Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной
Шрифт:
Теперь вернемся к нашей популяции репликаторов и посмотрим, к чему там приведет неточное копирование. Очевидно, что вместо однородной совокупности идентичных друг другу репликаторов мы получим разношерстную смесь. По всей вероятности, многие неточные копии утратят способность к самоудвоению, которой обладали их “предки”. Но некоторые из них сохранят это свойство, будучи непохожими на своего “родителя” в каком-то другом отношении. Таким образом, ошибки, допущенные при копировании, будут в данной популяции размножаться.
При виде слова “ошибка” выбросьте из головы все негативные ассоциации. Здесь имеется в виду исключительно ошибка в смысле точности по отношению к первоисточнику. Ошибка вполне может оказаться и улучшением. Полагаю, многие изысканнейшие блюда появились на свет благодаря тому, что повар ошибся, когда пытался следовать рецепту. Среди тех моих научных идей, которые я могу назвать более или менее оригинальными, некоторые возникли потому, что я неправильно понял или неправильно прочел чью-то мысль. И если ошибки у первых репликаторов
Что в данном случае означает “лучше”? В конечном счете — эффективнее в деле самоудвоения, но в чем это будет выражаться на практике? Тут мы приходим к нашему третьему ингредиенту. Я назвал его “властью”, и сейчас вы поймете почему. Описывая репликацию как процесс изготовления на матрице, мы видели, что последним этапом этого процесса является отсоединение новой копии. Длительность этого этапа может зависеть от некоего свойства исходной матрицы — назовем его “липучестью”. Представьте себе, что в нашей популяции репликаторов, отличающихся друг от друга вследствие тех ошибок, которые их “предки” совершили при копировании, некоторые разновидности липучее других. Очень липучей разновидности требуется в среднем час на то, чтобы отсоединить новую копию и начать весь процесс заново. Наименее липучая разновидность отпускает от себя каждую новую копию сразу же, как только эта копия оказывается готова. Какая же из этих двух разновидностей репликаторов окажется преобладающей в популяции? Ответ несомненен. Если это различие между разновидностями единственное, то более липучая станет со временем намного менее многочисленной. Нелипучие репликаторы будут штамповать свои нелипучие копии в тысячи раз быстрее, чем липучие репликаторы — создавать липучие копии. Варианты с промежуточной липучестью будут размножаться с промежуточной скоростью. Налицо будет “направление эволюции”, ведущее к снижению липучести.
Нечто подобное такому элементарному естественному отбору было воспроизведено в пробирке. Вирус, называемый Q, паразитирует на кишечной бактерии Escherichiacoli. У Q нет ДНК, но зато он содержит, а на самом деле в значительной степени состоит из похожей на нее одноцепочечной молекулы РНК. Как и ДНК, РНК способна реплицироваться и делает это очень похожим способом.
Обычно сборка молекул белка происходит в соответствии со спецификацией, переписанной на РНК. Это рабочие копии инструкций, снятые с оригиналов ДНК, хранящихся в бесценных архивах клетки. Но теоретически возможно построить особый станок — представляющий собой, как и все клеточные машины, молекулу белка, — который будет снимать РНК-копии с РНК-копий. Такой станок называется молекулой фермента РНК-репликазы. Сама бактериальная клетка в этих машинах не нуждается и потому их не строит. Но, поскольку репликаза — это такая же молекула белка, как и все остальные, ничего не стоит заставить многофункциональные клеточные станки производить ее, точно так же как в военное время производственные мощности автомобильного завода легко перепрофилируются для производства вооружений, достаточно только снабдить их для этого нужными чертежами. Тут-то и выходит на сцену вирус.
Активная составляющая вируса — это проект, зашифрованный в РНК. На первый взгляд эта РНК ничем не отличается от таких же рабочих чертежей, разбросанных в клетке повсюду. Но если вы разберете, что именно там написано, вам откроется нечто дьявольское. В этих чертежах излагается подробная инструкция по созданию РНК-репликазы — машины, которая будет создавать новые копии все тех же чертежей, которые будут создавать новые машины, которые будут создавать новые копии чертежей, которые…
Итак, наш завод оказывается захвачен своекорыстными чертежами. В каком-то смысле он сам на это напросился. Если вы оснастите завод хитроумными механизмами, способными изготовить все, что им только скажет первый попавшийся чертеж, то вполне можно ожидать, что рано или поздно появится такой чертеж, который будет велеть им изготавливать копии самого себя. Завод будет все больше и больше заполняться неуправляемыми станками, штампующими все больше и больше неуправляемых чертежей, чтобы производить еще больше станков, штампующих еще больше чертежей. В конце концов несчастная бактерия лопнет и высвободит миллионы вирусов, которые будут заражать новые бактерии. Таков нормальный жизненный цикл данного вируса в природе.
Я называл РНК-репликазу и РНК станком и чертежом соответственно. В некотором роде так оно и есть (мы обсудим эту аналогию с других позиций в одной из следующих глав), но кроме того, это еще и молекулы, а значит, химики могут выделить их в чистом виде, разлить по бутылочкам и поставить на полку. Именно это и сделали Сол Шпигельман и его коллеги в 1960-х гг. в Америке. Затем они поместили оба этих вещества в один раствор, и произошла потрясающая вещь: молекулы РНК в пробирке стали служить матрицами для копирования самих себя при помощи молекул РНК-репликазы. Производственные мощности и чертежи были экстрагированы и хранились в холодильнике по отдельности. Но стоило им дать доступ друг к другу в присутствии воды и маленьких молекул, служащих в качестве сырья, как они
Тут уж рукой подать до естественного отбора и эволюции в пробирке. Перед нами не что иное, как химический вариант компьютерных биоморф. Если вкратце, то данный экспериментальный метод состоит в том, чтобы выстроить длинный ряд из пробирок, содержащих раствор РНК-репликазы и исходный материал — маленькие молекулы, использующиеся при синтезе РНК. В каждой пробирке имеются и производственные мощности, и сырье, но все это простаивает безо всякой пользы и ничего не делает, поскольку отсутствуют чертежи, по которым можно было бы работать. Затем в первую пробирку добавляется крошечное количество РНК. Станки-репликазы мгновенно принимаются за работу и производят множество копий только что добавленных молекул РНК, которые таким образом заполняют всю пробирку. Теперь капля раствора из первой пробирки добавляется во вторую пробирку. Там весь процесс повторяется, после чего капля из второй пробирки пересеивается в третью, и т. д.
Благодаря случайным ошибкам при копировании время от времени могут самопроизвольно возникать мутантные молекулы РНК, слегка отличающиеся от исходного варианта. Если такая новая разновидность окажется, по какой угодно причине, более конкурентоспособной по сравнению предыдущей — более конкурентоспособной в том смысле, что, возможно, из-за своей меньшей “липучести” или еще из-за чего-нибудь она реплицируется быстрее или в каком-то другом отношении эффективнее, — тогда очевидно, что она распространится по той пробирке, где ей довелось возникнуть, и численно превзойдет давшую ей начало РНК родительского типа. А значит, при переносе капли раствора в следующую пробирку туда будет пересеиваться преимущественно новая, мутантная РНК. Изучая образцы РНК в длинном ряду сменяющих друг друга пробирок, мы увидим то, чему нет иного названия, кроме как “эволюция”. Наиболее преуспевшие в конкуренции разновидности РНК, которые получаются по прошествии определенного числа “поколений” пробирок, можно разлить по пузырькам и как-нибудь назвать для дальнейшего использования. К примеру, одна из таких разновидностей, названная V2, удваивается намного быстрее обычной РНК вируса Q — возможно, потому что она короче. В отличие от РНК Q ей не нужно “беспокоиться” о том, чтобы иметь последовательности, кодирующие репликазу. Репликазой ее задарма снабжают экспериментаторы. РНК V2 была использована калифорнийскими исследователями под руководством Лесли Оргела в интересном опыте, где ей были созданы “невыносимые” условия для существования.
К ней в пробирки добавлялся бромистый этидий — яд, который подавляет синтез РНК, выводя из строя “станки”. Оргел и его коллеги начинали работу с небольшими дозами этой отравы. Сперва скорость синтеза упала, однако, проэволюционировав в течение где-то девяти пробирочных “поколений”, возник новый штамм РНК, устойчивый к воздействию яда. Скорость синтеза РНК стала сопоставимой со скоростью синтеза обычной РНК V2 при отсутствии ингибитора. Тогда Оргел с коллегами удвоили концентрацию яда. Как и в прошлый раз, скорость синтеза РНК понизилась, но после десяти или около того пересевов из пробирки в пробирку был получен штамм РНК, нечувствительный даже к этой, более высокой концентрации. Затем концентрацию яда удвоили еще раз. Так, путем последовательных удвоений, удалось вывести штамм РНК, способный к самовоспроизведению при концентрациях бромистого этидия, в десять раз превышающих ту, которая подавляла репликацию исходного предка — РНК V2. Новая, устойчивая РНК была названа V40. Для эволюции V40 из V2 потребовалось около 100 “поколений” пробирок (разумеется, перед каждым переносом в следующую пробирку успевало смениться множество “настоящих” поколений реплицирующейся РНК).
В других своих экспериментах Оргел не добавлял в реакционную смесь фермент. Выяснилось, что и при таких условиях РНК способна самопроизвольно реплицироваться — правда, очень медленно. По-видимому, она может использовать и другие катализаторы, например цинк. И это очень важно, поскольку на самых ранних этапах жизни, когда только появились первые репликаторы, молекулам ферментов, которые могли бы помочь им реплицироваться, неоткуда было взяться. Цинк же там, по всей вероятности, был.
С десяток лет назад влиятельная группа немецких ученых-единомышленников, работающая под руководством Манфреда Эйгена над проблемой возникновения жизни, провела противоположный опыт. Эти экспериментаторы смешали в пробирке репликазу и строительные блоки РНК, но саму РНК не засеяли. Тем не менее определенный тип крупных молекул РНК возник в этой пробирке спонтанно. И точно такая же РНК снова и снова возникала эволюционным путем в независимых аналогичных экспериментах! Тщательная проверка исключила возможность случайного загрязнения пробирки молекулами РНК. Этот результат поразителен, если подумать о том, насколько статистически невероятно, чтобы одна и та же крупная молекула самопроизвольно возникла дважды. Это намного невероятнее, чем случайно напечатать METHINKS IT IS LIKE A WEASEL. Подобно этой фразе в нашей компьютерной модели, получившаяся последовательность РНК создавалась постепенно, путем накапливающей эволюции.