Ник Лейн - Лестница жизни
Итак, температурные градиенты в гидротермальных источниках могут приводить к накоплению отдельных нуклеотидов в огромных концентрациях, способствуя образованию молекул РНК. Они тоже будут накапливаться и активнее взаимодействовать друг с другом. И, наконец, колебание температур будет способствовать репликации РНК. Сложно представить себе более подходящие условия для возникновения «мира РНК».
Но у нас есть и второй вопрос: как перейти от реплицирующихся молекул РНК, конкурирующих друг с другом за ресурсы, к более сложной системе, в которой РНК начнет кодировать белки. Ответ на этот вопрос, возможно, тоже могут дать гидротермальные источники.
Если поместить в пробирку РНК вместе с необходимым ей сырьем и источником энергии (как АТФ), она будет реплицироваться. Более того, как выяснили еще в 60-х годах специалисты по молекулярной биологии (Сол Шпигельман и другие), она будет эволюционировать! После смены ряда поколений, образовавшихся в пробирке, РНК реплицируется все быстрее и быстрее и в итоге начинает делать это с чудовищной быстротой. При этом образуется так называемый монстр Шпигельмана — бурно реплицирующаяся цепочка РНК, возникающая и существующая лишь в искусственных условиях. Примечательно, что для этого неважно, с чего начинать — с целого вируса или с искусственно синтезированного фрагмента РНК. Можно начать даже со смеси нуклеотидов с полимеразой, которая может соединять их друг с другом. С чего бы мы ни начали, результатом обычно оказывается один и тот же «монстр», одна и та же цепочка РНК длиной всего в полсотни букв, воспроизводящаяся с маниакальным упорством. Все это повторяется раз за разом, как своего рода молекулярный День сурка.
Существенно то, что монстр Шпигельмана не усложняется. Причина, по которой он в итоге превращается в цепочку из полусотни нуклеотидов, состоит в том, что именно такая последовательность нуклеотидов и нужна для связывания с ферментом репликазой, без которого эта цепочка вообще не может реплицироваться. Полученная РНК не видит дальше собственного носа, и в том растворе, где она возникает, никогда не начинается процесс усложнения. Так как и отчего РНК могла начать кодировать белки, пожертвовав собственной скоростью репликации? Единственный способ вырваться из этого порочного круга — это перейти к отбору на «более высоком уровне», где РНК войдет в состав чего-то большего, что и будет единицей отбора, например в состав клетки. Проблема здесь в том, что все известные живые клетки настолько сложны, что никак не могли возникнуть без эволюции. Для возникновения клетки требуется отбор признаков, а не отбор на скорость репликации РНК. Здесь мы снова сталкиваемся с проблемой курицы и яйца, столь же неотвратимой, как и в случае с ДНК и белками, хотя и не столь знаменитой.
Мы уже убедились, что порочный круг, связанный с ДНК и белками, чудесно разрывает РНК, но что может разорвать порочный круг, связанный с отбором? Искать недалеко: это готовые неорганические клетки в щелочных гидротермальных источниках. Размеры этих клеток сопоставимы с размерами органических клеток, а их формирование в активных источниках продолжается непрерывно. Если содержимое такой клетки особенно хорошо справляется с пополнением запасов сырья, необходимых для самовоспроизводства, эта клетка начинает размножаться, отпочковываясь в другие неорганические клетки. Что же до «эгоистичных» РНК, стремящихся реплицироваться как можно быстрее, то они остаются в проигрыше, поскольку неспособны пополнять запасы сырья, необходимого для поддержания собственной репликации.
Иными словами, в условиях щелочного источника отбор постепенно переходит от работы со скоростью репликации отдельных молекул РНК к работе с «обменом» веществ минеральных клеток, которые и становятся новыми единицами отбора. А белки, кроме прочего, большие мастера управлять обменом веществ. В такой ситуации было неизбежно, что они рано или поздно займут место молекул РНК как катализаторов реакций. Но белки, разумеется, появились не на пустом месте. Скорее всего, в возникновении прообраза обмена веществ принимали участие и минеральные вещества, и нуклеотиды, и РНК, и аминокислоты, и различные молекулярные комплексы (например, аминокислоты, связанные с РНК). Существенно то, что в этом мире естественным образом размножающихся неорганических клеток процесс, начавшийся с простого сродства молекул, мог привести к отбору на способность воспроизводить содержимое таких клеток. Этот отбор стал поддерживать самодостаточность, обеспечив в итоге и переход клеток к автономному существованию. По иронии судьбы именно в автономном существовании современных клеток мы и находим последний ключ к тайне происхождения самой ДНК.
Среди бактерий наблюдается глубокий раскол. Об огромном значении этого раскола для нашей собственной эволюции мы поговорим в главе 4, а пока ограничимся выводами, которые он позволяет сделать о возникновении ДНК и которые тоже достаточно глубоки. Речь идет о разделении бактерий на эубактерий (греческая приставка эу- означает «настоящий») и еще одну группу, на первый взгляд мало чем отличающуюся от первой. Эту вторую группу называют архебактериями, или просто археями. Своим названием они обязаны идее, что это наиболее архаичная, то есть древняя группа, хотя сегодня мало кто думает, что они сколько-нибудь древнее настоящих бактерий.
Более того, вполне возможно, что по прихоти судьбы и бактерии, и археи возникли в одной и той же «трубе» гидротермального источника. Мало чем еще можно объяснить тот факт, что у них полностью совпадает генетический код, как и многие другие особенности синтеза белков. При этом воспроизводить свою ДНК они, похоже, научились лишь впоследствии, совершенно независимо друг от друга. Хотя сама ДНК и генетический код, несомненно, возникли лишь однажды, репликация ДНК (механизм, обеспечивающий передачу наследственной информации у всех органических клеток), судя по всему, выработалась в ходе эволюции дважды.
Если бы автором этой идеи был не столь большой ученый, как Евгений (Юджин) Кунин, дотошный и проницательный специалист российского происхождения, занимающийся вычислительной геномикой в Национальных институтах здравоохранения США, она вызывала бы у меня серьезные сомнения. Но Кунин и его коллеги не ставили перед собой задачу найти подтверждение некоей смелой концепции. Они пришли к этому выводу в ходе методичного исследования репликации ДНК у бактерий и архей. Подробно сравнивая последовательности множества генов, они установили, что механизмы синтеза белка у бактерий и архей во многом совпадают. Это относится, например, к принципиальному механизму транскрипции последовательности с ДНК на РНК, а затем ее трансляции с РНК на белок. У бактерий и архей в этих процессах участвуют ферменты, которые (судя по последовательностям кодирующих их генов) явно были унаследованы от общего предка. Но это отнюдь не относится к ферментам, необходимым для репликации ДНК. Между большинством их у бактерий и архей нет ровным счетом ничего общего. Это странное положение дел можно было бы объяснять очень сильным эволюционным расхождением, но тогда возникает вопрос, почему такое расхождение не привело к столь же радикальному несходству механизмов транскрипции и трансляции? Простейшим объяснением наблюдаемой ситуации и будет смелое предположение, выдвинутое Куниным: репликация ДНК возникла в ходе эволюции дважды: один раз у архей и один раз у бактерий[15].
Подобное утверждение многим могло бы показаться возмутительным, но для блистательного и въедливого техасца, работающего в Германии, это было именно то, что доктор прописал.
Биохимик Билл Мартин, с которым мы познакомились в главе 1, уже объединял усилия с Майком Расселом для изучения возможности зарождения биохимии в гидротермальных источниках. Бросая вызов общепризнанным истинам, в 2003 году они выдвинули собственное предположение: что общий предок бактерий и архей вообще не был свободноживущим организмом, а был особого рода репликатором, заключенным в пористом минерале, еще не вырвавшимся из плена неорганических клеток, пронизывающих трубы гидротермальных источников. В подтверждение своей версии Мартин и Рассел составили список других глубочайших различий бактерий и архей. В частности, у них совершенно разные клеточные мембраны и стенки, что заставляет предположить независимый выход этих двух групп на свободу из одних и тех же минеральных клеток. Многие сочли эту идею слишком смелой, но Кунин считает, что она прекрасно согласуется с его наблюдениями.
Вскоре Мартин и Кунин вместе занялись проблемой происхождения генов и геномов в гидротермальных источниках и в 2005 году опубликовали интереснейшую работу, в которой изложили свои мысли об этом предмете. Они предположили, что «жизненный цикл» минеральных клеток мог напоминать цикл современных ретровирусов, таких как ВИЧ. У ретровирусов крошечный геном, который записан не в ДНК, а в РНК. Проникнув в клетку, ретровирус копирует свою РНК на ДНК с помощью фермента, который называют обратной транскриптазой. Вначале эта новая ДНК встраивается в геном зараженной клетки, а затем считывается оттуда наряду с собственными генами хозяина. В итоге, когда вирус образует многочисленные копии самого себя, он работает с ДНК, но передавая наследственную информацию следующему поколению, он снова записывает ее на РНК. Примечательно, что такие вирусы не умеют реплицировать ДНК. Процедура ее репликации в целом довольно сложна и требует участия целого ряда разных ферментов.
