Скопления химических веществ, сколь бы сложными они ни были, не становятся живыми, если не могут воспроизводить себе подобных. Самый главный отличительный признак жизни заключается в воспроизводстве самой себя: некая общность молекул удваивается, затем из двух возникают четыре, и так далее в геометрической прогрессии. Величайшей загадкой в истории биогенеза остается момент, когда возникла первая система воспроизведения молекул. Искусные опыты способны более или менее достоверно воспроизвести часть репродуктивных циклов, но мы всего лишь имитируем этот неуловимый биохимический трюк в лабораторных условиях. Как бы то ни было, в определенный момент в каком-то месте упорядоченное скопление молекул начало воспроизводить свои копии за счет других молекул (служивших для них, так сказать, пищей).

Представим себе Землю в возрасте около 500 млн лет, т. е. около 4 млрд лет назад. Она располагала «бульоном» органических молекул, триллионами триллионов химически активных минеральных поверхностей – и сотнями миллионов лет на то, чтобы что-то с этим сделать. Большинство молекулярных кластеров не представляли интереса и ничем себя не проявили. Но небольшая часть органических молекул, скопившихся на поверхности кристаллов, образовала структуры, выработавшие особо сложные функции, – может быть, более тесное прикрепление к поверхности минерала, может, способность привлекать все новые молекулы в устойчивое скопление, может, способность вызывать разрушение молекул других видов, а может, даже способность создавать копии самих себя. Природа щедро вознаграждает такие новации, и единожды возникнув, жизнь быстро распространилась, проникнув в каждый пригодный для обитания уголок планеты.

Но давайте отступим на шаг. Почему некое скопление молекул вдруг начинает воспроизводить копии самих себя? Ответ можно найти в двух основах эволюции: вариативности и избирательности. Системы развиваются по двум причинам. Во-первых, они создают огромное количество всевозможных конфигураций – это вариативность. Во-вторых, некоторые из этих конфигураций более других способны к выживанию – это избирательность. Представим себе добиологическое скопление сотен тысяч различных молекул, состоящих из углерода, водорода, кислорода и азота, возможно, с небольшими долями фосфора и серы. Добиологический синтез (а ля Стэнли Миллер) и естественные образцы (например, метеориты Дэвида Димера) иллюстрируют вариативность. Но не все молекулы равны между собой. Некоторые из них отличались сравнительной неустойчивостью и рыхлостью – они не выдержали конкуренции. Другие склеились друг с другом, образовав бесполезную смолистую массу, и всплыли на поверхность или погрузились на дно океана, где уже не играли никакой роли. Но некоторые оказались особо устойчивыми, причем тем устойчивее, чем теснее они соединялись с другими молекулами или крепились к особо привлекательным неорганическим поверхностям. Такие молекулы выжили, когда их перестал поддерживать молекулярный бульон.

Эта добиологическая смесь совершенствовалась путем молекулярных взаимодействий. Часть таких молекулярных скоплений прочно прикреплялась к неорганическим поверхностям, что еще более усиливало их шансы на выживание. Другие молекулы, поменьше, играли роль катализаторов, укрепляя некоторые вещества за счет образования химических соединений или ускоряя разрушение других веществ за счет распада химических соединений. Молекулярный «бульон» стремительно рассеивался, но наилучшая надежность в такой среде достигалась не только за счет уничтожения конкурентов или прочности крепления на неорганической поверхности. Главным условием выживания стала способность определенных скоплений молекул воспроизводить себе подобных.

Существует три разные модели, описывающие первую самовоспроизводящуюся, квазиживую систему молекул. Простейшая модель (а потому для многих из нас наиболее привлекательная) обращается к хорошо известному циклу нескольких мелких молекул – циклу трикарбоновых кислот. Он начинается с уксусной кислоты, которая содержит всего два атома углерода. Уксусная кислота вступает в реакцию с углекислым газом (CO2), образуя пировиноградную кислоту (с тремя атомами углерода), которая, в свою очередь, тоже взаимодействует с CO2, образуя щавелево-уксусную кислоту с четырьмя атомами углерода. Последовательность других реакций приводит к образованию все более крупных молекул, вплоть до лимонной кислоты (уже с шестью атомами углерода). Цикл становится самовоспроизводящимся, когда лимонная кислота спонтанно распадается на две более мелкие молекулы, уксусную кислоту (два атома углерода) и щавелево-уксусную кислоту (четыре атома углерода), составляющие часть молекулярного витка. Один молекулярный цикл превращается в два, два превращаются в четыре, и т. д. Более того, многие из жизненно важных строительных блоков, включая аминокислоты и сахарозы, легко синтезируются через простейшие реакции с активными молекулами лимонно-уксусного цикла. Например, стоит добавить аммиак к пировиноградной кислоте, как мы получим незаменимую аминокислоту – аланин. Каждая живая клетка на Земле включает лимонно-уксусный цикл, так что его можно считать первичным свойством – своего рода атавизмом, сохранившимся от первоначальных форм жизни. Сам по себе этот цикл не является формой жизни, но он обладает способностью воспроизводить ближайший круг молекул за счет менее плодовитых химических веществ.

Полной противоположностью этого варианта по сложности являются самовоспроизводящиеся автокаталитические наборы – модель, опробованная Стюартом Кауфманом в его новаторских исследованиях в прославленном Институте Санта-Фе. В добиологическом «бульоне» вначале плавали, по-видимому, сотни тысяч различного вида и происхождения мелкие молекулы на основе углерода. Нам уже известно, что некоторые из этих веществ являлись катализаторами реакций, порождающих новые молекулы, в то время как другие реакции ускоряли распад соседних веществ. Каталитическая система состоит из скопления молекул – возможно, тысяч молекул разного вида, действующих сообща, – которые ускоряют процесс воспроизводства самих себя, одновременно разрушая любые молекулы, не входящие в систему. Это своего рода молекулярный эквивалент выражения «богатые богатеют». Здесь, как и в случае с уксусно-лимонным циклом, молекулярная система еще не является собственно живой, но в определенном смысле способствует самовоспроизведению, будучи гораздо более сложной по составу, чем большинство неживых химических систем.

Третий сценарий предпочитают биологи, исследующие происхождение жизни, – это РНК, модель, основанная на гипотетической молекуле РНК, способной копировать саму себя. Чтобы понять привлекательность и популярность этой модели, надо снова вернуться к предыдущим рассуждениям, вспомнить две важнейшие функции жизни: метаболизм (производство вещества) и генетику (передачу следующим поколениям информации о том, как производить вещество). Современные клетки используют похожую на лестницу молекулу ДНК для накопления и копирования информации, необходимой для создания белка, но для создания самой ДНК они используют сложные многослойные белковые молекулы. Так что же появилось раньше, ДНК или белок? Выясняется, что в обоих этих процессах центральную роль сыграл третий тип молекул – РНК.

РНК представляет собой изящный полимер – длинную молекулу-цепь, собранную из более мелких отдельных молекул (нуклеотидов), вроде нити бус или цепочки букв в предложении. Четыре такие молекулярные буквы, обозначим их как A, C, G и U, могут нанизываться в любой последовательности, как закодированное сообщение. Эти «буквы» РНК на самом деле содержат генетическую информацию (подобно ДНК). В то же время молекулы РНК способны принимать самые сложные формы, которые обладают свойством катализировать важнейшие биологические реакции (подобно белкам). Именно молекулы РНК содействуют синтезу всех белков, передавая информацию и одновременно катализируя образование белков. Таким образом, из всех живых молекул именно РНК способна «сотворить все, что угодно».

Модель мира, основанная на РНК, предполагает, что некий, пока еще до конца не изученный химический механизм произвел бесчисленное количество нитей РНК или, возможно, похожей на нее информационно насыщенной молекулы. Почти все эти разнообразные нити ничего не делали: они либо выживали, либо постепенно распадались. Но небольшое количество отборных нитей РНК приобретали весьма полезные для себя свойства: они скручивались, обретая большую устойчивость, или крепко цеплялись за надежную неорганическую поверхность, или уничтожали соперничающие молекулы – в общем, еще один пример молекулярной конкуренции в добиологическом «бульоне».

Суть гипотезы о роли РНК в происхождении живого мира заключается в том, что одна из мириад этих нитей освоила хитрый трюк – как воспроизводить копии самой себя, т. е. превратилась в самовоспроизводящуюся молекулу. Нельзя сказать, что идея эта слишком надуманная. В конце концов, РНК во многом подобна ДНК, которая способна к самокопированию (репликации). Более того, РНК легко видоизменяется. Таким образом, первая молекула РНК, создавшая копию самой себя, пусть пока еще несовершенную, вскоре оказалась окруженной бесчисленными, хотя и слабыми, конкурентами – вариантами самой себя, часть которых, однако, быстро преуспела в искусстве репликации либо за счет экономии энергопотребления, либо в силу меняющейся окружающей среды. Такое успешное развитие молекулы РНК приблизило ее к необходимым условиям возникновения жизни: она превратилась в самоподдерживающуюся химическую систему, способную к усвоению нового и к развитию по Дарвину – иными словами, в пригодную к молекулярной эволюции.

Возможно, потребовалось много времени, чтобы возникла эта первичная, самовоспроизводящаяся молекулярная система, примитивная, но действующая, будь то в виде уксусно-лимонного цикла, системы автокатализа или репликации РНК. Но в ее распоряжении на протяжении многих миллионов лет было невообразимое число комбинаций молекул на триллионах триллионов минеральных поверхностей, занимавших более 500 млн км2 поверхности Земли. И вот одна из этих неисчислимых комбинаций в каком-то месте в какой-то миг сработала. Она освоила механизмы репликации и эволюции. Это новшество изменило мир.

Опыты биолога Джека Шостака в Бостонской лаборатории Гарварда демонстрируют силу избирательности в молекулярной эволюции. Большинство своих экспериментов группа Шостака начинает со смеси 100 трлн различных разновидностей РНК, каждая из которых состоит из 100 нитей произвольной последовательности A, C, G и U. Громадное количество нитей РНК скручивается, принимая разнообразные формы, и сталкивается с задачей: например, плотно соединиться с молекулой другой формы. Сотрудники лаборатории Шостака выливают раствор со 100 трлн нитей РНК в мензурку с мелким стеклянным бисером, причем каждая бусинка покрыта молекулой специфической формы. Эти молекулы становятся мишенями, действуя в насыщенном растворе РНК подобно крючкам. Большинство молекул РНК на эти крючки не реагирует, поскольку их формы не соответствуют эталону. Но небольшая доля скрученных молекул РНК прицепляется к бусинам-мишеням и закрепляется на них.

Здесь-то и начинается самое интересное, когда исследователи выливают использованный раствор (вместе с почти 100 трлн непригодных нитей РНК) и извлекают те немногочисленные нити, которые в силу случайных свойств формы прикрепились к стеклянным бусинам. Применяя стандартные приемы генетической технологии, имитирующие вероятные добиологические процессы, они готовят новую партию молекул РНК (тоже 100 трлн нитей), но на сей раз все молекулы являются сырыми копиями – мутантами тех немногих нитей РНК, которые проявили активность на первом этапе. Повторный этап дает новое поколение действующих молекул РНК, при этом в новом поколении находятся вариации молекул, которые реагируют на бусин-хозяев гораздо увереннее, чем первое поколение. Некоторые «дочки» первичных молекул намного превосходят по активности своих родителей. Процесс повторяется несколько раз, и с каждым поколением новые нити РНК крепятся к бусинам все активнее и прочнее, пока не выявятся самые способные из мутантов: они наиболее энергично сцепляются с выбранными мишенями.

Весь эксперимент длится несколько дней – меньше недели требуется на то, чтобы от случайных нитей возникло поколение прочно крепящихся молекул. Но попросите этих самых блестящих в мире исследователей смоделировать действующую молекулу РНК на пустом месте, они ответят, что это практически невозможно, даже с применением современных вычислительных ресурсов. Ни одна из известных сегодня методик не может точно предсказать, какую именно свернутую форму примет молекула РНК или как она прикрепится к другим молекулам сложной формы. Не интеллектуальный расчет, а сама молекулярная эволюция на сегодня является самым эффективным методом достижения результата. (Вот где истоки суждения, что, даже если жизнь сотворил Бог, у нее хватило ума воспользоваться эволюцией.)