Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
“Это действительно способно сработать, – считает Димер. – Мы можем для начала взять огромную смесь случайных веществ, но в итоге благодаря всяким самопроизвольным сборкам и эволюционному отбору из этой смеси могут возникнуть по-настоящему уникальные и интересные, имеющие собственную организацию частицы”.
Сазерленд, Ди Мауро и Димер немного по-разному подошли к этой проблеме, но суть тут одна. Забудьте все эти Миры РНК, Железа и серы, Липидов и прочие гипотезы, полагающие первоосновой жизни какое-то определенное вещество, – все они обречены на провал. Лучше представьте себе короткие цепочки РНК и небольшие белки, которые работают в команде внутри простых липидных мембран. Особенностью биологических молекул является их способность “работать в команде”. И если какой-то из них недостает, все становится намного сложнее.
Из этих исследований следует важнейший вывод: зарождение жизни вовсе не так маловероятно, как считалось прежде. Разумеется, шансов на то, что живая клетка внезапно самостоятельно соберет себя из отдельных атомов, практически нет. Однако ученым удалось открыть химические реакции, которые происходят с легкостью: липиды сами по себе образуют везикулы, а РНК в подходящих условиях создает собственные копии. Следовательно, мы не можем судить о вероятности возникновения клетки по количеству ее компонентов. На самом деле вопрос звучит так: насколько специфичны обстоятельства, создающие благоприятные для этих процессов условия? Говорить о какой-то определенности пока рано, но в целом эти процессы кажутся вполне устойчивыми.
И все же представляется маловероятным, что РНК или белки в чистом виде могли сами образоваться в достаточных количествах. Ведь наверняка появлялись и какие-то другие, менее полезные соединения, которые все собой портили? Ну, во-первых, процессы вроде циклов высыхания и увлажнения изменяют вещества шаг за шагом и приводят к их постепенной очистке. А во-вторых, небольшие загрязнения не должны были стать серьезной проблемой. Димер установил, что везикулы, сделанные из нескольких сортов липидов, даже более стабильны[538]. Смеси, состоящие из многих соединений, ведут себя сложнее и в этом отношении больше напоминают нечто живое[539]. Аналогично Шостак показал, что РНК может образовать рибозим даже в том случае, если некоторые из ее нуклеотидов окажутся “вверх ногами”[540]. А еще он получил функционирующие молекулы из смеси нуклеотидов ДНК и РНК[541] и показал, что нуклеотиды ДНК можно синтезировать с помощью реакций, использованных Сазерлендом[542]. И наконец, в 1994 году Рональд Брейкер и Джеральд Джойс открыли ДНК с каталитическими свойствами – теми самыми, которые когда-то стали основанием считать первоосновой РНК[543], [544].
Назрела потребность в чем-то, что Шостак обозначил как “нечто среднее между совсем хаотичным и слишком упрощенным”[545]. Карл Саган имел в виду как раз что-то подобное, когда еще в 1963 году задавался вопросом: “Не увела ли чистота лабораторных реагентов нас в сторону от реальной последовательности реакций, произошедших в те давние и не слишком чистые времена?”[546] Основания для таких сомнений дают, в частности, современные исследования сетей молекул РНК. В главе 8 мы упоминали, что совокупность РНК может стать автокаталическим набором. В нем одна молекула будет создавать вторую, та – какую-то третью, и это продлится до тех пор, пока не окажется воссозданой самая первая молекула. Тогда процесс создания набором своей полной копии завершится. В 2019 году Рио Мидзуучи и Найлс Леман[547] с помощью компьютерного моделирования доказали, что такой самореплицирующийся набор легче образуется из более разнообразной смеси РНК[548]. Недостаточное количество молекул РНК означает, что автокаталический набор может не образоваться, а их избыток способен испортить всю реакцию[549].
Иными словами, первые формы жизни могли быть достаточно сложными в том случае, если им удавалось “стерпеть” ошибки в своей конструкции. Предположим, что первый организм состоял из примерно пятидесяти сортов молекул, которые могли собраться в одном месте. Эта вероятность возрастает, если они и впрямь образовались из общей исходной смеси. Подобный организм неправдоподобен только в том случае, если он окажется совсем хрупким. Скажем, погибает уже при удалении всего одной из его молекул. А теперь представим себе, что каждый из его компонентов заменим. Ведь есть основания считать, что гены не обязательно должны состоять только из РНК. Это может быть и ДНК, и ТНК, и множество каких-то иных нуклеиновых кислот. Такой организм будет довольно нелепым и медлительным. Этакий сырой вариант, собранный из мешанины слепленных как попало фрагментов. Он ни за что не выжил бы в наше время: другие микроорганизмы им бы буквально позавтракали. Но вначале-то хищников не было!
Первые ферменты могли оказаться очень неповоротливыми. Однако и РНК способны образовывать структуры с каталитическими свойствами – они называются рибозимы. В 2002 году Джон Ридер и Джеральд Джойс создали рибозим, содержавший в себе только 2 из 4 нуклеотидов РНК[550]. И тем не менее этот рибозим мог соединять две молекулы РНК в одну, из чего следует, что примитивные рибозимы могли возникнуть и успешно работать даже без некоторых своих компонентов.
У первых клеток был и другой способ сладить с собственной “топорностью”. Ключевым здесь является утверждение о “первых клетках”. Думая о возникновении жизни, многие представляют себе одинокий организм, живущий в полной изоляции. Но сейчас у нас есть две причины в этом усомниться.
Во-первых, если образование живого имеет высокую вероятность (а описанные в последних двух главах данные говорят именно об этом), то жизнь могла сразу возникнуть в больших количествах. Вспомним липидные протоклетки Димера, которые высыхают с образованием слоистых структур и снова намокают, образуя при этом сотни новых протоклеток. Так что первая клетка не была одинока: она возникла вместе с большой компанией.
Во-вторых, каждый современный организм тесно связан с множеством других. Гарольд Моровиц пишет[551]: “В современных условиях устойчивая жизнь представляет собой не совокупность отдельных организмов и видов, а скорее собственность какой-то конкретной экологической системы”. Или, если перефразировать Джона Донна, “ни один организм не остров”[552]. Отдельное существо может казаться независимым, но это всего лишь иллюзия. Представим себе лошадь, одиноко стоящую посреди поля. В действительности ни о каком одиночестве здесь речи не идет: тело животного служит домом для миллионов микроорганизмов, причем многие из них этой лошади совершенно необходимы. Кроме этого, лошадь нуждается в пище и потому очень сильно зависит от злаков и прочих растений. Тем, в свою очередь, необходима почва, в создании которой участвуют какие-то другие организмы. Наконец, для того, чтобы лошадь могла передать свои гены потомкам и поучаствовать в эволюции, ей потребуется конь. Выходит, что лошадь является частью экосистемы и не может выживать и размножаться сама по себе. На самом деле всякий организм зависит от своих соседей[553] и встроен в многоуровневую систему из переплетенных циклов, которые охватывают всю нашу планету.
Из этого следует, что вопрос о начале жизни не относится к какому-то одному организму, – речь идет о том, как возникла первая экосистема.
Проведенный в 2009 году Сарой Войтек и Джеральдом Джойсом эксперимент помог разобраться, действительно ли жизнь с самого начала существовала в виде экосистемы. Они синтезировали из РНК два рибозима, каждый из которых мог создавать свои копии из определенного “сырья”[554]. Причем если первый рибозим более успешно использовал в качестве “сырья” одни вещества, то второй предпочитал какие-то другие. А когда оба использовали один и тот же ресурс, более расторопный рибозим вскоре начинал преобладать, и второй “вымирал”. Но если им давали разом оба типа “сырья”, они могли сосуществовать и даже эволюционировать так, чтобы специализироваться на своем любимом ресурсе.