Книга: Эволюция: Триумф идеи

В поисках начал жизни

Мы уже поняли, что основание воображаемого древа жизни теряется в глуби времен, и ученым трудно разглядеть что-то наверняка в этой туманной дали. Тем не менее древо жизни способно помочь ученым, которые пытаются реконструировать самое первое из величайших биологических превращений: переход от нежизни к жизни. Как и геологическая летопись, она предлагает человеку как подсказки, так и ограничения. Любая гипотеза происхождения жизни должна объяснять дошедшие до нас факты.

Несмотря на то, что ученые пока еще очень далеки от исчерпывающего понимания ранней эволюции жизни, они могут изучать первые шаги жизни на Земле точно так же, как изучают более поздние трансформации. Как мы с вами увидим в главе 6, новые группы животных не возникают мгновенно, одним гигантским скачком; скорее наоборот, животные постепенно, одну за другой, обретают новые черты, пока наконец не сформируются окончательные формы. Так и здесь. Ученым удалось собрать убедительные доказательства того, что жизнь могла развиться до микроба на базе ДНК через целую серию последовательных шагов.

Первый шаг должен был состоять в том, чтобы собрать вместе все необходимые сырьевые ресурсы. Многие из них могли появиться из космоса. Астрономы обнаружили ряд базовых ингредиентов жизни в метеоритах, кометах и межпланетной пыли. Падая на Землю, эти объекты вполне могли засеять нашу планету компонентами важнейших структур клетки, такими как фосфатная основа структуры ДНК, азотистые основания (будущие носители информации) и аминокислоты для строительства белков.

Вступая между собой в химические реакции, эти вещества могли произвести на свет более жизнеподобные формы. Вообще, химические реакции протекают лучше всего, когда задействованные в них вещества перемешаны между собой — так как их молекулы чаще сталкиваются друг с другом. Тогда, во времена молодости Земли, предвестники биологической материи, возможно, концентрировались в дождевых каплях или океанских брызгах. Некоторые ученые полагают, что жизнь зародилась на срединных океанских хребтах, где горячая магма из земной мантии изливается в море и контактирует с насыщенной химическими веществами морской водой. Они указывают на то, что ветви жизни, отходящие от ствола ближе всего к основанию, принадлежат бактериям и археям, обитающим в исключительных условиях, в кипящей воде или кислоте. Они вполне могут быть реликтами первых экосистем Земли.

Ученые предполагают, что из добиологических молекул могли сложиться самоподдерживающиеся циклы химических реакций. Группа молекул захватывала молекулы из окружающей среды и формировала из них копии самих себя — новые комплекты молекул, способные независимо поддерживать циклические реакции. Возможно, поначалу на Земле существовало и действовало множество разных химических циклов. Если в них использовались одни и те же стройматериалы, циклы начинали конкурировать между собой. При этом самый эффективный цикл опережал остальные, менее эффективные. Иными словами, биологической эволюции предшествовала эволюция химическая.

В конце концов из этих молекул возникли ДНК, РНК и белки. Ученые не один десяток лет спорят о том, какая из этих молекул возникла раньше. ДНК способна хранить информацию о строении тела и передавать ее от поколения к поколению, но сама она беспомощна без РНК и белков. К примеру, она не может, подобно ферментам, соединять молекулы в цепочку или резать их на части. У белков противоположный недостаток: они совершают работу, необходимую для поддержания жизни клетки, но им очень трудно передавать информацию от одного поколения другому. Только РНК способна выступать в обеих ролях — и переносить генетический код, и проделывать биохимическую работу. Эта двойственность делает РНК ведущим кандидатом на звание первой молекулы жизни.

В 1960-х гг., когда ученые начали разбираться в функциях, которые РНК исполняет в клетке, мало кто думал, что именно эта молекула может оказаться первичным материалом жизни. Казалось бы, доставка информации от генов к «фабрикам» по производству белков — всего лишь скромное посредничество. Но в 1982 г. Томас Чек, работавший тогда в Университете Колорадо, открыл, что на самом деле РНК — своего рода молекулярный гибрид. С одной стороны, она способна нести информацию в своем коде. С другой стороны, Чек обнаружил, что она, кроме того, может действовать как фермент, т. е. способна воздействовать на другие молекулы и изменять их. К примеру, РНК дублирует одну из задач ферментов — исключать лишние бесполезные последовательности после копирования кода ДНК на РНК. Чек же обнаружил, что некоторые варианты РНК способны замыкаться сами на себя и редактировать собственный код без помощи каких бы то ни было ферментов.

В конце 1980-х биологи поняли, что благодаря приспособляемости двуликой РНК можно заставить ее эволюционировать в лаборатории. Одну из самых успешных исследовательских команд в то время возглавлял биолог Джеральд Джойс из Исследовательского института им. Скриппса в Ла-Холла (штат Калифорния). Для начала Джойс взял молекулу, с которой работал Чек, и воспроизвел ее в десяти триллионах вариантов, каждый с чуть иной структурой. Затем он добавил в пробирки с вариантами ДНК и проверил, смогут ли какие-то из вариантов РНК разделить молекулу ДНК на части. Вообще, РНК Чека была приспособлена для нарезки РНК, а не ДНК, поэтому никого не удивил тот факт, что ни один из вариантов РНК не смог как следует справиться с задачей. Лишь один вариант из миллиона сумел схватить молекулу ДНК и кое-как отрезать от нее кусочек. Но даже этим успешным молекулам потребовался целый час на несложную операцию.

Джойс взял эти нерасторопные молекулы РНК и воспроизвел каждую в миллионе новых копий. Естественно, в новом поколении мутаций тоже хватало, и некоторым из новых вариантов удалось разрезать ДНК быстрее, чем молекулам предыдущего поколения. Джойс снова отобрал самые успешные молекулы и снова размножил их. Повторив всю процедуру 27 раз (на это у него ушло два года), он получил РНК, способную разрезать ДНК всего за пять минут. Вообще говоря, в этот момент способность самых удачных молекул резать ДНК равнялась естественной способности РНК резать РНК.

Сейчас Джойс и другие биологи могут заставить РНК эволюционировать гораздо быстрее, чем в тех первых экспериментах. Так, на 27 поколений РНК уйдет не два года, а три часа. Ученые обнаружили, что в надлежащей среде эволюция может заставить РНК делать вещи, которые она никогда не делает в природе (по крайней мере об этом ничего не известно). Полученная в результате лабораторной эволюции РНК может резать не только ДНК, но и многие другие молекулы. Она может работать как с отдельными атомами, так и с целыми клетками. Она может объединить две молекулы, создавая таким образом третью. Если эволюционный процесс будет достаточно долгим, она сможет даже соединять между собой аминокислоты — а это решающий шаг к созданию белков. Она сможет присоединять основания к своему фосфатному остову. Другими словами, в результате эволюции РНК может «научиться» производить многие операции, которые ей пришлось бы выполнять, если бы в клетках присутствовала только РНК, а ДНК и белков не было.

РНК настолько легко эволюционирует, что в настоящее время биотехнологические компании пытаются превратить ее в антикоагулянты и другие лекарственные средства. Работы Джойса и его коллег позволяют предположить, что во времена молодости Земли РНК могла выполнять функции и ДНК, и белков. Многие биологи теперь говорят о самой ранней стадии жизни как о «мире РНК».

Следующими после возникновения РНК могли появиться белки. В какой-то момент истории «мира РНК» новые формы РНК могли развить в себе способность соединять аминокислоты. Созданные ими белки могли оказаться полезными для РНК — скажем, они помогали молекуле РНК воспроизводиться быстрее, чем она могла это делать самостоятельно. Позже одноцепочечная РНК могла сконструировать и своего партнера — двойную спираль ДНК. ДНК, менее склонная к мутациям, нежели РНК, оказалась более надежной системой для хранения генетической информации. После появления ДНК и белков они взяли на себя многие функции РНК. Сегодня РНК по-прежнему жизненно важная молекула, но от ее былого величия сохранились лишь жалкие остатки, например способность корректировать саму себя.

Появление белков и затем ДНК ознаменовало собой рождение жизни — такой, какую мы знаем сегодня. А для мира РНК наступил Армагеддон.