Кто был первым?

В общем, правильно сказал поэт: «Начать – не исчислить заслуг». Он, правда, сказал это о вокзале, с которого часто провожал любимую, но то же самое смело можно сказать о заслугах белковых молекул. И вдобавок к этому у них есть еще то достоинство, что химические звенья, те двадцать с лишним аминокислот, из комбинации которых состоит любая белковая молекула, получаются в самых примитивных условиях, какие вполне могли сложиться на Земле уже в первый миллиард, а то и меньше, лет ее существования. Это доказал еще в 1953 году биолог Миллер в своем знаменитом опыте. Он создал в колбе подобие первичной земной атмосферы, пропустил искру в роли молнии и получил пять простейших аминокислот. (А когда этот опыт повторили недавно, то получили все двадцать с лишним).

Нетрудно понять, почему этот опыт называют знаменитым. Он доказал возможность (некоторые даже говорили – «неизбежность») случайного возникновения жизни путем соединения таких вот, «по-миллеровски» возникших на первичной Земле аминокислот в необходимые для жизни белковые молекулы. Правда, противники эволюционной теории, так называемые креационисты, эту возможность все равно яростно отвергали. Они ее высмеивали. Ну, подумайте сами, говорили они, ведь такое случайное соединение строго необходимых аминокислот в строго необходимом порядке – это же явление чудовищно маловероятное. Это все равно, говорили они, как если бы случайным образом, вслепую, брать из ведра кубики с буквами алфавита и соединять их, ожидая, что получится нужное осмысленное слово.

И действительно, вероятность такой удачи – много-много—много-миллиардная доля единицы. Практически нуль. Но, к нашему счастью (потому что иначе мы бы вообще не возникли), в этом возражении есть скрытая ошибка. Оно не учитывает, что в словах любого языка некоторые буквы появляются чаще других – например, в английском Е появляется много чаще, чем Т, а Т много чаще, чем И, и так далее. Чтобы это учесть, надо в ведро насыпать очень много кубиков с буквой Е, чуть поменьше – Т, еще меньше – И, и так далее, а уже потом вытягивать кубики. А при таких начальных условиях вероятность получения нужного осмысленного слова многократно увеличивается.

Но точно так же в разных местах на первичной Земле должны были появляться места, где нужных аминокислот было больше, чем в других местах, и находились они ближе друг к другу, и условия для их соединения были лучше, чем в других местах, и при таких начальных условиях вероятность случайного образования белковых молекул должна была многократно возрасти. Кстати, сам Дарвин первым указал на одно такое место – «теплая мелкая лужица», говорил он: там есть вода и в то же время ее мало, так что молекулы аминокислот находятся там ближе друг к другу, и там тепло, а значит молекулы движутся быстрее и встречаются чаще, и туда проникает ультрафиолетовое излучение Солнца, приносящее много энергии, необходимой для соединения этих молекул.

Позже другие ученые указали другие возможные «ниши», где могли бы возникнуть первые белки, но мы не будем вдаваться в эту историю, это отдельный интересный разговор (для которого, кстати, недавно тоже появился новый повод), - с нас достаточно, что белковые молекулы и впрямь могли возникнуть вполне спонтанно. и дать начало всей жизни на Земле.

Но было ли это действительно начало земной жизни? Ну, хорошо, - вот возникли белки, пусть даже внутри какого-то жирового пузырька, играющего роль первичной клетки, - но как им знать, что нужно делать, чтобы эта клетка жила? Ведь жизнь клетки – это тысячи процессов, очень сложным образом связанных друг с другом. Конечно, эта сложность не сразу возникла, она накапливалась по мере эволюции живых организмов, но для такого накопления нужно было первым долгом иметь хранилище той информации, которая нужна для выживания¸ т.е. для оптимальной организации белковых процессов. И еще нужно, чтобы это хранилище пополнялось с каждым следующим поколением, и чтобы эти дополнения (полезные мутации) тоже передавались по наследству потомкам. И, кстати, неплохо еще иметь механизм, который эту информацию «транслирует» клетке, помогая ей в любой момент строить нужные (для функционирования и выживания) белки в нужном количестве. Всего этого белки сами по себе сделать не могут.

Сегодня мы знаем, как природа решила все эти задачи. Она снабдила свои клетки двумя видами «информационных» молекул – т.н. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) для хранения и пополнения информации о том, какие белки, когда и в каком количестве клетка должна создавать, чтобы нормально функционировать и тем самым выживать, и т.н. РНК (рибонуклеиновая кислота), чтобы «транслировать» эту информацию, т.е. превращать ее в нужные белки. Роль этих молекул настолько огромна, что многие биологи пришли к мысли, что именно они были первыми в процессе возникновения жизни.

Но молекулы ДНК и РНК еще сложнее, чем белковые молекулы, - они состоят из многих тысяч соединенных в определенном порядке химических звеньев-нуклеотидов. Правда, в 2015 году было показано, что эти нуклеотиды могут спонтанно возникать даже в условиях космоса из чрезвычайно часто встречающегося (например, в метеоритах) вещества пиримидин, очень богатого углеродом. Но ведь для получения первой ДНК или РНК эти звенья еще нужно соединить в очень длинную молекулу. И на первый взгляд представляется, что такое спонтанное соединение еще менее вероятно, чем спонтанное возникновение белковых молекул, и что без катализирующей помощи белков, многократно ускоряющей все химические реакции, это соединение тысяч нуклеотидов было бы совсем невозможно. Но тогда мы возвращаемся к гипотезе «Ladies first», то бишь «Белки – раньше», чем ДНК или РНК.

Как быть? И тут на помощь сторонникам «информационной гипотезы» пришло замечательное открытие, на свой лад сравнимое с открытием Миллера. Оно было сделано в 1980 году причем сразу двумя учеными независимо. В университете штата Колорадо Томас Чех, изучая процесс образования белков в клетке, вдруг обнаружил, что доведение новорожденной белковой молекулы до «нужной кондиции», требующее вырезания «лишних» аминокислот, может происходить без каталитического участия других белков». Когда он присмотрелся, как это происходит, он увидел, что роль катализатора тут играет одна из молекул РНК. В том же году Сидней Альтман из Йельского университета¸ изучая процесс образования одного из видов РНК-молекул, попробовал уменьшить количество белка-катализатора и к своему удивлению увидел, что это не влияет на скорость процесса.

Дальнейшее изучение показало, что и в этом случае роль скрытого катализатора играет не сам белок, а сросшаяся с ним молекула другой РНК. В то время это казалось настолько странным, что статью Альтмана сначала даже не хотели печатать. Но постепенно катализирующие способности молекул РНК стали обнаруживаться и в других процессах, Чех и Альтман получили Нобелевскую премию, а биологический словарь пополнился новым термином – рибозима (сочетания слов рибо- от РНК, и «зим» - от энзим, или протеин, катализатор). Сегодня известно много таких рибозим и, в частности (что очень важно), показано, что во всех клеточных «машинах», на которых строятся белки, тот важнейший участок, где осуществляется соединение аминокислот, состоит исключительно из РНК, без всякой примеси белков.

Это открытие сильно подкрепило мнение ученых (Крик, Оргель, Вёзе и др.), которые, начиная с 1960-х годов, выдвигали гипотезу т.н. «РНК-мира». Согласно этой гипотезе (в ее нынешнем варианте, с учетом всех последующих открытий), первой биологической молекулой на Земле была молекула простейшей РНК, обладавшая каталитическими способностями (т.е. простейшая рибозима). Долгое время именно такие молекулы осуществляли (катализировали) сборку первых белков, а затем и первых ДНК. Постепенно они передали главные функции хранения наследственной информации молекулам ДНК, а катализ внутриклеточных процессов – молекулам белков.

Но и сегодня роль нуклеотидов РНК остается огромной. Не говоря уже об их описанной выше ведущей роли в деле сборки самих белков, они входят также в состав важнейших молекул клетки и в первую очередь – молекул т.н. АТФ, которые дают клеткам всю необходимую для жизни энергию.

Конечно, противники «информационной теории» остались при своем, и можно и сейчас встретить научные статьи с заголовками типа «РНК-мир – худшее из объяснений возникновения жизни», - но большинство ученых сегодня склоняется к этой модели. Однако и в ней еще остается много «белых пятен». В частности, нерешенным является вопрос, зачем природе понадобилась еще и ДНК? Разве не могла РНК сохранить за собой роль хранилища наследственной информации?

Ответы на эти вопросы уже частично известны. Оказалось, например, что молекула РНК химически менее устойчива. В отличие от ДНК, у нее в цепи есть некая группа (ОН), торчащая чуть наружу и из-за этого способная, при некоторых свертываниях цепи, ломать ее скелет. Вдобавок, одно из звеньев РНК имеет тенденцию самопроизвольно менять свой химический состав, а это, понятно, искажало бы информацию, если бы она хранилась в РНК. В общем, ДНК для хранения информации лучше. А вот для катализирования самых первых жизненных процессов куда лучше РНК. И именно это показали Джойс и Хорнинг.

Эти ученые начали свои эксперименты с уже известной рибозимы (РНК-полимераза 1-го класса), которая когда-то первой показала способность прицепляться к РНК любого другого вида и катализировать (т.е. многократно ускорять) ее копирование (путем присоединения к этой цепи зеркально подобных звеньев) Эта рибозима, однако, могла это делать только с очень короткими и простыми РНК. Скопировать все звенья типичной длинной РНК и «сшить» эти звенья в цепь-копию у нее не получалось, и многие критики видели в этом свидетельство несостоятельности гипотезы РНК-мира.

Теперь Джойм и Хорнинг создали в своих пробирках примерно 100 триллионов (!) разных вариантов этой рибозимы, отличающихся какими-то случайными мутациями в цепи, и придумали систему «искусственного отбора», оставлявшего в живых только те варианты, которые создавали максимально длинные копии, к тому же способные выполнять определенные задачи (например, присоединяться к каким-то другим молекулам, как это делают реальные РНК в организме). Через 20 с лишним раундов такого отбора они получили рибозиму 24-го поколения, которая показала способность не только копировать все звенья настоящих сложных молекул РНК, существующих в живой природе, но и сшивать весь этот длинный набор звеньев в единую цепочку-копию. При этом скорость работы этой рибозимы в 100 раз превосходила скорость работы исходной РНК-полимеразы-1: за сутки она делала 40 тысяч копий. Если на этом пути удастся еще создать такой следующий вариант рибозимы, который будет способен синтезировать и копировать самого себя, это будет означать серьезный довод в пользу гипотезы РНК-мира.

Рафаил Нудельман
"Окна", 29.9.2016