Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Маршалл Майкл

После 2000 года гипотеза о Мире РНК пережила еще несколько потрясений, что лишь простимулировало ее развитие. Другой студент Орджела, Джеральд Джойс, добился больших успехов в изучении проблемы самореплицирующейся РНК. Опираясь на идеи фон Кедровски и Кауфмана о молекулярных сетях, Джойс отказался от мысли о независимой репликации единственной молекулы РНК. Ему удалось получить пары РНК, в которых одна молекула синтезировала другую, – по сути, это была чрезвычайно простая версия автокаталитического набора.

В первое десятилетие XXI века Джойс и его коллеги Донг-Ын Ким и Трейси Линкольн поигрались со структурой рибозима, который исходно соединял две коротких РНК в одну длинную^[299]. В модифицированном виде этот рибозим соединял

уже два коротких фрагмента РНК, образовавших при этом другой рибозим. Этот второй рибозим, в свою очередь, сшивал две РНК и тем самым создавал копию исходного рибозима. При наличии достаточного исходного материала (а именно – коротких РНК с подходящей последовательностью) эти циклы могут работать бесконечно. Существует, конечно, соблазн задаться вопросом, откуда должны возникнуть эти самые новые короткие РНК, но для иллюстрации работы принципа эксперимент был чрезвычайно хорош.

Подобные исследования продолжаются и сейчас. Они доказывают, что РНК действительно способна к саморепликации. Однако последняя не происходит напрямую, как предполагали Орджел и Гилберт в своих описаниях единственного рибозима, могущего создавать собственные копии. Репликация РНК требует нескольких различных рибозимов, которые должны “работать в команде”. И такие наборы соединений вполне представимы.

Для Мира РНК это стало хорошей новостью. Данная гипотеза прошла через ряд серьезных испытаний и выдержала их благодаря, в частности, и таким вышеописанным открытиям, как разгадка устройства рибосомы и обнаружение способности монтмориллонита ускорять образование РНК из нуклеотидов.

Тем не менее биохимик Гарольд Бернхардт говорил не только от своего имени, когда называл гипотезу Мира РНК “худшей из теорий ранней эволюции жизни (если не считать всех других)”^[300]. К примеру, существуют сомнения в возможности образования нуклеотидов без ферментов – а без нуклеотидов РНК не построить. И это объясняет упорство тех ученых, которые продолжают отдавать предпочтение альтернативным нуклеиновым кислотам вроде ПНК.

В какой-то степени отношение исследователей к гипотезе РНК определяется тем, о какой именно ее версии мы говорим. “Жесткая” версия (Мир РНК в понимании Гилберта) гласит, что первые живые организмы состояли исключительно из РНК без каких-либо белков и прочих сортов макромолекул. Это представляется очень сомнительным. Пока никому не удалось показать, что целый метаболизм может держаться исключительно на рибозимах. А вот “мягкая” формулировка для многих оказалась приемлемой. Согласно этому сценарию РНК, хотя и стала первым генетическим материалом, предшествуя ДНК, тем не менее не взяла на себя абсолютно всю работу, уподобляясь какому-нибудь нелепому сверхчеловеку из книги Айн Рэнд^[301]. Другие макромолекулы, включая белки, также участвовали в зарождении жизни, играя при этом важную роль.

И все же даже эта новая редакция Мира РНК вызывает вопросы. В частности, если РНК действительно свободно плавали в первичном бульоне, непонятно, что удерживало их вместе и не давало “разбежаться” в разные стороны. То же касается и монтмориллонита: хороший ливень наверняка смыл бы с него РНК. Все это заставило некоторых ученых счесть идею Мира РНК неудачной… если только в начале истории жизни не нашлось чего-то, что могло удерживать все нужные биологические молекулы вместе.

Глава 9

Пузырьки

Пока мы рассмотрели только две альтернативы опаринской гипотезе первичного бульона: концепцию “вначале были белки” Фокса и Мир РНК. И та, и другая имеют сильные стороны, и все же обе далеки от совершенства.

Третья научная школа считала, что жизнь началась с некоего контейнера, компартмента, – чего-то, что могло удерживать все имевшиеся компоненты живого внутри себя. Эту модель можно обозначить как “вначале был компартмент”. Обычно она подразумевает некую примитивную форму внешних покровов или мембран, которые содержат в себе все компоненты современной клетки. Такие

объекты обычно называют “протоклетки”, но этот термин может создать ложное впечатление о наличии у них всех необходимых и функционирующих частей. На деле тут имеется в виду нечто вроде пузыря либо капли. И если такие пузыри могут удержать внутри себя другие необходимые вещества и тем самым сохранить целостность живой системы, то они вполне сгодятся на эту роль.

Другое огромное преимущество протоклеток – их способность эволюционировать за счет естественного отбора, поскольку они обладают индивидуальностью и вступают в конкуренцию друг с другом. А вот в беспорядочной смеси РНК, белков и т. д. в первичном бульоне никаких отдельных организмов быть не может. Хотя отдельные молекулы “умеют” соревноваться за ресурсы, это совсем не обязательно означает их постепенное усложнение.

Гипотеза “вначале был компартмент” имеет довольно запутанную историю. В какой-то степени она отражает развитие науки о внешней части клетки. И хотя именно этот компонент клетки был открыт первым (как раз его смог различить Роберт Гук, когда рассматривал пробку под микроскопом), устройство внешней части клетки стало понятно лишь в 1970-е годы^[302].

Первое затруднение здесь в том, что покровы разных клеток сильно отличаются друг от друга. Растительные клетки (вроде тех, что разглядел Гук) имеют так называемую клеточную стенку – толстую и прочную, хорошо различимую даже под слабым микроскопом. Но это скорее исключение, возникшее в ходе эволюции довольно поздно. Большинство же клеток ограничено лишь тонкими и очень пластичными внешними покровами – это так называемая плазматическая мембрана, или просто мембрана. Различить ее под микроскопом оказалось настолько трудно, что значительную часть XIX века ученые провели в спорах о том, нужны ли вообще для поддержания целостности клеток мембраны и существуют ли они в принципе. Эти споры стихли лишь в начале XX века, когда стало известно, что именно мембраны не позволяют некоторым веществам проникать в клетки или покидать их. Не то чтобы мембрана оказалась какой-то непреодолимой преградой, но все же она была препятствием посерьезнее, чем просто клеточное “желе”.

Далее возник вопрос о составе и структуре мембран. Первым к этому вопросу обратился британский биолог Чарльз Эрнест Овертон. После длительных экспериментов он в самом конце XIX века сделал верный вывод о том, что мембрана состоит из липидов. Это очень обширная группа химических соединений, которая пестрит названиями из лексикона домохозяйки: среди них мы, к примеру, встретим жиры, масла и холестерин^[303]. Общим для всех липидов является наличие длинных цепочек атомов углерода. Нередко они имеют форму головастика, “голова” которого представляет собой какую-то сложную молекулу, а “хвост” – прикрепленную к этой “голове” углеродную цепочку.

Липиды связывают с водой непростые отношения любви-ненависти. Большинство из нас слышало о том, что масло не смешивается с водой. Это легко проверить, добавив несколько капель растительного масла в емкость с водой: масло либо образует тонкую пленку на поверхности, либо соберется с округлые капли в водной толще.

Причина этого явления связана с распределением электронов в их молекулах. По длинной цепочке углеродов электроны распределены равномерно, поэтому у нее нет отдельных частей с сильным электрическим зарядом. Однако в случае молекулы воды мы наблюдаем гораздо более сложную картину. Электроны стремятся собраться возле кислорода, который из-за этого приобретает отрицательный заряд, в то время как на водородах накапливается положительный. Химики называют воду полярной молекулой, а углеродные цепочки липидов относят к неполярным. Оказавшись рядом, молекулы двух разных типов отталкивают друг друга. Неполярная цепочка липидов предпочитает общество других неполярных молекул, в то время как полярная молекула воды стремится двигаться к себе подобным. Молекулы, которые “не любят” воду, называют гидрофобными. Те, которые охотно смешиваются с ней, известны как гидрофильные.