии, можно получить все остальное. Поэтому ключевые вопросы о происхождении жизни на сегодняшний день сводятся к следующим: возможна ли самодостаточная, самокопирующаяся РНК? Если да, то могла ли она появиться случайно? Если да, то где?
Ответ на первый вопрос, похоже, утвердительный. Даже не имея в распоряжении миллиарда лет, ученые умудрились искусственно создать РНК-систему, неограниченно воспроизводящую саму себя без участия белков или каких-либо других молекул17, 18. Нюанс в том, что система эта состоит не из одной самодостаточной молекулы РНК, нанизывающей нуклеотид на нуклеотид, а из нескольких молекул, чья совместная деятельность замкнута в цикл самовоспроизведения: каждая молекула делает что-то свое, но в сумме получается копия всей системы.
Это не сильно усложняет гипотезу происхождения жизни, даже наоборот, так реалистичней. Вместо рождения одной-единственной волшебной молекулы, которая внезапно начинает копировать себя, проще представить бульон из случайных, разнообразных молекул, каждая из которых исполняет какую-то случайную химическую реакцию19–21. Большинство из этих реакций никуда не ведут, но в один прекрасный день возникает такая комбинация реакций, которая приводит к собственному началу, то есть замыкается в цикл. Поскольку при таком варианте молекулы – участники цикла будут удваиваться, со временем их станет больше, чем молекул с «бесполезными» свойствами.
На мой взгляд, гипотеза каталитического РНК-цикла – самая правдоподобная версия происхождения жизни на Земле. По такой версии, жизнь возникла в то мгновение, когда на свалке молекул случайная комбинация химических реакций замкнулась в кольцо и тем самым впервые закрутила колесо непрерывного воспроизведения информации, не останавливающееся до наших дней.
Второй вопрос – могла ли РНК появиться случайно? – требует решения нескольких проблем. Нужно, чтобы случайно появились нуклеотиды, отдельные «буквы», детали РНК. Нуклеотид, конечно, проще, чем целая РНК, но все равно довольно сложная молекула, и долгое время его самопроизвольное происхождение без участия белков-ферментов, синтезирующих нуклеотиды в современном живом организме, казалось маловероятным. Это один из аргументов в пользу первичности белка: аминокислоты проще, чем нуклеотиды, поэтому спонтанное появление белков требует меньше воображения, чем появление РНК. Тем не менее недавние исследования22 показывают, что ядро нуклеотида может эффективно собраться из очень простых компонентов в условиях, напоминающих условия древней Земли. Но и этого мало. Нужно чтобы нуклеотиды самопроизвольно объединялись в цепочки достаточной длины. В современных организмах это происходит только при копировании ДНК или РНК – то есть, чтобы сделать длинную цепочку, нужен исходник в виде другой длинной цепочки. Но как могли появиться первые длинные цепочки?
Здесь принципиальным может стать ответ на третий вопрос: где именно могла появиться РНК? Возвращаясь к метафоре с боингом, свалкой и ураганом, место действия должно отвечать определенным условиям: в нем должно быть достаточно нужного вещества (свалка) и достаточно внешней энергии (ураган). Есть и другие условия: например, место должно быть в водной среде (иначе никакие биологические молекулы работать не умеют), но при этом обладать пространственными ограничениями (иначе они бы просто рассеялись по океану). В идеале место происхождения РНК еще должно как-то решать задачу синтеза длинных цепей.
Есть масса версий о месте рождения жизни. По одной версии, например, РНК появилась во льдах23–26. Физико-химические свойства льда таковы, что он может решить проблему длинных цепочек (они стабильнее при низких температурах) и пространственных ограничений (в смеси воды и льда вещества рассеиваются гораздо меньше, чем просто в воде). Но лед проблематичен как источник веществ (не совсем понятно, откуда браться исходному материалу) и энергии (при низкой температуре все химические реакции идут медленнее).
По другой версии, жизнь появилась в «маленьком теплом пруду» – эту фразу придумал еще Дарвин27.
Классику виделся резервуар воды, в котором накапливались неорганические вещества, как накапливается соль в кастрюле, из которой выпаривают воду. Сегодняшние сторонники версии «пруда» считают, что исходные органические вещества – стройматериалы для будущей жизни – могли быть занесены туда метеоритами28. Такой маленький пруд решает проблему вещества и пространства, а дополнительная энергия – солнечный жар и электричество молнии – позволяет этому веществу превратиться в живое. А. И. Опарин в 1930-е гг. дополнил дарвиновскую идею «первичного бульона» концепцией коацерватов – сгустков вещества, напоминающих взвесь капель масла в воде29. В его представлении, коацерваты позволяли веществу концентрироваться в еще более мелких объемах, чем «маленький пруд», и в конечном итоге эти сгустки превратились в полноценные клетки. Ни Дарвин, ни Опарин, впрочем, никак не объясняют, каким образом могли появиться первые самовоспроизводящиеся молекулы.
КСТАТИ
«Еще Дарвин» – это такой особый персонаж любой книги про эволюцию, который все всегда придумывает раньше других. У него есть брат «Даже Дарвин», тоже человек больших талантов. Они как «старожилы», которые никогда ничего не помнят независимо от контекста и географического положения.
Сегодня есть несколько версий того, откуда эти молекулы могли возникнуть. Наиболее популярны в качестве кандидатов на роль колыбели жизни разные формы гидротермальных источников – подводных или прибрежных гейзеров, через которые из недр земли сочится горячая вода11, 30.
Вода в гидротермальных источниках богата разнообразными минералами, откладывающимися на месте разлома в виде труб и столбов. Минералы существенно расширяют спектр возможных молекул и их превращений. Гидротермальные источники – настоящие химические реакторы. С одной стороны, подземный жар дает им энергию, причем на промежутке от кипящего центра до холодного океана в них найдется любая оптимальная температура, а сам перепад может иметь принципиальное значение для перемешивания взаимодействующих молекул. С другой стороны, толща гидротермальных «столбов» обычно пористая, что решает проблему пространственных ограничений наподобие опаринских коацерватов: микроскопические пустоты могли служить замкнутыми лабораториями для разработки первых биомолекул. Наконец, гидротермальные источники по своим физико-химическим свойствам напоминают активированный уголь: к ним все липнет. Сложные молекулы оседают на поверхности пустот в пористой толще, а это, в свою очередь, во много раз повышает вероятность химических реакций между ними31–34, и таким образом потенциально решается проблема возникновения длинных цепей РНК.
Вполне возможно, что роль гидротермальных источников в истории жизни на планете еще значительней. Там вполне мог жить, например, наш универсальный дед Лука. По разным причинам с подводными гейзерами связывают происхождение и клетки35, и обмена веществ36, и даже зачатков фотосинтеза37 – все это принципиальные события в истории жизни, о которых пойдет речь в следующих главах. Вполне возможно, что гидротермальные источники были главным местом обитания живых организмов на протяжении миллиардов лет.