Николай Кукушкин
Хлопок одной ладонью: Как неживая природа породила человеческий разум
Все оказалось несколько иначе, чем предполагал Мульдер. «Первовещества» как такового на самом деле нет. Все сложные молекулы, из которых мы состоим, производят наши собственные клетки из простейших деталей, причем организм великолепно умеет изготавливать одни детали из других. Некоторые детали должны обязательно поступать с пищей, как, например, половина аминокислот – из них состоят белки. Но в целом живой организм обходится тем, что имеет. Как правило, он может сожрать что угодно, разобрать практически на атомы и собрать в любые нужные ему молекулы. Поэтому идея о том, что растения производят некий единый белок, из которого состоят животные, неверна. Тем не менее Мульдер действительно нащупал кое-что важное и общее между изучаемыми им субстанциями. Просто они оказались не одним и тем же белком, а разными белками. Белок – не одна какая-то молекула, а тип сложного химического соединения, представляющий собой разнообразные цепи из одинакового набора деталей, бусин, аминокислот. То есть химически белки очень похожи друг на друга, что и натолкнуло химика Мульдера на мысль о «первовеществе». Но главное в белке то, что разные последовательности бусин позволяют создавать совершенно разные молекулы из одного и того же набора компонентов.
Эти разнообразные белки правят живым организмом. Как рабочие разных профессий, они делают все, что только можно в нем делать. Мы перевариваем пищу с помощью белков, дышим кислородом с помощью белков, двигаемся с помощью белков. Белки копируют ДНК, синтезируют клеточную мембрану, а при формировании долгосрочной памяти белки в гиппокампе отправляют при помощи белков белковые сигналы другим белкам в кору. Всего у человека порядка 20 000 разных белков5, но каждая клетка решает, когда и в каких количествах производить из них тот или иной белок.
В общем, как «первовещество» термин «протеин» себя не оправдал: белок – это не одна вещь, а огромное количество похожих вещей. Я предлагаю простое решение вопроса: можно переосмыслить этимологию слова как отсылку к греческому богу Протею, морскому божеству, способному принимать разные формы. Тогда все встает на свои места. Так или иначе, «протеин» – слово, конечно, поэлегантнее, чем «белок», но, к сожалению, в русском языке так белки называют только продавцы биодобавок. Так что придется терпеть яичную терминологию. Белки так белки.
Нуклеиновые кислоты – название еще хуже. Во-первых, длинное, сложное, учебником химии веет за километр. Во-вторых, тот факт, что нуклеиновые кислоты именно кислоты, конечно, многое определяет в их химических свойствах, но для общего понимания их смысла совершенно не принципиален. Да и «нуклеиновость» этих кислот, в общем, вторична. Nucleus означает «ядро», отдел клетки, в котором у нас, эукариот, нуклеиновые кислоты хранятся. У бактерий – самой многочисленной формы жизни на Земле – ядер нет, а кислоты все равно нуклеиновые.
Что такого важного в нуклеиновых кислотах – ДНК и РНК? Сами по себе, то есть без белков, они почти беспомощны. За редкими (хотя и важными) исключениями, о которых речь впереди, нуклеиновая кислота тихо лежит, а белки с ней что-то делают. Сила нуклеиновых кислот не в работоспособности или многофункциональности, а в том, что они несут информацию о том, какими нужно быть белкам, чтобы исполнять нужные функции. Нуклеиновые кислоты кодируют белки. Белки на самом деле – это не рабочие, а роботы. Они изготавливаются по специальным программам, записанным в нуклеиновых кислотах.
Физически и белки, и нуклеиновые кислоты представляют собой цепи, сложенные из последовательностей повторяющихся деталей, блоков, бусин. Белки состоят из блоков, называемых аминокислотами, нуклеиновые кислоты – из блоков, называемых нуклеотидами.
В белках 20 возможных составных частей, причем все они очень разные с химической точки зрения. Аминокислоты – это как набор «Юный химик». Все их можно комбинировать в почти бесконечном количестве вариантов. Благодаря разным последовательностям аминокислот разные белки приобретают разные свойства, изгибаются в сложные трехмерные формы, покрытые всевозможными химическими группами, работающими как детали машины. Это обилие компонентов и комбинаций дает белкам такое бесконечное разнообразие функций. В конечном итоге все сводится к простейшему рецепту: такие-то аминокислоты в такой-то последовательности. Информация определяет функцию. Последовательность белка решает, что этот белок умеет делать.
Четырехбуквенный роман
Что касается нуклеиновых кислот, то они бывают двух типов: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). По молекулярному составу они очень похожи друг на друга, но их роли и значение совершенно разные. О РНК разговор впереди, пока же для простоты можно ограничить нуклеиновые кислоты знаменитой двойной спиралью ДНК.
В ДНК всего четыре составные части, причем не так сильно различающиеся по химической сущности. Но эти составные части, нуклеотиды, обладают ключевым свойством, носящим название комплементарности. Комплементарность – это способность одной цепи нуклеотидов связываться с другой комплементарной цепью нуклеотидов, если их последовательности соотносятся как негатив и позитив. Иначе говоря, это способность одной цепи задавать другую цепь, и наоборот.
Благодаря этому свойству нуклеотидные цепи идеально подходят для воспроизведения особого типа информации, которую называют наследственной информацией, генетической информацией или просто генами. (Вот оно, слово на букву Г!) Все гены организма в совокупности называются геномом[1]. Ген – это фрагмент генома, как глава – фрагмент романа. Геном записан в ДНК, как роман записан в книге.
Каждая цепь ДНК состоит из четырех возможных нуклеотидов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Их иногда даже называют для простоты «буквами»: А, Г, Ц и Т. Эти буквы связаны друг с другом последовательно, как бусины: например, Т-Ц-Ц-Г-А. Благодаря химической структуре четырех нуклеотидов, такая цепь может связаться с другой, параллельной цепью, причем к А подходит только Т, а к Г – только Ц, и наоборот. То есть парная цепь в нашем примере: А-Г-Г-Ц-Т. Две эти цепи, встретившись, обовьются друг вокруг друга и образуют двойную спираль, а две другие цепи со случайными, не подходящими друг к другу последовательностями ее не образуют. Такую «парность» двух цепей и называют комплементарностью, а сами парные последовательности – комплементарными.
Чем так принципиальна комплементарность? Благодаря тому, что последовательность одной цепи «знает» последовательность другой цепи, ДНК можно копировать. Имея две цепи, достаточно знать последовательность одной из цепей, чтобы восстановить всю исходную молекулу. Это происходит при делении любой клетки. ДНК разматывается из двойной спирали на две отдельные нити, и недостающая нить достраивается специальными белковыми роботами по принципу комплементарности. В итоге образуются две одинаковые двойные спирали, которые распределяются между дочерними клетками3.
То есть нуклеиновые кислоты, благодаря своей химической структуре, позволяют копировать содержащуюся в их последовательности информацию. В каком-то смысле комплементарные цепи ДНК – это воплощение самой идеи жизни. Удвоение, копирование, размножение, деление – все это синонимы, когда речь идет о ДНК. (Вдумайтесь: только в биологии множить и делить – это одно и то же.) Даже производство Евы из ребра Адама следует тому же самому принципу, что и копирование последовательности ДНК: имея часть исходника, восстанови недостающее.
Но самое главное в том, что эта самая генетическая информация, последовательность нуклеотидов, так хорошо приспособленная к копированию, имеет скрытый смысл, который в ней можно прочесть, если знать шифр. Последовательность нуклеотидов – не просто молекулярные бусы. Это код. Информация в ДНК означает последовательность белка, а вместе с ней – то, что белок делает: дыхание, движение, питание, и все остальные функции живого организма. С помощью этого своего кодирующего свойства бездейственная ДНК, тихо хранящая в себе мудрость поколений, манипулирует окружающим миром, извлекая из себя информацию о полчищах белковых роботов.
Роботы кодируются четырехбуквенным кодом, в котором каждой аминокислоте соответствует «слово» из трех букв: АТТ – изолейцин, ГЦЦ – цистеин и так далее. Всего возможны 64 таких слова, и они распределены между 20 аминокислотами и специальными обозначениями «конец белка»: ТАА, ТАГ и ТГА. Если часть последовательности ДНК прочитать со специальным словарем, то получится последовательность белка.
КСТАТИ
Словарь перевода с нуклеотидного на аминокислотный называется генетическим кодом. Генетический код – это не то же самое, что генетическая информация. Генетическая информация – это все, что записано в ДНК. Генетический код – это таблица из 64 трехбуквенных комбинаций нуклеотидов, или кодонов, и соответствующих аминокислот, которые они кодируют. «Таблица кодонов» висит над столом у многих биологов наподобие таблицы Менделеева у химиков или, наверное, карты метро у работников метрополитена – требуется часто, теоретически можно и запомнить, но зачем?
В живой клетке есть специальная машина, ответственная за «перевод со словарем». Этот огромный молекулярный комплекс под названием рибосома – точка, в которой производятся белки и в которой нуклеиновые кислоты сообщают им свою генетическую волю. Здесь принципиальной становится вторая из кислот, рибонуклеиновая, она же РНК, родственница вездесущей двойной спирали. Пора составить семейный портрет.
В центре догмы
ДНК строга, спокойна, склонна к стабильности. Ее роль – нести свое знание из поколения в поколение с максимальной точностью. Она как жрица, живущая под грузом вечности: в ней содержатся гены, исчисляющие время эпохами. ДНК – это обычно гигантская цепь из миллионов нуклеотидов, и разные белки записаны в разных участках этой цепи. Гéном, в принципе, можно называть любой участок ДНК. По Ричарду Докинзу, например, ген – «единица, продолжающая существовать в ряду многочисленных последовательных индивидуальных тел»6. Но обычно в качестве такой единицы выбирают участок ДНК, обозначающий один белок.
РНК куда менее стабильна, чем ДНК, – постоянная головная боль для биохимиков, пытающихся ее исследовать. Она ретива и мимолетна, но в каком-то смысле гораздо более талантлива, чем ее статная родственница ДНК. ДНК не умеет делать ничего и только торжественно хранит покой содержащихся в ней генов. РНК не сравнится с белком в плане талантов, но в принципе умеет делать множество вещей, иногда даже вступая в принципиально важные химические реакции. Ее жизнь коротка, а по размерам она редко превышает тысячу-другую нуклеотидов (хотя и при такой длине РНК крупнее большинства белков).
РНК – это копия одного из участков ДНК. Она как бы распечатка одного из тысяч негативов, хранящихся в архиве. Сделать такую распечатку можно, конечно, благодаря комплементарности. На одну из цепей ДНК садится специальный белок, называемый РНК-полимеразой, и собирает комплементарную ей цепь, только состоящую из слегка отличающихся нуклеотидов. В реальном времени РНК-полимераза скорее летит вдоль цепи ДНК, а растущая копия – цепь РНК – змеится за ней хвостом. Весь процесс «распечатки» называется транскрипцией. Транскрипция – это изготовление РНК на базе последовательности ДНК.
КСТАТИ
Нуклеотиды в РНК называются рибонуклеотидами, а в ДНК – дезоксирибонуклеотидами, в последних на один кислород меньше, отсюда «дезокси». Помимо этого отличия, есть еще одно: в РНК вместо тимина (Т) используется урацил (У). Ничего важного для понимания при этом не меняется. Это примерно как отличие украинского алфавита от русского – не очень значительные, исторически сложившиеся различия в буквах.
Цепь РНК как таковая по химической структуре почти идентична ДНК, но из-за небольших отличий в нуклеотидах ведет себя иначе. РНК не склонна к длинным цепям и двойным спиралям, хотя это и возможно: двухцепочечная РНК есть, например, у некоторых вирусов. Вместо двойных спиралей, в которых друг к другу прилипают целые комплементарные цепи, одиночная цепь РНК живет сама по себе, но любит изгибаться в сложные трехмерные структуры – совсем как белок. Это происходит за счет комплементарного «слипания» разных участков одной и той же цепи РНК, изгибающего молекулу в том или ином направлении. В совокупности с большей, чем у ДНК, реакционной способностью все это ставит РНК в каком-то смысле посередине между двумя главными молекулами природы. По своей сущности РНК – почти ДНК. Она состоит из нуклеотидов и может транскрибироваться («распечатываться») с одной из цепей двойной спирали. Но по своей склонности к сложным трехмерным формам и готовности вступать в химические реакции РНК – почти белок.
С транскрипции начинается путь гена – информации, записанной в ДНК, – в материальный мир. Поэтому одна из основных задач клетки состоит в регуляции транскрипции. Клетка населена армиями белков, называемых транскрипционными факторами, которые занимаются исключительно тем, что включают и выключают транскрипцию тех или иных участков ДНК в зависимости от всевозможных сигналов, получаемых ими от других белков или из окружающей среды. Говоря, что клетка «включает» какой-нибудь ген, биологи в большинстве случаев имеют в виду включение транскрипции этого гена.
Ген, скопированный в свежую цепочку РНК, внезапно обретает мобильную форму. В таком виде он может путешествовать по клетке и даже между клетками, взаимодействовать с белками, а иногда складываться в «белковоподобные» трехмерные машины. Но особым статусом пользуются РНК, которые сами ни во что сложное не складываются и ничего интересного не делают, а только смиренно несут в себе генетическое послание, на основе которого будет изготовлен белок. В английском языке их так и называют: messenger RNAs, «РНК-посланники». В русском языке аббревиатура мРНК обычно расшифровывается как «матричные», что отражает их суть (эти РНК служат матрицей для изготовления белков), но немного лишает душевности[2].
Куда несут свое послание РНК-посланники? На рибосому. Это, напомню, огромная молекулярная машина, можно сказать станция, на которой производятся белки, где нуклеотидный язык переводится на аминокислотный. Она умеет брать «генетическое послание», матричную РНК, и, пропуская через себя шагами в три нуклеотида, параллельно собирать соответствующий белок, бусина за бусиной. В зависимости от того, какую матричную РНК вставить в рибосому, она может произвести любой белок. Рибосому можно считать древнейшим компьютером, работающим по алгоритму генетического кода.
РНК-полимераза (белок, который «распечатывает» гены в РНК) и рибосома (машина, которая «переводит» РНК в белок) в совокупности делают принципиально важную вещь: они придают информации форму. Ген – абстрактная идея, записанная в последовательности нуклеотидов, – никак не влияет на мир до тех пор, пока не обретет физическое тело, отдельное от бесконечного рулона ДНК. Транскрипция дает ему материальную жизнь в форме РНК; трансляция в белок дает ему способность управлять внешним миром. Именно свойствами белков определяются свойства живого организма. Белки решают, как работает пищеварение. Белки решают, какой формы нос. Белки решают, с какой скоростью двигается по мозгу нервный импульс.
Этот процесс превращения информации в функцию в биологии называется Центральной догмой. Центральная догма – что-то вроде биологического закона, универсальный принцип работы любого известного нам живого организма. Земля вертится вокруг Солнца, дважды два – четыре, белок считывается с гена, а ген с белка – нет.
КСТАТИ
Обычно Центральную догму рисуют в «тройном» виде: ДНК→РНК→белок. Имеется в виду, что в живых организмах информация всегда движется в этом направлении, а в обратном направлении не движется. Сформулированная таким образом в 1960-е гг. Центральная догма, впрочем, быстро пошатнулась, когда были открыты ретровирусы. Те умеют изготавливать ДНК на базе РНК. Так поступает, например, вирус иммунодефицита человека. Его геном записан в форме РНК, но при попадании в человеческую клетку он изготавливает свою ДНК-версию и встраивается в геном хозяина. Процесс производства ДНК на матрице РНК называется обратной транскрипцией, а «ретро-» в названии ретровирусов по той же причине означает «назад». То есть ретровирусы – вирусы-оборотни.
В дальнейшем нашлись и другие примеры синтеза ДНК из РНК, поэтому репутация Центральной догмы как аксиомы была подпорчена. И все же если схему перерисовать в «двойном» виде, то ее действительно можно считать неколебимым законом живого: нуклеиновые кислоты→белки.
Или еще абстрактнее: информация→функция.
Последний универсальный
Задача этой книги – представить себе историю живого в виде последовательности реальных событий, мгновений прошлого, ключевых точек во времени, определивших нашу сегодняшнюю жизнь как разумных существ. Первым и главным из таких событий должен стать, несомненно, момент возникновения жизни на Земле. Проблема в том, что мы решительно ничего о нем не знаем. Не знаем, что произошло, не знаем – где, не знаем – когда, не знаем даже, что именно происхождением жизни нужно считать.
Например, мы не знаем, было ли возникновение жизни единичным событием. Вполне вероятно, что жизнь зарождалась многократно даже на нашей планете, не говоря уже о других потенциально возможных мирах. Но сколько бы раз это ни происходило, можно с достаточной долей уверенности утверждать, что вся ныне существующая жизнь на Земле берет свое начало от одного-единственного предка. Свидетельствует об этом простой факт: вся современная жизнь, от бифидобактерий до носорогов, работает по одному и тому же принципу: информация хранится в ДНК и выражается (по-биологически – экспрессируется) в белках при посредничестве РНК.
Это, возможно, главное открытие молекулярной биологии XX в. Центральная догма заполнила пропасть между «простыми» и «сложными» организмами, объявив, что различия между ними видны только на поверхности, а в глубине все они неимоверно сложны, а главное – сложны совершенно однотипным виртуозным балетом макромолекул.
Это та же логика, которой пользуется сыщик, чтобы отличить не связанные между собой преступления от серийных. Если между картинами преступлений есть сходство достаточной сложности, то такой «почерк» свидетельствует о том, что эти преступления совершены одним и тем же человеком. Разбитые окна на месте кражи не считаются, потому что это слишком просто: легко представить, что разные преступники оставляют одну и ту же улику независимо друг от друга. Но если окно в каждом случае аккуратно вырезано одним и тем же инструментом, то куда вероятнее, что это дело рук вора-рецидивиста. В случае с живыми организмами инструменты их функционирования настолько сложные и настолько одинаковые, что почти никто не сомневается в их едином происхождении.
Итак, насколько можно судить, всё ныне живущее произошло от одного организма. Этот организм, по-видимому, был клеткой (об этом его свойстве речь в следующей главе) и уже обладал ДНК, РНК и белками. Считается, что он жил на нашей планете примерно 3,5 млрд лет назад. В англоязычной литературе для обозначения этого нашего таинственного дедушки из глубины времен используется аббревиатура LUCA – last universal common ancestor, то есть «последний универсальный общий предок». ЛУКА благозвучнее, чем ПУОП, поэтому пусть Лукой и будет.
Почему «последний»? Потому что между происхождением жизни (моментом, когда неживая материя стала живой) и Лукой (организмом, к которому восходит родословная всего ныне живущего) прошел промежуток времени, о котором, как вы уже догадались, ничего не известно. Теоретически жизнь могла зарождаться, множиться и вымирать миллионы лет и миллионы раз до того, как возник Лука, чьи потомки оказались удачливее и в конечном итоге населили сегодняшнюю Землю. То есть до Луки у сегодняшних живых организмов была еще масса других общих предков, но только потомки Луки дожили до наших времен. Лука – это как древний египтянин или миноец: он явно появился не на пустом месте, но про то, что было раньше, известно так мало, что школьные учебники по истории Древнего мира туда даже не заглядывают.
Самое главное неизвестное в истории жизни на Земле – что было до Луки. Исследования этого вопроса, в общем, не что иное, как гадание на кофейной гуще, пусть и с навороченными приборами. Ученые задаются не столько вопросом «Как жизнь возникла?» (ответов на такой вопрос искать просто негде), сколько вопросом «Как в принципе могла возникнуть жизнь?». Если конкретнее, то какой может быть теоретическая последовательность событий, ведущая от атомов и случайных, «неживых» химических реакций к первой известной форме жизни «современного» образца – Луке. Для такого спонтанного превращения неживого в живое есть специальное слово: абиогенез.
О шансах урагана на сборку боинга
На первый взгляд, сама идея такой «случайности» смехотворна. В повседневной жизни мы не сталкиваемся со случайностями, в результате которых из пыли вырастают многоэтажные здания, а ураган, проносящийся по свалке, собирает «Боинг-747». Последнее – ходовой аргумент креационистов, якобы сводящий абиогенез к абсурду.
КСТАТИ
В советские времена пользовалось популярностью определение жизни по Фридриху Энгельсу: «Жизнь – способ существования белковых тел»7. Это цитата из любопытного спора о происхождении жизни.
Источник – комментарий Энгельса к статье биолога Морица Вагнера, опубликованной в 1874 г. Вагнер, опираясь на размышления великого химика Юстуса фон Либиха, доказывает, что жизнь подобна материи, ее невозможно создать или уничтожить, она всегда есть, всегда была и, наверное, есть везде. Вот на Нептуне, например, наверняка все кишит бактериями. (Планета Нептун названа в честь римского морского бога, потому что выглядит синей, как будто покрытой сплошным океаном. Сегодня мы знаем, что, хотя на Нептуне действительно есть вода, к жизни он совершенно непригоден, а своим цветом обязан не океану, а облакам метана8.)
Энгельс на это с презрением обзывает Либиха с Вагнером дилетантами и заявляет, что создать жизнь с нуля – пара пустяков, надо только научиться синтезировать белки. Вот полная цитата:
«Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. ‹…› Если когда-нибудь удастся составить химическим путем белковые тела, то они, несомненно, обнаружат явления жизни и будут совершать обмен веществ, как бы слабы и недолговечны они ни были»[3].
Интересно, что для Энгельса жизнь – это белок плюс метаболизм. (Еще интереснее, что смерть – «разложение белка».) В остальном в споре между Вагнером, Либихом и Энгельсом обе стороны сегодня смотрятся наивно. Конечно, никто из них ничего не знал про гены, ДНК и механизм наследственности, поэтому в принципе не мог адекватно судить о происхождении жизни. Но эта пропасть знания, отделяющая нас сегодняшних от современников Энгельса, гораздо шире, чем генетика. Ученым 1870-х гг. казалось, что клетка есть сгусток белка, что от простой клетки – бактерии, например – рукой подать до неживой материи. С общим развитием биологии и особенно с появлением электронных микроскопов стало понятно, что любые, даже самые примитивные, клетки настолько сложны, что «составить химическим образом» клетку с нуля в обозримом будущем можно даже и не помышлять.
Что вообще такого уж дикого в сборке боинга ураганом? Дело не в принципиальной способности спонтанных событий порождать нечто сложное – дело в том, насколько сложным должно быть спонтанное событие, породившее жизнь. Самое известное свидетельство того, что ураганы в принципе могут что-то собрать на свалке, – это знаменитый эксперимент Миллера – Юри, который в 1953 г. показал, что, если в замкнутой колбе долго греть и бить током простейшие молекулы, из них образуется масса сложных и интересных органических соединений9. Если бы в колбе у американского химика Гарольда Юри и его студента Стэнли Миллера возникли целые клетки, то боинг был бы собран, а вопрос о происхождении жизни фактически решен. Но даже получившиеся у них аминокислоты и сахара – это огромный шаг от неживого к живому, и мы точно знаем, что этот шаг возможен.
Метафора «боинга, собранного ураганом», озвучивает другую проблему. Дело не в том, что на свалке нет нужных исходных деталей или что вихрь физически не может собрать самолет, эти возможности предусмотрены самим включением свалки и урагана в метафору. Свалка – источник вещества, где, если поискать, можно найти все, что требуется. Ураган – внешний источник энергии, обладающий достаточной силой, чтобы поднять и столкнуть между собой нужные детали. Проблема не в слабости урагана или отсутствии деталей, а в том, что ураган не знает, какие детали как сталкивать. Он не обладает информацией, нужной для правильной сборки боинга, – а это огромное количество информации, описывающей каждое сочленение каждой детали, каждую химическую связь. А если не знает ураган, то кто-то, следуя логике метафоры, должен знать. Но между абиогенезом и случайной сборкой боинга ураганом есть несколько принципиальных отличий. Во-первых, никто не утверждает, что боинг, то есть Лука, должен был собраться разом, в один этап. Наоборот, совершенно очевидно, что его сборка шла постепенно, от более простых вариантов к более сложным, причем подавляющее большинство собранных конструкций быстро развалились и были забыты. Во-вторых, каждый из успешных вариантов обладал способностью собирать свою собственную копию. То есть протобоинги должны были быть не столько примитивными самолетами, сколько боингособирающими роботами. Наконец, нет никаких оснований полагать, что ураган пронесся по свалке всего один раз. Вполне возможно, что ураган длился миллиарды лет, все это время концентрируясь на одной и той же свалке.
Все это растягивает метафору боинга до неузнаваемости, но существенно упрощает мысленную гимнастику вокруг происхождения Луки. Если представить, что определенная и не очень сложная комбинация деталей на свалке создает в результате машину, которая ездит по свалке и собирает себе подобные машины, то такую машину достаточно собрать один раз, дальше цикл сборки станет самовоспроизводящимся и размножающимся, а со временем случайные изменения приведут к разнообразию и постепенному изменению машин-потомков. Это решает главную проблему урагана-сборщика: отсутствие информации. Ураган не знает, что нужно собирать, но кто-то знает – так вот, самовоспроизводящаяся машина и есть этот кто-то. Она обладает информацией (собственной структурой), которую умеет воплощать в реальность (создавать такую же структуру), а все последующее – лишь постепенные изменения этой исходной информации.
Машина для производства себя
Короче говоря, чтобы представить происхождение жизни, совсем необязательно представлять, как из камня и воды возникает готовая клетка с ДНК, РНК и белками. Представить себе нужно самую простую самовоспроизводящуюся машину, которую только возможно представить, а потом придумать, что за ураган (источник энергии) и на какой свалке (источник вещества) мог такую машину породить. Этим и занимаются исследователи абиогенеза: пытаются найти простейшую систему самовоспроизведения и придумать ей реалистичное место рождения.
Даже это, впрочем, задача изрядной сложности. Происхождение Центральной догмы – это как загадка про курицу и яйцо, только с тремя компонентами. Чтобы из одного организма сделать другой, нужно удвоить его ДНК, РНК и белки. Чтобы сделать ДНК или РНК, нужны белки. Чтобы сделать белки, нужны РНК и ДНК. Представить, что одна из этих молекул появляется случайным образом из неживых компонентов, еще можно, хотя и тут нужно много фантазии. Но представить, что все три молекулы появляются случайно независимо друг от друга и самопроизвольно сливаются в свой сложнейший многоступенчатый танец, – это уже слишком. Нужно более простое начало.
Сегодня наибольшей популярностью пользуется идея о том, что таким более простым началом, предшествующим Луке и Центральной догме, был так называемый РНК-мир10–13. В основе этой гипотезы лежит уже упоминавшийся факт: РНК – это в каком-то смысле нечто среднее между белком и ДНК. Она может одновременно воспроизводить информацию (благодаря комплементарным свойствам своих нуклеотидов) и выполнять химические реакции (благодаря реакционной способности и склонности к сложным трехмерным структурам).
ДНК – прекрасный архив информации. Она химически стабильна, а ее двойная спираль – встроенный механизм копирования. Но молекула ДНК ничего не умеет делать. Белки – идеальные машины, многофункциональные, как швейцарский нож. Но белки не умеют себя копировать: каждая молекула белка собирается с нуля на рибосоме. По сравнению с этими двумя молекулами РНК, на первый взгляд, проигрывает: архив из нее не очень хороший из-за нестабильности, а машина и вовсе посредственная, потому что всего с четырьмя похожими друг на друга деталями в функциональном смысле не разбежишься. Но РНК уникальна в природе тем, что она может быть и архивом, и машиной одновременно.
Именно поэтому РНК занимает центральное место в фантазиях биологов о происхождении жизни. Самый простой способ представить, как могла появиться Центральная догма, – это сначала представить себе самодостаточную, самокопирующуюся молекулу РНК, а затем то, как эта РНК обзавелась белками, научившись превращать свою собственную четырехбуквенную последовательность в совершенно новую, более многофункциональную цепь из 20 аминокислот. Это открыло перед РНК невиданные возможности для оптимизации собственных функций, включая производство более стабильного, двухцепочечного архива – молекулы ДНК.
КСТАТИ
РНК-мир – ни в коем случае не установленный факт, а только гипотеза: при написании этой книги, например, мне пришлось отбиваться от знакомых эволюционистов, яростно и вполне убедительно доказывающих, что первыми должны были появиться не нуклеиновые кислоты, а белки, то есть что Берцелиус со своем термином «протеин» («первовещество») попал в точку.
Если же все-таки следовать мнению большинства и верить в РНК-мир, можно сказать, что РНК – это исходная форма жизни, главным событием в истории которой стало изобретение белков14, 15. В современной клетке почти все важное делают белки, а РНК в основном просто переносит генетическую информацию. Но некоторые из наиболее древних клеточных машин сохранили в себе, как предполагается, следы добелкового мира, в котором РНК сама выполняла химическую работу. Главная из таких машин – рибосома, станция производства белка.
Рибосома – это конгломерат из нескольких десятков молекул, включающих РНК и белки, но первенство в синтезе белка принадлежит именно РНК16. Рибосомная РНК ответственна за самую главную ступень процесса: формирование пептидной связи, то есть связи между двумя аминокислотами в растущей цепи белка. Другая РНК, называемая транспортной, выступает в качестве переносчика аминокислоты. Она подставляет нужную аминокислоту под растущую цепь белка в зависимости от того, какое трехнуклеотидное «слово» в данный момент проходит сквозь рибосому в составе матричной РНК, с которой белок считывается.
Сказать, что в ходе трансляции одни РНК берут другую РНК и делают на ее матрице белок, – преувеличение, но не слишком большое. То есть в истории жизни вполне можно представить себе момент, когда доселе самостоятельные РНК научились производить на своей основе белки и заложили тем самым основу будущей Центральной догмы.
В общем, если возможен абиогенез РНК-мира, имея миллиард-другой лет и долю фантазии, можно получить все остальное. Поэтому ключевые вопросы о происхождении жизни на сегодняшний день сводятся к следующим: возможна ли самодостаточная, самокопирующаяся РНК? Если да, то могла ли она появиться случайно? Если да, то где?