Ричард Докинз - Человек в космосе. Отодвигая границы неизвестного [сборник litres]

Опять же, мы в принципе можем ответить на некоторые из этих вопросов, проводя относительно несложные лабораторные тесты.

Как мы изучаем происхождение жизни? Какие эксперименты нам доступны? Откуда мы вообще знаем, какими вопросами задаваться? Существует два фундаментально различных подхода к исследованию происхождения жизни. Можно начать «сверху», с современной биологии, и двигаться как бы назад во времени. А можно начать «снизу», отталкиваясь от химии, и двигаться вперед к возникновению органической жизни.

Давайте сначала рассмотрим подход «сверху вниз». На протяжении почти всей человеческой истории логически рассуждать о возникновении жизни было очень трудно – и тому есть причина. Современная жизнь – вся современная жизнь, даже простейшие бактерии – невероятно сложна. В ней много подвижных деталей, а в геномах закодированы огромные массивы информации. В современных клетках мы находим прекрасные, но сложные и запутанные структуры, отвечающие за их форму и механику. В основе этой сложной структуры лежат еще более сложные химические процессы. Даже крошечная часть схемы, описывающей метаболизм, будет содержать десятки химических реакций. И все эти реакции ускоряются сложными белковыми ферментами, аминокислотные последовательности которых закодированы в генетической информации клетки.

Если мы отбросим детали и попытаемся взглянуть на самую базовую организацию современной жизни, мы увидим, что и она чрезвычайно замысловата. ДНК является носителем для архивного хранения информации, и эта информация транскрибируется в РНК, химически очень похожую молекулу. Получающийся в результате транслятор РНК (матричная РНК, или просто мРНК) кодирует синтез белков, которые отвечают за большую часть процессов в современных клетках. Другие РНК помогают производить эти белки, например, катализируя синтез белка в рибосоме. В дополнение к линейному переходу от ДНК к РНК и от РНК к белку (этот переход известен как «Центральная догма молекулярной биологии») мы знаем, что ДНК требуется, чтобы сделать еще больше ДНК, и оказывается, что определенные молекулы РНК нужны для создания других молекул РНК. Также, чтобы сделать ДНК и РНК, нужны белки, и даже чтобы сделать белки, нужны другие белки. Получается, что в современной клетке буквально все зависит от всего остального!

Как такая система могла спонтанно возникнуть? Эта головоломка долго оставалась нерешенной. Правильный ответ впервые прозвучал в конце 1960-х годов из уст нескольких очень умных людей, в частности, Фрэнсиса Крика, Лесли Орджела и Карла Вёзе. Они предположили, что жизнь началась с одного биополимера, и это наверняка была РНК – связующее звено Центральной догмы молекулярной биологии. В те годы никто обратил особого внимания на эту идею, потому что она казалась диковинной и нелепой.

Однако в начале 1980-х годов Том Чек и Сидни Олтман экспериментально показали, что эта молекула-посредник (РНК) может катализировать (то есть ускорять) химиче-ские реакции. Это дало ученым возможность взглянуть на зарождение жизни совершенно по-другому. Вместо сложной современной жизни мы можем представить себе более простую раннюю форму, где у клетки, по сути, всего два компонента: мембрана и внутри нее сколько-то молекул РНК. Мембрана может состоять из «мылоподобных» молекул, которые образуют границу, похожую на мыльную пленку, между внутренностями клетки и внешней средой. Такая клетка была бы способна расти и делиться, прямо как современные клетки, но гораздо более простым образом. Внутри такой примитивной клетки, как я уже сказал, могла бы находиться способная к репликации РНК, так что информация переходила бы к дочерним клеткам. Самое интересное, что эти молекулы РНК могли бы делать что-то – мы не знаем, что именно – полезное для выживания или репликации клетки.

На следующем рисунке (см. рисунок 21 на вклейке) видно, как могла бы выглядеть примитивная клетка (или протоклетка). Примитивная клеточная мембрана образует пузырь, о котором я расскажу более подробно, а внутри пузырька находится некий генетический материал. Этим генетическим материалом может быть РНК, но сейчас ведутся жаркие споры о том, был ли первый генетический материал на самом деле РНК или какой-то родственной ей молекулой, возможно, даже ДНК. Это могла быть и какая-то родственная нуклеиновая кислота с определенными химическими модификациями, которые облегчили ее возникновение или репликацию. Ученые в разных лабораториях по всему миру пытаются понять и воссоздать возможные химические пути, ведущие к появлению различных генетических материалов. Работа исследователей позволяет нам составить более точное представление о том, была ли РНК или другая кислота (или что-то еще) первым генетическим материалом.

Одна из задач, которыми занимаются в моей лаборатории, – это попытка создать структуры протоклеток и провести наблюдение за тем, как они растут и делятся. Для этого, конечно, нужно подумать о том, из каких молекул такая протоклетка будет состоять. Из чего будет сделана мембрана? Из чего будет сделан генетический материал? Давайте перенесемся назад и подумаем о том, когда и на каком этапе развития планеты произошло зарождение жизни, чтобы мы имели некоторое представление о доступных в ту эпоху биологических «кирпичиках».

Мы довольно точно знаем дату возникновения Земли – примерно 4,56 миллиарда лет назад. До сих пор ведется серьезная дискуссия о том, когда Земля достаточно остыла, чтобы на поверхности могла появиться жидкая вода, но некоторые свидетельства говорят о том, что это могло случиться гораздо раньше, чем отмечено на представленной шкале (4,2 млрд лет назад). Возможно, это произошло примерно в то же время – плюс-минус сто миллионов лет, – что и столкновение, приведшее к рождению Луны. Если заходить с другого конца шкалы, то первые неоспоримые доказательства бактериологической жизни на земле относятся к периоду не ранее 3,5 млрд лет назад. Так что у нас есть «окно» почти в миллиард лет (как минимум – в 800 миллионов) между жидкой водой на поверхности примитивной планеты и органической жизнью.

В этот промежуток должно было проходить множе-ство интересных процессов, приведших к синтезу все более сложных молекул, «кирпичиков», которые в конце концов собирались вместе и образовали первые клетки. В какой-то момент «мир без РНК» породил РНК – катализаторы, которые позволили начать дарвиновскую эволюцию. Наши непосредственный интерес и задача – заполнить эти туманные предположения описанием конкретных и реалистичных химических процессов. Отчасти трудность заключается в том, что мы так мало знаем об условиях на ранней Земле, поэтому наш прогресс во многом завязан на открытия ученых-планетологов, а также биохимиков и биологов.