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.
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 пр