Дарвинизм в XXI веке
Не вдаваясь в подробности аргументации сторонников панспермии, заметим только, что она не объясняет возникновение жизни, а лишь переносит его с древней Земли (о которой нам известно хоть что-то) в абсолютно неведомое место с неизвестными условиями. При этом легко видеть, что ни одной из упомянутых выше трудностей теории абиогенеза теория панспермии не решает. Термодинамическая невероятность самопроизвольного усложнения химических систем, хиральная чистота химических «кирпичиков» жизни, происхождение белково-нуклеиновой кооперации и даже полимеризация белков и нуклеотидов в водной среде выглядят на комете, на Марсе, на спутниках Юпитера, в газо-пылевых скоплениях, в окрестностях нейтронных звезд и черных дыр и в любых других условиях, которые только может нарисовать человеческое воображение, столь же загадочно и необъяснимо, как и на Земле.
Некоторые ученые (включая Вернадского) за неимением лучшего предположили, что жизнь
Ситуация выглядела настолько тупиковой, что в последние десятилетия ХХ века сама тема происхождения жизни стала восприниматься как не вполне научная. Некоторые журналы отказывались принимать какие-либо публикации на эти темы. Стали слышны даже разговоры о том, что эта проблема, мол, вообще не может быть изучена научными методами — наука, дескать, занимается только явлениями повторяющимися и воспроизводимыми, а жизнь нам известна только одна и она явно возникла один раз. И даже если мы когда-нибудь сможем предложить процесс, приводящий к возникновению жизни из неживых компонентов — это докажет лишь, что жизнь
Однако, как ни странно, именно в этот период начались первые подвижки в преодолении вышеупомянутых принципиальных трудностей. В начале 1980-х годов Томас Чек в Университете Колорадо и независимо от него Сидни Олтмен в Йельском университете обнаружили, что некоторые молекулы РНК обладают ферментативной активностью, то есть способны катализировать те или иные химические реакции. С легкой руки Чека и его сотрудников такие РНК стали называть рибозимами. Это уже давало надежду на выход из замкнутого круга «нуклеиновые кислоты — белки»: если рибозимы могут катализировать какие-то реакции (в том числе и с участием других молекул РНК), то, может быть, они могут катализировать и копирование самих себя? И действительно, среди рибозимов (которых вскоре открыли и синтезировали довольно много) нашлись и способные катализировать репликацию РНК. Правда, рибозимы, которые могли бы копировать сами себя (или друг друга) непосредственно из отдельных нуклеотидов, до сих пор не найдены и не созданы, но принципиальная возможность их существования уже выглядит вполне правдоподобной. Так, в январе 2020 года группа Джеральда Джойса из Солковского института в Ла-Хойе (Калифорния) сообщили о получении рибозима из примерно двух сотен нуклеотидов, способного синтезировать собственного «предка» — вдвое более короткую молекулу РНК, содержащую участок, образующий каталитический центр, и тоже проявляющую рибозимную активность. Следует отметить, что исходный рибозим был получен путем «направленной эволюции», т. е. размножения молекул и отбора наиболее эффективных из них.
Надо сказать, гипотезу о том, что РНК может обладать каталитической активностью, выдвигали еще в 1967 году Фрэнсис Крик, Лесли Оргел и Карл Вёзе. Вскоре Вёзе постулировал существование «РНК-мира» — мира самокопирующихся рибозимов. Предполагалось, что некоторые из небольших молекул РНК, образовавшихся в результате чисто случайного соединения абиогенно синтезированных нуклеотидов, обладали рибозимной активностью. Она была весьма разнообразной, но те РНК, которые могли хоть немного содействовать матричному копированию самих себя, росли в числе. Таким образом, естественный отбор начал работать еще на этом этапе. Который можно считать рубежом становления жизни или относить еще к «химической эволюции», но в любом случае «демон Дарвина» взялся за работу задолго до появления даже самых примитивных клеток и вообще всего, в чем мы могли бы опознать живой организм. Со временем РНК передали свои каталитические функции белкам, а длительное хранение наследственной информации возложили на свою модифицированную форму — ДНК. Еще позже они обросли системами обмена веществ, закутались в липидные пузырьки-мембраны (позволяющие поддерживать нужную концентрацию реагентов и промежуточных продуктов), создали механизм фотосинтеза… в общем, дальше это была уже знакомая нам биологическая эволюция.
Разумеется, РНК-мир — это всего лишь гипотеза. В современных работах по проблеме происхождения жизни (с наступлением XXI века начался настоящий бум исследований в этой области, как теоретических, так и экспериментальных) можно найти и альтернативные сценарии перехода от химической эволюции к биологической (например, подход «сначала метаболизм», согласно которому первым шагом к жизни были не самовоспроизводящиеся молекулы, а самовоспроизводящиеся
Как мы помним, в водном растворе свободные нуклеотиды должны быть не склонны к соединению в цепочки. Чтобы их соединить, нужно затратить энергию. Если раствор подвергается воздействию солнечного света, эта реакция может идти за счет энергии ультрафиолетовых квантов. Но ультрафиолет с таким же успехом может и разрушить молекулу нуклеотида, поглотившего квант. Так вот, оказалось, что соединение рибонуклеотидов в цепочки повышает их устойчивость к ультрафиолету: даже в коротких цепочках по 3–5 звеньев нуклеотиды устойчивее, чем в свободном состоянии, и эта устойчивость растет (правда, с постепенным замедлением) с ростом числа звеньев в цепочке. Но этот эффект возникает только в том случае, если все нуклеотиды в цепочке — одной хиральности (все «правые» или все «левые»). Поскольку устойчивость достигается за счет распределения вызванного квантом возбуждения электрона по «стопке» расположенных параллельно друг другу плоских азотистых оснований, а для такого их расположения нужно, чтобы цепочка нуклеотидов закручивалась в правильную спираль.
Это позволяет разом ответить на два трудных вопроса: о причинах роста цепочек (вопреки требованиям химического равновесия) и о причинах их хиральной чистоты. Под действием ультрафиолета нуклеотиды постоянно соединяются друг с другом — и тот же ультрафиолет постоянно рвет возникающие цепочки и разбивает на части сами нуклеотиды. В этих постоянных перестановках преимущественно «выживают» те композиции молекул, которые, однажды возникнув, труднее всего разрушаются — небольшие, хирально чистые молекулы РНК.
Один из ведущих специалистов по проблеме происхождения жизни, известный биофизик Армен Мулкиджанян считает, что это не единственное селективное действие ультрафиолетового излучения на предбиологические системы. Возможно, уже сам наш генетический «алфавит» — набор азотистых оснований, входящих в состав ДНК и РНК и служащих непосредственными носителями генетической информации, — тоже выбран для нас ультрафиолетом. В принципе соединений такого типа существует довольно много, немало из них может входить в состав нуклеотидов, объединяться в цепочки и образовывать уотсон-криковские пары с другими основаниями. Но именно те, которые используются в наших «молекулах наследственности», — аденин, гуанин, цитозин и тимин/урацил — при захвате ультрафиолетового кванта разрушаются реже всех других известных типов нуклеотидов. Устойчивость к ультрафиолету повышается также при образовании комплементарных пар. Поскольку именно этот процесс лежит в основе матричного синтеза нуклеиновых кислот (свободные нуклеотиды образуют пары с соответствующими им нуклеотидами одноцепочечной ДНК или РНК, выстраиваясь таким образом во вторую цепочку), то можно предположить, что и удвоение древних РНК могло начаться еще до того, как какая-то из них обрела способность катализировать эту реакцию — просто за счет того, что двухцепочечные РНК оказывались более устойчивы к разрушающему действию ультрафиолета, чем такие же одноцепочечные. Конечно, и по скорости, и по точности соблюдения соответствия между парами такой механизм, вероятно, сильно уступал рибозимам-полимеразам (не говоря уж о современных полимеразах-белках), но сам феномен самовоспроизводящихся молекул вполне мог начаться с него.
Я думаю, читатель уже понял, к чему я клоню. Да, все вышеописанное — это явная (хотя и несколько своеобразная) версия
Конечно, это всего лишь гипотеза, причем даже возможности ее проверки довольно ограничены. Но сегодня это, пожалуй, самое изящное и убедительное объяснение перехода от малых органических молекул к самокопирующимся биополимерам и дальнейшей эволюции жизни. Она обходится без привлечения «излишних сущностей» (будь то «разумный замысел», инопланетяне-экспериментаторы, неведомые физико-химические условия на экзотических космических объектах или никем не найденные чудо-катализаторы), рассматривая только те факторы, наличие которых на древней Земле не вызывает сомнений. И при этом не противоречит никаким известным фактам.
Заметим, что уже сам факт существования такой модели (независимо от того, подтвердят ли ее дальнейшие исследования) прямо опровергает дежурную претензию креационистов и всякого рода мыслителей широкого профиля — «дарвинизм бессилен объяснить возникновение жизни». Можно (если, конечно, есть серьезные аргументы) оспаривать предложенное объяснение, но ни о каком «бессилии объяснить» говорить уже не приходится.
Здесь, впрочем, надо сделать важную оговорку. Объяснение происхождения жизни подразумевает решение целого ряда проблем, среди которых проблема возникновения самокопирующихся молекул РНК — безусловно важная, одна из ключевых и, возможно, самая принципиальная, но все же не единственная. Чтобы можно было без натяжки сказать, что загадка возникновения жизни разгадана, нужно выяснить, где разыгрывались события, приведшие к ее возникновению (имеется в виду, конечно, не «в какой географической точке?», а «в какой среде?», «в каких локальных физико-химических условиях?»), как соединились воедино самокопирование молекул и метаболические циклы, как возникли белки и ДНК, генетический код и рибосомы, как ансамбли взаимодействующих молекул оделись мембранами и как научились управлять делением мембранных пузырьков, и многое-многое другое. Ученые выдвигают разные, порой противоречащие друг другу гипотезы и модели, спорят, экспериментируют. Контуры моста над пропастью, разделяющей живое и неживое, уже вырисовываются, но никто не может сказать, когда по этому мосту можно будет пройти от одного края до другого, ни разу не прибегнув к крыльям воображения.
Но, как я уже сказал в начале этой главы, у меня нет ни возможностей, ни нужды в полноценном рассказе об этой безусловно интереснейшей области исследований. Желающим узнать о ней подробнее я опять-таки рекомендую книгу Никитина. Здесь же я хотел лишь показать, что и в этом весьма специфическом направлении исследований идея эволюции на основе естественного отбора присутствует не только как некое абстрактное универсальное объяснение, но и как актуальная рабочая теория, источник возможных решений для конкретных (и притом важнейших) исследовательских задач.
Поэтому из всего необозримого множества тех проблем, над которыми бьются ученые, занимающиеся происхождением жизни, я позволю себе сказать пару слов только еще об одной. Во-первых, потому, что она была упомянута в начале этой главы (как известно, если в первом акте на сцене висит ружье, до конца пьесы оно должно выстрелить), во-вторых, потому, что здесь мы вновь встречаем пример успешного применения селекционистского подхода.
Итак, открытие рибозимов и создание концепции РНК-мира разорвало замкнутый круг «белки не могли возникнуть без нуклеиновых кислот, а нуклеиновые кислоты — без белков». Но если нуклеиновые кислоты смогли возникнуть и какое-то заметное время успешно существовать без всяких белков — как и почему эти два типа биополимеров начали взаимодействовать между собой?
Когда ученым удалось узнать кое-что об эволюции рибосомы (об этой замечательной работе мы еще поговорим подробнее в главе 20), оказалось, что самая древняя часть рибосомальной РНК — пептидилтрансферазный центр. Этот участок непосредственно пришивает аминокислоты к растущей полипептидной цепочке. Но в его составе нет никаких структур, которые проверяли бы соответствие присоединяемой аминокислоты тому, что значится в матричной РНК, да и вообще он с мРНК никак не взаимодействует. Возможно, конечно, древний рибозим, превратившийся впоследствии в пептидилтрансферазный центр, контролировал состав получающейся полипептидной цепочки каким-то иным способом, позже утраченным за ненадобностью. Но более вероятно, что он его никак не контролировал, а сшивал аминокислоты (правда, строго одной хиральности — «левые») в том порядке, в каком они ему подворачивались.
Но какую пользу размножающимся и каталитически активным молекулам РНК мог бы принести белок случайного состава? Одна из гипотез связывает это с тем, что полипептидная цепочка случайного состава с высокой вероятностью закручивается в альфа-спираль — наиболее частый элемент вторичной структуры белка. В таком виде полипептид охотно связывается водородными связями с двухцепочечными участками РНК, прикрывая при этом ее «ахиллесову пяту» — гидроксильную группу у второго[169] атома углерода в молекуле рибозы. Едва ли не любые химические агенты, способные гидролизовать РНК — от щелочи до специализированных ферментов-нуклеаз, — атакуют именно эту группу. (Недаром в дезоксирибозе, входящей в состав ДНК, именно этот гидроксил заменен атомом водорода — что придает ДНК гораздо бóльшую, чем у РНК, устойчивость к химическим повреждениям.) Нетрудно предположить, что когда самовоспроизводящиеся рибозимы «подъели» абиогенно синтезируемые нуклеотиды, и те стали дефицитным ресурсом, преимущество получили рибозимы, способные гидролизовать собратьев — другие молекулы РНК. А это, в свою очередь, породило отбор на способность защищаться — и эффективным средством такой защиты оказались полипептидные цепочки случайного (но хирально чистого) состава. Таким образом, первый шаг к кооперации полинуклеотидов с полипептидами тоже мог быть результатом естественного отбора.
На чем эту главу можно было бы и закончить. Но есть еще один сюжет, косвенно связанный с ранней эволюцией жизни и тоже окруженный странными недоразумениями. Правда, эти недоразумения не столь широко распространены в обществе, но зато осенены именами действительно выдающихся ученых нашего времени.
Интерлюдия или сюита?