Фрэнсис Крик - Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Таким образом, клетка — это миниатюрная фабрика, ведущая быструю, организованную химическую деятельность. В условиях соответствующих молекулярных воздействий фермент деловито синтезирует отрезки информационной РНК. Рибосома запрыгивает на каждую информационную молекулу РНК, двигается вдоль нее, считывая ее последовательность оснований и соединяя друг с другом аминокислоты (которые доставили ей молекулы тРНК) с тем, чтобы создать полипептидную цепь, которая, по завершении этого процесса, свернется и станет белком. Природа изобрела сборочный конвейер за несколько миллиардов лет до Генри Форда. Более того, этот сборочный конвейер производит много разных, весьма специфических белков, механических инструментов клетки, которые сами создают и восстанавливают органические химические молекулы для того, чтобы обеспечить сборочный конвейер сырьем, а также все молекулы, необходимые для устройства структуры фабрики, снабжают ее энергией, избавляют от отходов и выполняют другие Функции. Поскольку все это так сложно, то читателю не обязательно пытаться разобраться во всех этих тонкостях. Важно осознать тот факт, что несмотря на то, что генетический код почти универсален, механизм, необходимый для его реализации, слишком сложен для того, чтобы появиться внезапно. Он должен был развиться из какого-то более простого. Несомненно, что главная задача в понимании происхождения жизни — это попытаться разгадать, какой могла быть эта более простая система.
На этом этапе, возможно, стоит сравнить и сопоставить эти три больших семьи макромолекул: белок, РНК и ДНК. Молекулы белка, которые строятся из двадцати различных боковых цепочек, некоторые из которых химически довольно активны, более универсальны как класс, по сравнению с молекулами нуклеиновых кислот. Именно по этой причине все известные ферменты созданы из белков, хотя в некоторых случаях могут понадобиться мелкие органические молекулы, чтобы работать одновременно с ними в качестве фермента. Именно способность каждого фермента создавать или разрушать определенные химические связи позволяет современным клеткам вообще функционировать. Поскольку многие различные химические реакции необходимо подобным образом катализировать, то существует много различных видов ферментов.
В противоположность этому, не найдена ни одна молекула нуклеиновой кислоты, выполняющая функции катализатора. Обе, и РНК, и ДНК, имеют только четыре типа боковых групп вместо двадцати, и, несмотря на то, что они идеальны для репликации, потому что их основания так хорошо совпадают друг с другом, эти боковые группы не подойдут для химического катализа. Но РНК и ДНК могут делать то, чего не могут белки, — образовывать комплементарные структуры типа найденной в двойной спирали. Мы не знаем способа, которым молекула белка могла бы сделать то же самое, ну и, конечно же, этого не сделает современный белок с его двадцатью различными видами боковых цепочек.
Большинство химиков, занимающихся проблемой происхождения жизни, считают, что в начале первой появилась РНК, а ДНК является более поздним изобретением. РНК химически реактивнее ДНК, и, вероятно, ее было легче синтезировать в первозданных условиях Земли. Самые первые гены, должно быть, были созданы из РНК. Только позднее, когда генетическая информация увеличилась в длину, появилась необходимость в более устойчивой ДНК для обеспечения архивной копии.
Жизнь, какой мы ее знаем на Земле, представляется синтезом двух макромолекулярных систем. Белки, благодаря своей универсальности и химической реактивности, выполняют все функции, но неустойчивы для репликации самих себя любым простым способом. Нуклеиновые кислоты, по-видимому, специально созданы для репликации, но кроме нее могут успешно выполнять довольно небольшое количество функций по сравнению с более сложными и лучше оснащенными белками. РНК и ДНК — эти немые ткани биомолекулярного мира, которые, в основном, подходят для воспроизведения (с небольшой помощью со стороны белков), но от них мало пользы во многих действительно необходимых вещах. К проблеме происхождения жизни было бы намного легче подойти, если бы существовала только одна семья макромолекул, способная выполнять обе функции, репликацию и катализ, но жизнь, как мы знаем, задействовала две семьи. Возможно, это происходит благодаря тому, что не существует макромолекул, которые могли бы выгодно выполнять обе функции вследствие ограничений, накладываемых органической химией, то есть вследствие природы вещей.
Для того чтобы продвинуться дальше вперед, мы должны попытаться что-нибудь узнать о химических и физических условиях на первозданной Земле или на любой другой похожей планете К этому мы сейчас обратимся.
Глава 6. Первозданная Земля
Какие нужны вещества для образования материальной основы жизни? Жизнь, которую мы все видим вокруг себя, основана на атомах углерода, соединенных с водородом, кислородом и азотом, наряду с некоторым количеством фосфора и серы. Используя эти немногие виды атомов, можно создать огромное количество различных мелких молекул, то есть молекул, в которых, скажем, менее пятидесяти атомов, и почти неограниченное количество различных макромолекул, каждая из которых содержит тысячи атомов. Важны также и другие атомы, такие как заряженные атомы (ионы) натрия, калия, магния, хлористых соединений, кальция, железа и ряд других, но в большинстве случаев они не входят в состав органических молекул, а существуют, главным образом, самостоятельно. Для зарождения жизни был необходим запас большей части этих атомов. Как они образовались? Существовали ли они отдельно или в простых соединениях?
Оказывается, что все атомы, найденные в органической химии, очень реактивны. Даже в атмосфере они существуют в соединениях. Простые химические доказательства говорят о том, что водород соединится сам с собой для образования молекулы Н2, кислород — О2, а азот — N2. Мы также можем рассчитывать на простые соединения, такие как H2O (вода), NH3 (аммиак), СO2 (углекислый газ), CH4 (метан), и ряд других. Сегодня наша атмосфера состоит, в основном, из очень инертного газа азота (N2), наряду с примерно двадцатью процентами кислорода (O2), а также небольшого количества водяного пара (H2O) и даже еще меньшего количества углекислого газа (CO2).
Привычным стало представление о том, что первозданная атмосфера на Земле была совершенно иной. Поскольку водород — безусловно, самый распространенный элемент во Вселенной, то естественно было считать, что в первозданной атмосфере преобладал водород. В настоящее время почти весь кислород в воздухе образуется в процессе фотосинтеза. В древнейшие времена на Земле жизни не было, и поэтому кислород не мог образоваться подобным образом. Такая атмосфера, богатая водородом и бедная кислородом, известна как восстановительная, в отличие от современной атмосферы, которая называется окислительной. Эксперименты по пребиотическому синтезу, которые следует кратко описать, по-видимому, подтверждают этот вывод.
В последнее время эти представления подверглись сомнению. Водород такой легкий, что силы земного тяготения недостаточно для его удержания, и он довольно легко улетучивается в космическое пространство. Точная его скорость зависит от ряда факторов, особенно от температуры в верхних слоях атмосферы, так как чем выше температура, тем быстрее перемещаются атомы или молекулы, и тем легче они улетучиваются в космическое пространство. Теперь считается вполне возможным, что значительное количество первоначально образовавшегося водорода улетучилось так быстро, что он никогда не преобладал в атмосфере.
А что же кислород? Если его нельзя было вырабатывать с помощью фотосинтеза, то есть ли какой-нибудь другой возможный механизм? Почти не вызывает сомнений, что на первозданной Земле было много воды, в частности, в ее атмосфере. В благоприятных условиях ультрафиолетовый свет может расщеплять воду на составляющие ее элементы. Если образованный таким образом водород затем улетучился в космическое пространство, то оставшийся кислород, вероятно, накапливался, и если процесс проходил в довольно большом масштабе, то атмосфера могла бы обогатиться кислородом. Сегодня, из-за химического состава современной атмосферы, этот процесс уже не вырабатывает кислород со значительной скоростью, но, по крайней мере, возможно, что в отдаленном прошлом условия настолько отличались, что кислород создавался более свободно.
Конечно, кислород и водород не были единственными элементами, которые содержались в воздухе. В нем, вероятно, было много азота, некоторое количество углерода и, возможно, немного серы, хотя последние два, скорее всего, входили в состав соединений. Может быть, в ней присутствовали газы N2 и СО2, а также в меньших количествах СН4, CO и, возможно, NH3 и H2S (сероводород). Что совершенно неясно, так это их точное количественное соотношение, в частности, количество H2 и O2.
