Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

Разногласия насчет возникшего первым компонента жизни постепенно нарастали – так бывает в неблагополучном браке, когда люди поначалу не замечают накопления проблем. Однако к 1971 году – по крайней мере для академических кругов – все стало очевидным. Тогда свои конкурирующие представления о зарождении жизни изложили два исследователя. Обе работы носили теоретический характер: вместо экспериментов там использовались математика и теоретические рассуждения на основе “первого принципа”. Именно эти два труда наглядно демонстрируют противостояние лагерей “вначале была генетика” и “вначале был метаболизм”. Обе идеи оказались плодотворными: они не дадут забыть о себе до самого конца нашего повествования.

Первой вышла статья американского биолога-теоретика Стюарта Кауфмана. Он обратил внимание на сети химических реакций, названные им “автокаталитическими наборами”. То или иное называется “автокаталитическим”, если оно стимулирует возникновение собственных копий. ДНК можно условно назвать автокаталитической молекулой, поскольку открытый Уотсоном и Криком принцип спаривания оснований делает возможным производство точных копий. Однако благодарить за это надо ферменты: сама по себе ДНК не имеет автокаталитических свойств. Кауфман вообще сомневался, что отдельная молекула может обладать ими. Поэтому он рассматривал целый набор молекул, среди которых A синтезирует B, B создает C, и т. д. – вплоть до того момента, пока что-то снова не создаст A. Тогда мы получим уже две молекулы A, каждая из которых может создать еще B; таким образом, система постепенно копирует саму себя как целое.

Особенно важно, что автокаталитические наборы могут возникать на основе случайной смеси химических веществ. Кауфман и его коллеги рассчитали, что вероятность образования автокаталитических наборов резко возрастает при увеличении в такой смеси числа химических веществ[175]. А начиная с некоторого их количества, автокаталитический набор возникает почти наверняка.

В статье Кауфмана 1971 года постоянно используется слово “гены”, однако вскоре автор решает от него отказаться. Молекулы, о которых писал ученый, вели себя не так, как гены в привычном понимании[176]. В частности, они вбирали в себя простые молекулы извне и использовали их для того, чтобы создавать копии друг друга[177]. Эта была версия возникновения жизни “метаболизмом вперед”[178], в которой не рассматривается генетическая информация и в центре внимания находится “питание” и его использование для построения “тела” (в данном случае набора белков). Кауфман считал такие автокаталитические наборы “связанными примитивными метаболизмами”[179].

В октябре 1971 года немецкий химик Манфред Эйген сформулировал идею, которая на первый взгляд кажется очень похожей на идею Кауфмана. Однако если присмотреться к ней получше, то станет ясно, что речь идет о противоположной точке зрения, которой придерживались сторонники мнения, что “вначале была генетика”[180]. Эйгену – лысеющему, высоколобому, с орлиным профилем – было тогда сорок четыре года. В 1967-м он разделил с двумя другими учеными Нобелевскую премию по химии за исследования сверхбыстрых химических реакций[181]. Теперь же, при содействии своего аспиранта Петера Шустера, он обратился к вопросу о возникновении жизни.

Подобно Кауфману, Эйген рассматривал множество постоянно сталкивающихся друг с другом органических молекул первичного бульона. Оба исследователя считали возможным образование автокаталитических наборов из аминокислот и белков (впрочем, Эйген данный термин не использует). Но Эйген указывает на одно ограничение: хотя новый белок с самыми выгодными свойствами и может образоваться, его последующее копирование гарантировать нельзя. Так что любая подобная “инновация” может быть утрачена.

Поэтому Эйген рассматривает более сложный набор молекул, который содержит и нуклеиновые кислоты-инструкции, и белки-катализаторы. Каждая из таких нуклеиновых кислот кодирует определенный белок, а тот, в свою очередь, создает копию соответствующей ему нуклеиновой кислоты. Однако такой комплект из белка и нуклеиновой кислоты может синтезировать еще и вторую нуклеиновую кислоту, а та, в свою очередь, создать свой собственный автокаталитический набор. Такую систему Эйген называет “гиперцикл”, поскольку в нее входит несколько питающих друг друга циклов химических реакций.

Гиперцикл – это частный случай автокаталитического набора[182]. В отличие от обычного набора, гиперцикл Эйгена может эволюционировать – благодаря сохранению и передаче изменений в нем с помощью нуклеиновых кислот. По мысли Эйгена, множество гиперциклов могло возникнуть в одной области первичного бульона и в дальнейшем конкурировать за ресурсы – до тех пор, пока не останется всего один их тип.

Гиперцикл – это строго и тщательно описанный шедевр творческого воображения. Он представляет собой убедительное изложение концепции зарождения жизни “вначале была генетика”, согласно которой первые нуклеиновые кислоты взяли на себя управление всей разношерстной компанией белков и превратили их в нечто организованное.

Но с гиперциклом есть и проблема: он нуждается не только в нескольких нуклеиновых кислотах и простых белках. Ему также необходимы рибосомы и транспортные РНК, без которых перевести сохраняемую нуклеиновыми кислотами информацию в форму белка попросту невозможно. Уже тогда ученые понимали, что рибосомы – это замысловатые молекулярные машины, которые эволюция совершенствовала не один миллион лет. На заре жизни гиперциклы могли быть возможны только в том случае, если рибосомы уже существовали. Однако исследователи не смогли ни найти, ни создать подобные молекулы. В итоге дело вновь обернулось парадоксом “курицы или яйца”.

Абстрактные понятия гиперциклов, автокаталитических наборов и самокопирующихся предшественников жизни стали аргументами в споре о первичности генетики, метаболизма или компартмента – споре, который не стихает вот уже пятьдесят лет. Сторонники каждой из этих концепций предложили остроумные эксперименты и нашли убедительные (по их мнению) доказательства собственной правоты. В третьей части книги мы рассмотрим это подробнее. Пожалуй, это все, что следует сказать о разногласии, возникшем вокруг природы первого компонента живого.

Второе разногласие может показаться идентичным первому, хотя в действительности это не так. Оно касается того, какой именно тип биологических молекул возник первым. Была ли это нуклеиновая кислота, вроде ДНК и РНК, хранящая в себе генетическую информацию? А может, первыми стали белки, способные ускорять химические реакции, образовывать различные структуры и, возможно, еще и кодировать в себе генетическую информацию? Или первыми все же оказались жиры, точнее – липиды, молекулы которых ограничивают собой внешние границы клетки?

Позиция отдельных исследователей по вопросу о первой биологической молекуле в некоторой степени соответствовала их взглядам на то, какой компонент жизни возник первым. Отдающие приоритет генам ученые чаще полагали, что первыми возникли именно нуклеиновые кислоты. Однако такое соответствие не было строгим – обсуждались все возможные сочетания. Сидни Фокс и его коллеги считали (подробности мы узнаем в главе 7), что первыми возникли белки и что именно они стали и первыми биологическими катализаторами, и первыми границами клеток.

Это второе разногласие возникло не на пустом месте. Дело в том, что жизнь в современном виде может искажать наши представления о том, что она представляла собой в самом начале. Например, отсутствие кодирующих информацию белков у современных организмов не означает, что они (белки) в принципе не способны выполнять эту функцию. И действительно: если белки возникли до нуклеиновых кислот, то первые живые существа вполне могли найти им такое применение, несмотря на то, что белковые молекулы были не слишком надежными хранилищами информации. Это предположение озвучил Карл Саган на конференции в Уэйкулле: “Возможно существование полинуклеотидов, имеющих слабые каталитические свойства; возможно и существование полипептидов, умеющих, хоть и плохо, создавать свои копии. Нам стоит разобраться с этим”[183].