В начале была РНК
Я полагаю, жизнь началась не от Адама и Евы и зародилась она не в раю, а в океане, около вулканов, где очень высокая температура, и это скорее ад, чем рай. Рассматривается также другой источник жизни – лед! Жизнь могла зародиться в жидких канальцах внутри льда. Если хочется в данном контексте процитировать Библию, можно привести первое предложение Евангелия от Иоанна: «В начале было Слово». Кроме того, Иоганн Вольфганг Гёте в своем «Фауст» также сослался на эту фразу из Нового Завета: что было в начале – слово, чувство или сила? Это удивительным образом согласуется с нашим нынешним представлением о происхождении жизни: сначала были буквы и слова. Первые биомолекулы возрастом около 3,9 млрд лет состояли из коротких РНК, а РНК состоят из нуклеотидов, являющихся строительными блоками. Кратко их можно описать в виде четырех букв: A, U, G, C. Чтобы закодировать всю сложность жизни на Земли, достаточно всего четырех букв, что поразительно мало. Основания входят в состав нуклеотидов, а их названия стали сокращениями. Откуда появились эти четыре буквы в самом начале эволюции? Возможно, сначала их было всего две. Они появились в первичном бульоне под воздействием молний и гроз на дне Мирового океана вокруг подводных вулканов и гидротермальных источников, называемых «черные курильщики». В этой среде температура может варьироваться от 0 до 400°С ). В настоящее время ученые пытаются воспроизвести условия, которые могли привести к образованию первых РНК-молекул. Это оказалось настолько сложно, что некоторые исследователи использовали это обстоятельство как аргумент, опровергающий роль РНК в образовании жизни. Действительно ли РНК возникла в вечной мерзлоте? РНК при низких температурах и в самом деле демонстрируют стабильность. Исследователи Общества Макса Планка (Гёттинген) хранят ДНК в морозильных камерах, чтобы понять, способны ли они расти, реплицироваться и мутировать. Могла ли во льду зародиться жизнь? Высокая температура могла бы привести к разрушению РНК.
Если нужно найти объяснение чему-то неизвестному, мы склонны думать об источниках жизни внеземного происхождения или метеоритах. Ученый Калифорнийского технологического института Джозеф Киршвинк в день 90-летнего юбилея Фримена Дайсона высказал мнение, что метеориты принесли на Землю некоторые компоненты жизни. Серьезно ли он говорил об этом? Вероятно, да. Однако это зависит от размера и природы компонентов, если речь идет о железе, а не о РНК. Если вопрос о происхождении жизни на Земле вам неинтересен, можете сразу переходить к разделу о салате – не много потеряете. Данная информация предназначена для тех, кому данный вопрос все еще интересен. Результаты экспериментов весьма впечатляющие! В 2015 г. Джон Сазерленд и его коллеги из Великобритании опубликовали совершенно удивительные результаты экспериментов. В реакционном сосуде, содержащем только HCN, P, HS и HO (цианистый водород, фосфор, сульфид водорода и воду), под действием ультрафиолетового излучения в качестве источника энергии они получили все три основных строительных блока жизни на Земле: нуклеотиды для нуклеиновых кислот, аминокислоты для белков и липиды для образования капель – и все это в одной пробирке. Таким образом, РНК вполне могла образоваться на Земле – суждение, которое часто подвергалось сомнению со стороны биохимиков. Некоторые специалисты также считают, что аминокислоты, возможно, являются первичными строительными блоками, хотя и не реплицируются. Ультрафиолетовое излучение невозможно заменить другими источниками энергии. Свет необязательно является первым источником энергии, поскольку он не может проникать ниже уровня моря более чем на 200 м. Жизни нужна энергия. Не существует «вечного двигателя». И все же источником энергии необязательно должно быть солнце или клетка. Возможно, вполне достаточно химической энергии. Клетки появились намного позднее. В связи с этим возникает вопрос: что появилось сначала – вирус или клетка? Вообще принято считать, что вирус нуждается в клетках и поэтому сначала появились клетки. И все же вирусам нужна энергия, но она необязательно находится внутри клетки. В толщи океана существует химическая энергия, присутствующая в химических соединениях, и кроме того, есть термальная энергия. Некоторые химические реакции могли осуществляться ранними формами жизни, которые могут быть настолько специализированными, что «облизывают» электроды, забирая электроны для осуществления химических и окислительно-восстановительных реакций с CO, как было показано в 2015 г. на выставке «Жизнь на пределе», проходившей в Американском музее естественной истории. Вода и вправду могла появиться во время Большого взрыва, то есть 14 млрд лет назад, и попала на Землю в виде прибывших из космического пространства «грязных снежков». Другие элементы тоже прилетели из открытого космоса, где под действием гравитации пыль уплотнялась и сплавлялась в более тяжелые элементы. Жизнь действительно состоит из «звездной пыли».
В настоящее время вирусы «минимизировали» образ жизни и зависят от клеток. Но в начале эволюции все могло быть иначе (как все могло происходить, рассматривается в главе 12). А начинаться все должно с простого – такого же мнения придерживался и Чарлз Дарвин, но не все мои коллеги готовы согласиться с таким утверждением.
Если исходить из того, что РНК появилась первой, что принимается многими, тогда первые РНК-молекулы должны были быть короткими. Чем длиннее молекула РНК, тем менее стабильной она становится. Манфред Эйген рассчитал, что частота ошибок при дублировании ДНК уравновешивается длиной РНК, и формула выглядит следующим образом: частота ошибки, умноженная на длину, равную примерно 1 (). Слишком большое количество ошибок при копировании приводит к «катастрофе ошибок» и прекращению развития, тогда как слишком незначительное число ошибок не обеспечивает достаточный объем информации. Эйген попытался уничтожить ВИЧ, искусственно увеличивая число мутаций. Пространство последовательностей для РНК огромно. Если исходить из того, что длина равна 50 нуклеотидам, основанным на четырех нуклеотидах, то может получиться 4 или 10 различных последовательностей. У полиовируса, имеющего 7500 нуклеотидов, число последовательностей теоретически может составить 4. Это больше, чем атомов на планете или звезд на небе, которых «всего» 10. Получается число последовательностей, превышающее число последовательностей, которые когда-либо существовали в природе.
У РНК есть еще одна особенность: она никогда не является одним определенным «видом», но всегда представляет собой смесь различных последовательностей, своего рода скопление. Для этого явления Эйген ввел термин «квазивид» – результат высокой частоты мутаций молекул РНК, подвергающихся репликации (у вирусов), что приводит к образованию не одного вида молекул, а целой популяции большого количества связанных между собой, но все же разных молекул. Квазивид весьма выраженно обусловливает инновационный потенциал РНК-вирусов, обеспечивая их преимущества по сравнению с другими видами. Эта смесь также делает вирусы РНК, такие как ВИЧ и грипп, настолько проблематичными, что если мы лечим один из вариантов, то тут же появляется другой. Репликация ДНК в меньшей степени подвержена ошибкам, поскольку вторая цепочка в двухцепочечной спирали ограничивает изменения в первой. Клетки же разработали механизм устранения ошибок, своего рода операцию «корректировать и вставить» – у одноцепочечных РНК ничего подобного нет. Какая субпопуляция более подходит для противовирусной терапии? К счастью, некоторые вирусы более приемлемы для этого, чем другие, и могут доминировать в популяции. На них в первую очередь и направлена терапия. Однако, как только они полностью подавлены, остальные виды, менее подходящие для терапевтического воздействия, наверстывают упущенное. Зачастую они растут медленнее, гораздо медленнее. Если и они подавляются лекарственными препаратами, бывшие «фавориты» вновь возвращаются. Это может произойти очень быстро – в случае ВИЧ в течение восьми недель, что стало большой неожиданностью для многих ученых. И тогда «победителя» можно вновь атаковать первым лекарством. Как клетки могут быть источником жизни, если для репликации им нужно минимум 473 гена, синтез белков, а также рост в пробирке, как показал Крейг Вентер? Такая искусственная мини-бактерия, которая растет довольно медленно и соответствует 531 560 нуклеотидам. Естественная живая клетка, например клетка бактерии , имеет 4300 генов, что соответствует 4,6 млн нуклеотидов. Это слишком много для начала жизни. Насколько мелкими должны быть организмы? Вирусы находятся на границе жизни, несмотря на то, что гигантские вирусы могут иметь до 2500 генов и быть до пяти раз крупнее некоторых бактериальных клеток. У поксвирусов, которые почти относятся к гигантским вирусам, 500 генов, у вирусов герпеса 100 генов, у ретровирусов, вируса гриппа и полиовирусов примерно 10 генов у каждого. Еще меньший размер имеют вирусы растений, в частности вирус табачной мозаики, у которого всего четыре гена. У многих из них одна молекула выполняет две функции, что является типичным минималистичным свойством вирусов, – одной молекулы с двумя короткими разными концами достаточно для приобретения одной молекулой нескольких свойств. Существуют ли организмы, вообще не имеющие генов? Да, есть и такие. Это мои перспективные кандидаты на роль источников жизни. Они небольшие и простые. Просто невероятно, на что они способны – практически на все! Пожалуйста, продолжайте читать эту книгу (см. раздел про вироиды)!
