Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Один из главных тезисов Шапиро, который повторяет и Кернс-Смит в своих “Семи подсказках…”, связан с тем, что ученые слишком полагаются на фактор случайности. Очень малая вероятность протекания химической реакции или какого-то другого процесса все равно рассматривается ими как допустимая: мол, Земля – планета большая и к тому же существующая миллиарды лет, а стало быть, даже у самых маловероятных событий было достаточно времени для того, чтобы все-таки произойти. Тем более если достаточно единственного такого события. Этот аргумент кажется очень привлекательным, но на самом деле вероятностность зачастую настолько мизерна, что не спасает даже имеющаяся в нашем распоряжении целая планета. Так что внимания все же заслуживают процессы, которые происходят с легкостью и повторяемостью.

С учетом всего вышеизложенного исследователи обратились к некоей новой идее. Она казалась настолько очевидной, что ее даже редко обсуждали. Суть же ее заключалась в том, что в современном виде живые клетки слишком сложны, чтобы возникнуть целиком и сразу. Скажем, для синтеза белка необходима РНК, которая должна быть “переписана” с ДНК, а для того, чтобы создать и поддерживать РНК и ДНК, клетке требуются еще и белки (см. главу 4).

Чтобы справиться с этим парадоксом “курицы и яйца”, пришлось, что вполне логично, выдвинуть предположение о возникновении одного из компонентов клетки раньше прочих. Другими словами, предположить, что какая-то часть клетки должна была сформироваться первой и некоторое время существовала сама по себе. А остальные компоненты, дескать, присоединились к ней позже.

Но тут возникли четыре вопроса, вокруг каждого из которых десятилетиями идут ожесточенные споры.

Первый из вопросов звучит так: какой именно компонент клетки стал первым? Ответ на него касается не только химических процессов – он затрагивает самую суть жизни, поскольку первым должен был возникнуть именно тот компонент, который эту самую суть и определяет. Эксперименты Миллера и его последователей здесь едва ли полезны. Они могли объяснить только возникновение наиболее важных биологических молекул, а не их самопроизвольное соединение в живые организмы. Но ведь секрет кроется именно в этом!

Возможны три основных предположения о первом компоненте живого. Самым популярным является, пожалуй, мнение о первичности отдельных генов. Речь о молекуле ДНК или о чем-то вроде нее, о чем-то, что способно хранить в себе большое количество информации и создавать свои копии. Именно умеющие меняться (а стало быть, и эволюционировать) гены в этом контексте оказываются сущностью жизни.

Но на это можно возразить, что жизнь должна была сперва научиться поддерживать свое существование, а следовательно, обеспечивать себя энергией. Живые существа выживают только благодаря химическим реакциям, то есть своему метаболизму. Эта мысль стала основой гипотезы, которую можно назвать “вначале был метаболизм”. Действительно, как может ген (целый комплекс молекул) существовать без механизмов, которые его создают? Для появления чего-то еще поначалу должны были возникнуть какие-то химические процессы, обеспечивающие первый живой организм необходимой ему энергией.

Наконец, третья группа ученых полагала, что жизнь началась со своего рода компартмента^[174], внутри которого в итоге разместились все ее компоненты, включая гены и ферменты. Этот первый “контейнер” не обязательно имел тот же состав, что и современные клетки. Но функцию он выполнял ровно ту же – удерживал всю конструкцию вместе.

Нельзя сказать, что это “трехстороннее разногласие” было совершенно новым. Идеи Опарина и Холдейна в глазах современников словно бы слились воедино, но на деле они имеют отличия. Оба исследователя с самого начала поняли необходимость возникновения некоторого напоминающего клетку “контейнера”, однако если Опарин делал акцент на метаболизме, то Холдейн скорее обращал внимание на гены. Годами это различие казалось мелочью, с которой можно будет разобраться попозже. Но когда проблемы с опытом Миллера стали очевидны, это расхождение дало о себе знать и в конечном счете стало причиной настоящего раскола.

Стоит отметить, что все три идеи могут быть сведены к самовоспроизведению того или иного рода. Будь то ген, комплект белков для осуществления химических реакций или напоминающий клетку контейнер – первый предорганизм непременно должен был уметь себя копировать. Как иначе объяснить возникновение жизни, ее широкое распространение и огромную сложность? Возникшие разногласия касались природы самого первого “репликатора”, но мнение о центральном значении копирования для живого стало общим местом. Оно звучит в том числе и у Кернс-Смита с его глинистыми минералами, которые, как он полагал, тоже могут копировать себя.

Разногласия насчет возникшего первым компонента жизни постепенно нарастали – так бывает в неблагополучном браке, когда люди поначалу не замечают накопления проблем. Однако к 1971 году – по крайней мере для академических кругов – все стало очевидным. Тогда свои конкурирующие представления о зарождении жизни изложили два исследователя. Обе работы носили теоретический характер: вместо экспериментов там использовались математика и теоретические рассуждения на основе “первого принципа”. Именно эти два труда наглядно демонстрируют противостояние лагерей “вначале была генетика” и “вначале был метаболизм”. Обе идеи оказались плодотворными: они не дадут забыть о себе до самого конца нашего повествования.

Первой вышла статья американского биолога-теоретика Стюарта Кауфмана. Он обратил внимание на сети химических реакций, названные им “автокаталитическими наборами”. То или иное называется “автокаталитическим”, если оно стимулирует возникновение собственных копий. ДНК можно условно назвать автокаталитической молекулой, поскольку открытый Уотсоном и Криком принцип спаривания оснований делает возможным производство точных копий. Однако благодарить за это надо ферменты: сама по себе ДНК не имеет автокаталитических свойств. Кауфман вообще сомневался, что отдельная молекула может обладать ими. Поэтому он рассматривал целый набор молекул, среди которых A синтезирует B, B создает C, и т. д. – вплоть до того момента, пока что-то снова не создаст A. Тогда мы получим уже две молекулы A, каждая из которых может создать еще B; таким образом, система постепенно копирует саму себя как целое.

Особенно важно, что автокаталитические наборы могут возникать на основе случайной смеси химических веществ. Кауфман и его коллеги рассчитали, что вероятность образования автокаталитических наборов резко возрастает при увеличении в такой смеси числа химических веществ^[175]. А начиная с некоторого их количества, автокаталитический набор возникает почти наверняка.

В статье Кауфмана 1971 года постоянно используется слово “гены”, однако вскоре автор решает от него отказаться. Молекулы, о которых писал ученый, вели себя не так, как гены в привычном понимании^[176]. В частности, они вбирали в себя простые молекулы извне и использовали их для того, чтобы создавать копии друг друга^[177]. Эта была версия возникновения жизни “метаболизмом вперед”^[178], в которой не рассматривается генетическая информация и в центре внимания находится “питание” и его использование для построения “тела” (в данном случае набора белков). Кауфман считал такие автокаталитические наборы “связанными примитивными метаболизмами”^[179].

В октябре 1971 года немецкий химик Манфред Эйген сформулировал идею, которая на первый взгляд кажется очень похожей на идею Кауфмана. Однако если присмотреться к ней получше, то станет ясно, что речь идет о противоположной точке зрения, которой придерживались сторонники мнения, что “вначале была генетика”^[180]. Эйгену – лысеющему, высоколобому, с орлиным профилем – было тогда сорок четыре года. В 1967-м он разделил с двумя другими учеными Нобелевскую премию по химии за исследования сверхбыстрых химических реакций^[181]. Теперь же, при содействии своего аспиранта Петера Шустера, он обратился к вопросу о возникновении жизни.

Подобно Кауфману, Эйген рассматривал множество постоянно сталкивающихся друг с другом органических молекул первичного бульона. Оба исследователя считали возможным образование автокаталитических наборов из аминокислот и белков (впрочем, Эйген данный термин не использует). Но Эйген указывает на одно ограничение: хотя новый белок с самыми выгодными свойствами и может образоваться, его последующее копирование гарантировать нельзя. Так что любая подобная “инновация” может быть утрачена.

Поэтому Эйген рассматривает более сложный набор молекул, который содержит и нуклеиновые кислоты-инструкции, и белки-катализаторы. Каждая из таких нуклеиновых кислот кодирует определенный белок, а тот, в свою очередь, создает копию соответствующей ему нуклеиновой кислоты. Однако такой комплект из белка и нуклеиновой кислоты может синтезировать еще и вторую нуклеиновую кислоту, а та, в свою очередь, создать свой собственный автокаталитический набор. Такую систему Эйген называет “гиперцикл”, поскольку в нее входит несколько питающих друг друга циклов химических реакций.