Планеты и жизнь

Процессы, которые мы рассматривали сейчас, не кажутся особенно сложными, но уже и на этой стадии жизни клетки, если взглянуть на весь механизм репликации в целом, сразу же возникнут принципиальные трудности.

Почему, собственно говоря, ДНК должта расплетаться, раскручиваться? Что заставляет ее это делать? Американский ученый А. Корнберг в результате упорной почти десятилетней работы доказал, что и в процессе репликации центральную роль сграют все те же ферменты.

Иными словами, без ферментов не может идти образование новых цепей ДНК. Фермент и расплетает двойную спираль, и строит новую полинуклеотидную цепочку.

Эксперименты Корнберга и его сотрудников по синтезу ДНК существенно расширили представления о репликации и синтезе генетического материала. Общая картина процесса репликации представляется достаточно ясной. Есть стартовая, родительская молекула ДНКЕсть ферменты, есть разрыв стартовой молекулы и синтез молекул потомков.

Поражает прежде всего временная сбалансированность всех процессов, проходящих в нормальных условиях в живой клетке. Очевидно, что этот механизм ясляется результатом длительной эволюции и не мог появиться внезапно, дй еще во всем своем блеске, как Афина из головы Зевса. Но, к сожалению, механизмыпредшественники природой утеряны. В этом и состоит принципиальная трудность при попытках построить эволюционную схему от молекул к клетке.

Итак, один из центральных вопросов: как возник механизм репликации и синтеза нуклеиновых кислот?

К сожалению, здесь можно заниматься лишь самыми общими рассуждениями. Специалисты по предбиологической эволюции получили синтетические полинуклеотиды.

По всей видимости, в условиях примитивной Земли могло происходить накопление некоторых количеств этих молекул. Но заметим, что к этим опытам нужно относиться с известной осторожностью, так как условия, в которых проводился синтез, вряд ли могли реально существовать на примитивной Земле. Это одно важное замечание.

В то же время ученые, занимающиеся абиогенным синтезом, обратили внимание на то, что в их опытах количественный выход полипептидов всегда выше, чем выход полинуклеотидов. Этот важный факт дает возможность предположить, что к моменту образования полинуклеотидов на стерильной Земле уже были достаточно высокомолекулярные полипептиды.

А что, если бы удалось экспериментально доказать, что какой-либо синтетический полипептид может способствовать полимеризации полинуклеотидов? Тогда мы имели бы возможность построения гипотетических механизмов - предшественников современных механизмов репликации и синтеза нуклеиновых кислот.

Предположение о слабой каталитической активности полипептида выглядит очень перспективным. В этом случае первичный полипептид мог бы выполнять функции, аналогичные функции ДНК-полимеразы, фермента, участвующего в биосинтезе ДНК в клетке. Поскольку белки, по-видимому, "старше" нуклеиновых кислот, эта гипотеза могла бы быть проверена экспериментально.

Возможно, что механизм репликации возник уже после образования протоклеток и включения в них полимеров. Действительно, ведь современные процессы репликации, синтеза генетического материала и матричного синтеза белка происходят в растворах, концентрация органических соединений в которых весьма высока.

Очень трудно представить себе, что на примитивной Земле могли существовать места, где достигались бы такие концентрации. Только при достижении критической концентрации, аналогичной критической массе в ядерной физике, могли пойти решшкативные процессы.

Вот почему репликативная функция могла появиться позже, чем протоклетки, и ей предшествовала длительная эволюция полимеров и первичных структур типа протеиноидных микросфер. Эта упрощенная схема не решает, конечно, таких важных вопросов: каким образом осуществляется контроль репликации ДНК в клетке и что обеспечивает удивительную надежность при образовании копии? И уж конечно, остается открытым вопрос о моменте включения и полипептидов и полинуклеотидов в протоклетки.

Но ведь мало передать информацию. Клетка при делении дает потомство. Оно должно превратиться во взрослые, полноценные организмы. Пища в окружающем мире есть. Автотрофные организмы используют углекислый газ как источник углерода, микроорганизмы извлекают из окружающей среды необходимые для питания простые вещества. В любом организме эти простые вещества превращаются в сложные полимерные молекулы, среди которых центральное место занимают белки.

Не будь белков, клетка была бы мертва.

Представим себе на минуту клетку с нуклеиновыми кислотами, но без белков. Все, что нужно клетке дЛя жизни, записано в молекуле ДНК. Но эта инструкция мертва. Некому открыть словарь нуклеиновых кислот, нет исполнителей инструкций.

Встречается ли такая ситуация в современной биологии? Конечно же. В мире вирусов. Маленький кусочек нуклеиновой кислоты мертв. Но стоит ему попасть в клетку, как начинаются удивительные процессы. Вторгаясь в клетку, вирус "приказывает" ей жить по-другому, нежели она жила до этой драматической встречи.

Но самое главное: в основе нормальной работы клетки и работы по "чужому приказу" лежит один и тот же механизм. Именно этот механизм в эволюционном плане - величайшая загадка и современной молекулярной биологии, и проблемы происхождения жизни. Речь идет о матричном синтезе белка и генетическом коде.

Глава VIII

ВЕЛИКАЯ ЗАГАДКА КОДА

15 миллиардов лет развивалась Вселенная. Из протокапли родились частицы, элементы, звезды, галактики.

Мысль человека сумела объяснить многие процессы, происходящие в неживой природе. Конечно, и в физике элементарных частиц, и в планетной космогонии, и в космологии остаются еще не решенные вопросы. Но мне кажется, что по своему удельному весу в истории развития научного мышления человека, по своему философскому и общенаучному значению среди нерешенных вопросов нет более крупной, притягательной и таинственной проблемы, чем проблема происхождения жизни.

В рамках этой проблемы наибольшее число вопросов вызывают эволюция генетического кода и процесс матричного синтеза белка. Видимо, именно на матричном синтезе замыкается весь круг проблем, связанных с происхождением живых систем. Как-то после семинара в Институте белка Академии наук СССР мы разговаривали с академиком А. Спириным в его лаборатории. Он демонстрировал созданные в институте модели рибосом - клеточных органелл, принимающих участие в постройке белковых молекул.

"Не могу представить себе, - сказал он, - чтобы рибосомы могли каким-нибудь образом эволюционировать.

Они столь совершенны, что должны были появиться сразу".

Эта полушутливая фраза одного из наших крупнейших специалистов по механизмам биосинтеза белка в полной мере отражает основную трудность задачи. Конечно же, и рибосомы и весь аппарат синтеза белков в клетке должны были эволюционировать. Но как?? Пока ученые не решат этого вопроса, проблема происхождения жизни будет оставаться столь же загадочной, как и вчера. А тут еще рибосомы. Да добро бы только рибосомы. Есть задача и посложнее.

В двадцатых годах нашего столетия профессор У. Астбюри начал изучать рентгенограммы человеческого волоса, Оказалось, что молекулы белка в человеческом волосе расположены строго упорядочение и независимо от того, у кого взят волос, у блондина или брюнета, дают одинаковую и строго определенную картину в потоке рентгеновских лучей.

Астбюри провел эксперимент, который, по его собственному признанию, был одним из самых волнующих в его жизни. Будучи страстным любителем музыки, он сумел раздобыть на время прядь волос Моцарта и снял их рентгенограмму. Расположение белковых молекул в волосах великого композитора ничем не отличалось от их расположений в волосах обычных людей.

Но здесь речь идет только об упорядоченности молекул, причем у организмов одного вида. А что можно сказать о химическом составе сходных белков, например известного всем гемоглобина, у различных биологических видов?