Страница 7 из 14
Но раз уж ученые зашли в своих предположениях так далеко, то эту идею можно довести до логического конца: если для производства первых белков требовалась только РНК, следовательно, РНК появилась раньше белка. А поскольку РНК может одновременно выступать в роли носителя информации и активной синтезирующей структуры, то она древнее ДНК. Короче говоря, был сделан вывод о том, что в неразрывной на первый взгляд троице первой появилась РНК!
Идея была очень привлекательной, но недостаточно обоснованной. В конце концов, она строилась лишь на предположении, что РНК в состоянии выполнять функцию энзима. К сожалению, все известные на тот момент энзимы были белками. И даже если сам мистер Крик считал, что молекула тРНК выглядит как молекула белка, это еще не могло считаться доказательством. Нобелевская премия за двойную спираль была тут слабым аргументом.
Все последующие годы ситуация оставалась в подвешенном состоянии, но в 80-е годы случилось нечто невероятное: удалось обнаружить молекулы РНК, которые действительно работали как энзимы. Во-первых, был открыт комплекс из РНК и белка РНКаза Р, в котором главную работу выполняла как раз РНК, а не белковая часть. Во-вторых, было сделано наблюдение, что молекулы рРНК, встроенные в рибосомы одноклеточных организмов, могут сами разделять себя на части и затем вновь соединяться (позднее ученые узнали, что то же самое может происходить и с различными молекулами тРНК и мРНК). Такие РНК-энзимы получили короткое и прагматичное наименование рибозимов.
В канун нового тысячелетия добавился еще один решающий аргумент: было установлено, что сердцевина рибосомы (та самая структура, в которой аминокислоты фактически превращаются в белки) состоит только из РНК. Все эти открытия настолько уверенно подкрепили шаткую доселе идею, что она стала господствующей (если не единственной) из всех, что описывали время до зарождения жизни, и получила звучное название «гипотезы мира РНК».
Необходимо еще раз подчеркнуть: речь идет о гипотезе, и, если даже в ее пользу говорит сегодня очень многое, полной уверенности до сих пор нет. Кроме того, существуют весьма разнообразные мнения относительно того, как в реальности мог выглядеть мир РНК. Вы хотите в него заглянуть? Хорошо. Тогда мы откроем входную дверь и выйдем наружу, в мир РНК.
Чтобы гипотеза мира РНК была обоснованной, в прошлом должна была существовать РНК, способная к размножению. Лучшим доказательством было бы обнаружение древнего экземпляра такой РНК. На сегодняшний день мы им не располагаем, но ученые уже с 1980-х годов пытались создать такую РНК в процессе искусственной эволюции в пробирке. В 2013 году им это удалось. Был получен рибозим, состоящий из 202 фрагментов и способный синтезировать РНК из 206 фрагментов. Не все последовательности РНК удалось соблюсти, и полученный рибозим не мог самостоятельно размножаться, но это открытие весьма ощутимо подкрепило гипотезу мира РНК. Продолжаются поиски варианта, который действительно сможет воспроизводить сам себя.
От нашего времени этот мир отделяет примерно 3,8 миллиарда лет. Землю бомбардирует поток метеоритов. Вулканы бурлят и выплевывают в ядовитую атмосферу дым и лаву. Под плотными облаками древние моря обрушивают волны на обрывистые прибрежные скалы. Где-то в этих водах плавают крошечные круглые и нитевидные структуры, состоящие из тонкой мембраны, образованной жирными кислотами, и коротких молекул РНК, обладающих необычной способностью – работать как рибозимы и размножаться, копируя нити РНК.
Протоклетки добывали строительные материалы из окружающей среды через мембрану. Возможно, среди них были такие, которые размножались успешнее других. В результате их популяция была более многочисленной, и это стало началом эволюции. Но до совершенства было еще очень далеко. Процесс размножения шел так себе. Какое-то продолжение рода обеспечивалось, но не более того. Разумеется, РНК осуществляли химические реакции, но их перечень был весьма ограничен. Поэтому в какой-то момент на первый план вышли белки, ведь 20 аминокислот – это более разнообразный строительный материал и с их помощью можно эффективно решать большее количество задач, чем с РНК.
Необходимо ясно представлять себе, что генетический код, о котором так много говорят, появился, скорее всего, спустя миллионы лет после возникновения генетической информации. РНК способна хранить два различных вида информации. Во-первых, это генетический код для синтеза белков, а во-вторых, прямая информация о последовательностях собственной структуры, благодаря которым она приобретает трехмерную форму и производит рибозимы.
Если говорить о продолжительности хранения наследственной информации, то РНК не была идеальным решением, поскольку она очень уязвима и подвержена спонтанному распаду. Решением этой проблемы стала ДНК. Ее важнейшим отличием от РНК было наличие в составе несколько иного сахара, который не столь охотно вступает в химические реакции и делает молекулу ДНК более стабильной. О том, что ДНК возникла в ходе развития РНК, говорит и то обстоятельство, что ее компоненты создаются на основе сахаров, образованных из прекурсоров РНК.
На самом деле в гипотезе мира РНК остается нерешенным один из главных вопросов: какие условия должны были сложиться, чтобы первые молекулы РНК достаточно долго сохраняли стабильность и имели возможность размножаться? Как они вообще появились? Здесь идеи становятся весьма расплывчатыми. Однако мы уже знаем, что случайные последовательности РНК могут спонтанно образовываться из собственных строительных материалов в ходе двух (в значительной мере искусственных) сценариев. Во-первых, это может происходить на поверхности глинистого минерала монтмориллонита (названного в честь французского округа Монморийона, где в 1847 году он был обнаружен и описан), а во-вторых, в замерзающей воде.
Правда, некоторые ученые (в том числе и один из основателей мира РНК Лесли Орджел) сомневаются в том, что нестабильная и обладающая довольно сложным химическим составом РНК действительно была самым первым носителем информации. Возможно, до нее существовала другая, более простая и стабильная молекула, исчезнувшая к настоящему времени, на смену которой впоследствии пришла РНК. Такая молекула могла стать первопроходцем, а РНК заняла ее место лишь после того, как в ходе эволюции сложились условия для ее возникновения, а также для более быстрого и эффективного размножения. Но независимо от того, была ли РНК первой или у нее были химические предшественники, функция самого первого гена (если понимать под ним содержательную единицу информации в молекуле-носителе) была чисто эгоистической – размножать самого себя!
Но здесь вопросы о происхождении жизни не заканчиваются, потому что даже короткий фрагмент РНК (или чего-то похожего) представляет собой весьма сложную структуру.
Чтобы она появилась, нужны подходящие строительные материалы. Кроме того, мембраны в мире РНК состояли из жирных кислот, которые тоже должны были откуда-то взяться. Сегодня жирные кислоты, аминокислоты и компоненты РНК и ДНК производятся сложными клеточными механизмами, но как это происходило до возникновения жизни? Ответ на данный вопрос представляет собой последнюю ступеньку крыльца, по которому мы спускаемся на улицу. Давайте сделаем этот шаг.
История поистине захватывающая. У ее истоков стояли русский биохимик Александр Иванович Опарин и английский биолог Джон Холдейн. В 1920-е годы оба предполагали, что на ранних стадиях развития Земли атмосфера состояла из очень агрессивных газов: метана, аммиака и водорода. Под воздействием ударов молний и ультрафиолетового излучения из них получались многочисленные органические вещества, которые накапливались в древних океанах и реагировали друг с другом, образовывая горячий «суп» сложных химических веществ, из которых в конце концов возникли первые живые организмы (Холдейну, кстати, принадлежит аппетитный термин «первичный бульон»).