Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Шрифт:
Репликация ДНК совсем не такая. Для того чтобы заработал естественный отбор, важно, чтобы саму эту копию можно было скопировать. Репликация ДНК больше похожа на отливку фрагмента скульптуры из литейной формы, так как если она достаточно простая, то саму скульптуру можно использовать для создания дополнительной формы. Основная разница заключается в том, что нить ДНК строится лишь из четырех стандартных отрезков. Очевидно, что это не относится к большинству фрагментов скульптуры.
Если мы исследуем процесс репликации ДНК, то увидим, что здесь есть ряд основных требований. Если мы начнем с двойной спирали, то обе цепочки должны каким-то образом разделяться. В наличии должен иметься запас из четырех элементов, каждый из которых состоит из характерного участка остова, — одна молекула сахара объединяется с одной молекулой фосфата, — и включает одно из четырех оснований, присоединенное к сахару. Такая состоящая из трех частей молекула называется нуклеотид. На практике эти первичные элементы имеют не просто один фосфат, а три, расположенные в ряд, причем два других отделяются
Таковы в общих чертах требования. Когда исследуешь реальную систему репликации, то обнаруживаешь, что она значительно сложнее. Прежде всего, когда начинается синтез, обе цепочки еще полностью не разделились. Синтез новых цепочек происходит в процессе разделения, поэтому некоторые части двойной спирали копируются еще до того, как разделились другие более удаленные участки. Есть особые белки, функция которых состоит в том, чтобы раскрутить двойную спираль, и вместе с другими, которые могут создать ники [4] в остове, дать возможность одной цепочке вращаться вокруг другой, и затем вновь объединить разорванную цепь. Так как обе цепочки двойной спирали быстро двигаются в противоположных направлениях, и так как, говоря химическим языком, синтез проходит только в одном направлении, то мы обнаружим, что синтез происходит в прямом направлении на одну из цепочек и в обратном направлении на другую, поэтому механизм должен учитывать эту сложность. Более того, новый фрагмент цепочки ДНК обычно начинается как небольшой отрезок РНК, с которым затем объединяется более длинный фрагмент ДНК. Существуют добавочные белки, которые затем вырезают этот праймер РНК и заменяют его эквивалентным отрезком цепочки ДНК, и затем объединяют все воедино без разрыва. Мы знаем, что для синтеза одного вида небольшого вируса, созданного из ДНК, требуется почти двадцать различных белков; какие-то из них выполняют одну функцию, какие-то — другую. Это очень характерно для биологических процессов. Лежащий в их основе механизм должен быть простым, но если процесс биологически важен, тогда в длительном ходе эволюции естественный отбор усовершенствует и приукрасит его, с тем чтобы он мог функционировать как быстрее, так и точнее. Именно вследствие этой причудливой усложненности биологические механизмы часто так трудно разгадать.
4
Ник — разрыв одной внутренней фосфодиэфирной связи в двунитевой ДНК. — Прим. перев.
К счастью, как мы отмечали ранее, нам не нужно задерживаться на этих сложностях. Когда зародилась жизнь, химия, должно быть, была относительно простой. Здесь важно уяснить, что четкая геометрия пар оснований, которая лежит в основе правил спаривания, предоставляет удобный случай особой репликации, даже в совершенно простых системах. Мы видим, что решающей в ДНК является не ее двойная спираль. Действительно, простой вирус может иметь в качестве своего генетического материала единственную нить ДНК, и она может быть настолько коротка (длиной лишь в пять тысяч оснований), что ей не требуется вторая цепочка в качестве страховки от повреждения. Основная особенность заключается в том, что в механизме репликации должна использоваться простота особых пар оснований для построения новой цепочки с комплементарной последовательностью оснований по отношению к старой. Именно эта простота заставляет нас считать, что она использовалась в самых древних живых системах. Вопрос о том, остаются ли обе цепочки, новая и старая, вместе после репликации, менее важен.
Здесь мы должны сказать несколько слов о близкой родственнице ДНК — РНК. (Подробнее различные виды РНК описаны в приложении.) Как мы уже объясняли, генетическая информация в каждой клетке высшего организма закодирована как подробная последовательность оснований ряда очень длинных молекул ДНК. В любое время многие более короткие участки этой последовательности копируются на однонитевые молекулы РНК и используются клеткой в качестве рабочих копий. Некоторые из них используются для структурных целей, но большинство как информационные РНК — инструкции для синтеза белка. Это происходит в очень сложных молекулярных структурах, называемых рибосомами, и для этого необходим дополнительный молекулярный аппарат, в частности, набор транспортных молекул РНК (тРНК).
Это, безусловно, очень сложная, но сложна она, в основном, потому, что должна выполнять сложную функцию. Процесс создания однонитевой копии РНК участка ДНК, который называется транскрипцией, относительно прост, и, чтобы направлять его, необходим лишь достаточно крупный белок. Процесс синтезирования белка с использованием фрагмента информационной РНК в качестве инструкций, который называется трансляцией, обязательно сложнее, так как инструкции написаны на языке РНК, состоящем из четырех букв, а их следует перевести с помощью химического механизма на язык белка из двадцати букв. Действительно, очень удивительно, что такой механизм вообще существует, и еще удивительнее, что любая живая клетка, животного ли, растения или же микроорганизма, содержит его вариант. Его открытие явилось одним из триумфов молекулярной биологии.
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?