Р. Докинз. Рассказ Предка-26. Кентербери

 

25. Рандеву 38. Археи. 39. Эубактерии

Ричард Докинз. Рассказ Предка
Часть 26

27. Возвращение Хозяина

 

Кентербери
 
Как и подобает конечной цели 4-миллиардолетнего путешествия, наше Кентербери обладает налетом тайны. Это сингулярность, известная как происхождение жизни, но мы могли лучше назвать ее происхождением наследственности. Сама жизнь явно не определена, факт, который противоречит интуиции и традиционной мудрости. Иезекииль, Глава 37, в которой пророку повелели спуститься в долину костей, отождествляет жизнь с дыханием. Я не могу удержаться от цитирования отрывка ("кость с костью своею" – столь замечательная структура языка).
 
Я изрек пророчество, как повелено было мне; и когда я пророчествовал, произошел шум, и вот движение, и стали сближаться кости, кость с костью своею.
И видел я: и вот, жилы были на них, и плоть выросла, и кожа покрыла их сверху, а духа не было в них.
Тогда сказал Он мне: изреки пророчество духу, изреки пророчество, сын человеческий, и скажи духу: так говорит Господь Бог: от четырех ветров приди, дух, и дохни на этих убитых, и они оживут.
 
И, конечно, дух вошел в них. Великое полчище ожило и стало на ноги. Дыхание для Иезекииля определяет различие между мертвым и живым. Сам Дарвин подразумевал то же самое в одном из своих более красноречивых пассажей, заключительных словах "Происхождения видов" (курсив добавлен):
 
Таким образом, из борьбы в природе, из голода и смерти непосредственно вытекает самый высокий результат, какой ум в состоянии себе представить, – образование высших животных. Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь в ее различных проявлениях Творец первоначально ВДОХНУЛ в одну или ограниченное число форм; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала эволюционировало и продолжает эволюционировать бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм.
 
Дарвин справедливо полностью изменил порядок событий Иезекииля. Дыхание жизни пришло первым и создало условия, при которых, в конечном счете, эволюционировали кости и сухожилия, плоть и кожа. Кстати, выражение "Творец" не присутствует в первом издании "Происхождения видов". Оно было добавлено во втором издании, вероятно как подачка религиозному лобби. Дарвин позже сожалел об этом в письме к своему другу, Хукеру:
 
Но я уже давно сожалею, что уступил общественному мнению и употребил выражение Пятикнижия – "сотворение", под которым я на самом деле только подразумеваю "появление" вследствие какого-то совершенно неизвестного нам процесса. Сущий вздор – рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи.
 
Дарвин, вероятно, (и, на мой взгляд, справедливо) видел происхождение примитивной жизни как относительно (и я подчеркиваю относительно) легкую проблему по сравнению с той, которую он решил: как жизнь, когда-то возникшая, развивала свое удивительное разнообразие, сложность и сильную иллюзию разумного замысла. Однако позже (в другом письме Хукеру) Дарвин рискнул высказать предположение о "совершенно неизвестном процессе", который все это начал. Он пришел к нему, размышляя, почему мы не наблюдаем возникновение жизни снова и снова.
 
Часто говорят, что сейчас есть все условия для создания первого живого организма, которые могли быть когда-либо предоставленными. Но если (О! какое большое если!) мы могли бы вообразить себя в некотором небольшом теплом пруду, со всеми видами аммиака и солей фосфора, света, тепла, электричества, и т.д., в таком состоянии, при котором структура белка была бы химически подготовлена к более сложным изменениям, то в наши дни такая материя будет немедленно поглощена, чего никогда не произошло бы до формирования живых существ.
 
Доктрина самозарождения лишь недавно была экспериментально атакована Пастером. Долгое время считалось, что в гниющем мясе самопроизвольно образовываются личинки, что морские уточки спонтанно порождают гусят и даже, что в грязном белье, помещенном вместе с пшеницей, самозарождаются мыши. Понятая превратно, теория самозарождения была поддержана Церковью (которая следовала в этом и многом другом за Аристотелем). Я говорю превратно, потому что, по крайней мере, с ретроспективной точки зрения, самозарождение было столь же прямым вызовом божественному созданию, какой всегда была эволюция. Идея, что мухи или мыши могли появиться самопроизвольно, весьма недооценивает громадное достижение, которым должно было быть создание мух или мышей: оскорбление Творца, как можно было бы подумать. Но ненаучное мышление не в состоянии понять, как сложны и, в сущности, невероятны муха или мышь. Дарвин был, возможно, первым, кто оценил всю величину этой ошибки.
 
Уже в 1872 году в письме Уоллесу, cооткрывателю естественного отбора, Дарвин нашел необходимым выразить свой скептицизм относительно "самозарождения коловраток и тихоходок", как говорилось в книге "Beginnings of life", которой он в остальном восхищался. Его скептицизм, как обычно, попал в точку. Коловратки и тихоходки – сложные жизненные формы, превосходно приспособленные к своим соответствующим образам жизни. Для них самозарождение означало бы, что они стали приспособленными и сложными "благодаря счастливому стечению обстоятельств, а в это я не могу поверить". Счастливые стечения обстоятельств такой величины были анафемой для Дарвина, какими они, по другой причине, должны быть и для Церкви. Общим принципом теории Дарвина было и есть то, что адаптивная сложность возникает через медленные и постепенные изменения, шаг за шагом, без единого шага, предъявляющего слишком большие требования к слепому случаю как объяснению. Дарвиновская теория, разделив случайность на маленькие шаги, нужные, чтобы поставлять вариации для отбора, представляет единственный реалистичный выход из объяснения жизни чистой случайностью.
 
Если бы коловратки могли возникнуть подобным образом, работа всей жизни Дарвина была бы ненужной. Но у самого естественного отбора должно было быть начало. В этом смысле одно какое-то самозарождение должно было случиться, хотя бы только однажды. Красота работы Дарвина состояла в том, что от единственного самозарождения, которое мы должны постулировать, не требовалось синтезировать ничего сложного, вроде личинки или мыши. Должно было быть лишь создано... что ж, сейчас мы приближаемся к сути проблемы. Если не дыхание, какой компонент жизни позволил естественному отбору начаться и привести, в конечном счете, после эпопеи кумулятивной эволюции, к личинкам, мышам и человеку?
 
Детали скрыты, возможно, безвозвратно, в нашем древнем Кентербери, но мы можем дать ключевому элементу минималистическое название, чтобы выразить то, чем он должен быть. Это название – наследственность. Мы должны искать не происхождение жизни, которая туманна и неопределенна, а происхождение наследственности – истинной наследственности, и это означает нечто весьма точное. Ранее для объяснения этого я использовал огонь.
 
Огонь соперничает с дыханием за образное представление жизни. Когда мы умираем, жизненный огонь гаснет. Наши предки, которые впервые его приручили, вероятно, думали, что огонь – живое существо, даже бог. Вглядываясь в огонь или тлеющие угольки, особенно ночью, когда их грел и защищал походный костер, общались ли они в своем воображении с пылающей, танцующей душой? Огонь живет, пока вы его подпитываете.
 
Огонь дышит воздухом; вы можете задушить его, прекратив подачу кислорода, вы можете утопить его в воде. Лесной пожар пожирает лес, гоня живую добычу перед собой со скоростью и жестокостью стаи волков в (буквально) горячем преследовании. Как и в случае с волками, наши предки могли захватить детёныша огня в качестве полезного домашнего животного, приручить его, регулярно кормить и убирать его пепельные выделения. Прежде чем было открыто искусство добывания огня, общество должно было высоко ценить меньшее искусство поддержания захваченного огня. Возможно, живой побег домашнего костра несли в горшке для обмена с соседней группой, у которой, к сожалению, умер собственный огонь. Было бы сделано наблюдение, что лесной пожар порождает дочерние костры, плюясь искрами и развеивая тлеющие огоньки по ветру, как пух одуванчика, чтобы достичь сухой травы и засеять ее семенами на некотором расстоянии. Создали ли философы Homo ergaster теорию, что огонь не может самозародиться, а должен всегда происходить от родительского огня: либо лесного пожара на равнине, либо домашнего костра, огороженного каменными плитами в очаге? И не разрушают ли поэтому эту картину мира первые палочки для добывания огня? Наши предки, возможно, даже представляли себе популяцию размножающихся лесных пожаров или родословную домашних костров, прослеженную от пылающего предка, купленного у далекого клана и продаваемого другим. Но все же настоящей наследственности не было. Почему? Как вы можете иметь размножение и родословную, но все же не иметь наследственности? Это – урок, полученный нами здесь от огня. Истинная наследственность означала бы наследование не самого костра, а вариаций среди костров. Некоторые более желтые, чем другие, некоторые более красные. Одни ревут, другие потрескивают, какие-то шипят, дымят, некоторые сыплют искрами. У некоторых в пламени есть оттенок синего или зеленого. Наши предки, если бы они изучили своих одомашненных волков, заметили бы сильное различие между породами собак и породами костров. У собак подобное порождает подобное. По крайней мере, что-нибудь из того, что отличает одну собаку от другой, передано ее родителями. Конечно, кое-что также приходит со стороны: с пищей, болезнями и несчастными случаями. У огня все изменения происходят из окружающей среды, ни одно не передается по наследству от предковой искры. Они зависят от качества и сырости топлива, от направления и силы ветра, от свойства тяги очага, от почвы, от небольшого количества меди и калия, которые добавляют сине-зеленый и сиреневый оттенок к желтому пламени натрия. В отличие от собак, ни одно из качеств взрослого костра не происходит от искры, которая его породила. Синие костры не порождают синие костры. Потрескивающие костры не наследуют свое потрескивание от родительского костра, подбросившего свою первоначальную искру. Костры демонстрируют воспроизводство без наследственности. Происхождение жизни было происхождением истинной наследственности; можно даже сказать, происхождением первого гена.
 
Под первым геном, поспешу заметить, я не подразумеваю первую молекулу ДНК. Никто не знает, был ли первый ген сделан из ДНК, и я держу пари, что не из нее. Под первым геном я подразумеваю первый репликатор. Репликатором является структура, например молекула, которая создает потомственную линию своих копий. В копировании всегда будут ошибки, таким образом, популяция приобретет разнообразие. Ключ к истинной наследственности в том, что каждый репликатор больше похож на того, с кого он был скопирован, чем на случайного представителя популяции. Происхождение первого такого репликатора было невероятным событием, но это должно было случиться только однажды. С того времени его последствия поддерживали себя автоматически, и в конечном счете они дали начало, путем дарвиновской эволюции, развитию всей жизни.
 
Участок ДНК или, при определенных условиях, соответствующей молекулы РНК – истинный репликатор. Как и компьютерный вирус. Как и письма счастья. Но все эти репликаторы нуждаются в сложном аппарате, способствующем им. ДНК необходима клетка, полностью укомплектованная уже существующими биохимическими механизмами, весьма приспособленными для чтения и копирования кода ДНК. Компьютерному вирусу нужен компьютер с каким-либо каналом связи с другими компьютерами, разработанными человеческими инженерами, чтобы повиноваться закодированным инструкциям. Письма счастья нуждаются в хорошем обеспечении идиотами с развитыми мозгами, достаточно обученными, чтобы, по крайней мере, читать. Уникально в первом репликаторе, давшем искру жизни, то, что у него под рукой не было никакого запаса чего-либо приспособленного, разработанного или обученного. Первый репликатор работал de novo, с нуля, без прецедентов и без помощи, за исключением обычных законов химии.
 
Мощным помощником химической реакции является катализатор, и катализ в некотором виде, конечно, был вовлечен в происхождение репликации. Катализатор – вещество, которое ускоряет химическую реакцию, не будучи потребляемым ею. Вся биологическая химия состоит из катализируемых реакций, и катализаторами обычно служат большие молекулы белка, называемые ферментами. Типичный фермент предоставляет углубления определенной конфигурации в своей трехмерной форме, подобно штепсельной розетке для компонентов одной химической реакции. Он выстраивает их друг напротив друга, вступает с ними во временную химическую связь, подбирая пару с целенаправленной точностью, которую они вряд ли выявили бы, свободно диффундируя.
 
Катализаторы по определению не расходуются в химической реакции, которую они усиливают, но могут в ней образовываться. Автокаталитическая реакция – реакция, которая производит свой собственный катализатор. Как вы можете догадаться, автокаталитическая реакция неохотно начинается, но, однажды начавшись, она сама по себе набирает обороты – действительно подобно лесному пожару, поскольку у огня есть некоторые из свойств автокаталитической реакции. Строго говоря, огонь не катализатор, но он самовоспроизводится. Химически это процесс окисления, при котором выделяется тепло, и тепло необходимо, чтобы перевалить его через пороговую черту для запуска. Однажды начавшись, он продолжается и распространяется как цепная реакция, поскольку вырабатывает тепло, необходимое для своего возобновления. Другая известная цепная реакция – атомный взрыв, в этом случае реакция не химическая, а ядерная. Наследственность возникла как удачный запуск автокаталитического, или же иначе самовоспроизводящегося, процесса. Она немедленно набрала обороты и распространилась, как огонь, в конечном счете, приводя к естественному отбору и всему тому, что за этим последовало.
 
Мы также окисляем углеродосодержащее горючее, чтобы выработать тепло, но не доводим его до воспламенения, потому что производим окисление управляемым способом, шаг за шагом, направляя энергию в полезные каналы, вместо того чтобы рассеять ее как неконтролируемое тепло. Такая управляемая химия, или метаболизм, является столь же универсальной особенностью жизни, как наследственность. Теории происхождения жизни должны объяснять и наследственность, и метаболизм, но у некоторых авторов были ошибочные приоритеты. Они стремились создать теорию самозарождения метаболизма и почему-то надеялись, что из этого последует наследственность, подобно другим полезным приспособлениям. Но наследственность, как мы увидим, нельзя представить как полезное приспособление. Наследственность должна быть первой на сцене, потому что до наследственности сама полезность не имела никакого значения. Без наследственности, и, следовательно, естественного отбора, не было бы ничего того, для чего что-то должно было быть полезным. Само понятие полезности не может возникнуть, пока не появится естественный отбор наследственной информации.
 
Самыми ранними теориями происхождения жизни, к которым сегодня относятся серьезно, являются теории A. И. Oпарина в России и Д. Б. С. Холдейна в Англии, написанные в 1920-ых годах в неведении друг о друге. Обе придавали особое значение метаболизму, а не наследственности. Обе натолкнулись на важный факт, что атмосфера Земли до жизни должна была быть "восстановительной", чтобы жизнь могла возникнуть. Этот довольно непрозрачный технический термин означает, что в атмосфере отсутствовал свободный кислород. Органические соединения (соединения углерода), при наличии вокруг свободного кислорода, уязвимы для сгорания или иного окисления в углекислый газ. Нам, умирающим без кислорода в течение минут, это кажется странным, но жизнь не могла возникнуть на какой-либо планете со свободным кислородом в атмосфере. Как я уже объяснял, кислород был бы смертельным ядом для наших самым ранних предков. Все, что мы знаем о других планетах, оставляет мало сомнений в том, что первоначальная атмосфера Земли была восстановительной. Свободный кислород появился позже. Он представлял собой загрязняющий окружающую среду продукт зеленых бактерий, сначала свободно плавающих, а позже включенных в клетки растений. В некоторый момент у наших предков эволюционировала способность справляться с кислородом, а позже они стали от него зависеть.
 
Между прочим, хоть я и сказал, что кислород произведен зелеными растениями и водорослями, это является упрощением, чтобы так оставить. Верно, что растения выделяют кислород. Но когда растение умирает, химические реакции его разложения, эквивалентные сгоранию всех его углеродистых материалов, израсходовали бы количество кислорода, равное всему кислороду, выпущенному этим растением за всю его жизнь. Поэтому не было бы никакой чистой прибавки атмосферного кислорода, если бы не одна деталь. Не все мертвые растения разлагаются. Некоторые из них откладываются в виде угля (или его аналогов), чем они изымаются из кругооборота. Если бы все ископаемое топливо в мире было сожжено человечеством, то большая часть кислорода в атмосфере была бы заменена углекислым газом, восстанавливая древний статус-кво. Это вряд ли случится в ближайшем будущем. Но мы не должны забывать, что единственная причина, по которой у нас есть кислород для дыхания, состоит в том, что большая часть углерода в мире связана под землей. Мы сжигаем его на свой страх и риск.
 
Атомы кислорода всегда присутствовали в ранней атмосфере, но не были в свободном виде газообразного кислорода. Они были связаны в соединениях, таких как углекислый газ и вода. Сейчас углерод главным образом заключен в живых телах или – в намного большем количестве – в горных породах, таких как мел, известняк и уголь, которые происходят из останков некогда живых тел. Во времена Кентербери эти же атомы углерода главным образом содержались в атмосфере в виде составных газов, таких как углекислый газ и метан. Азот, ныне основной атмосферный газ, был бы в восстановительной атмосфере соединен с водородом в виде аммиака.
 
Опарин и Холдейн поняли, что восстановительная атмосфера благоприятна для самопроизвольного синтеза простых органических соединений. Вот собственные слова Холдейна, которые я цитирую из его знаменитой заключительной фразы:
 
Теперь, если ультрафиолетовые лучи оказывают действие на смесь воды, углекислого газа и аммиака, производится множество органических веществ, включая сахара, и, очевидно, некоторые из материалов, из которых построены белки. Этот факт был продемонстрирован Бэйли и его коллегами в лаборатории в Ливерпуле. В нынешнем мире такие вещества разлагаются – то есть разрушаются микроорганизмами. Но до возникновения жизни они должны были накапливаться, пока примитивные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного бульона.
 
Это было написано в 1929 году, больше чем за 20 лет до часто упоминаемого эксперимента Миллера и Юри, который, как можно было бы понять из сообщения Холдейна, был своего рода повторением эксперимента Бэйли. Однако Э. Ч. Бэйли не изучал происхождение жизни. Его интересовал фотосинтез, и его целью было синтезировать сахар с помощью ультрафиолетовых лучей, направленных в воду, содержащую растворенный углекислый газ, в присутствии катализатора, такого как железо или никель. Именно Холдейн, а не сам Бэйли с его отличительным блеском, предвидел нечто замечательно напоминающее эксперимент Миллера-Юри и считал его возвращением к работе Бэйли.
 
Миллер под руководством Юри взял две колбы, одна выше другой, связанных двумя трубками. Нижняя колба содержала нагретую воду, представляя первобытный океан. Верхняя колба содержала модель первобытной атмосферы (метан, аммиак, водяной пар и водород). Через одну из трубок пар поднимался от нагретого "океана" в нижней колбе и попадал в "атмосферу" в верхней колбе. Другая трубка шла обратно вниз, из "атмосферы" в "океан". По пути она проходила через искровую камеру ("молнии") и камеру охлаждения, где пар конденсировался, формируя "дождь", который пополнял "океан".
 
Всего через неделю этого подобия кругооборота океан стал желто-коричневым, и Миллер проанализировал его содержимое. Как предсказывал Холдейн, он стал бульоном из органических соединений, включая не менее чем семь аминокислот, главных строительных блоков белков. Среди этих семи были три – глицин, аспарагиновая кислота и аланин – из списка 20, обнаруженных в живых существах. Более поздние эксперименты по этой теме, но с заменой углекислого или угарного газа на метан, достигли похожих результатов. Мы можем сделать твердый вывод, что биологически важные маленькие молекулы, включая аминокислоты, сахара и, что важно, стандартные блоки ДНК и РНК, способны самопроизвольно образовываться при лабораторном моделировании различных версий первобытной Земли Опарина/Холдейна.
 
До Опарина и Холдейна мыслители, рассуждающие о происхождении жизни, предполагали, что первые организмы должны были быть какой-либо разновидностью растений, возможно, зелеными бактериями. Люди привыкли к идее, что жизнь зависит от фотосинтеза, производства органических соединений за счет энергии солнечного света, сопровождаемого выделением кислорода. Опарин и Холдейн со своей восстановительной атмосферой подумали о том, что растения вышли на сцену позже. Древняя жизнь возникла в море существовавших ранее органических соединений. Для еды был бульон, и не было потребности в фотосинтезе – по крайней мере, пока бульон не закончился.
 
Для Опарина жизненно важным шагом было возникновение первой клетки. И, разумеется, у клеток, как и организмов, есть важное свойство: они никогда не возникают самопроизвольно, а всегда от других клеток. Было простительно отождествлять с появлением жизни возникновение первой "клетки" (метаболизатора), а не первого "гена" (репликатора), как делаю я. Среди более современных теоретиков с тем же уклоном выдающийся теоретический физик Фримен Дайсон (Freeman Dyson) осознает и отстаивает это. Большинство современных теоретиков, включая Лесли Оргела в Калифорнии, Манфреда Эйгена и его коллег в Германии, и Грэма Кернс-Смита в Шотландии – скорее одиноких индивидуалистов, но это ни в коем случае не списывает их со счетов - отдают приоритет саморепликации, и хронологически, и с точки зрения центральности: по-моему, это справедливо.
 
На что была бы похожа наследственность без клетки? Разве это не проблема курицы и яйца? Конечно, да, если мы соглашаемся с тем, что для наследственности требуется ДНК, ДНК не может быть реплицирована без многочисленных вспомогательных молекул, включая белки, которые могут быть созданы только с помощью закодированной в ДНК информации. Но только из того, что ДНК – главная самореплицирующая молекула, которую мы знаем, не следует, что она является единственной, которую можно себе представить, или единственной, которая когда-либо существовала в природе. Грэм Кернс-Смит убедительно аргументировал, что первоначальные репликаторы были неорганическими минеральными кристаллами, с более поздней узурпацией ДНК, вступившей в главную роль, как только жизнь эволюционировала до того момента, когда такой Генетический Перехват Контроля стал возможным. Я не буду приводить здесь его доводы, частично потому что я уже сделал свою лучшую попытку в "Слепом часовщике", но также и по более веской причине. Кэрнс-Смит приводит наиболее ясные доводы из прочитанных мною, что самовоспроизведение имело первостепенное значение, и ДНК должна была иметь какого-либо предшественника, природа которого неизвестна, с оговоркой, что тот демонстрировал истинную наследственность. Я считаю позором, что эта неопровержимая часть его аргументов стала связанной в общественном сознании с его более спорными и спекулятивными доводами в пользу минеральных кристаллов в качестве предшественников.
 
Я не имею ничего против минеральной теории кристаллов, и я разъяснял это ранее, но что я действительно хочу подчеркнуть первенствующую роль репликации, и есть большая вероятность, что была более поздняя передача управления к ДНК от некоторого предшественника. Я могу высказать наиболее убедительное соображение, умышленно перейдя в этой книге к другой частной теории того, чем мог быть этот предшественник. Каковы бы ни были ее основные достоинства как первоначального репликатора, РНК, конечно, лучший кандидат, чем ДНК, и она была взята за образец предшественника многими теоретиками в их так называемом "РНК-мире". Чтобы представить теорию РНК-мира, я должен перейти к ферментам. Если репликатор – звезда жизненного шоу, то ферменты играют одну из главных ролей, более чем просто второстепенную роль.
 
Жизнь крайне зависит от виртуозной способности ферментов катализировать биохимические реакции довольно вычурным способом. Когда я впервые узнал о ферментах в школе, расхожее (и, на мой взгляд, ошибочное) мнение, что наука должна преподаваться на основе обыденных примеров, подразумевало, что мы плевали в воду, чтобы продемонстрировать способность слюнного фермента амилазы переваривать крахмал и образовывать сахар. От этого мы получили впечатление, что фермент похож на агрессивную кислоту. Биологические стиральные порошки, использующие ферменты, чтобы вываривать грязь из одежды, создают такое же впечатление. Но это – разрушительные ферменты, служащие для расчленения больших молекул на их меньшие составляющие. Конструктивные ферменты вовлечены в синтез больших молекул из меньших компонентов, и они делают это, ведя себя как "автоматизированные сводники", и я объясню почему.
 
Внутренности клетки содержат раствор из тысяч различного рода молекул, атомов и ионов. Они могли бы попарно объединяться друг с другом почти бесконечным числом различных способов, но в основном они этого не делают. Таким образом, есть огромный набор потенциальных химических реакций, которые могут происходить в клетке, но большая часть из них не происходит. Держите это в памяти, размышляя над следующим. В химической лаборатории на полках есть сотни бутылок, все надежно закупоренные, таким образом их содержимое не сталкивается друг с другом, если химик не желает этого, когда добавляет порцию из одной бутылки к порции из другой. Можно сказать, что полки в химической лаборатории также предоставляют собой огромный набор потенциальных химических реакций, которые могут произойти. И снова большая часть из них не происходит.
 
Но представьте себе, что вы берете все бутылки со всех полок и выливаете их в один чан, наполненный водой. Нелепый акт научного вандализма, все же такой чан в значительной степени являет собой то, что представляет собой живая клетка. Сотни компонентов тысяч потенциальных химических реакций не содержатся в отдельных бутылках в ожидании требуемых реакций друг с другом. Вместо этого они все время смешиваются в одном общем пространстве. Но, тем не менее, они ожидают, в основном не вступая в реакцию, пока этого не потребуется, как будто находятся в раздельных виртуальных бутылках. Нет никаких виртуальных бутылок, но есть ферменты, работающие как автоматизированные сводники, или мы могли бы даже назвать их автоматизированными лаборантами. Ферменты способны к различению, почти так же, как радиоприемник, когда ловит отдельные радиостанции, игнорируя сотни других сигналов, одновременно бомбардирующих его антенну неразберихой несущих частот.
 
Предположим, что есть важная химическая реакция, в которой компонент А объединяется с компонентом B, чтобы образовать продукт Z. В химической лаборатории мы добиваемся этого, взяв с одной полки бутылку с этикеткой А, а с другой полки бутылку с этикеткой B, смешав их содержимое в чистой колбе, и обеспечив другие необходимые условия, такие как нагревание или взбалтывание. Мы добиваемся определенной нужной нам реакции, взяв только две бутылки с полки. В живой клетке много молекул А и много молекул B, плавающих в окружающей жидкости среди огромного разнообразия молекул, где они могут встретиться, но даже при встрече объединяются редко. В любом случае, их встреча не более вероятна, чем тысячи других возможных комбинаций. Теперь мы вводим фермент, названный abz-аза, который специально приспособлен, чтобы катализировать реакцию A+B=Z. В клетке есть миллионы молекул abz-азы, и каждая действует как автоматизированный лаборант. Каждый лаборант- abz-аза захватывает одну молекулу, не с полки, но свободно плавающую в клетке. Затем он захватывает проплывающую мимо молекулу B. Он твердо удерживает А своими захватами, так чтобы та была обращена в определенном направлении. И так же твердо он удерживает B, чтобы она примыкала к A только в правильном положении и ориентации, чтобы скрепить ее с A и создать Z. Фермент также может делать другие вещи – аналогично лаборанту-человеку уметь обращаться с мешалкой или зажигать Бунзеновскую горелку. Он может образовать временное химическое соединение с A или B, обмениваясь атомами или ионами, которые, в конечном счете, возвращаются, таким образом, получается, что фермент остается таким же, как был, так же как катализатор. В результате всего этого в определенной формы "захватах" молекулы фермента образуется новая молекула Z. Тогда лаборант выпускает новый продукт Z в жидкость и ждет проплывающий мимо другой компонент А, после чего захватывает его, и цикл возобновляется.
 
Если бы не было автоматизированного лаборанта, то свободно плавающий A иногда врезался бы в свободно плавающий B при правильных условиях образования соединения. Но такое случайное событие было бы редким, не более обычным, чем случайные столкновения, которые либо A, либо B могли бы совершать с большим количеством других потенциальных партнеров, . A мог столкнуться с C и образовать Y. Или B мог бы врезаться в D и образовать X. Небольшое количество Y и X все время создается благодаря случайному дрейфу. Но присутствие лаборанта, фермента abz-азы, кардинально все меняет. В присутствии abz-азы Z ставится на поток (с точки зрения клетки) в промышленных количествах: фермент обычно умножает скорость спонтанной реакции в пределах от миллиона до триллиона раз. Если бы был введен другой фермент, acy-аза, то A соединялись бы с C вместо B, снова же на скорости быстро мчащегося ленточного конвейера, создавая щедрый запас Y. Это все те же молекулы А, о которых мы говорили, не ограниченные бутылкой, а свободные соединяться с B или с C, в зависимости от того, какой фермент присутствует для их захвата.
 
Скорости выработки Z и Y будут поэтому зависеть, кроме всего прочего, от того, сколько каждых из двух конкурирующих лаборантов, abz-азы и acy-азы, плавает в клетке. А это зависит от того, какой из двух генов включен в ядре клетки. Однако все немного сложнее: даже если молекула abz-азы присутствует, она может быть инактивирована. Один способ, которым это может случиться, состоит в том, что появляется другая молекула и занимает активную "впадину" фермента. Это – как если бы на автоматизированного лаборанта временно надели наручники. Наручники напоминают мне, между прочим, необходимость исполнить ритуал, предупреждающий что, как всегда бывает с метафорами, есть риск, что "автоматизированный лаборант" может ввести в заблуждение. У молекулы фермента, собственно, нет рук, чтобы их протягивать и захватывать компоненты, такие как A, уже не говоря о надевании наручников. Вместо этого у него есть специальные зоны на поверхности, к которой A, скажем, обнаруживает сродство, или из-за аккуратного физического соответствия впадине определенной формы, или еще из-за какой-то трудной для понимания химической особенности. И это сродство может быть временно сведено на нет способами, которые напоминают преднамеренное переключение выключателя.
 
Большинство молекул ферментов – механизмы специального назначения, которые делают только один продукт: скажем, сахар или жир; пурин или пиримидин (стандартные блоки ДНК и РНК), или аминокислоты (двадцать из них – стандартные блоки природных белков). Но некоторые ферменты больше похожи на программируемые станки, требующие перфоленту, на которой указано, что им делать. Самые выдающийся среди них – рибосомы, большие и сложные станки, построенные и из белка, и из РНК, которые сами создают белки. Аминокислоты, стандартные блоки белков, уже сделанные ферментами специального назначения и плавающие повсюду в клетке, могут быть захвачены рибосомой. Перфолентой служит РНК, конкретно "информационная РНК" (иРНК). Информационная лента, сама скопировавшая информацию с ДНК в геноме, вводит данные в рибосому и, когда она проходит через "считывающую головку", соответствующие аминокислоты собираются в белковую цепь в порядке, заданном лентой, с использованием генетического кода.
 
То, как эта спецификация работает, известно, и это замечательно. Есть набор маленьких транспортных РНК (тРНК), каждая длиной приблизительно 70 оснований. Каждая из тРНК избирательно присоединяется к одному и только одному из двадцати видов обычных аминокислот. На другом конце молекулы тРНК находится "антикодон", триплет, точно комплементарный короткой последовательности иРНК (кодон), который определяет конкретную аминокислоту согласно генетическому коду. Когда лента иРНК движется через считывающую головку рибосомы, каждый кодон иРНК связывается с тРНК, имеющей подходящий антикодон. Это заставляет аминокислоту, свисающую с другого конца тРНК, становиться в ряд в положении, определенном "сводником", чтобы прикрепиться к растущему концу формирующегося белка. Как только аминокислота прикрепляется, тРНК уходит на поиски новой молекулы аминокислоты предпочитаемого типа, в то время как иРНК медленно продвигает ленту вперед к другой выемке. Таким образом, процесс продолжается, и шаг за шагом штампуется белковая цепь. Удивительно, но одна физическая лента иРНК может справиться с несколькими рибосомами одновременно. Каждая из этих рибосом перемещает свою считывающую головку вдоль различных частей ленты, и каждая формирует свою собственную копию вновь создаваемой цепи белка.
 
Каждая новая белковая цепь заканчивается, когда иРНК, вводящая свои данные в рибосому, полностью проходит считывающую головку этой рибосомы, и белок отделяется. Он сворачивается в сложную трехмерную структуру, форма которой определяется, по законам химии, последовательностью аминокислот в цепи белка. Сама эта последовательность обусловлена порядком кодовых символов вдоль иРНК. И этот порядок, в свою очередь, определяется комплементарной последовательностью символов вдоль ДНК, которая составляет основную базу данных клетки.
 
Закодированная последовательность ДНК поэтому управляет тем, что происходит в клетке. Она устанавливает последовательность аминокислот в каждом белке, которая определяет трехмерную форму белка, которая в свою очередь придает этому белку его особые ферментативные свойства. Важно, что контроль может быть при этом косвенным, как мы видели в "Рассказе Мыши", гены определяют, какие другие гены должны включиться и когда. Большинство генов в любой клетке не включено. Поэтому из всех реакций, которые могут произойти в "чане, полном разнородных компонентов", в любой момент фактически происходит лишь одна или две: те, чьи специфические "лаборанты" активны в клетке.
 
После этого отступления к катализу и ферментам мы теперь переходим от обычного катализа к особым случаям автокатализа, некоторая версия которого, вероятно, играла ключевую роль в происхождении жизни. Вспомните наш гипотетический пример, где молекулы A и B соединяются, чтобы создать Z под влиянием фермента abz-азы. Что, если сам Z – своя собственная abz-аза? Я имею в виду, что, если молекула Z имеет как раз подходящую форму и химические свойства, чтобы захватить один компонент A и один B, свести их вместе в правильной ориентации и соединить их, чтобы создать новую Z, точно такую же, как она сама? В нашем предыдущем примере мы могли сказать, что количество abz-азы в растворе будет влиять на количество произведенной Z. Но теперь если Z и abz-аза фактически – одна и та же молекула, мы нуждаемся только в одной единственной молекуле Z, чтобы начать цепную реакцию. Первая Z захватывает А и В и соединяет их, создавая больше Z. Затем эти новые Z захватывают больше А и В, образуя еще больше Z, и так далее. Это – автокатализ. При подходящих условиях популяция молекул Z будет расти по экспоненте – подобно взрыву. Такого рода вещи звучат многообещающе как составляющие происхождения жизни.
 
Но это все гипотетически. Джулиус Ребек (Julius Rebek) и его коллеги из института Скриппса в Калифорнии сделали это реальностью. Они исследовали некоторые замечательные примеры автокатализа в реальной химии. В одном из их примеров Z была трехкислотным сложным эфиром аминоаденозина (AATE), A была аминоаденозином, B была пентафторфенил эфиром, и реакция происходила не в воде, а в хлороформе. Само собой разумеется, ни эти специфические химические детали, ни длинные названия, конечно, помнить не обязательно. Важно то, что продукт химической реакции является своим собственным катализатором. Первая молекула AATE сформировалась с трудом, но, будучи однажды сформированной, немедленно запустила цепную реакцию, так как все больше синтезировалось самой AATE, служащей своим собственным катализатором. Словно этого было не достаточно, этот ряд блестящих экспериментов продолжал демонстрировать истинную наследственность в определенном здесь смысле. Ребек и его команда обнаружили систему, в которой существовал больше чем один вариант автокатализируемого вещества. Каждый вариант катализировал свой синтез, используя свой предпочитаемый тип одного из компонентов. Это повысило перспективы истинной конкуренции в популяции образований, демонстрируя настоящую наследственность и поучительную зачаточную форму дарвиновского отбора.
 
Химия Ребека очень искусственна. Однако его сообщения красиво иллюстрируют принцип автокатализа, согласно которому продукт химической реакции служит своим собственным катализатором. Это – что-то вроде автокатализа, который необходим для возникновения жизни. Могла ли РНК, или нечто похожее на РНК, в условиях ранней Земли автокатализировать свой собственный синтез в стиле Ребека, и в воде, а не в хлороформе?
 
Проблема трудноразрешима, как объяснил немецкий Нобелевский лауреат в области химии Манфред Эйген (Manfred Eigen). Он указал, что любой процесс саморепликации подвергается вырождению в результате ошибок копирования – мутаций. Вообразите популяцию реплицирующихся единиц, у которых есть высокая вероятность ошибки в каждом случае копирования. Если закодированное сообщение должно противостоять разрушительному действию мутации, то по крайней мере один член популяции в любом поколении должен быть идентичным своему родителю. Если, например, есть десять кодовых единиц ("букв") в цепи РНК, средняя доля ошибок на одну букву должна быть меньше, чем одна десятая: мы можем тогда ожидать, что по крайней мере у некоторых членов следующего поколения будет полный комплект из десяти правильных букв кода. Но если процент ошибок больше, произойдет неумолимое вырождение в течение поколений из-за одних лишь мутаций, независимо от того, насколько сильно давление отбора. Это называют катастрофой ошибок. Катастрофы ошибок в геномах составляют главную тему интересной книги Марка Ридли "Демон Менделя", но нас в данный момент интересует катастрофа ошибок, которая угрожала происхождению самой жизни.
 
Короткие цепочки РНК и даже ДНК могут спонтанно самореплицироваться без ферментов. Но доля ошибок тогда намного выше, чем в присутствии ферментов. И это означает, что, прежде чем образовался бы ген достаточной длины, создающий белок для действующего фермента, растущий ген был бы разрушен мутацией. Это - Загвоздка-22 происхождения жизни. [Загвоздка-22 - замкнутый круг, "курица-яицо".
 
В книге Джозефа Хеллера "Catch-22" (традиционно в русском переводе "Уловка-22") директива командования предписывает применять ее только в случае, когда она не может быть применена - прим Пер]. Ген, достаточно большой, чтобы закодировать фермент, был бы слишком большим, чтобы быть точно реплицированным без помощи фермента того самого типа, который он пытается кодировать. Таким образом, очевидно, система не может начать работать. Решением Уловки-22, которое предлагает Эйген, является теория гиперцикла. Она использует старый принцип – разделяй и властвуй. Закодированная информация разделена на субъединицы, достаточно маленькие, чтобы лежать ниже порога катастрофы ошибок. Каждая субъединица - сама по себе минирепликатор, и она достаточно небольшая, чтобы по крайней мере одна ее копия выжила в каждом поколении. Все субъединицы сотрудничают в реализации некоторой важной большей функции, достаточно большой, чтобы страдать от катастрофы ошибок, если бы она катализировалась единственной крупной химической молекулой, а не была подразделена.
 
Как я уже описал теорию, существует опасность, что система в целом будет нестабильна из-за того, что некоторые субъединицы будут самореплицироваться быстрее других. Здесь вступает хитрая часть теории. Каждая субъединица процветает в присутствии других. Конкретнее, производство каждой катализируется присутствием другой, так что они формируют цикл взаимозависимости: "гиперцикл". Это автоматически препятствует тому, чтобы любой из элементов вырвался вперед. Он не может этого сделать, поскольку сам зависит от предшественника в гиперцикле.
 
Джон Мейнард Смит указал на сходство гиперцикла с экосистемой. Количество рыбы зависит от популяции дафний (водяных блох), которыми они питаются. В свою очередь, численность рыб влияет на численность рыбоядных птиц. Птицы поставляют гуано, что помогает процветать водорослям, питаясь которыми процветают дафнии. Полный цикл зависимостей является гиперциклом. Эйген (Eigen) и его коллега Питер Шустер (Peter Schuster) предложили некий молекулярный гиперцикл как решение Загвоздки-22 происхождения жизни.
 
Я собираюсь оставить здесь теорию гиперцикла и вернуться к предположению, которое полностью совместимо с ним, что РНК в те ранние дни, когда жизнь только начиналась, и белков еще не было, могла служить своим собственным катализатором. Это - теория РНК-мира. Чтобы увидеть, насколько она правдоподобна, нам нужно понять, почему белки хороши как ферменты, но плохи как репликаторы; почему ДНК хороша как репликатор, но плоха как фермент; и, наконец, почему РНК может быть достаточно хороша в обеих ролях, чтобы избежать Загвоздки-22.
 
Трехмерная форма - вот то, что в основном влияет на ферментативную активность. Белки хороши в качестве ферментов, поскольку они могут принимать почти любую трехмерную форму, какую только пожелаете, как автоматическое следствие своей одномерной последовательности аминокислот. Именно химическое сродство аминокислот к другим аминокислотам в различных частях цепи определяет конкретный узел, в который сворачивается белковая цепь. Таким образом, трехмерная форма молекулы белка определяется одномерной последовательностью аминокислот, которая сама обусловлена одномерной последовательностью кодовых букв гена. В принципе (практика - другое дело, и чудовищно трудное) должно быть возможно написать последовательность аминокислот, которая самопроизвольно свернулась бы почти в любую желаемую форму: не только форму, хорошо работающую как фермент, а любую произвольную форму, которую бы вы выбрали. Этот талант белков определяет их способность действовать в качестве ферментов. Белок способен выбрать любую из сотен потенциальных химических реакций, которые могли бы идти в клетке, полной перемешанных компонентов.
 
Белки поэтому служат восхитительными ферментами, способными скручиваться в узлы любой желаемой формы. Но они - плохие репликаторы. В отличие от ДНК и РНК, чьи компоненты имеют определенные правила сопряжения ("правила комплементарности Уотсона и Крика", открытые этими двумя вдохновенными молодыми людьми), у аминокислот нет таких правил. ДНК, в отличие от них - восхитительный репликатор, но никчемный кандидат на роль фермента для жизни. Поэтому, в отличие от белков с их почти бесконечным разнообразием трехмерных форм, у ДНК есть только одна форма, знаменитая двойная спираль. Эта двойная спираль идеально подходит для репликации, поскольку две стороны лестницы легко отделяются друг от друга, каждая при этом представляет собой шаблон для присоединения новых букв, следуя правилам комплементарности Уотсона и Крика. Это не особо полезно для чего-либо еще.
 
У РНК есть некоторые достоинства ДНК как репликатора и некоторые достоинства белка как универсального формообразователя ферментов. Четыре буквы РНК достаточно похожи на четыре буквы ДНК, настолько, что любой набор может служить шаблоном для другой. С другой стороны, РНК не формирует длинную двойную спираль, что означает, что она несколько уступает ДНК как репликатор. Частично потому, что система двойной спирали пригодна для исправления ошибок. Когда двойная спираль ДНК разделяется, и каждая одиночная спираль сразу служит шаблоном для комплементарной спирали, ошибки могут быть сразу замечены и исправлены. Каждая дочерняя цепь, остается прицепленной к своей "родительской" цепи, и их сравнение делает возможным непосредственное выявление ошибок. Коррекция ошибок, основанная на этом принципе, уменьшает скорость мутаций до порядка одной на миллиард, что делает возможными большие геномы, такие как наш. РНК, лишенная этого типа коррекции ошибок, обладает скоростью мутаций, который в тысячи раз выше, чем у ДНК. Это означает, что только простые организмы с малыми геномами, такие как некоторые вирусы, могут использовать РНК в качестве своего основного репликатора.
 
Свободные связи в узлах. Компьютерная графика транспортной РНК связываясь сама с собой создает миниатюрную двойную спираль
 
Но отсутствие структуры двойной спирали имеет как свои плюсы, так и минусы. Поскольку цепь РНК не все время сцеплена с комплементарной цепью, а отделяется от нее, как только сформируется, она, как и белок, может скручиваться в узлы. Так же как белок скручивается на основании химического сродства одних аминокислот с другими в разных частях одной цепи, РНК делает это, используя обычные правила комплементарности Уотсона и Крика, те самые, что используются для создания копий РНК. Другими словами, в отсутствие комплементарной цепи-партнера с двойной спиралью, как у ДНК, РНК свободно сопрягается с парными частями самой себя. РНК находит у себя короткие участки, с которыми она может сцепиться либо в миниатюрную двойную спираль, либо в некоторую другую форму. Правила комплементарности требуют, что эти участки шли в противоположных направлениях. Цепь РНК поэтому имеет тенденцию сворачиваться в ряд шпилек.
 
Репертуар трехмерных форм, в которые может свернуться молекула РНК, может и не так велик, как репертуар большой молекулы белка. Но он достаточно велик, чтобы вселить мысль, что РНК может обеспечить разнообразный арсенал ферментов. И точно, были обнаружены многие ферменты РНК, называемые рибозимами. Вывод: у РНК есть некоторые достоинства репликатора от ДНК и некоторые ферментативные достоинства белков. Возможно, до ДНК, этого архирепликатора, и до белков, этих архикатализаторов, был мир, в котором одна РНК имела достаточно достоинств, чтобы заменить обоих этих профессионалов. Вероятно, огонь РНК зажегся в первоначальном мире, а затем позднее начал производить белки, которые изменились и помогли синтезировать РНК, а позже и ДНК, которая взяла на себя функцию доминирующего репликатора. Это надежда теории РНК-мира. Она получила косвенное подтверждение в ряде прекрасных экспериментов, предпринятых Солом Шпигельманом (Sol Spiegelman) из Колумбийского Университета и повторенных за прошедшие годы в различных формах другими. Эксперименты Шпигельмана используют белковый фермент, что можно счесть мошенничеством, но они производят такие захватывающие результаты, проливая свет на такие важные звенья в теории, что нельзя удержаться от чувства, что она того стоит, так или иначе.
 
Сначала история вопроса. Существует вирус, называемый Qb. Это РНК-вирус, что означает, что вместо ДНК его гены полностью сделаны из РНК. Для репликации своей РНК он использует фермент, называемый Qb-репликаза. В диком виде Qb является бактериофагом (для краткости фагом) - паразитом бактерий, конкретно кишечной бактерии Escherichia coli. Бактериальная клетка "думает", что РНК Qb - это часть ее собственной информационной РНК, и ее рибосомы обрабатывают ее в точности как свою собственную, но белки, которые при этом производятся, нужны вирусу, а не бактерии-хозяину. Есть четыре таких белка: белок оболочки для защиты вируса; клейкий белок, чтобы прикрепляться к бактериальной клетке; так называемый фактор репликации, который я вскоре буду упоминать; и белок-бомба, для разрушения бактериальной клетки, когда вирус закончил реплицироваться, с освобождением нескольких десятков тысяч вирусных частиц, каждая из которых будет путешествовать в своей белковой оболочке, пока не натолкнется на другую бактериальную клетку и повторит цикл. Я сказал, что вернусь к фактору репликации. Вы можете подумать, что это должен быть фермент Qb репликазы, но на самом деле он меньше и проще. Все, что делает этот маленький вирусный ген - это производит белок, сшивающий три других белка, которые производит сама бактерия для своих (совершенно других) нужд. Когда они сшиты вместе собственным маленьким белком вируса, сформированное таким образом соединение оказывается Qb-репликазой.
 
Шпигельман смог выделить из этой системы всего два компонента, Qb-репликазу и Qb-РНК. Он поместил их в воду вместе с небольшими молекулами исходных материалов - строительных блоков для производства РНК, и наблюдал, что происходит. РНК захватывала маленькие молекулы и строила свои копии, используя правила комплементарности Уотсона-Крика. Она справилась с этим трюком без какой-либо бактерии-хозяина и без белковой оболочки или любой другой части вируса. Это само по себе было замечательным результатом. Заметьте, что синтез белка, являющийся частью нормальной активности этой РНК в естественных условиях, был полностью изъят из цикла. Мы имеем голую систему репликации РНК, создающую свои копии, не утруждаясь построением белков.
 
Затем Шпигельман сделал нечто поразительное. Он запустил разновидность эволюции в действии в полностью искусственном мире пробирки, без участия каких-либо клеток. Представьте себе его конструкцию в виде длинного ряда пробирок, содержащих Qb-репликазу и исходные строительные материалы, но без РНК. Он засеял первую пробирку небольшим количеством Qb РНК, и она должным образом реплицировала гораздо большее количество своих копий. Затем он извлек небольшую порцию жидкости и поместил ее каплю во вторую пробирку. Этот посев РНК теперь принялся за репликацию во второй пробирке, и через некоторое время Шпигельман извлек каплю из второй пробирки и засеял третью нетронутую пробирку. И так далее. Это похоже на искру от нашего костра, заронившую семя нового огня в сухой траве, новый огонь зажигает следующий, и так далее по цепочке засевов. Но результат был совсем другим. Если огонь не наследует никаких свойств засеявшей искры, молекулы РНК Шпигельмана наследовали. И результатом стала... эволюция путем естественного отбора в ее наиболее простой и оголенной форме.
 
Шпигельман брал пробы РНК из своих пробирок в течение "поколений" и следил за их свойствами, включая способность инфицировать бактерии. То, что он обнаружил, было восхитительно. Эволюционирующие РНК становились физически меньше и меньше, и, в то же время, менее и менее способными инфицировать, когда бактерии подвергались воздействию их образцов. После 74 поколений типичная молекула РНК в пробирке эволюционировала в малую долю размера своего "дикого предка". Дикая РНК была ожерельем длиной в 3600 "бусинок". После 74 поколений естественного отбора средний обитатель пробирки уменьшился до скромных 550: не годящийся для инфицирования бактерий, но блестяще справляющийся с инфицированием пробирок. Было ясно, что случилось. Спонтанные мутации РНК в этой линии происходили все время, и мутанты, которые выживали, были все более приспособленными делать это в мире пробирок, а не в естественном мире бактерий, ожидающих паразитирования. Основное различие было предположительно в том, что РНК в мире пробирок могла обойтись без всего кода, отведенного для производства тех 4 белков, которые нужны для создания оболочки, белка-бомбы и других необходимых условий для выживания дикого вируса как действующего паразита бактерий. То, что осталось, было голым минимумом, необходимым для репликации в тепличном мире пробирок, полных Qb-репликазы и сырья.
 
Этот оставшийся в живых голый минимум, размером менее десятой части своего дикого предка, стал известен как Монстр Шпигельмана. Будучи меньше размером, модернизированный вариант репродуцируется быстрее, чем его конкуренты, и поэтому естественный отбор постепенно увеличивает его представительство в популяции (и популяция, кстати, совершенно правильное слово, даже притом, что мы говорим о свободно плавающих молекулах, а не о вирусах или всякого рода организмах).
 
Поразительно, но почти тот же Монстр Шпигельмана неоднократно эволюционирует, когда эксперимент повторяют снова. Более того, Шпигельман и Лесли Оргел (Leslie Orgel), одни из ведущих фигур в исследовании происхождения жизни, выполнили дальнейшие эксперименты, в которых они добавили в раствор вредное вещество, такое как бромистый этидий. В этих условиях эволюционирует другой монстр, стойкий к бромистому этидию. Различные химические препятствия способствуют эволюции различных специализированных монстров.
 
Эксперименты Шпигельмана использовали естественный, "дикий тип" Qb РНК как отправную точку. М.Сампер (M.Sumper) и Р.Льюс (R.Luce), работая в лаборатории Манфреда Эйгена, получили поистине ошеломляющий результат. При определенных условиях пробирка, совсем не содержащая РНК, а только сырье для ее производства плюс фермент Qb репликазы, может спонтанно генерировать самореплицирующуюся РНК, которая при надлежащих условиях будет эволюционировать, становясь схожей с Монстром Шпигельмана. Это, кстати, к теме страхов креационистов (или, лучше даже сказать, надежд), что большие молекулы слишком "невероятны", чтобы изначально эволюционировать. Такова истинная сила кумулятивного естественного отбора (настолько далек естественный отбор от того, чтобы быть слепым случаем), что Монстру Шпигельмана нужно всего лишь несколько дней, чтобы построить себя с нуля.
 
Эти эксперименты - все же не прямая проверка гипотезы РНК-мира происхождения жизни. В частности, нам все-таки приходится "мошенничать", все время обеспечивая присутствие Qb репликазы. Гипотеза РНК-мира возлагает свои надежды на собственные каталитические способности РНК. Если РНК может катализировать другие реакции, что она, как известно, делает, не может ли она катализировать свой собственный синтез? Эксперимент Сампера и Льюса обошелся без РНК, но в нем присутствовала Qb репликаза. Что нам нужно, так это новый эксперимент, который бы обошелся и без Qb-репликазы. Исследования продолжаются, и я ожидаю захватывающих результатов. Но теперь я хочу переключиться на ныне модное направление мышления, полностью совместимое с РНК-миром и со многими другими из современных теорий происхождения жизни. Что в ней нового - это предположительное место, где произошли первые важные события. Не "маленький теплый пруд", а "горячие глубины недр" - восхитительная теория, которая сводится к следующему: наши пилигримы, чтобы завершить паломничество и найти свой Кентербери, теперь собираются забуриться глубоко под землю, в первобытные породы. Главный вдохновитель этой теории - другой оригинал, Томас Голд (Thomas Gold), изначально астроном, но достаточно многосторонний, чтобы удостоиться ныне редкого звания "многопрофильный ученый", и достаточно выдающийся, чтобы быть избранным и в Лондонское королевское общество, и в Национальную академию наук США.
 
Голд считает, что наш акцент на солнце как на первичной энергетической движущей силе жизни может быть ошибочен. Вероятно, мы опять введены в заблуждение тем, что оказывается просто более знакомым; и снова придаем себе самим и нашему типу жизни центральное положение в системе вещей, которого мы не заслуживаем. Было время, когда учебники утверждали, что вся жизнь зависит, в конечном счете, от солнечного света. Затем, в 1977 году, было сделано ошеломляющее открытие, что жерла вулканов на дне океанских глубин поддерживают странные сообщества существ, живущих без благотворного воздействия солнечного света. Тепло от раскаленной лавы поднимает температуру воды более чем до 100°C, что все еще ниже точки кипения при колоссальных давлениях этих глубин. Окружающая вода очень холодная, и температурный градиент движет различные типы бактериального метаболизма. Эти термофильные бактерии, включая серных бактерий, которые используют сероводород, источаемый жерлами вулканов, составляют основу изощренных пищевых цепей, верхние звенья которых включают кроваво-красных червей погонофор до трех метров в длину, морских блюдечек, мидий, морских звезд, усоногих рачков, белых крабов, креветок, рыб и кольчатых червей, способных процветать при 80°C. Как мы видели, существуют бактерии, которые способны обращать такие гадейские температуры в свою пользу, но за другими животными такого неизвестно, и эти многощетинковые черви соответственно были названы помпейскими червями. Некоторых из этих серных бактерий приютили животные, например, устрицы и гигантские погонофоры, которые предпринимают специальные биохимические шаги, используя гемоглобин (отсюда и их кровяно-красный цвет) для скармливания сульфидов своим бактериям. Эти колонии жизни, основанные на извлечении бактериями энергии из горячих кратеров вулканов, удивили всех, сначала самим своим существованием, а затем своим изобилием, поразительно контрастирующим с почти пустынными условиями окружающего морского дна.
 
Даже после этого сенсационного открытия большинство биологов продолжают верить, что жизнь крутится вокруг солнца. Существа глубоководных сообществ вулканических курильщиков, как бы восхитительны они ни были, считаются большинством из нас редкими и нетипичным исключением. Голд считает иначе. Он думает, что горячие, темные глубины с высоким давлением - это родное место для жизни и то, где она началась. Не обязательно в море, а, вероятно, в горных породах, глубоко под землей. Мы, живущие на поверхности, на свету и прохладном, свежем воздухе, мы аномальные отклонения! Он указывает, что "гопаноиды", органические молекулы, создаваемые в стенках бактериальных клеток, повсеместно распространены в горных породах, и приводит авторитетную оценку: от 10 до 100 триллионов тонн гопаноидов в породах всего мира. Это благополучно превышает приблизительно триллион тонн органического углерода в поверхностной жизни.
 
Голд замечает, что породы пронизаны расколами и трещинами, которые, хотя и малы для наших глаз, предоставляют более чем миллиард триллионов кубических сантиметров горячего, влажного пространства, подходящего для жизни на бактериальном уровне существования. Энергии тепла и химических веществ самих пород может быть достаточно, чтобы содержать бактерий в громадном количестве. Голд замечает, что многие бактерии процветают при температурах до 110°C, и это позволило бы им жить вплоть до глубин от 5 до 10 километров, растояние, на преодоление которого им потребовалось бы менее тысячи лет. Невозможно подтвердить его оценку, но он считает, что биомасса бактерий в горячих, глубоких породах может превышать биомассу знакомой нам поверхностной жизни, основанной на солнечной энергии.
 
Обращаясь к вопросу происхождения жизни, Голд и другие указывали, что термофилия - пристрастие к высоким температурам - нередка среди бактерий и архей. Она широко распространена: столь обычна и столь широко раскидана по семейному дереву бактерий, что, вполне возможно, была тем первобытным состоянием, из которого эволюционировали наши знакомые холодные формы жизни. В отношении химии и температуры, условия на поверхности первобытной Земли - некоторые ученые называют это гадейским периодом - были более похожи на горячие, глубинные породы Голда, чем на сегодняшние поверхностные условия. Можно привести действительно убедительные доводы, что, когда мы копаем вглубь недр, мы копаем назад во времени и заново открываем нечто похожее на условия обжигающей жизни Кентербери.
 
Эту идею недавно отстаивал англо-австралийский физик Пол Дейвис (Paul Davies), чья книга "Пятое чудо" (The Fifth Miracle) подводит итог новым свидетельствам, найденным после статьи Голда 1992 года. Было обнаружено, что различные образцы бурения содержат гипертермофильных бактерий, живых и размножающихся, притом что были предприняты тщательные меры предосторожности, чтобы исключить загрязнение с поверхности. Некоторые из этих бактерий успешно выращиваются... в модифицированной скороварке! Дейвис, как и Голд, верит, что жизнь возникла глубоко в недрах, и что эти бактерии, которые по-прежнему там живут, могут быть относительно мало изменившимися реликтами наших давних предков. Эта идея особенно привлекательна для нашего путешествия, поскольку подает нам надежду встретить нечто похожее на ранних бактерий, а не более знакомых бактерий, модифицированных для современных условий света, прохлады и кислорода. Поначалу выдержав насмешки, теория происхождения жизни в горячих, глубоких недрах теперь почти несомненно модная. Окажется ли она правильной, должны показать дальнейшие исследования, но я, признаться, надеюсь, что окажется.
 
Существует множество других теорий, в которые я не стану вдаваться. Возможно, когда-нибудь мы достигнем некоторого определенного согласия по вопросу происхождения жизни. Если так, я сомневаюсь, что оно будет подкреплено прямыми доказательствами, поскольку подозреваю, что все они были уничтожены. Скорее, оно будет принято, поскольку кто-то представит настолько элегантную теорию, что, как сказал в другом контексте великий американский физик Джон Арчибальд Уиллер:
 
... мы осмыслим центральную идею всего этого как столь простую, столь красивую, столь убедительную, что скажем друг другу, "О, разве может быть иначе! Как мы могли быть настолько слепыми так долго!".
 
Если это - не то, как мы, наконец, поймем, что знаем ответ на загадку происхождения жизни, я не думаю, что мы когда-либо его узнаем. 
 

 

25. Рандеву 38. Археи. 39. Эубактерии

Ричард Докинз. Рассказ Предка
Часть 26

27. Возвращение Хозяина