От «гадости» к клеткам

Представьте себе, что, пытаясь приготовить первичный бульон, вы очищаете всю «гадость» со дна всех подгоревших кастрюль во всем мире, а затем растворяете все эти триллионы сложных органических молекул в океане. Теперь добавьте немного гренландских грязевых вулканов в качестве источника энергии и, возможно, искру молнии – и перемешайте. Как долго вы должны размешивать суп, прежде чем создадите жизнь? Миллион лет? Сто миллионов лет? Сто миллиардов лет?

Даже самая простая жизнь, такая как наша химическая «гадость», чрезвычайно сложна. В отличие от «гадости», однако, она также высоко-организованна. Проблема с использованием смол в качестве исходного материала для создания организованной жизни состоит в том, что случайные термодинамические силы, которые действовали на молодой Земле, – молекулярные движения, подобные движениям бильярдных шаров, о которых мы говорили в главе 2, – как правило, нарушают порядок, а не создают его. Вы бросаете курицу в кастрюлю с водой, нагреваете ее, перемешиваете, варите и получаете куриный бульон. Но вы не выливаете бульон из банки в кастрюлю в надежде получить курицу.

Конечно, жизнь не началась с курицы (или яйца). Самые простые самовоспроизводящиеся живые организмы сегодня – это бактерии, которые гораздо проще, чем любая птица. Самая простая из бактерий называется микоплазма (бактерия, которая была предметом эксперимента Крейга Вентера по синтезированию жизни). Но даже эти существа являются чрезвычайно сложными формами жизни. Их геном содержит около 500 генов, которые кодируют примерно такое же количество сложных белков, и они, наряду с ферментами, создают липиды, сахара, ДНК, РНК, клеточную мембрану, хромосомы и тысячи других структур, каждая из которых гораздо сложнее, чем двигатель вашего автомобиля. На самом деле микоплазма – это не совсем полноценная бактерия, она не может выживать самостоятельно и должна получать многие биомолекулы от своего хозяина: она является паразитом и как таковая не смогла бы выжить в любом реальном «первичном бульоне». Более вероятным кандидатом можно назвать другой одноклеточный организм – цианобактерию, которая способна к фотосинтезу и, таким образом, может обеспечивать свои потребности. Если цианобактерии присутствовали на ранней Земле, они могли быть потенциальным источником низких уровней ¹³С, обнаруженных в породах Исуа в Гренландии (возрастом 3,7 миллиарда лет). Но эта бактерия является гораздо более сложной, чем микоплазма, с геномом из почти двух тысяч генов. Как долго вы должны размешивать свой океан «первичного бульона», чтобы «приготовить» цианобактерии?

Британский астроном, который ввел термин «Большой взрыв», сэр Фред Хойл, все время проявлял интерес к происхождению жизни. Вероятность того, что в результате случайных химических процессов зародилась жизнь, по его словам, столь же высока, как и вероятность того, что пронесшийся над свалкой торнадо соберет «Боинг». Дело в том – и Хойл это ярко демонстрирует, – что клеточная жизнь, какой мы ее знаем сегодня, является слишком сложной и организованной для того, чтобы возникнуть только по воле случая; ей должны были предшествовать более простые саморепликаторы.

Мир РНК

Так какими были эти ранние саморепликаторы? И как же они действовали? Поскольку они не дожили до наших дней, по-видимому не выдержав конкуренции со своими более успешными потомками, знания об их природе в основном строятся на догадках. Одна из них заключается в экстраполяции назад от сегодняшних простейших форм жизни, чтобы представить себе более простой саморепликатор, своего рода «урезанную» бактерию, которая, возможно, является предшественником всей жизни на Земле.

Проблема заключается в том, что не представляется возможным выделить простые саморепликаторы из живых клеток, так как ни один из компонентов клеток не способен к самовоспроизведению сам по себе. Гены ДНК не копируют себя, это работа фермента ДНК-полимеразы. В свою очередь, эти ферменты не воспроизводят себя, потому что они должны быть сначала закодированы в цепочках ДНК и РНК.

РНК будет играть важную роль в этой главе, так что полезно напомнить, что это такое и что она делает. РНК (рибонуклеиновая кислота) проще своей химической «сестры» ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), и здесь речь идет об одинарной спирали по сравнению с двойной спиралью ДНК. Несмотря на это различие, РНК имеет сходный со своей «сестрой» потенциал кодирования генетической информации – у нее просто нет дополнительной копии этой информации. И так же, как и у ДНК, ее генетическая информация записана четырьмя различными буквами, так что гены могут быть закодированы в РНК так же, как и в ДНК. На самом деле многие вирусы, такие как вирус гриппа, например, обладают РНК-, а не ДНК-геномами. Но в живых клетках – бактериальных, животных или растительных – РНК играет роль, отличную от ДНК: генетическая информация, записанная в ДНК, сначала копируется в РНК в процессе считывания гена, который мы обсуждали в главе 7. А поскольку, в отличие от относительно массивной и неподвижной ДНК, короткие части РНК могут свободно перемещаться по клетке, они могут нести генетические сообщения генов от хромосом к аппарату синтеза белка. При этом последовательность РНК считывается и переводится в последовательность аминокислот, которые входят в белки, например ферменты. Таким образом, в современных клетках по крайней мере, РНК является ключевым посредником между генетическим кодом, написанным на ДНК, и белками, которые идут на то, чтобы создавать остальные компоненты наших клеток.

Возвращаясь к нашему вопросу происхождения жизни, заметим, что, хотя живая клетка в целом является самовоспроизводящейся сущностью, отдельные ее компоненты таковыми не являются; подобно тому как женщина является самовоспроизводящимся организмом (с небольшой «помощью»), но ее сердце или печень – нет. Это создает проблему при попытке экстраполировать назад от сегодняшней сложной клеточной жизни к ее более простым доклеточным предкам. Если сформулировать вопрос иначе: что появилось первым – ДНК, РНК или ферменты? Если сначала были ДНК или РНК, то что их создало? Если сначала был фермент, то как он был закодирован?

Одно из возможных решений было предложено американским биохимиком Томасом Чехом, который открыл в 1982 году, что наряду с кодированием генетической информации некоторые молекулы РНК могли взять на себя функцию ферментов по катализации реакций (работа, за которую он разделил в 1989 году Нобелевскую премию по химии с Сиднеем Альтманом). Первые примеры этих рибозимов, как они были названы, нашли в генах крошечных одноклеточных организмов тетрахимен (Tetrahymena), которые являются одним из видов простейших, найденных в пресноводных водоемах; однако с тех пор выяснилось, что рибозимы играют важную роль во всех живых клетках. За их открытие быстро ухватились как за возможное решение головоломки в стиле «яйцо или курица» о происхождении жизни. Гипотеза мира РНК (такое название она получила) предполагает, что изначально химический синтез привел к образованию молекул РНК, которые могли выступать в качестве как генов, так и ферментов и, таким образом, могли одновременно кодировать свою собственную структуру (как ДНК) и делать копии самих себя (как ферменты) из биохимикатов, имеющихся в «первичном бульоне». Этот процесс копирования был первоначально достаточно бессистемным, что приводило к большому количеству мутантных версий, которые конкурировали друг с другом в «дарвиновской» молекулярной конкуренции, рассмотренной ранее. С течением времени эти репликаторы РНК привлекли белки, чтобы повысить эффективность репликации, что привело к появлению ДНК и в конце концов первой живой клетки.

Идея о том, что мир самовоспроизводящихся молекул РНК предшествовал возникновению ДНК и клеток, теперь стала почти догмой в исследованиях о происхождении жизни. Было доказано, что рибозимы могут выполнять все основные функции, которых можно ожидать от любой самовоспроизводящейся молекулы. Например, один класс рибозимов может соединить две молекулы РНК вместе, в то время как другой может разделить их. Еще одна форма рибозимов может делать копии коротких отрезков (всего лишь небольших участков) РНК-оснований. Из этих простых действий мы можем представить себе более сложные рибозимы, способные катализировать полный набор реакций, необходимых для самовоспроизведения. После того как саморепликация начала действовать, в силу вступил и естественный отбор; так что мир РНК пошел по пути конкуренции и привел в конце концов (по крайней мере так считается) к первой живой клетке.

Однако с этим сценарием не все так гладко. Хоть рибозимы и могут катализировать простые биохимические реакции, самовоспроизведение рибозимов является гораздо более сложным процессом, включающим определение самим рибозимом последовательности собственных оснований, поиск таких же химических веществ в окружающей среде и сборку этих химических веществ в правильной последовательности, чтобы создать свою точную копию. Это непростая задача даже для белков, которым повезло жить в клетках, наполненных «правильными» биохимикатами, так что сложно представить, как рибозимы умудрялись в хаотичном и грязном «первичном бульоне» совершать подобные подвиги. На сегодняшний день никому не удалось найти или создать рибозим, который смог бы взять на себя такую сложную задачу, даже в лаборатории.

Существует также более фундаментальная проблема: как создать сами молекулы РНК в «первичном бульоне». Молекула состоит из трех частей: РНК-основания, которое кодирует свою генетическую информацию (подобно ДНК-основаниям), фосфатной группы и сахара под названием рибоза. Хотя некоторые успехи были достигнуты в разработке вероятных химических реакций, которые могли бы создать РНК-основания и фосфатные компоненты в «первичном бульоне», наиболее достоверная реакция, которая дает рибозу, также производит множество других сахаров. Нет никакого известного небиологического механизма, с помощью которого рибоза могла бы быть сгенерирована самостоятельно. И даже если рибоза была создана, разместить все три компонента вместе в правильной последовательности – сама по себе сложная задача. Когда вероятные формы трех компонентов РНК сведены вместе, они просто объединяются произвольными способами в неизбежную первичную «гадость». Химики обходят эту проблему, используя специальные формы оснований, чьи химические группы модифицированы, чтобы избежать нежелательных побочных реакций – но это жульничество. И в любом случае возникновение «активированных» оснований является еще менее вероятным в первичных условиях, чем возникновение обыкновенных исходных оснований РНК.

Тем не менее химики способны синтезировать основания РНК из простых химических веществ, проводя крайне сложную серию тщательно контролируемых реакций, в которых каждый желаемый продукт из одной реакции выделяют и очищают, прежде чем брать его для следующей реакции. По оценкам шотландского химика Грэма Кэрнса-Смита, насчитывается около 140 шагов, необходимых для синтеза РНК-оснований из простых органических соединений, которые предположительно присутствовали в «первичном бульоне» [2]. Для каждого шага есть минимум пять альтернативных реакций, которых следует избегать. Это позволяет легко визуализировать химический синтез: представим себе каждую молекулу как некий вид молекулярного «кубика», причем каждый шаг соответствует броску, где число шесть позволяет генерировать правильный продукт, а любое другое число указывает на то, что продукт был получен неправильный. Таким образом, шансы любой исходной молекулы в конечном счете превратиться в РНК эквивалентны тому, чтобы выбросить шестерку на кубике 140 раз подряд.

Конечно, химики сильно повышают эти немыслимо малые шансы, тщательно контролируя каждый шаг, но в добиологическом мире приходилось полагаться только на случай. Возможно, солнце вышло в нужное время, чтобы испарить небольшой пруд с растворенными химическими веществами вокруг грязевого вулкана? Или, может быть, грязевой вулкан извергся, чтобы добавить в воду немного больше серы для создания другого набора соединений? Возможно, гроза всколыхнула смесь и ускорила еще несколько химических изменений с помощью электрической энергии? Эти вопросы можно было бы задавать и дальше, но достаточно легко оценить вероятность того, что, полагаясь только на случай, каждый из 140 необходимых шагов дал бы один правильный вариант из шести возможных: она составляла 1 к 6140 (примерно 10109). Для того чтобы иметь статистический шанс получить РНК чисто случайным образом, вам понадобилось бы по крайней мере такое количество исходных молекул в вашем «первичном бульоне». Но 10109 – это гораздо больше, чем число элементарных частиц во всей видимой Вселенной (около 1080). На Земле просто не было достаточного количества молекул или достаточно времени, чтобы создать значительные количества РНК в те миллионы лет, что прошли между ее формированием и возникновением жизни во времена, которыми датируются породы Исуа.

Тем не менее представьте себе, что синтез значительных количеств РНК случился путем какого-то еще не открытого химического процесса. Теперь мы должны преодолеть не менее сложную проблему укладки четырех различных оснований РНК (эквивалентных, как вы помните, четырем буквам ДНК-кода: А, G, C и Т) вместе в правильной последовательности, чтобы сделать рибозимы способными к самовоспроизведению. Большинство рибозимов – это отрезки РНК длиной по меньшей мере 100 оснований. На каждой позиции на отрезке должно присутствовать одно из четырех оснований, так что есть 4100 (или 1060) различных вариантов собрать отрезок РНК длиной 100 оснований. Насколько велика вероятность того, что случайное перемешивание РНК-оснований будет генерировать только правильную последовательность вдоль длины отрезка для создания самовоспроизводящихся рибозимов?

Пока мы тут развлекаемся с большими числами, мы как раз можем посчитать. Получается, что 4100 отдельных отрезков по 100 РНК-оснований в длину будут иметь общую массу 1050 килограммов. Именно столько нам потребуется для того, чтобы иметь одну копию большинства отрезков и, следовательно, разумный шанс, что один из них будет иметь все свои основания, расположенные в правильном порядке, для того, чтобы быть способным к самовоспроизведению. Тем не менее вся масса галактики Млечный Путь, по оценкам ученых, равняется примерно 1042 килограммов.

Понятно, что мы не можем полагаться только на случай.

Конечно, возможно, что среди 4100 вероятных комбинаций 100 РНК-оснований найдется больше чем одна, способная к самовоспроизведению. Там их может быть намного больше. Там даже могут быть триллионы возможных репликаторов, которые образованы из отрезков РНК длиной 100 оснований. Возможно, самовоспроизводящиеся РНК на самом деле довольно распространенное явление и нам нужен лишь миллион молекул, чтобы иметь какой-то шанс формирования саморепликатора. Проблема с этим предположением только одна: это всего лишь предположение! Несмотря на многочисленные попытки, никто никогда не создавал ни одной самореплицирующейся РНК (или ДНК, или белка) и не наблюдал их в природе. Это неудивительно, если учесть, насколько непростой работой является саморепликация. В современном мире нужна целая живая клетка, чтобы совершить этот подвиг. Могли ли это сделать гораздо более простые системы несколько миллиардов лет назад? Конечно, они должны были это сделать, иначе мы бы здесь сегодня не рассматривали эту проблему. Но как это было достигнуто, прежде чем клетки эволюционировали, далеко не ясно.

Принимая во внимание трудности идентификации биологических саморепликаторов, мы могли бы получить представление, задавая более общий вопрос: насколько вообще сложна саморепликация в любой системе? Современные технологии предоставили нам большое количество машин, которые могут копировать материал: от копировальных машин для ЭВМ до 3D-принтеров. Может ли какое-либо из этих устройств сделать копию самого себя? Вероятно, ближе всего к этому подошел 3D-принтер, например такой, как RepRap (сокращенно от англ. Replicating Rapid Prototyper – «самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов»), который является детищем Адриана Боуера из британского Университета Бата. Эти машины могут печатать свои собственные компоненты, которые затем могут быть собраны в еще один 3D-принтер RepRap.

Но не совсем. Машина печатает только пластик, а ее собственный каркас выполнен из металла, как и большинство ее электрических компонентов. Так что реплицировать он может только пластиковые детали; к тому же они должны быть вручную собраны с использованием дополнительных частей, чтобы получился новый принтер. Цель дизайнеров – сделать самовоспроизводящиеся принтеры RepRap (существует несколько альтернативных конструкций) доступными для всех. Но на момент написания этой книги мы пока далеки от построения подлинно самореплицирующейся машины.

Таким образом, если поиск самовоспроизводящихся машин не помогает нам в нашем стремлении обнаружить, насколько проста или сложна саморепликация, мы можем отойти от материального мира и изучить этот вопрос в компьютерах, где наши беспорядочные и сложные в получении химические вещества можно заменить простыми строительными блоками цифрового мира, а именно битами, которые могут иметь только значение 1 или 0. А байт данных, состоящий из 8 бит, представляет один символ текста в компьютерном коде и может быть примерно приравнен к единице генетического кода – ДНК- или РНК-основанию. Теперь мы можем задать вопрос: среди всех возможных строк байтов насколько часто появляются те, которые могут копировать сами себя на компьютере?

Здесь у нас есть огромное преимущество, так как самовоспроизводящиеся строки байтов на самом деле являются довольно распространенным явлением: мы знаем их как компьютерные вирусы. Это сравнительно короткие компьютерные программы, которые могут заразить наши компьютеры, убедив их процессоры делать кучу копий. Эти компьютерные вирусы затем проникают в нашу электронную почту, чтобы заразить компьютеры наших друзей и коллег. Так что, если мы рассматриваем память компьютера как своего рода цифровой «первичный бульон», то компьютерные вирусы можно считать цифровым эквивалентом первичных саморепликаторов.

Один из самых простых компьютерных вирусов, Tinba, имеет длину всего 20 килобайт: он очень короткий по сравнению с большинством компьютерных программ. Тем не менее Tinba успешно атаковал компьютеры крупных банков в 2012 году, проникая в браузеры их сотрудников и воруя регистрационные данные; можно сказать, этот вирус был грозным саморепликатором. В то время как 20 килобайт – мало для компьютерной программы, это тем не менее относительно длинная последовательность цифровых данных: с 8 битами в байте он соответствует 160 тысячам бит информации. Поскольку каждый бит может находиться в одном из двух состояний (0 или 1), мы можем легко вычислить вероятность случайного генерирования конкретных строк в двоичной системе. Например, шансы создания конкретной трехбитной строки, скажем, 111, составляет 1/2 × 1/2 ×1/2, или 1 к 23. Следуя той же математической логике, можно сказать, что воссоздать случайно определенную строку в 160 тысяч бит (длина вируса Tinba) можно с вероятностью 1 к 2^120 000. Это умопомрачительно малое число, и это свидетельствует о том, что Tinba не мог возникнуть только благодаря случаю.

Может быть, здесь, аналогично тому как мы предполагали для молекул РНК, очень много самовоспроизводящихся кодов, которые намного проще, чем Tinba, и которые могли бы возникнуть случайно. Но если бы это было так, то, конечно, компьютерные вирусы в настоящее время возникали бы спонтанно из всех несметных гигабайтов компьютерного кода, передаваемого в Интернете каждую секунду. Большинство из этих кодов, по большому счету, просто последовательности единиц и нулей (подумайте обо всех изображениях и фильмах, которые загружаются каждую секунду). Эти коды ориентированы на то, чтобы поручать нашим процессорам выполнение основных операций, например копирования или удаления. До сих пор все компьютерные вирусы, которые когда-либо заражали чей-то компьютер, показывали безошибочные признаки человеческого вмешательства. Насколько нам известно, гигантский поток цифровой информации, который протекает по всему миру каждый день, никогда спонтанно не генерировал компьютерные вирусы. Даже в рамках благоприятной для репликации среды компьютера саморепликация сложна и, насколько нам известно, никогда не происходила спонтанно.