Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Как мы убедились в главе 6, ученые долгое время не могли решить, что же возникло первым: гены или метаболизм? Но если мы полагаем, что РНК и белок работали в связке с самого начала, то эта дилемма теряет всякий смысл. Любой сценарий представителей группы “вначале были гены” (и Мир РНК в том числе) предполагает, что именно РНК осуществляла все процессы метаболизма. Либо же, копируя саму себя, сама и являлась метаболизмом, – помимо того, что кодировала генетическую информацию. А между тем пока не удалось доказать, что возможно создать поддерживающий сам себя метаболизм без нуклеиновых кислот.
В действительности различие между гипотезами “вначале были гены” и “вначале был метаболизм” стирается окончательно, если к этой проблеме просто присмотреться повнимательнее. “Вначале генетика” подчеркивает важность хранения информации в какой-то молекуле и ее
То, что информация и энтропия являются противоположностями, следует из мысленного эксперимента под названием “Демон Максвелла”[527]. Суть его в том, что какое-то существо чрезвычайно маленького размера расположилось у дверки между двумя камерами, которые заполнены смесью из двух газов[528]. Открывая и закрывая дверку в нужный момент и тем самым пропуская отдельные молекулы, этот демон может разделить два газа по двум разным камерам. Это снизило бы энтропию всей системы без каких-либо затрат энергии – что невозможно, так как противоречит второму закону термодинамики. Перед нами несомненный парадокс, для решения которого надо обратить внимание на то, что демону для его работы требуется различать молекулы разных газов. Это означает, что он должен проводить замеры, запоминать их результаты и тут же освобождать место в своей памяти для новых результатов. Вся эта деятельность невозможна без затрат энергии, и, стало быть, она должна повысить общий уровень энтропии системы. Для зарождения жизни здесь существенно то, что общий уровень энтропии системы тесно связан с количеством содержащейся в ней информации, поэтому говорить об одном без другого не имеет смысла.
Биохимик по имени Эдди Просс с этим согласен. По словам Просса, обе гипотезы (“вначале были гены” и “вначале был метаболизм”) в конечном итоге сводятся к вопросу “что первым научилось создавать собственные копии?”[529] Если это была какая-то отдельная молекула, то скорее всего речь о напоминающей ген РНК или близкой ей молекуле-цепочке. Если же это был целый набор молекул, который мог копировать себя целиком, – перед нами уже подобие метаболической сети. Но по сути это выбор между единственной самореплицирующейся молекулой и набором таких молекул, способным к саморепликации как единое целое. Просс рассматривает эксперименты Джеральда Джойса, в которых две РНК могли действовать сообща и копировать друг друга. Их можно считать и копирующими себя генами, и простым метаболическим циклом – пытаясь выбрать что-то одно, мы добьемся лишь того, что запутаемся.
Пока все идет хорошо и концепция об одновременном возникновении генетики и метаболизма, а точнее – соответствующих им РНК и белков – кажется правдоподобной. Но как же быть с третьим компонентом протоклетки-хемотона – с самой клеткой? Как ни странно, концепция “вначале было все” неожиданно приобрела нового сторонника: Дэвида Димера.
Как мы убедились в главе 9, в 1980-е – 1990-е годы Димер сосредоточил свое внимание на получении липидов и их сборке в везикулы – незамысловатые протоклетки, способные дать пристанище РНК или чему-то похожему. Иначе говоря, он стал приверженцем гипотезы “вначале был компартмент”. Однако сейчас Димер уже не считает, что липиды возникли до нуклеиновых кислот и белков. “Почему мы обязательно должны полагать какой-то компонент возникшим раньше других? – спрашивает Димер. – Это только осложняет ситуацию, ведь мы знаем, что на ранней Земле присутствовала очень сложная смесь из всего этого”. Главный вопрос звучит так: каким образом эти соединения “приобрели биологические функции”?
Отвечая на него, Димер утверждает: мембраны и везикулы стали первыми из возникших структур. Ровно в силу того, что липиды собираются в них самопроизвольно и при первой же возможности, – там, где этих липидов достаточно[530]. Если они уже возникли, то новым крупным молекулам будет проще образоваться: нуклеотидам – соединиться в РНК, аминокислотам – в белки. “Липидные мембраны – это не просто компартмент, это принцип организации”, – считает Димер. В 2019 году
он изложил свои взгляды в книге “Собирая жизнь” (Assembling Life)[531].По мнению Димера, ключевым моментом здесь являются повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания смеси веществ. Представим себе маленькое озерцо, расположенное на некоем острове. На полуденной жаре вода испаряется и водоем высыхает, оставляя на каменистом дне липкое месиво. Ближе к вечеру проливается дождь, и озерцо вновь наполняется водой. “Эти циклы намокания-высыхания происходят повсюду”, – замечает Димер.
Эффект от такой смены влажных и сухих состояний может быть очень велик. В частности, при падении уровня воды липидные везикулы оказываются сплющены вместе, а липиды в них перестраиваются так, что образуют стопки из мембран. Между их слоями помещаются захваченные нуклеотиды и некоторые другие молекулы. А поскольку сжимающиеся слои липидов сближают такие молекулы, вероятность образования связей между ними увеличивается[532].
Среди прочего команде Димера удалось заметить, что нуклеотиды в этих условиях соединяются в похожие на РНК цепочки[533]. А еще ученые смогли добиться саморепликации ДНК без участия ферментов[534] – то есть как раз того, что Джек Шостак так долго пытался проделать с РНК (см. главу 13)[535]. “Это было воспринято с тем еще скрипом, – вспоминает Димер. – Никто нам не поверил”. Однако с тех пор он тщательно исследовал происходящее в слоях липидов и узнал, как именно сближаются нуклеотиды[536]. Вдобавок выяснилось, что основания и сахара РНК могут стабилизировать группы липидов и ускорять образование протоклеток[537].
“Это действительно способно сработать, – считает Димер. – Мы можем для начала взять огромную смесь случайных веществ, но в итоге благодаря всяким самопроизвольным сборкам и эволюционному отбору из этой смеси могут возникнуть по-настоящему уникальные и интересные, имеющие собственную организацию частицы”.
Сазерленд, Ди Мауро и Димер немного по-разному подошли к этой проблеме, но суть тут одна. Забудьте все эти Миры РНК, Железа и серы, Липидов и прочие гипотезы, полагающие первоосновой жизни какое-то определенное вещество, – все они обречены на провал. Лучше представьте себе короткие цепочки РНК и небольшие белки, которые работают в команде внутри простых липидных мембран. Особенностью биологических молекул является их способность “работать в команде”. И если какой-то из них недостает, все становится намного сложнее.
Из этих исследований следует важнейший вывод: зарождение жизни вовсе не так маловероятно, как считалось прежде. Разумеется, шансов на то, что живая клетка внезапно самостоятельно соберет себя из отдельных атомов, практически нет. Однако ученым удалось открыть химические реакции, которые происходят с легкостью: липиды сами по себе образуют везикулы, а РНК в подходящих условиях создает собственные копии. Следовательно, мы не можем судить о вероятности возникновения клетки по количеству ее компонентов. На самом деле вопрос звучит так: насколько специфичны обстоятельства, создающие благоприятные для этих процессов условия? Говорить о какой-то определенности пока рано, но в целом эти процессы кажутся вполне устойчивыми.
И все же представляется маловероятным, что РНК или белки в чистом виде могли сами образоваться в достаточных количествах. Ведь наверняка появлялись и какие-то другие, менее полезные соединения, которые все собой портили? Ну, во-первых, процессы вроде циклов высыхания и увлажнения изменяют вещества шаг за шагом и приводят к их постепенной очистке. А во-вторых, небольшие загрязнения не должны были стать серьезной проблемой. Димер установил, что везикулы, сделанные из нескольких сортов липидов, даже более стабильны[538]. Смеси, состоящие из многих соединений, ведут себя сложнее и в этом отношении больше напоминают нечто живое[539]. Аналогично Шостак показал, что РНК может образовать рибозим даже в том случае, если некоторые из ее нуклеотидов окажутся “вверх ногами”[540]. А еще он получил функционирующие молекулы из смеси нуклеотидов ДНК и РНК[541] и показал, что нуклеотиды ДНК можно синтезировать с помощью реакций, использованных Сазерлендом[542]. И наконец, в 1994 году Рональд Брейкер и Джеральд Джойс открыли ДНК с каталитическими свойствами – теми самыми, которые когда-то стали основанием считать первоосновой РНК[543], [544].