Знание-сила, 2009 № 09 (987) - Тун
«Курица или яйцо»
Так неужели первые биомолекулы в самом деле возникли в толще морского льда? И как они выглядели? При ответе на этот вопрос ученые вновь сталкиваются с пресловутой проблемой «курица или яйцо». Важнейшие биологические молекулы, известные нам, — это протеины и ДНК. Однако их возникновение невозможно без неких молекул-предшественниц.
Протеины (см. «З-С», 5/04) порой называют «рабочими лошадками» клеток. Они управляют всеми процессами обмена веществ, а также делением клеток. Однако эти работники не могут сами копировать себя и передавать свою структуру последующим поколениям протеинов.
В молекуле ДНК как раз и записан план, по которому из отдельных аминокислот будут собраны сотни различных протеинов. Подобная молекула может себя тиражировать, передавая информацию своим копиям, но для этого ей нужна помощь… именно протеинов.
Так что вряд ли жизнь на нашей планете зародилась с появления протеинов или ДНК. И тут вспоминается третья важнейшая биомолекула — РНК. Когда-то ее считали чем-то вроде простого посыльного, передающего «планы сборки» протеинов от молекулы ДНК туда, где те будут изготавливаться. Сегодня мы знаем, что рибонуклеиновые кислоты способны на большее.
Череп ихтиозавра
• Они могут быть носителями наследственной информации (многие вирусы и теперь используют эту их способность) и при определенных условиях готовы копировать сами себя.
• Кроме того, особые цепочки РНК — рибозимы — служат катализаторами химических процессов. Иными словами, они выполняют роль ферментов. Американский биолог Джеральд Джойс, опираясь на эти факты, разработал модель возникновения жизни на основе РНК. «Молекулы РНК широко распространены в природе. Они лишь незначительно отличаются от молекул ДНК, хранящих наследственную информацию, и выполняют самые разные задачи в живых клетках. Многие ученые полагают, что зарождению жизни на планете, появлению протеинов и ДНК предшествовала особая эпоха — мир РНК». Это было время примитивных организмов, состоявших из рибонуклеиновой кислоты и обходившихся без ДНК.
Как показывают исследования, подобная схема вполне правомерна. Со временем РНК трансформировалась в ДНК. Самое же любопытное в том, что модель Джойса и гипотеза Тринкса прекрасно сочетаются друг с другом. «Похоже, именно холод — наиболее благоприятная среда для формирования из нуклеотидов таких молекул, как РНК, — отмечает Джеральд Джойс. — Минеральные вещества, вмерзшие в лед, лишь способствуют протеканию необходимых химических реакций».
А вот еще одна цитата из Хауке Тринкса: «Вновь и вновь задаются вопросом, что же все-таки было вначале, курица или яйцо? Вначале наследственная информация, а уже потом клеточная мембрана? Или же, как все это случилось на самом деле? Нам кажется, что в толще льда эти процессы протекали одновременно. С одной стороны, лед способствовал формированию клеточных мембран, а с другой стороны, образованию РНК. Те и другие элементы соединялись, и потом возникала своего рода первоклетка. А когда этот лед таял, подобные первоклетки попадали в окружающую среду, они могли распространяться в морской воде (точнее, в воде доисторических морей) и проникать туда, где сложились гораздо более благоприятные условия для существования жизни. И эти совершенно, совершенно примитивные предшественницы настоящих клеток продолжали развиваться и усложняться, пока не превратились, например, в бактерию».
Эти безлистные растения населяли Землю 420 миллионов лет назад
Поток РНК по Джойсу
• В середине уходящего десятилетия немецкий биохимик Кристоф Бибрихер у себя в лаборатории, в Институте биофизической химии в Геттингене, поставил знаменательный опыт, чтобы выяснить, что происходит с молекулами РНК, вмороженными в лед. Он насытил глыбу морского льда цепочками РНК и свободными нуклеотидами и принялся ждать.
Прошел почти год. Все это время Бибрихер и его коллеги, Тринкс и Вольфганг Шрёдер (в 2003 году ими втроем была издана книга «Лед и происхождение жизни»), регулярно меняли температуру льда, имитируя естественные капризы погоды и заставляя его то оттаивать, то снова смерзаться. Как оказалось, это лишь способствовало слиянию отдельных «кирпичиков» биомолекул в единое целое.
Терпение экспериментаторов было вознаграждено. В толще льда обнаружилось поразительно много новых РНК. Образовалась даже цепочка, насчитывавшая свыше четырех сотен нуклеотидов, а этого достаточно для того, чтобы РНК выполняла свои функции (пространственная структура различных рибонуклеиновых кислот содержит от 75 до 10 тысяч нуклеотидов. — Прим. ред.). «Это гораздо больше, чем показали все предшествующие опыты, — отмечает Бибрихер. — Ранее лучшим результатом была цепочка из семнадцати нуклеотидов». При этом все протекало даже быстрее, чем он надеялся. «Мы ждали целый год, поскольку думали, что холод замедляет все реакции. Теперь же знаем, что уже через месяц нуклеотиды начинают сцепляться друг с другом. По-видимому, какие-то поверхностные эффекты ускоряли все, что происходило в толще льда».
Разумеется, от появления первых саморазмножающихся РНК до первоклетки «дистанция очень велика, но все-таки теперь мы определенно представляем себе, в каком направлении должны двигаться» (К. Бибрихер), чтобы понять, как зародилась жизнь на нашей планете.
Сами экспериментаторы, кстати, не верят, что весь процесс превращения неорганического материала в живой организм протекал исключительно в толще льда. Допустимы различные вариации этого сценария. Например, при извержении подводных вулканов в полярных областях лед таял, и биомолекулы, зародившиеся здесь, оказывались в воде. Прежде чем снова вмерзнуть в лед, они реагировали между собой. После нескольких подобных циклов продукты их реакции могли, например, попасть в другую среду — в ту же воду или на дно моря — и уже здесь продолжить свою эволюцию.
Итоги еще одного знаменательного опыта были подведены в первые дни этого года. В лабораторных условиях — в Институте Скриппса (США) — удалось создать искусственную рибонуклеиновую кислоту, которая копировала саму себя с помощью подобных себе молекул. С ее появлением отпадает извечная дилемма: «Что было раньше?..» Эта РНК — сама себе и «курица», и «яйцо».
Как сообщалось в электронной версии журнала Science, Трейси Линкольн и Джеральд Джойс, сотворившие эту биомолекулу, сумели в ходе эксперимента буквально-таки «запустить механизм эволюции». Ведь случайные мутации улучшали или ухудшали способность данной молекулы к размножению. Довольно быстро в популяции РНК возобладали именно те ее разновидности, что размножались особенно быстро.
Конечно, эта РНК из пробирки ничуть не напоминает живое
