Хлопок одной ладонью

Фрагмент книги биолога Николая Кукушкина

В издательстве «Альпина нон-фикшн» вышла книга биолога Николая Кукушкина, которая связывает воедино сразу несколько тем, часто рассматриваемых изолированно. «Задача этой книги — представить себе историю живого в виде последовательности реальных событий, мгновений прошлого, ключевых точек во времени, определивших нашу сегодняшнюю жизнь как разумных существ», — поясняет автор. Мы публикуем отрывок из самой первой главы.

...Первым и главным из таких событий должен стать, несомненно, момент возникновения жизни на Земле. Проблема в том, что мы решительно ничего о нем не знаем. Не знаем, что произошло, не знаем — где, не знаем — когда, не знаем даже, что именно происхождением жизни нужно считать.

Например, мы не знаем, было ли возникновение жизни единичным событием. Вполне вероятно, что жизнь зарождалась многократно даже на нашей планете, не говоря уже о других потенциально возможных мирах. Но сколько бы раз это ни происходило, можно с достаточной долей уверенности утверждать, что вся ныне существующая жизнь на Земле берет свое начало от одного-единственного предка. Свидетельствует об этом простой факт: вся современная жизнь, от бифидобактерий до носорогов, работает по одному и тому же принципу: информация хранится в ДНК и выражается (по-биологически — экспрессируется) в белках при посредничестве РНК.

Это, возможно, главное открытие молекулярной биологии XX в. Центральная догма заполнила пропасть между «простыми» и «сложными» организмами, объявив, что различия между ними видны только на поверхности, а в глубине все они неимоверно сложны, а главное — сложны совершенно однотипным виртуозным балетом макромолекул.

Это та же логика, которой пользуется сыщик, чтобы отличить не связанные между собой преступления от серийных. Если между картинами преступлений есть сходство достаточной сложности, то такой «почерк» свидетельствует о том, что эти преступления совершены одним и тем же человеком.

Разбитые окна на месте кражи не считаются, потому что это слишком просто: легко представить, что разные преступники оставляют одну и ту же улику независимо друг от друга. Но если окно в каждом случае аккуратно вырезано одним и тем же инструментом, то куда вероятнее, что это дело рук вора-рецидивиста. В случае с живыми организмами инструменты их функционирования настолько сложные и настолько одинаковые, что почти никто не сомневается в их едином происхождении.

Итак, насколько можно судить, всё ныне живущее произошло от одного организма. Этот организм, по-видимому, был клеткой (об этом его свойстве речь в следующей главе) и уже обладал ДНК, РНК и белками. Считается, что он жил на нашей планете примерно 3,5 млрд лет назад. В англоязычной литературе для обозначения этого нашего таинственного дедушки из глубины времен используется аббревиатура LUCA — last universal common ancestor, то есть «последний универсальный общий предок». ЛУКА благозвучнее, чем ПУОП, поэтому пусть Лукой и будет.

Почему «последний»? Потому что между происхождением жизни (моментом, когда неживая материя стала живой) и Лукой (организмом, к которому восходит родословная всего ныне живущего) прошел промежуток времени, о котором, как вы уже догадались, ничего не известно. Теоретически жизнь могла зарождаться, множиться и вымирать миллионы лет и миллионы раз до того, как возник Лука, чьи потомки оказались удачливее и в конечном итоге населили сегодняшнюю Землю. То есть до Луки у сегодняшних живых организмов была еще масса других общих предков, но только потомки Луки дожили до наших времен. Лука — это как древний египтянин или миноец: он явно появился не на пустом месте, но про то, что было раньше, известно так мало, что школьные учебники по истории Древнего мира туда даже не заглядывают.

Самое главное неизвестное в истории жизни на Земле — что было до Луки. Исследования этого вопроса, в общем, не что иное, как гадание на кофейной гуще, пусть и с навороченными приборами. Ученые задаются не столько вопросом «Как жизнь возникла?» (ответов на такой вопрос искать просто негде), сколько вопросом «Как в принципе могла возникнуть жизнь?». Если конкретнее, то какой может быть теоретическая последовательность событий, ведущая от атомов и случайных, «неживых» химических реакций к первой известной форме жизни «современного» образца — Луке. Для такого спонтанного превращения неживого в живое есть специальное слово: абиогенез.

На первый взгляд, сама идея такой «случайности» смехотворна.

В повседневной жизни мы не сталкиваемся со случайностями, в результате которых из пыли вырастают многоэтажные здания, а ураган, проносящийся по свалке, собирает «Боинг-747». Последнее — ходовой аргумент креационистов, якобы сводящий абиогенез к абсурду. Что вообще такого уж дикого в сборке боинга ураганом? Дело не в принципиальной способности спонтанных событий порождать нечто сложное — дело в том, насколько сложным должно быть спонтанное событие, породившее жизнь. Самое известное свидетельство того, что ураганы в принципе могут что-то собрать на свалке, — это знаменитый эксперимент Миллера — Юри, который в 1953 г. показал, что, если в замкнутой колбе долго греть и бить током простейшие молекулы, из них образуется масса сложных и интересных органических соединений⁹. Если бы в колбе у американского химика Гарольда Юри и его студента Стэнли Миллера возникли целые клетки, то боинг был бы собран, а вопрос о происхождении жизни фактически решен. Но даже получившиеся у них аминокислоты и сахара — это огромный шаг от неживого к живому, и мы точно знаем, что этот шаг возможен.

Метафора «боинга, собранного ураганом», озвучивает другую проблему. Дело не в том, что на свалке нет нужных исходных деталей или что вихрь физически не может собрать самолет, эти возможности предусмотрены самим включением свалки и урагана в метафору. Свалка — источник вещества, где, если поискать, можно найти все, что требуется. Ураган — внешний источник энергии, обладающий достаточной силой, чтобы поднять и столкнуть между собой нужные детали. Проблема не в слабости урагана или отсутствии деталей, а в том, что ураган не знает, какие детали как сталкивать. Он не обладает информацией, нужной для правильной сборки боинга, — а это огромное количество информации, описывающей каждое сочленение каждой детали, каждую химическую связь. А если не знает ураган, то кто-то, следуя логике метафоры, должен знать. Но между абиогенезом и случайной сборкой боинга ураганом есть несколько принципиальных отличий. Во-первых, никто не утверждает, что боинг, то есть Лука, должен был собраться разом, в один этап. Наоборот, совершенно очевидно, что его сборка шла постепенно, от более простых вариантов к более сложным, причем подавляющее большинство собранных конструкций быстро развалились и были забыты. Во-вторых, каждый из успешных вариантов обладал способностью собирать свою собственную копию.

То есть протобоинги должны были быть не столько примитивными самолетами, сколько боингособирающими роботами. Наконец, нет никаких оснований полагать, что ураган пронесся по свалке всего один раз. Вполне возможно, что ураган длился миллиарды лет, все это время концентрируясь на одной и той же свалке.

Все это растягивает метафору боинга до неузнаваемости, но существенно упрощает мысленную гимнастику вокруг происхождения Луки. Если представить, что определенная и не очень сложная комбинация деталей на свалке создает в результате машину, которая ездит по свалке и собирает себе подобные машины, то такую машину достаточно собрать один раз, дальше цикл сборки станет самовоспроизводящимся и размножающимся, а со временем случайные изменения приведут к разнообразию и постепенному изменению машин-потомков. Это решает главную проблему урагана-сборщика: отсутствие информации. Ураган не знает, что нужно собирать, но кто-то знает — так вот, самовоспроизводящаяся машина и есть этот кто-то. Она обладает информацией (собственной структурой), которую умеет воплощать в реальность (создавать такую же структуру), а все последующее — лишь постепенные изменения этой исходной информации.

Короче говоря, чтобы представить происхождение жизни, совсем необязательно представлять, как из камня и воды возникает готовая клетка с ДНК, РНК и белками. Представить себе нужно самую простую самовоспроизводящуюся машину, которую только возможно представить, а потом придумать, что за ураган (источник энергии) и на какой свалке (источник вещества) мог такую машину породить. Этим и занимаются исследователи абиогенеза: пытаются найти простейшую систему самовоспроизведения и придумать ей реалистичное место рождения.

Даже это, впрочем, задача изрядной сложности. Происхождение Центральной догмы — это как загадка про курицу и яйцо, только с тремя компонентами. Чтобы из одного организма сделать другой, нужно удвоить его ДНК, РНК и белки. Чтобы сделать ДНК или РНК, нужны белки. Чтобы сделать белки, нужны РНК и ДНК. Представить, что одна из этих молекул появляется случайным образом из неживых компонентов, еще можно, хотя и тут нужно много фантазии. Но представить, что все три молекулы появляются случайно независимо друг от друга и самопроизвольно сливаются в свой сложнейший многоступенчатый танец, — это уже слишком. Нужно более простое начало.

Сегодня наибольшей популярностью пользуется идея о том, что таким более простым началом, предшествующим Луке и Центральной догме, был так называемый РНК-мир^10—13. В основе этой гипотезы лежит уже упоминавшийся факт: РНК — это в каком-то смысле нечто среднее между белком и ДНК. Она может одновременно воспроизводить информацию (благодаря комплементарным свойствам своих нуклеотидов) и выполнять химические реакции (благодаря реакционной способности и склонности к сложным трехмерным структурам).

ДНК — прекрасный архив информации. Она химически стабильна, а ее двойная спираль — встроенный механизм копирования. Но молекула ДНК ничего не умеет делать. Белки — идеальные машины, многофункциональные, как швейцарский нож. Но белки не умеют себя копировать: каждая молекула белка собирается с нуля на рибосоме. По сравнению с этими двумя молекулами РНК, на первый взгляд, проигрывает: архив из нее не очень хороший из-за нестабильности, а машина и вовсе посредственная, потому что всего с четырьмя похожими друг на друга деталями в функциональном смысле не разбежишься. Но РНК уникальна в природе тем, что она может быть и архивом, и машиной одновременно.

Именно поэтому РНК занимает центральное место в фантазиях биологов о происхождении жизни. Самый простой способ представить, как могла появиться Центральная догма, — это сначала представить себе самодостаточную, самокопирующуюся молекулу РНК, а затем то, как эта РНК обзавелась белками, научившись превращать свою собственную четырехбуквенную последовательность в совершенно новую, более многофункциональную цепь из 20 аминокислот. Это открыло перед РНК невиданные возможности для оптимизации собственных функций, включая производство более стабильного, двухцепочечного архива — молекулы ДНК.

В общем, если возможен абиогенез РНК-мира, имея миллиард-другой лет и долю фантазии, можно получить все остальное. Поэтому ключевые вопросы о происхождении жизни на сегодняшний день сводятся к следующим: возможна ли самодостаточная, самокопирующаяся РНК? Если да, то могла ли она появиться случайно? Если да, то где?

Ответ на первый вопрос, похоже, утвердительный. Даже не имея в распоряжении миллиарда лет, ученые умудрились искусственно создать РНК-систему, неограниченно воспроизводящую саму себя без участия белков или каких-либо других молекул^{17, 18}. Нюанс в том, что система эта состоит не из одной самодостаточной молекулы РНК, нанизывающей нуклеотид на нуклеотид, а из нескольких молекул, чья совместная деятельность замкнута в цикл самовоспроизведения: каждая молекула делает что-то свое, но в сумме получается копия всей системы.

Это не сильно усложняет гипотезу происхождения жизни, даже наоборот, так реалистичней. Вместо рождения одной-единственной волшебной молекулы, которая внезапно начинает копировать себя, проще представить бульон из случайных, разнообразных молекул, каждая из которых исполняет какую-то случайную химическую реакцию^_19—21. Большинство из этих реакций никуда не ведут, но в один прекрасный день возникает такая комбинация реакций, которая приводит к собственному началу, то есть замыкается в цикл. Поскольку при таком варианте молекулы — участники цикла будут удваиваться, со временем их станет больше, чем молекул с «бесполезными» свойствами.

На мой взгляд, гипотеза каталитического РНК-цикла — самая правдоподобная версия происхождения жизни на Земле. По такой версии, жизнь возникла в то мгновение, когда на свалке молекул случайная комбинация химических реакций замкнулась в кольцо и тем самым впервые закрутила колесо непрерывного воспроизведения информации, не останавливающееся до наших дней.

Второй вопрос — могла ли РНК появиться случайно? — требует решения нескольких проблем. Нужно, чтобы случайно появились нуклеотиды, отдельные «буквы», детали РНК. Нуклеотид, конечно, проще, чем целая РНК, но все равно довольно сложная молекула, и долгое время его самопроизвольное происхождение без участия белков-ферментов, синтезирующих нуклеотиды в современном живом организме, казалось маловероятным. Это один из аргументов в пользу первичности белка: аминокислоты проще, чем нуклеотиды, поэтому спонтанное появление белков требует меньше воображения, чем появление РНК. Тем не менее недавние исследования²² показывают, что ядро нуклеотида может эффективно собраться из очень простых компонентов в условиях, напоминающих условия древней Земли. Но и этого мало. Нужно чтобы нуклеотиды самопроизвольно объединялись в цепочки достаточной длины. В современных организмах это происходит только при копировании ДНК или РНК — то есть, чтобы сделать длинную цепочку, нужен исходник в виде другой длинной цепочки.

Но как могли появиться первые длинные цепочки?

Здесь принципиальным может стать ответ на третий вопрос: где именно могла появиться РНК? Возвращаясь к метафоре с боингом, свалкой и ураганом, место действия должно отвечать определенным условиям: в нем должно быть достаточно нужного вещества (свалка) и достаточно внешней энергии (ураган). Есть и другие условия: например, место должно быть в водной среде (иначе никакие биологические молекулы работать не умеют), но при этом обладать пространственными ограничениями (иначе они бы просто рассеялись по океану). В идеале место происхождения РНК еще должно как-то решать задачу синтеза длинных цепей.

Есть масса версий о месте рождения жизни. По одной версии, например, РНК появилась во льдах^23—26. Физико-химические свойства льда таковы, что он может решить проблему длинных цепочек (они стабильнее при низких температурах) и пространственных ограничений (в смеси воды и льда вещества рассеиваются гораздо меньше, чем просто в воде). Но лед проблематичен как источник веществ (не совсем понятно, откуда браться исходному материалу) и энергии (при низкой температуре все химические реакции идут медленнее).

По другой версии, жизнь появилась в «маленьком теплом пруду» — эту фразу придумал еще Дарвин²⁷.

Классику виделся резервуар воды, в котором накапливались неорганические вещества, как накапливается соль в кастрюле, из которой выпаривают воду. Сегодняшние сторонники версии «пруда» считают, что исходные органические вещества — стройматериалы для будущей жизни — могли быть занесены туда метеоритами²⁸. Такой маленький пруд решает проблему вещества и пространства, а дополнительная энергия — солнечный жар и электричество молнии — позволяет этому веществу превратиться в живое. А. И. Опарин в 1930-е гг. дополнил дарвиновскую идею «первичного бульона» концепцией коацерватов — сгустков вещества, напоминающих взвесь капель масла в воде²⁹. В его представлении, коацерваты позволяли веществу концентрироваться в еще более мелких объемах, чем «маленький пруд», и в конечном итоге эти сгустки превратились в полноценные клетки. Ни Дарвин, ни Опарин, впрочем, никак не объясняют, каким образом могли появиться первые самовоспроизводящиеся молекулы.

Сегодня есть несколько версий того, откуда эти молекулы могли возникнуть. Наиболее популярны в качестве кандидатов на роль колыбели жизни разные формы гидротермальных источников — подводных или прибрежных гейзеров, через которые из недр земли сочится горячая вода^{11, 30}.

Вода в гидротермальных источниках богата разнообразными минералами, откладывающимися на месте разлома в виде труб и столбов. Минералы существенно расширяют спектр возможных молекул и их превращений. Гидротермальные источники — настоящие химические реакторы. С одной стороны, подземный жар дает им энергию, причем на промежутке от кипящего центра до холодного океана в них найдется любая оптимальная температура, а сам перепад может иметь принципиальное значение для перемешивания взаимодействующих молекул. С другой стороны, толща гидротермальных «столбов» обычно пористая, что решает проблему пространственных ограничений наподобие опаринских коацерватов: микроскопические пустоты могли служить замкнутыми лабораториями для разработки первых биомолекул. Наконец, гидротермальные источники по своим физикохимическим свойствам напоминают активированный уголь: к ним все липнет. Сложные молекулы оседают на поверхности пустот в пористой толще, а это, в свою очередь, во много раз повышает вероятность химических реакций между ними^31—34, и таким образом потенциально решается проблема возникновения длинных цепей РНК.

Вполне возможно, что роль гидротермальных источников в истории жизни на планете еще значительней. Там вполне мог жить, например, наш универсальный дед Лука. По разным причинам с подводными гейзерами связывают происхождение и клетки³⁵, и обмена веществ³⁶, и даже зачатков фотосинтеза³⁷ — все это принципиальные события в истории жизни, о которых пойдет речь в следующих главах. Вполне возможно, что гидротермальные источники были главным местом обитания живых организмов на протяжении миллиардов лет.

Для визуального примера можно взять «Потерянный город», открытое в 2000 г. «гидротермальное поле» на дне Атлантического океана^{30, 38, 39}. По своим химическим свойствам оно больше других источников подходит под прототип «инкубатора жизни»*. Это погруженный в вечную тьму «город» из труб, столбов и целых «соборов» высотой с 20-этажный дом. Сегодня эти источники — настоящие джунгли, населенные полчищами разнообразных микроорганизмов.

Возможно, в похожем подводном «городе» начинается и наша история. В будущих главах речь пойдет об эволюции — главном свойстве живой природы, определившем наш путь из глубин древности в современный мир. В этой главе я хотел показать, что эта живая природа существует не вопреки, а благодаря неживой. В свойствах атомов видны истоки обмена веществ и энергии. В нуклеотидах и аминокислотах виден фундамент Центральной догмы, несущей гены из прошлого в будущее. Гидротермальные источники тоже воплощают в себе многие идеи, в дальнейшем впитанные живой материей: химическая сложность, внешний источник энергии, замкнутое пространство, ограничивающее свое от чужого.

Как бы ни изменялось в будущем наше представление о начале жизни на Земле, мне нравится думать про «Потерянный город» как памятник самому великому событию во Вселенной — происхождению живого из неживого. Пожалуй, единственное, что я с уверенностью знаю про абиогенез, — это то, что он состоялся. И от этого у меня захватывает дух.