Знание – сила, 2000 №02

Это действительно так, и это открытие давно уже, еше в конце шестидесятых годов, навело некоторых ученых (Ф. Крика, К. Везе и J1. Оргелла) на мысль, что, может быть, РНК, будучи более простой молекулой, чем ДНК и белки, была и самой первой, самой древней «молекулой жизни», возникшей раньше и ДНК, и белков. Но для того чтобы играть роль такой молекулы, то есть стать той основой, на которой впоследствии могли бы возникнуть ДНК и белки, эта «первичная РНК» должна была обладать хотя бы в зачаточном виде двумя главными свойствами ДНК и белков — способностью удваиваться, как ДНК, и способностью катализировать биохимические реакции, как белки.

И вот открытие Чеха — Альтмана подтвердило, что определенные виды РНК — «рибозимные» — действительно обладают каталитическими способностями: они оказались в состоянии разрезать другие молекулы РНК на куски и соединять эти куски друг с другом.

Лиха беда начало: некоторое время спустя В. Шостак сумел так видоизменить рибозимы Чеха — Альтмана, что они оказались способны катализировать некоторые важнейшие этапы удвоения РНК, то есть создания ею своих «копий». Еще позже тот же В. Шостак показал, что в смеси коротеньких цепочек, состоящих из нескольких нуклеотидов каждая, возникает некий каталитический агент, под влиянием которого эти цепочки начинают соединяться друг с другом в длинную цепь, подобную «настоящей» РНК. Энергию для такой реакции цепочки получали, как оказывается, из особых фосфатных молекул, которые и сейчас обеспечивают живые клетки этой энергией. Можно было думать, что такие простейшие полинуклеотидные цепочки и фосфатные молекулы вполне могли образоваться путем случайного соединения атомов в первичных земных океанах, а уж затем дать начало образованию простейших молекул РНК, обладавших способностью удваиваться и самим катализировать свое удвоение. Это предположение было куда реалистичнее, а его вероятность куда больше, чем самопроизвольное и случайное образование сложнейших структур ДНК и белков в одно и то же время в одном и том же месте. А когда вслед за тем была открыта еще и способность определенных видов РНК приобретать под давлением определенных обстоятельств новые свойства (например, резистентность к веществу, стремящемуся эти молекулы разрушить, к так называемой рибонуклеазе), то стало окончательно формироваться представление, что искомым «переходным звеном» между неорганическим миром древней Земли и миром нынешней ДНК-белковой жизни действительно могли быть молекулы РНК.

Так возникла новая гипотеза возникновения земной жизни, утверждавшая, что появлению мира первых живых клеток с их ДНК, РНК и белками предшествовал намного более примитивный мир, в котором существовали только молекулы «архаичной РНК», работавшие поначалу сразу «за троих», то есть несшие в себе Простейшую биологическую информацию, поддающуюся небольшим усовершенствованиям, передававшие ее (путем самоудвоения) своим потомкам и сами катализировавшие все эти первые, очень простенькие и коротенькие биохимические реакции их функционирования. В 1986 году гарвардский биолог Уолтер Гилберт придумал для этого древнейшего этапа возникновения земной жизни «РНК-овый мир». С этого момента начался энергичный поиск экспериментальных подтверждений новой гипотезы. В ходе такого поиска было накоплено много любопытных результатов. В 1993 году они были собраны в книге «Мир РНК», выпущенной лабораторией «Колд Спринг Харбор» на Лонг-Айленде, руководимой знаменитым Джеймсом Уотсоном (тем, что в паре с Френсисом Криком некогда открыл двойную спиралевидную структуру молекул ДНК). В нынешнем году эта книга была переиздана с добавлением новых результатов, и именно об этом переиздании я и упомянул в начале заметки. Посмотрим теперь, что говорит новое издание о результатах почти тридцатилетнего штурма «РНК-ового мира».

Прежде всего, оно обрисовывает, как именно представляют себе сторонники РНК-гипотезы становление жизни. «На первых стадиях эволюции, — пишет У. Гилберт, — молекулы РНК развиваются по схеме самоудвоения, используя обмен своими участками и случайные мутации для выработки новых свойств и приспособления к новым жизненным нишам. По мере такого усложнения эти молекулы начинают использовать свои зачаточные каталитические способности, чтобы наладить синтез простейших белков. Белки, будучи намного более мощными катализаторами, сразу же после своего появления берут на себя управление процессами в клетке и помогают создать ДНК, которая становится тем «жестким диском», где записывается вся клеточная информация».

В этой каргине не хватает только самого первого этапа — образования самой «архаичной РНК». И вот тут, признаются авторы, их гипотеза наткнулась на трудности. Для образования молекулы РНК нужны, как уже говорилось, «кирпичики»-нуклеотиды четырех разных типов. Мы уже видели, что в опытах X. Оро один такой нуклеотид — аденин — возникал «сам собой» в условиях, близких к эксперименту Миллера. Позже было показано, что так же легко возникает и нуклеотид второго типа — гуанин. Оба они относятся к классу так называемых пириновых нуклеотидов. Но вот два других типа, цитозин и урацил, — это нуклеотиды так называемого пиримидинового класса, и вот они в «первичном бульоне» миллеровского типа упорно не хотят возникать. Правда, Миллеру и его ученику Робертсону удалось в 1995 году создать урацил, резко увеличив концентрацию мочевины в таком «бульоне», но большинство специалистов сомневаются в том, что такие условия были широко представлены и в древнем океане.

Эти скептики считают, что причиной неудач с пиримидиновыми нуклеотидами является входящий в их состав сахар «рибоза». Фосфатные и так называемые кольцевые химические группы, тоже необходимые для построения нуклеотидов, легко и в достаточном количестве образуются в «первичном бульоне», а вот рибозы получается меньше двух процентов. Но и это еще не все. Неожиданно возникла новая проблема — проблема времени.

Раныле считалось, что первые «живые молекулы» появились примерно через миллиард лет после того, как кончился период интенсивной бомбардировки Земли метеоритами и кометами. Эти небесные осколки образовались из того же первичного газового сгустка, что Земля и другие планеты, в том же месте в огромном количестве, поэтому первые 500 миллионов лет столкновения с ними были чрезвычайно частыми. Жизнь в таких условиях просто не могла возникнуть: Земля то и дело плавилась и кипела. А ведь для случайной сборки многих атомов в молекулу нужной структуры («архаичную РНК») нужен огромный период неизменных условий.

Миллиарда лет, по оценкам специалистов, было бы достаточно. Но в последние годы стали множиться данные, говорящие о том, что этого миллиарда у жизни в запасе не было. Сначала Шопф обнаружил окаменелые структуры, подобные современным цианобактериям и имевшие возраст 3,5 миллиарда лет. то есть отстоящие всего на полмиллиарда лет от конца периода «метеоритно-кометной бомбардировки». А в 1996 году Мойзис нашел в Гренландии аналогичные, но еще более древние структуры — их возраст оказался 3,8 миллиарда лет. Интервал для случайного возникновения РНК сузился до двухсот миллионов лет, и уже тогда Ф. Крик писал, что это «поразительно короткий период времени для появления жизни». А недавно появились данные, что последние по времени массовые падения метеоритов произошли не 4 миллиарда лет назад, а всего 3,8 миллиарда, иными словами, для появления жизни (напомним, путем случайных переборов) вообще не осталось зазора.