Знание – сила, 2000 №02

В 1953 году Стенли Миллер, тогда еще безвестный аспирант знаменитого геохимика Гарольда Ури, а сегодня и сам крупнейший специалист по происхождению жизни, проделал следующий опыт. Он создал установку из двух сообщающихся сосудов, в одном из которых была вода, а в другом — та смесь газов (водород, метан, аммиак и, естественно, водяные пары), из которой, по представлениям специалистов, состояла атмосфера первобытной Земли. Когда он пропустил через эту смесь электрические разряды (а можно не сомневаться, что молнии в первобытные времена наличествовали в изобилии), вода в сосуде побурела, а ее химический анализ показал, что там образовалось множество аминокислот и других органических молекул. Этот знаменитый опыт (до сих пор упоминаемый во всех учебниках) впервые показал, что чисто случайные химические реакции в смеси простых неорганических молекул могут приводить к «самообразованию» все более и более сложных органических молекул и веществ, возможно, вплоть до тех, на основе которых построено все живое. Правда, тут имелась некая тонкость: согласно господствовавшей тогда теории Опарина — Холдейна, первичная атмосфера была богата водородом (но лишена кислорода); именно поэтому миллеровская смесь содержала водород. Сегодня многие думают, что водорода в первичной атмосфере было намного меньше, но, как показала проверка, на результаты Миллера это не влияет.

Опыт Миллера породил совершенно новую область исследований — «абиотическую (то есть «неживую» или «до-живую») химию», и вскоре в этом направлении были получены другие ободряющие результаты. В 1961 году Хуан Оро упростил эксперимент Миллера, взяв за исходное смесь аммиака и циановодорода (гоже наверняка наличествовавшего в первичной атмосфере Земли), и получил не только аминокислоты, но и один из тех «кирпичиков»~нуклеотидов, из которых построены все генетические молекулы, — нуклеотид «аденин». Еше позднее Вехтерхойзер и Хубер использовали для эксперимента ту смесь газов, которая выделяется в местах прорыва горячей лавы на дне Мирового океана, и показали, что в этой смеси происходят те же циклы взаимосвязанных химических реакций. которые характерны для живых клеток. Это последнее открытие породило целую полемику: немецкие исследователи на основании своих результатов утверждали, что жизнь «самозародилась» на дне первичного океана при высокой температуре, тогда как другие сторонники «самозарождения» выдвигали гипотезу «холодных родов». Эта последняя гипотеза учитывала установленный к тому времени факт, что «юное» Солнце (во времена образования Земли, 4,5 миллиарда лет назад) было намного тусклее, чем сейчас; поэтому утверждалось, что земной океан был поначалу покрыт ледяным панцирем, который изредка взламывался падавшими астероидами и кометами; эти же падения приносили в океан органические вещества и перемешивали воды океана и атмосферу. Дальше же все шло по сценарию Миллера.

Как бы то ни было, в любом из этих вариантов жизнь действительно «самозарождалась», причем с такой химической неизбежностью, что это на время привело некоторых ученых в эйфорию, им стало казаться, что загадка жизни решена. Вскоре, однако, в этом пришлось всерьез усомниться. Постепенное выяснение молекулярной структуры белков (выдающиеся работы М. Перутца и других) и ДНК (Д. Уотсон и Ф. Крик) привело к пониманию, что оба этих вида молекул, лежащих в основе жизни (во всяком случае, земной), гораздо сложнее по строению, чем те простейшие аминокислоты и нуклеотиды, которые возникали в экспериментах Миллера и Оро. Конечно, можно было оптимистически предположить, что каким-то (еще неизвестным) образом эти аминокислоты и нуклеотиды впоследствии все так же самопроизвольно и случайно сложились в более сложные молекулы белков и ДНК, но очень быстро выяснилось некое принципиальное обстоятельство, которое положило конец и этой надежде. Оказалось, что удвоение молекул ДНК, происходящее во время каждого клеточного деления и обеспечивающее передачу клеткам-потомкам наследственности родителя, может происходить только при участии белков-катализаторов, и напротив, образование этих белков происходит по «инструкциям» ДНК, то есть только в ее присутствии. Иными словами, белки не могли появиться без наличия ДНК, а ДНК — без наличия белков. Но допустить, что они самопроизвольно и случайно образовались одновременно и в одном и том же месте, не могли даже самые пылкие оптимисты. Проблема возникновения жизни на Земле снова зашла в тупик.

Первый намек на возможность выхода из него указали Томас Чех и Сидней Альтман, которые в 1983 году открыли новый тип ферментов-рибозимов, состоящих не из белков, как обычно, а из так называемой РНК. Эта РНК, или рибонуклеозиновая кислота (не путать с дезоксирибонукле 1 озиновой кислотой, или ДНК), представляет собой третью основу жизни, наряду с ДНК и белками. По своему химическому строению молекула РНК очень похожа на молекулу ДНК: она также состоит из длинной цепи «кирпичиков»-нуклеотидов нескольких различных типов (если рассматривать каждый из нуклеотидов как «букву», то с помощью таких букв, чередующихся вдоль цепи молекулы в определенном порядке, можно «записать» любую наследственную информацию), только эти нуклеотиды несколько отличаются от нуклеотидов ДНК: их тоже четыре разных типа, но вместо тимина в РНК входит урацил. Второе отличие РНК от ДНК сводится к тому, что РНК представляет собой одиночную цепь, тогда как молекула ДНК состоит из двух взаимно дополнительных (по нуклеотидному составу) цепей, обмотанных друг вокруг друга в виде так называемой двойной спирали.

ДНК, как уже сказано, несет в себе (в отдельных участках — «генах») наследственную информацию и, удваиваясь во время деления клетки, передает эту информацию клеткам-потомкам. РНК предназначена природой для других функций. Один ее вид, намного более короткий, чем ДНК, «переписывает» на себя (с помощью своих «букв»-нуклеотидов) информацию, содержащуюся в том или ином гене ДНК (поэтому этот вид так и называется — «информационная РНК»), а затем плывет сквозь клеточную протоплазму к особым органеллам клетки — рибосомам и «сообщает» им эту информацию; в соответствии с нею рибосомы строят молекулы нужных клетке белков. Строительные «кирпичики» — аминокислоты, необходимые для построения этих белков, — тоже доставляются к рибосомам из протоплазмы клетки молекулами РНК, только другого вида — «транспортными». Если еще добавить к этому, что и сами рибосомы тоже построены из молекул PH К — так называемых рибосомальных, то возникает ощущение, что РНК является одним из главных действующих лиц во всех основных жизненных процессах, воистину тем «третьим китом», на котором держится жизнь.