Как мы только что видели, мембрана протоклетки способна легко и спонтанно создаваться из молекул-компонентов, однако протоклетке нужен еще и геном, а сборка генома, по крайней мере на первый взгляд, представляется задачей гораздо более трудной, ведь сборка цепочек РНК из нуклеотидов требует химических реакций, которые скрепляли бы нуклеотиды друг с другом. Более того, сборка цепочки РНК из нуклеотидов – это реакция дегидратации: каждый раз, когда соединяются два нуклеотида, образуется молекула воды. А значит, при конденсации нуклеотидов в длинные РНК получается много воды, и этот процесс крайне невыгоден, если растворителем служит вода (в том смысле, что для него нужно поступление энергии). Более того, обратная реакция, когда вода реагирует с РНК и в ходе гидролиза разлагает ее на компоненты-нуклеотиды, идет значительно лучше, и это одна из причин, по которой РНК такая нежная молекула и так легко распадается. Как же сборка РНК, требующая энергии, могла проводиться на практике в предбиологических условиях? Как ни странно, есть несколько очень разных способов решить эту трудную на первый взгляд задачу.
Один из методов сборки ДНК, который рассматривали ученые, – просто высушить раствор нуклеотидов, либо дождавшись, пока вода испарится, либо немного ускорив процесс легким нагревом. Если нуклеотиды, используемые в таких экспериментах, обладают 5'-фосфатом (фосфатной группой на пятом по порядку углероде пятиуглеродного сахара), в мягких условиях почти ничего не происходит. Но если испарения воды в ходе эксперимента добиваются, обдувая раствор теплым углекислым газом (CO2), полимеризация и правда идет. Дело в том, что часть углекислого газа растворяется в воде и дает угольную кислоту. Увы, чтобы конденсация нуклеотидов продолжилась, раствор должен стать довольно кислым, а в результате таких кислотных условий у формирующейся РНК возникают самые разные повреждения. Чаще всего наблюдают разрыв связей между азотистым основанием и сахаром, и в результате в цепочке РНК появляются места, где нет азотистых оснований. Вдобавок сахарно-фосфатная цепочка РНК приобретает много нестандартных связей между нуклеотидами. Следовательно, молекулы РНК, генерируемые таким простым и правдоподобным, но довольно грубым процессом, получаются очень разнородными, их трудно изучать, и в целом это неидеальная отправная точка для генома протоклетки.
Есть и другой возможный подход к образованию коротких цепочек РНК всего из нескольких нуклеотидов: можно начать с нуклеотидов, у которых фосфатная группа создает мостик между 2' и 3' гидроксильными группами (-OH) на сахаре рибозе. Эти так называемые циклические нуклеотиды – естественный продукт деградации РНК в воде, а еще это продукты путей синтеза, разработанных в самом начале в лаборатории химика Джона Сазерленда. Такие циклические нуклеотиды, как давно известно, конденсируются (соединяются) в короткие цепочки РНК во время экспериментов с высыханием в ходе реакции, которая идет при умеренной кислотности, а значит, при ней можно избежать вредоносного влияния кислоты. В этом случае реакция конденсации проще с химической точки зрения, поскольку при соединении двух нуклеотидов не выделяется никакой воды. Реакция представляет собой просто перемещение фосфата таким образом, что теперь он соединяет два нуклеотида. Этот подход тоже кажется простым и правдоподобным, но у него есть некоторые последствия. В частности, получающаяся в результате РНК содержит много неправильных внутренних связей и всегда заканчивается особой структурой, так называемым 2'-3'-циклическим фосфатом. Что это, ошибка или особенность, зависит от точки зрения. Если РНК может быть скопирована путем соединения мелких фрагментов с циклическими фосфатами на конце на матричной цепочке, все прекрасно. Но если нам нужны реакции, которым требуется свободный (то есть немодифицированный) 3'-конец, все сильно осложняется. Это можно преодолеть, если нуклеотиды синтезируются в ходе крайне неспецифического процесса, при котором фосфаты случайным образом прикрепляются к любым гидроксильным группам сахара, так что у одних нуклеотидов получается 5'-фосфат и сахар со свободными 2'-3'-группами, у других – 2'-3'-циклический фосфат, а у третьих вообще ни одного фосфата. В таком случае можно получить идеальный результат и создать короткие олигомеры РНК с немодифицированным 3'-концом.
Наконец, есть и третий вариант, при котором получаются короткие молекулы РНК. При нем задействуются нуклеотиды с 5'-фосфатом и особая химическая реакция, которая «активирует» фосфат, делает его гораздо реакционноспособнее. На протяжении десятилетий, начиная с ранних работ Лесли Орджела, изучалось множество вариантов так называемых реакций активации. Орджел и его коллеги обнаружили, что химическое присоединение конкретного типа органического соединения (имидазольной группы) к 5'-фосфату нуклеотида позволяет наблюдать реакции конденсации нуклеотидов в воде. Это возможно по той причине, что нуклеотиды, активированные имидазольной группой, выделяют имидазол при соединении друг с другом. Имидазольная группа – это хорошая уходящая группа (группа атомов, отделяющаяся от субстрата во время реакции), в нашем случае – гораздо лучше воды, поскольку реакция соединения нуклеотидов (конденсация) будет продолжаться спонтанно. Такого типа нуклеотиды были разработаны для осуществления копирования РНК, но оказалось, что они еще и ускоряют случайную конденсацию нуклеотидов в водяных растворах. Поскольку химические реакции идут быстрее, когда реагирующие компоненты находятся ближе друг к другу, эта реакция без матрицы, направляющей соединение нуклеотидов, в растворе идет очень медленно. Неудивительно, что эксперименты с высыханием при наличии активированных нуклеотидов приводят к гораздо более активному синтезу РНК. Однако количество полученной РНК ограничивается конкурирующей реакцией – а именно реакцией с водой, которая обращает вспять активацию фосфатов, генерируя неактивированные нуклеотиды и свободный имидазол. Тем не менее существует простой физический процесс, который одновременно замедляет гидролиз и повышает выход реакции конденсации, которая генерирует РНК, и этот процесс – заморозка. Как ни парадоксально это звучит, если взять раствор активированных нуклеотидов, которые, будучи предоставлены сами себе, просто подвергнутся гидролизу, и поместить его в морозилку, получишь много РНК! Почему это происходит? Когда вода, содержащая растворенные вещества, замерзает, в ней появляются чистые кристаллы льда. По мере их формирования и расширения растворенные вещества вытесняются из структуры льда и накапливаются между растущими кристаллами. В результате растворенные компоненты концентрируются в тонких слоях жидкости между ледяными кристаллами, и благодаря такому эффекту концентрирования молекулы, которые в нормальной обстановке вообще не стали бы реагировать, вступают в реакцию друг с другом. Такой способ получения РНК из нуклеотидов плох тем, что при нем требуются химические реакции активации, но, с другой стороны, химия активации как раз и нужна для копирования РНК. Таким образом, мы обнаруживаем, что в среде, обеспечивающей химическую активацию, РНК может создаваться из нуклеотидов, затем копироваться и потенциально даже реплицироваться – и все благодаря одному и тому же химическому процессу.
Мы убедились, что простые физические процессы могут привести к созданию отсеков, ограниченных мембраной, то есть везикул. Кроме того, мы обнаружили, что самые разные, относительно несложные химические реакции в сочетании с физическими процессами вроде циклов намокания—высыхания или замерзания—оттаивания могут привести к сборке коротких цепочек РНК. Если все это происходит одновременно и в одном и том же месте, в результате возникают липидные везикулы, в которых инкапсулированы РНК. Это, в сущности, и есть рутинный способ создания моделей протоклеток для лабораторных исследований. Вопрос в том, могло ли то же самое происходить в естественной среде на поверхности молодой Земли. Точно сказать невозможно, однако ученые предложили по меньшей мере два разных места, где геологические условия вполне подходили для сборки первоначальных протоклеток. Во-первых, это регионы с горячими источниками, которые часто встречаются в вулканически активных областях на поверхности современной Земли и, скорее всего, были еще сильнее распространены на ранней Земле с ее активной геологической динамикой. Кроме того, похожие условия складывались в кратерах после падения метеоритов. В обоих случаях вода, циркулировавшая через трещины в раскаленной породе, выходила наружу насыщенной ионами и реакционноспособными газами. Подобным же образом и там и там постоянно шли циклы намокания—высыхания, которые мы наблюдаем и сегодня в гейзерах и грязевых болотах, например в окрестностях Йеллоустона на западе США и во многих других местах. Зимой подключаются и циклы замерзания—таяния, которые могут сочетаться с циклами намокания—высыхания. Следовательно, эти крайне динамичные геологические среды вполне могли давать необходимое сочетание условий для создания первых протоклеток.
В последнее время в качестве альтернативной благоприятной геологической среды для создания протоклеток стали предлагать и совсем другие места – щелочные карбонатные озера (так называемые содовые озера). Таких озер не так уж много на современной Земле, но все же они кое-где есть. Обычно они находятся в довольно засушливых областях, в котловинах, откуда нет стока, и питаются грунтовыми водами, фильтрующимися сквозь вулканические породы. Эти грунтовые воды несут в озеро ионы, вымываемые из пород, а затем в результате выпаривания ионы концентрируются и выпадают в осадок в виде солей. Такие процессы приводят к интенсивному обогащению воды растворенными фосфатами – важнейшим компонентом как нуклеиновых кислот вроде РНК и ДНК, так и фосфолипидов. «Фосфатная проблема» десятилетиями считалась главным препятствием на пути к зарождению жизни, так как свободные фосфаты в поверхностных водах обычно встречаются лишь в крайне низких концентрациях. Дело в том, что осаждение фосфатов обычно происходит в форме нерастворимых кальциево-фосфатных минералов наподобие апатита. Однако эту проблему удается решить в условиях, где очень высока концентрация карбоната, поскольку кальций осаждается в виде карбоната кальция (мел и другие породы вроде доломита), а фосфат остается в растворе. На молодой Земле содовые озера, вероятно, обеспечивали подходящую среду для синтеза нуклеотидов и, следовательно, РНК. Содовые озера обеспечивают и циклические перемены в среде – в том числе циклы намокания—высыхания, когда за испарением следует растворение после дождя, а также зимние циклы замерзания—таяния. Поскольку карбонат осаждает и другие двухвалентные катионы, в том числе железо и магний, оказывается, что при крайней солености озерной воды в ней все же могут образовываться везикулы жирных кислот, если она достаточно разбавлена (например, после дождя). При концентрировании в результате испарения эти везикулы способны сохраняться, образуя скопления.
Горячие источники и содовые озера друг друга не исключают, и если эти типы геологических условий сочетались в какой-то гидротермально активной области, это, вероятно, позволяло воспользоваться всеми преимуществами обоих: реакционноспособные производные цианида, полученные в результате термической обработки ферроцианидных солей в потоках лавы, подвергались воздействию важнейших сернистых газов вроде сероводорода и двуокиси серы в составе вулканических газов, а также могли реагировать со свободным фосфатом в воде из карбонатных озер. Скопление всех этих исходных молекул в одном месте могло создать условия и для синтеза РНК, и, вероятно, для синтеза жирных кислот, а следовательно, и для сборки мембран.
Нужно проработать еще множество деталей, однако картина в целом постепенно проясняется. Когда стало понятно, что химическим реакциям, необходимым для зарождения жизни, способствовали геологические условия, которые не просто могли встречаться на поверхности ранней Земли, но и в самом деле встречались там, причем очень часто, эта мысль вызвала растущее оживление среди ученых, занимающихся происхождением жизни. Взаимообмен между геологией и химией ускоряет прогресс на пути к решению многих оставшихся задач.