Тимо Зибер - Дикие гены

Появление глаз долгое время оставалось загадкой. Для подъема на новую ступень эволюции требуется случайное изменение, которое приносит пользу и может быть унаследовано. На первый взгляд трудно представить себе, как это может привести к возникновению глаза. С одной стороны, этот орган настолько сложен, что вряд ли мог сформироваться сразу. А с другой стороны, если сначала появился какой-то «полуфабрикат» глаза, то в чем могло заключаться его эволюционное преимущество? Над этой проблемой ломал голову еще британский естествоиспытатель Чарлз Дарвин, а критики теории эволюции долгое время использовали ее в качестве своего любимого аргумента.

Сегодня мы лучше разбираемся в ситуации и имеем представление о том, какими могли быть ступени развития. В качестве первого этапа на поверхности тела какого-то организма, видимо, появились отдельные клетки, способные воспринимать свет. С их помощью можно было отличить свет от темноты (нечто подобное и сегодня встречается у морских

звезд). Казалось бы, мелочь, но в мире, где все остальные живые организмы абсолютно слепы, такое «ясновидение» дает огромное преимущество. Если на вас вдруг падает тень проплывающего хищника, вы можете попробовать сбежать или спрятаться прежде, чем он до вас доберется.

На следующем этапе клетки, воспринимающие свет, начинают собираться на коже группами. Возникают плоские глаза, которые можно встретить, например, у медуз. Такими глазами можно очень и очень приблизительно оценить, где находится источник света или угрожающая тень. Если же плоский глаз оказывается не совсем плоским, а размещается в углублении кожи, наступает очередной этап. Теперь в зависимости от угла, под которым падает свет, не все светочувствительные клетки будут освещаться равномерно, и это позволит еще лучше определять направление.

Следующим шагом было маленькое изменение, имевшее колоссальные последствия. Углубление стало глубже, а отверстие на коже – меньше. Это впервые дало возможность получения пусть и не четкого, но все же изображения окружающей обстановки (тот же принцип используется в камере-обскуре). Подобные глаза без хрусталика сегодня можно встретить только у наутилуса – древнего родственника каракатиц. Правда, эта конструкция не лишена некоторых проблем: чем меньше отверстие, тем четче картинка, но при этом на светочувствительные клетки попадает меньше света и изображение становится темнее. Чтобы этого избежать, глазу требуется линза, которая фокусирует свет и делает изображение еще более четким. Предполагается, что она развилась из прозрачной пленки, защищавшей глаз от грязи.

Долгое время было неясно, развивались ли самые разнообразные типы глаз – от фасеточных у мух до громадного глаза гигантского кальмара диаметром 27 см – совершенно независимо друг от друга или у них был какой-то общий предшественник. Однако тот факт, что развитие глаз у разных видов живых организмов управляется очень схожими группами генов, позволяет говорить об общности происхождения.

Итак, мы преодолеваем последние ступени, спускаемся на нижний этаж (уже без глаз) в виде мифического самого первого одноклеточного организма и останавливаемся перед дверью, ведущей наружу. Она является разделительной чертой между живой и мертвой материей (так сказать, между жизнью и смертью). Там, за дверью, те же химические элементы, из которых построено все на свете. Но скачок между этими элементами и одноклеточным организмом поистине колоссален. Существуют ли какие-то промежуточные ступени?

Над вопросом возникновения жизни ломал голову еще Чарлз Дарвин. Первого февраля 1871 года он так описывал ход своих мыслей одному из друзей: в самом начале на пока еще мертвой Земле появился «небольшой теплый пруд», в котором простые химические соединения под действием света, тепла, электричества и других факторов соединились, образовав первую жизненную форму. Однако уже вскоре он отказался от этой идеи и написал, что все это чушь и что на данном этапе развития науки не имеет смысла всерьез размышлять об истоках жизни.

Даже почти сто лет спустя, когда наши познания в биологии существенно углубились, этот момент по-прежнему оставался загадкой. Что было ступенью, непосредственно предшествовавшей жизни? Она еще не могла быть столь сложной, как собственно жизнь, строящаяся на ДНК, РНК и белках, но все же должна была обладать способностью к размножению и развитию. Базовое построение клетки представляет собой настоящий гордиев узел. Для размножения ДНК клетке требуются РНК и белки. Чтобы производить белки, нужны ДНК и РНК. А РНК создается при считывании информации с ДНК с помощью белковых механизмов. И все это находится в неразрывной связи. Ни одно из звеньев не может быть опущено. Где же искать начало этого круговорота?

Решающим шагом к развязыванию узла стало исследование группы коротких молекул транспортных РНК, или тРНК. Эти молекулы играют крайне важную роль в синтезе белков. Они располагают нужными аминокислотами и могут распознавать кодоны мРНК. Это делает их центральными промежуточными элементами между генетическим кодом и белком. Такая их способность объясняется специфической структурой. Они состоят из одной нити, которая складывается таким образом, что отдельные участки РНК соединяются сами с собой, образуя короткие двойные нити. Благодаря этому осуществляется фиксация тРНК в сложной трехмерной форме с удвоением некоторых участков. Поэтому молекулы тРНК выглядят совершенно не так, как монотонная правильная двойная спираль ДНК. Фрэнсис Крик, считающийся открывателем двойной спирали, придал этой структуре огромное значение: «Молекула тРНК выглядит так, словно природа пытается возложить на нее задачи, присущие белкам!» Таким образом, тРНК стала доказательством того, что РНК не довольствуется ролью чистого передатчика информации. Благодаря перекрещиванию нити она, подобно белку, образует особые структуры и берет на себя активные функции.

Эти наблюдения стали источником вдохновения для трех ученых. В 1967–1968 годах они независимо друг от друга высказали идею, позволяющую разрешить проблему. Это были Фрэнсис Крик, американец Карл Вёзе (с ним мы подробнее познакомимся в 4-й главе) и англичанин Лесли Илизер Орджел. Орджел, являвшийся, между прочим, одним из участников «Клуба галстуков РНК», был ученым до мозга костей. Любовь к химии проявилась у него еще в подростковом возрасте, когда Лесли увлеченно изготавливал взрывчатку и применял ее на практике… Поэтому, если малолетняя шпана пытается взорвать ваш гараж, подумайте о том, что вы, возможно, имеете дело с научной элитой завтрашнего дня!

Исходя из свойств тРНК, все трое предположили, что в прошлом мог существовать такой механизм синтеза белков, при котором не требовалось брать за основу уже существующий белок. Для образца использовалась мРНК, в качестве передатчика кода выступала тРНК, а машина РНК производила белок. У сегодняшних живых организмов (это было известно уже в то время) такой машиной является рибосома – большой белковый комплекс, содержащий встроенные нити РНК, так называемые рибосомные РНК, или рРНК. Может, это реликт прежних времен?