Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Полной противоположностью этого варианта по сложности являются самовоспроизводящиеся автокаталитические наборы – модель, опробованная Стюартом Кауфманом в его новаторских исследованиях в прославленном Институте Санта-Фе. В добиологическом «бульоне» вначале плавали, по-видимому, сотни тысяч различного вида и происхождения мелкие молекулы на основе углерода. Нам уже известно, что некоторые из этих веществ являлись катализаторами реакций, порождающих новые молекулы, в то время как другие реакции ускоряли распад соседних веществ. Каталитическая система состоит из скопления молекул – возможно, тысяч молекул разного вида, действующих сообща, – которые ускоряют процесс воспроизводства самих себя, одновременно разрушая любые молекулы, не входящие в систему. Это своего рода молекулярный эквивалент выражения «богатые богатеют». Здесь, как и в случае с уксусно-лимонным циклом, молекулярная система еще не является собственно живой, но в определенном смысле способствует самовоспроизведению, будучи гораздо более сложной по составу, чем большинство неживых химических систем.
Третий сценарий предпочитают биологи, исследующие происхождение жизни, – это РНК, модель, основанная на гипотетической молекуле РНК, способной копировать саму себя. Чтобы понять привлекательность и популярность этой модели, надо снова вернуться к предыдущим рассуждениям, вспомнить две важнейшие функции жизни: метаболизм (производство вещества) и генетику (передачу следующим поколениям информации о том, как производить вещество). Современные клетки используют похожую на лестницу молекулу ДНК для накопления и копирования информации, необходимой для создания белка, но для создания самой ДНК они используют сложные многослойные белковые молекулы. Так что же появилось раньше, ДНК или белок? Выясняется, что в обоих этих процессах центральную роль сыграл третий тип молекул – РНК.
РНК представляет собой изящный полимер – длинную молекулу-цепь, собранную из более мелких отдельных молекул (нуклеотидов), вроде нити бус или цепочки букв в предложении. Четыре такие молекулярные буквы, обозначим их как A, C, G и U, могут нанизываться в любой последовательности, как закодированное сообщение. Эти «буквы» РНК на самом деле содержат генетическую информацию (подобно ДНК). В то же время молекулы РНК способны принимать самые сложные формы, которые обладают свойством катализировать важнейшие биологические реакции (подобно белкам). Именно молекулы РНК содействуют синтезу всех белков, передавая информацию и одновременно катализируя образование белков. Таким образом, из всех живых молекул именно РНК способна «сотворить все, что угодно».
Модель мира, основанная на РНК, предполагает, что некий, пока еще до конца не изученный химический механизм произвел бесчисленное количество нитей РНК или, возможно, похожей на нее информационно насыщенной молекулы. Почти все эти разнообразные нити ничего не делали: они либо выживали, либо постепенно распадались. Но небольшое количество отборных нитей РНК приобретали весьма полезные для себя свойства: они скручивались, обретая большую устойчивость, или крепко цеплялись за надежную неорганическую поверхность, или уничтожали соперничающие молекулы – в общем, еще один пример молекулярной конкуренции в добиологическом «бульоне».
Суть гипотезы о роли РНК в происхождении живого мира заключается в том, что одна из мириад этих нитей освоила хитрый трюк – как воспроизводить копии самой себя, т. е. превратилась в самовоспроизводящуюся молекулу. Нельзя сказать, что идея эта слишком надуманная. В конце концов, РНК во многом подобна ДНК, которая способна к самокопированию (репликации). Более того, РНК легко видоизменяется. Таким образом, первая молекула РНК, создавшая копию самой себя, пусть пока еще несовершенную, вскоре оказалась окруженной бесчисленными, хотя и слабыми, конкурентами – вариантами самой себя, часть которых, однако, быстро преуспела в искусстве репликации либо за счет экономии энергопотребления, либо в силу меняющейся окружающей среды. Такое успешное развитие молекулы РНК приблизило ее к необходимым условиям возникновения жизни: она превратилась в самоподдерживающуюся химическую систему, способную к усвоению нового и к развитию по Дарвину – иными словами, в пригодную к молекулярной эволюции.
Возможно, потребовалось много времени, чтобы возникла эта первичная, самовоспроизводящаяся молекулярная система, примитивная, но действующая, будь то в виде уксусно-лимонного цикла, системы автокатализа или репликации РНК. Но в ее распоряжении на протяжении многих миллионов лет было невообразимое число комбинаций молекул на триллионах триллионов минеральных поверхностей, занимавших более 500 млн км2 поверхности Земли. И вот одна из этих неисчислимых комбинаций в каком-то месте в какой-то миг сработала. Она освоила механизмы репликации и эволюции. Это новшество изменило мир.
Опыты биолога Джека Шостака в Бостонской лаборатории Гарварда демонстрируют силу избирательности в молекулярной эволюции. Большинство своих экспериментов группа Шостака начинает со смеси 100 трлн различных разновидностей РНК, каждая из которых состоит из 100 нитей произвольной последовательности A, C, G и U. Громадное количество нитей РНК скручивается, принимая разнообразные формы, и сталкивается с задачей: например, плотно соединиться с молекулой другой формы. Сотрудники лаборатории Шостака выливают раствор со 100 трлн нитей РНК в мензурку с мелким стеклянным бисером, причем каждая бусинка покрыта молекулой специфической формы. Эти молекулы становятся мишенями, действуя в насыщенном растворе РНК подобно крючкам. Большинство молекул РНК на эти крючки не реагирует, поскольку их формы не соответствуют эталону. Но небольшая доля скрученных молекул РНК прицепляется к бусинам-мишеням и закрепляется на них.
Здесь-то и начинается самое интересное, когда исследователи выливают использованный раствор (вместе с почти 100 трлн непригодных нитей РНК) и извлекают те немногочисленные нити, которые в силу случайных свойств формы прикрепились к стеклянным бусинам. Применяя стандартные приемы генетической технологии, имитирующие вероятные добиологические процессы, они готовят новую партию молекул РНК (тоже 100 трлн нитей), но на сей раз все молекулы являются сырыми копиями – мутантами тех немногих нитей РНК, которые проявили активность на первом этапе. Повторный этап дает новое поколение действующих молекул РНК, при этом в новом поколении находятся вариации молекул, которые реагируют на бусин-хозяев гораздо увереннее, чем первое поколение. Некоторые «дочки» первичных молекул намного превосходят по активности своих родителей. Процесс повторяется несколько раз, и с каждым поколением новые нити РНК крепятся к бусинам все активнее и прочнее, пока не выявятся самые способные из мутантов: они наиболее энергично сцепляются с выбранными мишенями.
Весь эксперимент длится несколько дней – меньше недели требуется на то, чтобы от случайных нитей возникло поколение прочно крепящихся молекул. Но попросите этих самых блестящих в мире исследователей смоделировать действующую молекулу РНК на пустом месте, они ответят, что это практически невозможно, даже с применением современных вычислительных ресурсов. Ни одна из известных сегодня методик не может точно предсказать, какую именно свернутую форму примет молекула РНК или как она прикрепится к другим молекулам сложной формы. Не интеллектуальный расчет, а сама молекулярная эволюция на сегодня является самым эффективным методом достижения результата. (Вот где истоки суждения, что, даже если жизнь сотворил Бог, у нее хватило ума воспользоваться эволюцией.)
Взрывное развитие жизни
В добиологическом «бульоне» любое скопление молекул, обладавших малейшим полезным свойством, имело преимущество. Но все эти молекулярные войны блекнут по сравнению с преимуществом, которым обладали нити РНК, способные не только функционировать, но и создавать копии самих себя. Молекула, обладавшая свойством репликации, обеспечивала себе выживание, создавая более или менее одинаковых «дочек». Процесс репликации был неизбежно беспорядочный, поэтому некоторые из копий оказывались мутантами. Большинство мутантов просто погибали или не обретали никакого особого преимущества, но некоторые превосходили своих родителей, и за счет этого осуществлялась эволюция системы. Благодаря какой-нибудь случайной ошибке исходная молекула производила потомство, которое лучше переносило высокое давление, повышение температур или солености окружающей среды; оно могло ускорить процесс репликации, находить новые источники питания или уничтожать более слабых конкурентов. Те молекулы РНК, которые надежно укрепились на минеральной поверхности или нашли безопасное убежище внутри мембранной капсулы, получили еще больше преимуществ.
