Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции

Первый вопрос — откуда взялась вся подобная РНК. Хотя исследования, связанные с гипотезой «мира РНК», продолжаются уже два десятка лет, этим вопросом мало кто задавался всерьез. Негласное и, откровенно говоря, совершенно бессмысленное предположение, из которого все исходили, состоит в том, что она «просто была» в первичном бульоне.

Я вовсе не пытаюсь язвить. Перед наукой стоит немало конкретных вопросов, и на все эти вопросы нельзя ответить одновременно. Гипотеза «мира РНК» с ее замечательной объяснительной силой исходит из наличия РНК как некоей «данности». Для ученых, положивших начало исследованиям в этом направлении, было не важно, откуда взялась РНК. Вопрос, интересовавший их в первую очередь, заключался в том, что она может делать. Были, конечно, и те, кто интересовался синтезом РНК, но они были разделены на группы, погрязшие в бесконечных спорах и препирательствах при отстаивании любимых версий. Возможно, РНК была синтезирована в космосе из цианида. Возможно, она была получена здесь, на Земле, за счет молний и смеси метана с аммиаком. Возможно, она была синтезирована на пирите — в недрах вулкана. У всех этих сценариев были свои достоинства, но все они страдали от одной и той же фундаментальной проблемы — проблемы концентрации.

Даже синтезировать однобуквенные молекулы, из которых состоит РНК (нуклеотиды), достаточно сложно, а соединяться вместе, образуя полимер (собственно молекулу РНК), они могут лишь при условии, что их концентрация достаточно высока. В этом случае они могут самопроизвольно объединяться в длинные цепочки. Но если их концентрация невысока, то происходит обратное: молекула РНК снова распадается на составляющие. Проблема в том, что при каждой репликации РНК поглощает нуклеотиды, тем самым уменьшая их концентрацию. Без постоянного пополнения запаса нуклеотидов (причем со скоростью большей, чем они поглощаются) гипотеза «мира РНК», несмотря на всю свою объяснительную силу, никак не может работать. Принять это было нельзя. Поэтому тем, кто хотел и дальше продуктивно работать в этом направлении, было удобнее всего рассматривать РНК как данность.

И они оказались правы, потому что ответ на вопрос, откуда взялась РНК, нашелся не скоро, хотя и оказался в итоге поистине замечательным. РНК и вправду не растет на деревьях, но она может расти в гидротермальных источниках — по крайней мере, теоретически. Неутомимый геохимик Майк Рассел (с которым мы познакомились в главе 1) в важной теоретической статье, написанной в соавторстве с Дитером Брауном и его коллегами из Германии, отметил, что нуклеотиды могли в огромных количествах накапливаться в гидротермальных источниках. Это связано с сильными градиентами температур. Как мы помним из главы 1, щелочные гидротермальные источники пронизаны сетью взаимосвязанных пор. Градиенты температур приводят к возникновению циркулирующих по этим порам потоков двух типов: конвекции (как в кипящем чайнике) и температурной диффузии (рассеивания теплоты в более холодной жидкости). Эти два типа потоков могут приводить к постепенному отложению в самых глубоких порах множества некрупных молекул, в том числе нуклеотидов. Из расчетов, проведенных авторами статьи, следует, что концентрации нуклеотидов в такой системе могли возрастать в тысячи и даже миллионы раз. Столь высокие концентрации вполне могли приводить к объединению нуклеотидов в цепочки РНК или ДНК. Рассел и его коллеги пришли к выводу, что такие условия дают нам «убедительную исходную позицию с высокой концентрацией для начала молекулярной эволюции жизни».

Но и это не все, на что способны гидротермальные источники. Более длинные молекулы РНК или ДНК теоретически должны аккумулироваться в еще больших количествах, чем отдельные нуклеотиды: так как они крупнее, они с большей вероятностью будут откладываться в порах. Согласно расчетам, молекулы ДНК, включающие около сотни пар оснований, должны накапливаться просто с фантастической скоростью, так что их концентрация может возрастать даже в миллион миллиардов раз. При таких высоких концентрациях принципиально возможны взаимодействия всех типов, обсуждавшихся выше, в том числе связывание молекул РНК друг с другом и многое другое. Более того, колебание температур (циклическое температурное воздействие) способствует репликации РНК тем же путем, что и повсеместно применяемый в лабораториях метод ПЦР (полимеразная цепная реакция). В ходе ПЦР высокие температуры приводят к расплетанию молекулы ДНК, давая ей возможность служить матрицей для синтеза новых цепочек, а последующее увеличение концентрации при более низких температурах дает новым цепочкам возможность полимеризоваться. Это позволяет осуществлять репликацию ДНК в геометрической прогрессии [14] .

14

Для осуществления этой реакции в лабораторных условиях необходим и фермент — ДНК-полимераза. Вероятно, для репликации РНК или ДНК в гидротермальных источниках тоже требовался фермент, но нет никаких оснований полагать, что этот фермент был именно белком. РНК-репликаза подошла бы ничуть не хуже, и хотя ее поиски пока не увенчались успехом, похоже, что такой фермент действительно возможен.

Итак, температурные градиенты в гидротермальных источниках могут приводить к накоплению отдельных нуклеотидов в огромных концентрациях, способствуя образованию молекул РНК. Они тоже будут накапливаться и активнее взаимодействовать друг с другом. И, наконец, колебание температур будет способствовать репликации РНК. Сложно представить себе более подходящие условия для возникновения «мира РНК».

Но у нас есть и второй вопрос: как перейти от реплицирующихся молекул РНК, конкурирующих друг с другом за ресурсы, к более сложной системе, в которой РНК начнет кодировать белки. Ответ на этот вопрос, возможно, тоже могут дать гидротермальные источники.

Если поместить в пробирку РНК вместе с необходимым ей сырьем и источником энергии (как АТФ), она будет реплицироваться. Более того, как выяснили еще в 60-х годах специалисты по молекулярной биологии (Сол Шпигельман и другие), она будет эволюционировать! После смены ряда поколений, образовавшихся в пробирке, РНК реплицируется все быстрее и быстрее и в итоге начинает делать это с чудовищной быстротой. При этом образуется так называемый монстр Шпигельмана — бурно реплицирующаяся цепочка РНК, возникающая и существующая лишь в искусственных условиях. Примечательно, что для этого неважно, с чего начинать — с целого вируса или с искусственно синтезированного фрагмента РНК. Можно начать даже со смеси нуклеотидов с полимеразой, которая может соединять их друг с другом. С чего бы мы ни начали, результатом обычно оказывается один и тот же «монстр», одна и та же цепочка РНК длиной всего в полсотни букв, воспроизводящаяся с маниакальным упорством. Все это повторяется раз за разом, как своего рода молекулярный День сурка.

Существенно то, что монстр Шпигельмана не усложняется. Причина, по которой он в итоге превращается в цепочку из полусотни нуклеотидов, состоит в том, что именно такая последовательность нуклеотидов и нужна для связывания с ферментом репликазой, без которого эта цепочка вообще не может реплицироваться. Полученная РНК не видит дальше собственного носа, и в том растворе, где она возникает, никогда не начинается процесс усложнения. Так как и отчего РНК могла начать кодировать белки, пожертвовав собственной скоростью репликации? Единственный способ вырваться из этого порочного круга — это перейти к отбору на «более высоком уровне», где РНК войдет в состав чего-то большего, что и будет единицей отбора, например в состав клетки. Проблема здесь в том, что все известные живые клетки настолько сложны, что никак не могли возникнуть без эволюции. Для возникновения клетки требуется отбор признаков, а не отбор на скорость репликации РНК. Здесь мы снова сталкиваемся с проблемой курицы и яйца, столь же неотвратимой, как и в случае с ДНК и белками, хотя и не столь знаменитой.

Мы уже убедились, что порочный круг, связанный с ДНК и белками, чудесно разрывает РНК, но что может разорвать порочный круг, связанный с отбором? Искать недалеко: это готовые неорганические клетки в щелочных гидротермальных источниках. Размеры этих клеток сопоставимы с размерами органических клеток, а их формирование в активных источниках продолжается непрерывно. Если содержимое такой клетки особенно хорошо справляется с пополнением запасов сырья, необходимых для самовоспроизводства, эта клетка начинает размножаться, отпочковываясь в другие неорганические клетки. Что же до «эгоистичных» РНК, стремящихся реплицироваться как можно быстрее, то они остаются в проигрыше, поскольку неспособны пополнять запасы сырья, необходимого для поддержания собственной репликации.

Иными словами, в условиях щелочного источника отбор постепенно переходит от работы со скоростью репликации отдельных молекул РНК к работе с «обменом» веществ минеральных клеток, которые и становятся новыми единицами отбора. А белки, кроме прочего, большие мастера управлять обменом веществ. В такой ситуации было неизбежно, что они рано или поздно займут место молекул РНК как катализаторов реакций. Но белки, разумеется, появились не на пустом месте. Скорее всего, в возникновении прообраза обмена веществ принимали участие и минеральные вещества, и нуклеотиды, и РНК, и аминокислоты, и различные молекулярные комплексы (например, аминокислоты, связанные с РНК). Существенно то, что в этом мире естественным образом размножающихся неорганических клеток процесс, начавшийся с простого сродства молекул, мог привести к отбору на способность воспроизводить содержимое таких клеток. Этот отбор стал поддерживать самодостаточность, обеспечив в итоге и переход клеток к автономному существованию. По иронии судьбы именно в автономном существовании современных клеток мы и находим последний ключ к тайне происхождения самой ДНК.

Среди бактерий наблюдается глубокий раскол. Об огромном значении этого раскола для нашей собственной эволюции мы поговорим в главе 4, а пока ограничимся выводами, которые он позволяет сделать о возникновении ДНК и которые тоже достаточно глубоки. Речь идет о разделении бактерий на эубактерий (греческая приставка эу- означает «настоящий») и еще одну группу, на первый взгляд мало чем отличающуюся от первой. Эту вторую группу называют архебактериями, или просто археями. Своим названием они обязаны идее, что это наиболее архаичная, то есть древняя группа, хотя сегодня мало кто думает, что они сколько-нибудь древнее настоящих бактерий.

Более того, вполне возможно, что по прихоти судьбы и бактерии, и археи возникли в одной и той же «трубе» гидротермального источника. Мало чем еще можно объяснить тот факт, что у них полностью совпадает генетический код, как и многие другие особенности синтеза белков. При этом воспроизводить свою ДНК они, похоже, научились лишь впоследствии, совершенно независимо друг от друга. Хотя сама ДНК и генетический код, несомненно, возникли лишь однажды, репликация ДНК (механизм, обеспечивающий передачу наследственной информации у всех органических клеток), судя по всему, выработалась в ходе эволюции дважды.