Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Я описал здесь молекулярную версию эволюции — молекулярный дарвинизм. Он показывает, как группы беспорядочно сталкивающихся частиц, подчиняющихся исключительно законам физики, могут постепенно повышать свою способность к размножению — качество, которое мы обычно связываем с жизнью. В плане поисков истока жизни предполагается, что молекулярный дарвинизм, возможно, был существенным механизмом развития в эпоху, предшествующую появлению первого живого организма. Один из вариантов этого предположения, далеко не общепринятый, но имеющий все же немало последователей, ставит в центр происходящего особую молекулу, обладающую множеством талантов, — РНК.

Еще в 1960-е гг. видные исследователи, в том числе Фрэнсис Крик, химик Лесли Орджел и биолог Карл Вёзе, привлекли внимание к близкой родственнице ДНК, называемой РНК (рибонуклеиновая кислота), которая около 4 млрд лет назад, возможно, дала начало фазе молекулярного дарвинизма, ставшего предтечей жизни.

РНК — необычайно разноплановая молекула, необходимый компонент всех живых систем. Ее можно представлять себе как более урезанную одинарную версию ДНК; это одиночная нить, вдоль которой закреплена цепочка оснований. РНК, помимо прочих клеточных ролей, является химическим посредником, который снимает отпечатки с отдельных небольших секций «расстегнутой» нити ДНК — примерно так же, как дантист делает слепок с ваших зубов, когда вы раскрываете рот, отделяя нижнюю челюсть от верхней, — и переносит эту информацию в другие части клетки, где она управляет синтезом конкретных белков. Как и ДНК, молекулы РНК становятся, таким образом, воплощением клеточной информации и являются, следовательно, частью «программного обеспечения» клетки. Но между РНК и ДНК есть существенная разница: если ДНК вполне устраивает в клетке роль этакого прорицателя, источника премудрости, управляющего активностью клетки, то РНК не боится замарать ручки грязной работой и готова заниматься непосредственно химическими процессами. В самом деле, рибосомы клетки — миниатюрные фабрики, в которых аминокислоты соединяются между собой, образуя белки, — в основе своей имеют определенную разновидность РНК (рибосомную РНК).

Таким образом, РНК является одновременно и частью «программного обеспечения», и исполнительным механизмом. Она может как направлять химические реакции, так и служить их катализатором. Среди этих реакций имеются и такие, что обеспечивают репликацию самой РНК. Если в молекулярном механизме, который делает копии ДНК, используется хитроумный набор химических винтиков и шестеренок, сама РНК может обеспечивать синтез пар оснований, необходимых для ее собственной репликации. Представьте, что это означает. Молекулы РНК, совмещающие в себе функции программы и исполнительного механизма, потенциально способны обойти парадокс курицы и яйца: как собрать молекулярный исполнительный механизм, не имея готовой молекулярной программы, то есть инструкции по сборке? Как синтезировать молекулярную программу, не имея готового молекулярного исполнительного механизма, то есть инфраструктуры, которая должна выполнять синтез?

РНК, воплощая в себе обе функции, представляет собой сплав курицы и яйца и поэтому способна положить начало эпохе молекулярного дарвинизма.

Так выглядит гипотеза РНК-мира. Речь в ней идет о том, что до появления жизни существовал мир, полный молекул РНК, которые средствами молекулярного дарвинизма эволюционировали на протяжении почти непредставимого числа поколений в химические структуры, составившие в конечном итоге первые клетки. О подробностях можно спорить, но ученые смогли в общих чертах представить себе, как могла выглядеть эта фаза молекулярной эволюции. В 1950-е гг. нобелевский лауреат Гарольд Юри и его аспирант Стэнли Миллер смешали газы (водород, аммиак, метан, водяной пар), составлявшие, по их мнению, атмосферу ранней Земли, пропустили через газовый коктейль электричество, чтобы имитировать удары молний, и сделали знаменитое заявление о том, что получившаяся в результате бурая слизь содержит аминокислоты — кирпичики, из которых строятся белки. Хотя дальнейшие исследования показали, что первоначальные газовые смеси, которые изучали Миллер и Юри, не отражали корректно химический состав ранней атмосферы Земли, в аналогичных экспериментах с другими газовыми смесями, которые его отражали (включая смесь, составленную Миллером и Юри для имитации токсичных выбросов действующих вулканов, которые, как ни странно, оставались неисследованными на протяжении более чем полстолетия33), аминокислоты были получены не менее успешно. Более того, аминокислоты с тех пор обнаружены даже в межзвездных облаках, кометах и метеоритах. Так что весьма вероятно, что химический бульон на юной Земле вполне способен был произвести самокопирующиеся РНК-молекулы с самыми разными наборами аминокислот.

А теперь представьте, что по ходу репликации молекул РНК случайная мутация запустила нечто новое: РНК-мутант «уговорила» некоторые аминокислоты в окружающем бульоне собраться в цепочки и образовать первые рудиментарные белки (запустились грубые версии тех процессов, которые в настоящее время протекают в рибосомах).

Если при этом совершенно случайно оказалось, что некоторые из этих простейших белков повышают эффективность репликации РНК — в конце концов, катализ химических реакций есть одна из функций белков, — то эти белки ожидает щедрая награда: белки приведут мутантную форму РНК к доминированию, а большое количество мутантных молекул РНК поможет синтезировать больше белков.

Вместе они образуют химическую положительную обратную связь, которая сделает случайную молекулярную аберрацию нормой. Со временем продолжающиеся молекулярные «махинации», возможно, наткнутся на следующую химическую новость: двойную молекулу, напоминающую садовую лестницу, — некую рудиментарную форму ДНК, которая окажется более стабильной и более эффективной структурой для молекулярного копирования и потому постепенно узурпирует процессы репликации и сместит РНК на вспомогательные роли. Случайное образование молекулярных мешочков — стенок клетки — еще повысит приспособленность, сосредоточив химические вещества в ограниченных областях и обеспечив им защиту от внешних помех. Новинки распространятся по всей химической популяции, и все структуры, необходимые для рудиментарных клеток, будут в наличии34.

Так родится клетка.

РНК-мир всего лишь одна из многочисленных гипотез, в которой особое значение придается генетическому компоненту жизни: молекулам, которые содержат в себе информацию и путем репликации передают ее последующим поколениям. Если гипотеза подтвердится, нам придется разбираться и с возникновением самой РНК; не исключено, что она могла появиться на еще более раннем этапе молекулярной эволюции из еще более простых химических составляющих. Другие гипотезы уделяют больше внимания метаболическому компоненту живого мира: молекулам, которые служат катализаторами реакций. Вместо самокопирующейся молекулы, способной играть роль белка, в этих сценариях в качестве отправной точки используются белковые молекулы, способные к репликации. Третьи сценарии рассматривают две совершенно отдельные линии развития, одна из которых ведет к появлению молекул, способных к самовоспроизведению, а вторая — молекул, способных служить катализаторами химических реакций; только позже оба эти процесса сливаются с образованием клетки, способной выполнять базовые функции размножения и обмена веществ.