Машины создания

В росте кристаллов, каждый слой образует шаблон для следующего. Однородные слои накапливаются и формируют твердый блок.

В клетках нити ДНК или РНК также могут служить в качестве шаблонов при помощи ферментов, которые действуют как молекулярные копировальные машины. Но элементы, из которых строятся нити нуклеиновых кислот, могут быть устроены во многих различных последовательностях, и нить шаблона может отделиться от копии. И нить, и её копия могут далее снова быть скопированы. Биохимик Сол Спиджельман использовал копировальные машины (белки из вируса) для экспериментов в испытательной пробирке. Говоря просто, безжизненная среда дуплицирует молекулы РНК.

Представьте себе нить РНК, плавающую в испытательной пробирке вместе с копировальными машинами и элементами РНК. Нить кувыркается и изгибается, пока она не наталкивается на копировальную машину в правильном положении, чтобы слипнуться. Элементы толкутся вокруг, пока один нужного вида не встретит копировальную машину в правильном положении, которая соответствует нити шаблона. Как только соответствующие элементы ухитряются попасть в нужное положение, машина захватывает их и привязывает их к растущей копии; хотя элементы сталкиваются случайным образом, машина связывает выборочно. В конце концов машина, шаблон и копия разъединяются.

В терминологии зоолога Ричарда Давкинса из Оксфорда, объекты, которые делают копии себя, называются репликаторами. В этой окружающей среде молекулы РНК подходят под определение: единственная молекула скоро превращается в две, потом четыре, восемь, шестнадцать, тридцать две, и так далее, умножаясь экспоненциально. Далее скорость репликации снижается: постоянный запас белковых машин может производить копии только с какой-то скоростьюРНК, независимо от того, сколько молекул шаблона соперничают друг с другом для их услуг. Ещё позже сырья для созданияРНК молекулы становится недостаточно, и репликация задерживается вплоть до остановки. Быстро растущее число молекул достигает предела росту и останавливает репродуцирование.

Копировальные машины, однако, часто копируют неправильно нить РНК, вставляя, удаляя, или неправильно сопоставив элемент нити. Получающаяся в результате нить с мутациями тогда отличается по последовательности элементов или длине. Такие изменения довольно случайны, и изменения накапливаются по мере того как скопированные с ошибкой молекулы снова копируются с ошибкой. По мере того как молекулы размножаются, они начинают отличаться от своих предшественников и друг от друга. Это может выглядеть как рецепт, приводящий к хаосу.

Биохимики нашли, что различающиеся молекулы РНК копируются с разными скоростями, в зависимости от их длин и структуры элементов. Потомки более быстрых репликаторов естественно становятся более распространёнными. Действительно, если один вид копируется только на 10 процентов быстрее чем его собратья, то после одной сотни поколений, каждый из более быстрого вида даст в 1000 раз большее число потомков. Малые различия в экспоненциальном росте накапливаются экспоненциально.

Когда в испытательной пробирке заканчиваются элементы, экспериментатор может взять пробу его РНК и «заразить» новую пробирку. Процесс начинается снова и молекулы, которые доминировали в первом раунде соревнования начинаются с некоторой форой. Появляются маленькие изменения, по прошествии времени вырастая в большие. Некоторые молекулы размножаются быстрее, и их вид доминирует в смеси. Когда ресурсы исчерпываются, экспериментатор может взять пробу РНК и начать снова (и снова, и снова), сохраняя условия стабильными.

Этот эксперимент показывает естественный процесс: независимо от того, с какой последовательности РНК начинает экспериментатор, кажущийся хаос случайных ошибок и копирование с систематическими ошибками выдвигает вперёд один вид молекул РНК (плюс-минус некоторые ошибки копирования). Его типичная версия имеет известную, четкую последовательность 220 элементов. Это – лучший РНК репликатор в этой среде, так что он перенаселяет другие и остаётся.

Копирование, растянутое во времени, копирование с ошибками и конкуренция всегда дают те же самые результат, независимо от длины или структуры молекулы РНК, с которой начинается процесс. Хотя никто не мог бы предсказать, какая структура выиграет, каждый может видеть, что изменение и конкуренция будут иметь тенденцию выдвигать единственного победителя. В такой простой системе могло бы произойти кое-что ещё. Если эти репликаторы сильно воздействуют друг на друга (возможно, путём выборочных атак или помощи друг другу), то результаты могли бы напоминать более сложную экологию. Но как есть, они просто конкурируют за ресурсы.

Варьирование деталей в этом примере показывает нам кое-что еще: молекулы РНК приспосабливаются по-разному к различным окружающим средам. Молекулярная машина, называемая рибонуклеазой захватывает молекулы РНК, имеющие определённые последовательности элементов, находящихся на поверхности, и режет их пополам. Но молекулы РНК, подобно белкам, сворачиваются в структуры в зависимости от их последовательности, и путём сворачивания нужным образом они могут защищать свои уязвимые места. Экспериментаторы находят, что молекулы РНК развивают в процессе эволюции способность жертвовать быстрым размножением в пользу лучшей защиты, когда вокруг находится рибонуклеаза. Опять же, конкуренция способствует возникновению лучшего.

Заметьте, что в это описание вкрались термины из биологии: так как молекулы копируются, слово «поколение» выглядит правильным; молекулы «происходящие» от общего «предка» – «родственники», а слова «рост», "размножение", «мутация» и «конкуренция» также выглядят подходящими. Почему так? Потому что эти молекулы копируют себя с небольшими изменениями, также как это делают гены живых организмов. Когда различные репликаторы имеют различный успех, наиболее успешные имеют тенденцию накапливаться. Этот процесс, где бы он ни происходил, есть "эволюция".

В этом примере испытательной пробирки мы можем наблюдать эволюцию, раздетую до своих наиболее важных сущностных моментов, и освобождённую от противоречий, окружающих эволюцию жизни. Репликаторы РНК и белковые копировальные машины – это хорошо определённые наборы атомов, подчиняющихся хорошо понимаемым принципам и эволюционирующих в воспроизводимых лабораторных условиях. Биохимики могут делать РНК и белки из химических веществ, взятых "с полки", без помощи жизни.

Биохимики заимствуют эти копировальные машины от какого-либо вида вируса, который инфицирует бактерии и использует РНК как генетический материал. Эти вирусы выживают, входя в бактерию, получая свои копии путём использования её ресурсов, и затем выходя наружу, чтобы инфицировать новый бактерии. Копирование вирусной РНК с ошибками производит вирусы с мутациями, и вирусы, которые копируют себя более успешно, становятся более распространёнными; это – эволюция естественным отбором, очевидно названная «естественной» потому что она включает части природы, не относящиеся к человеку. Но в отличие от РНК из испытательной пробирки, вирусные РНК должны делать нечто большее, чем просто скопировать себя как просто молекулы. Успешные вирусные РНК должны также направлять бактериальные рибосомы для построения белковых устройств, которые, во-первых, позволяют им выбираться из старых бактерий, потом выживать снаружи, и в конце концов входить в новые бактерии. Эта дополнительная информация делает молекулы вирусных РНК длинной около 4500 элементов.

Чтобы копироваться успешно, ДНК больших организмов должны делать даже больше, направляя строительство десятков тысяч различных белковых машин и развитие сложных тканей и органов. Это требует тысяч генов, закодированных в миллионах или даже миллиардах элементов ДНК. Тем не менее принципиально процесс эволюции путём вариации и селекции сохраняется тем же самым и в испытательной пробирке, и в вирусах, и во многих других случаях.