Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

Такая изящная клеточная электросеть сегодня есть в каждой клетке. Благодаря ей те перестали быть привязаны к энергетическим потокам вблизи вулканических источников, и первые прокариоты начали бороздить океаны Земли, добывая энергию из молекул пищи и используя ее, чтобы формировать молекулы АТФ, которые поставляют энергию, необходимую для питания внутриклеточных механизмов.

Эти тонкие потоки энергии поддерживали сложную внутреннюю структуру клеток точно так же, как ядерный синтез поддерживает структуру звезд. Как и ядерные реакции, они позволили первым живым клеткам по требованию энтропии уплачивать налоги на сложность, поскольку в клетках, как и в звездах, много энергии тратится на то, чтобы обеспечивать работу сложных структур. Но, как и в звездах, много энергии просто выбрасывается, потому что ни одна реакция не эффективна на 100 %, а энтропия, конечно, очень любит, когда это происходит. И в клетках, и в звездах сконцентрированные потоки энергии нужны, чтобы уплачивать энтропии налоги и преодолевать универсальное стремление всех вещей к деградации.

В живом организме энергия выполняет новую функцию, которой у нее нет в звездах: она создает копии клетки. Эти копии позволяют клеткам сопротивляться энтропии, сохраняя свою сложную структуру даже после смерти отдельных из них. Потомки «Луки» выработали изящные и эффективные способы воспроизведения, которыми и сегодня пользуется все живое. В основе их лежит молекула ДНК, структуру которой Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон описали в 1953 году на основе исследований, проведенных ранее Розалинд Франклин. Принцип действия ДНК так важен для эволюции, что к этой удивительной молекуле стоит присмотреться внимательнее.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) тесно связана с РНК (рибонуклеиновой кислотой). Обе они – полимеры, длинные цепочки одинаковых молекул. Но если белки состоят из цепочек аминокислот, а мембраны – из фосфолипидов, то ДНК и РНК сделаны из длинных последовательностей нуклеотидов. Это молекулы сахара, к которым присоединены маленькие молекулярные группы, так называемые основания. Есть четыре типа оснований: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (T) (в РНК тимин заменяет урацил, U). А теперь магия. Крик и Уотсон показали, что эти четыре основания можно использовать как буквы алфавита, чтобы переносить огромные количества информации. Когда молекулы ДНК или РНК соединяются в гигантские цепочки, основания торчат сбоку, образуя длинную последовательность из А, С, G и T (или U в РНК). Каждая группа из трех букв кодирует определенную аминокислоту или содержит инструкцию, например «закончить считывание». Так, последовательность TTA означает «добавить молекулу аминокислоты лейцина», а TAG – это что-то вроде знака препинания, который говорит: «сейчас можно прекратить копирование».

Считывать и копировать информацию из молекул ДНК и РНК можно, потому что основания обычно соединяются друг с другом с помощью водородных связей, которые достаточно легко образуются и рвутся. При этом соединяются они только строго определенным образом. А всегда связывается с Т (или U в РНК), а C – с G. Особые ферменты подставляют участки ДНК, соответствующие определенному гену или кодирующие определенный белок, и каждое основание притягивает свою пару, чтобы сформировать новую короткую цепочку РНК из нуклеотидов, комплементарных исходной цепочке. Затем этот новый сегмент увлекает с собой большая молекула, так называемая рибосома, своеобразная белковая фабрика. Рибосома считывает последовательность букв в тройках и штампует соответствующие аминокислоты, одну за другой, точно в таком порядке, чтобы получился определенный белок, который затем отправляется в клетку выполнять свою работу. Так рибосомы производят тысячи необходимых клетке белков.

Наконец, молекулы ДНК и РНК могут использовать эти механизмы, чтобы копировать самих себя и всю информацию, которая в них содержится. Основания, торчащие сбоку от сахарно-фосфатных цепочек, прощупывают клеточный бульон и цепляются за основания, комплементарные себе. При этом С всегда цепляется за G, а А – за Т (или U в РНК). Новые присоединенные основания привлекают новые молекулы сахара, которые соединяются вместе, образуя новую цепочку, в точности комплементарную первой. В ДНК они обычно скрепляются, и бóльшую часть времени она имеет форму двойной цепочки или спирали, похожей на две винтовые лестницы. Она может очень плотно свернуться и отлично поместиться в каждой клетке, разворачиваясь только для того, чтобы ее считали или чтобы сделать собственные копии. А РНК обычно имеет вид одинарной цепочки, так что она, как белок, может принимать определенные формы и действовать в качестве фермента.

Эта небольшая разница между РНК и ДНК имеет колоссальное значение, потому что в результате ДНК обычно выступает в качестве хранилища генетической информации, а РНК может и хранить данные, и выполнять химическую работу. Она одновременно действует как аппаратное и программное обеспечение, поэтому многие ученые и считают, что когда-то, возможно еще при «Луке», бóльшая часть информации хранилась в РНК. Скорее всего, он и жил в таком мире – мире РНК. Но ДНК – более надежный носитель, потому что в беспокойной среде внутри клетки информацию на РНК постоянно сотрясают жестокие удары, а вот двойная нить ДНК защищает свои драгоценные данные от внешних потрясений. В мире РНК генетическая информация легко терялась и искажалась. Эволюция всерьез началась только после того, как потомки «Луки», настоящие прокариоты, которые сегодня преобладают среди микроорганизмов, построили мир, основанный на ДНК.

У первых прокариот были собственные мембраны, независимый метаболизм и более точные и надежные генетические механизмы, поэтому им удалось покинуть вулканические гидротермальные источники, где они появились на свет, и отправиться в плавание по океанам молодой Земли. Вероятно, это произошло уже 3,8 млрд лет назад.

Любая прокариота – это целое царство поразительной сложности. Миллиарды молекул плавают в густой жиже химических веществ, они тысячи раз в секунду толкают и тянут друг друга, будто туристы на шумном рынке, где полно торговцев, зазывал и карманников. Если вас посадить в одну из таких молекул, этот мир покажется вам ужасным. К вам попытаются привязаться ферменты, чтобы изменить вас, к примеру сцепить с другими молекулами и образовать новую группу, которая могла бы обходить рынки в поисках новых возможностей. Вообразите себе, что миллионы таких взаимодействий ежесекундно происходят в каждой клетке, и вы получите некоторое представление о бурной деятельности, которая поддерживала существование даже самых простых клеток на заре развития биосферы.