Главные нерешенные задачи на пути от простой химии к биологии можно разделить на три группы: оставшиеся вопросы по синтезу биологического строительного материала, трудности, связанные с созданием первых клеток, и вопросы о дальнейшей эволюции ранней жизни. С точки зрения синтеза нуклеотидов мы уже знаем, каков короткий и результативный химический путь к выработке пиримидиновых нуклеотидов (кирпичиков Ц и У). Как вы видели, можно проследить этот путь с момента захвата циановодорода из атмосферы в виде солей ферроцианида, которые накапливаются со временем и создают запас стартового материала. Затем этот материал подвергается обработке теплом и давлением в результате соприкосновения с лавовыми потоками или падения метеорита, после чего остывает и вымывается грунтовыми водами, что создает концентрированный раствор реакционноспособного сырья, в том числе циановодорода и цианамида. Попав на поверхность и подвергнувшись ультрафиолетовому облучению, а также воздействию сульфита из вулканических газов, это сырье дает простые сахара, а далее следует синтез вещества 2AO и затем примечательного кристаллического промежуточного продукта РАО. Реакция с цианацетиленом, который тоже высвобождается из кристаллической запасной формы, дает ангидро-Ц-нуклеозид, реагирующий с сульфидом, в результате чего получается α-аномер тио-Ц (в котором один из атомов кислорода замещен атомом серы). Под воздействием ультрафиолета ориентация азотистого основания меняется и получается биологически релевантный аномер β-2-тио-Ц, который затем лишается аминовой группы, что дает 2-тио-У. Эти серосодержащие версии Ц и У теряют серу, и получаются канонические пиримидиновые нуклеозиды. Но вот пример вопроса, который мы не задавали по незнанию, пока не проследили этот путь. На чем был основан первобытный генетический алфавит – на серосодержащих пиримидинах или же на их не содержащих серу «современных» версиях? Все плюсы и минусы ранней версии РНК, состоящей из серосодержащих нуклеотидов, сейчас интенсивно изучаются в ходе экспериментов в нескольких лабораториях. Как мы показали, очень приятная особенность вышеописанных реакций, протекающих с использованием циановодорода, серы и ультрафиолета, состоит в том, что они также объясняют синтез по крайней мере восьми аминокислот, которые повсеместно служат строительным материалом при синтезе белков в современной живой материи. Узнать, что аминокислоты и нуклеотиды создаются в ходе одного и того же цикла реакций, было неожиданным и радостным результатом этих химических исследований.

Краткое описание красивого пути к пиримидинам Ц и У естественным образом заставляет задуматься о пуриновых нуклеозидах А и Г, синтез которых остается самым большим пробелом в наших знаниях о происхождении РНК. Нечего и говорить, что этот вопрос стал предметом дебатов и интенсивных экспериментальных исследований, и большинство ученых выражают надежду, что это недостающее звено вскоре будет найдено. Вторая по важности область нашего невежества – это химия активации фосфата (как приделать фосфат к нуклеозиду). У нас уже есть целый ряд химических методов активации фосфатов, но они не имеют отношения к предбиологической химии, и несколько методов (например, с использованием изоцианидов), которые относятся к предбиологической химии хотя бы косвенно. Тем не менее очень многие ученые убеждены, что открытие надежного и реалистичного химического пути к синтезу активированных нуклеотидов заполнит крупный пробел в нашем понимании синтеза, копирования и репликации РНК. Наконец, завесой тайны по-прежнему покрыт синтез липидных компонентов мембраны протоклетки. Очевидно, что этот аспект предбиологической химии заслуживает большего внимания. Так или иначе, мы еще не у цели, но уже достигли той стадии, на которой нам предстоит выявить химически результативные пути ко всему строительному материалу живой материи.

Пока остаются без ответа и другие важные вопросы. В частности, химия, которую мы описали, должна быть вписана в контекст геологических процессов на ранней Земле. На нынешнем этапе мы располагаем лишь обрывками возможных сценариев. Приятный пример – надежно смоделированная вероятность накопления солей ферроцианида в карбонатно-щелочных озерах вместе со свободным фосфатом, необходимым для создания нуклеотидов. Есть у нас и недавно высказанная прелестная идея, что зеркальные формы прекурсора нуклеотидов РАО, вероятно, разделяются при кристаллизации на магнетитовой поверхности. Магнетит – распространенный минерал, который формируется в озерах, где есть растворенное железо, окисляющееся под воздействием ультрафиолета и оседающее в виде комплексов железа, которые преобразуются в магнетит. В присутствии магнитного поля, например природного магнитного поля Земли, микроскопические частички магнетита приобретают ориентацию. Недавние эксперименты показали, что на такой намагниченной поверхности кристаллизуется только одна из двух зеркальных форм РАО, и это восхитительное открытие, вероятно, дает потенциальное решение проблемы образования гомохиральных нуклеотидов[53] в абиотической среде. Сейчас проводятся эксперименты с целью установить, могли ли такие процессы идти в реальной обстановке на ранней Земле.

Наконец, остается очень сложная проблема – оценить вероятность того, что все эти независимые геохимические сценарии шли в одно и то же время в одном и том же месте в нужной последовательности, приводящей к созданию всего строительного материала живой материи. Скажем, не исключено, что запасы солей ферроцианида возникали повсеместно, но почти всегда вымывались или разрушались и лишь изредка подвергались нужным процессам, чтобы выделять компоненты, необходимые для дальнейших этапов. Вдобавок эти компоненты должны были попадать в среду, где возможны дальнейшие этапы. Аналогично запасы чистого кристаллического РАО и CV-DCI (циановинил-дицианоимидазола), вероятно, скапливались во многих местах, но мы не знаем, насколько часто они потом растворялись и соединялись при нужных условиях, чтобы создать следующий предшественник нуклеотидов. Строгая модель такой последовательности накопления, процессов переноса и химических реакций остается важнейшей и сложнейшей задачей в этой области.

Кроме того, есть еще вопрос о том, насколько мы близки к пониманию картины создания первых клеток. Предположим, где-то на ранней Земле существовали условия со всеми необходимыми компонентами. Что тогда? Если есть активированные нуклеотиды, спонтанное создание олигонуклеотидов РНК (коротких фрагментов нуклеиновых кислот) представляется само собой разумеющимся, ведь к полимеризации могли приводить несколько разных вариантов изменений среды (циклы намокания—высыхания и замерзания—оттаивания). Подобным образом в присутствии достаточно высокой концентрации жиров, даже совсем простых, вроде жирных кислот, мембранные везикулы возникают сами по себе, и это практически неизбежно. Если эти процессы могут проходить одновременно, возникновение базовой клеточной структуры, то есть РНК, заключенной внутри мембранной везикулы, не так уж трудно себе представить. Даже более сложные аспекты размножения протоклеток, по-видимому, вот-вот удастся разгадать, хотя наши знания в этой области, безусловно, еще не полны. Как мы уже знаем, к росту и дальнейшему делению простых мембранных везикул приводят несколько различных процессов, которые могли идти при самых обычных условиях на молодой Земле. Нужно еще поработать, чтобы точно так же разобраться в репликации РНК, но мы все лучше понимаем, как устроена химия копирования в общем и целом, и подробно исследуем, как применять эти реакции для запуска репликации. Большой вопрос – что обеспечивает репликацию: колебания условий (подобно росту и делению везикул), то есть циклы нагревания—остывания, или она может происходить при мягких и почти неизменных условиях. Другой важный открытый вопрос – как могла репликация РНК достигать такой точности, чтобы передавать полезный объем генетической информации, то есть всю информацию, необходимую для кодирования хорошего РНК-катализатора (рибозима). Наконец, пожалуй, самая заковыристая нерешенная задача – как репликация РНК могла идти при условиях, совместимых с ростом и делением везикул. Ведь для того, чтобы протоклетки возникли и начали эволюционировать, все должно совпасть. Что именно нужно, чтобы решить эту загадку – более стойкий состав мембраны, иной способ катализировать репликацию ДНК, а может быть, сочетание того и другого, – пока неизвестно, но мы подозреваем, что узнаем это в не самом отдаленном будущем.

Чего же нам ожидать после того, как в каком-то месте с благоприятными условиями возникнет устойчивая популяция размножающихся протоклеток? Самый вероятный исход – мгновенная гибель, поскольку на молодой Земле всегда сохранялась опасность извержения вулкана и падения метеорита. Вероятно, популяции протоклеток возникали много раз в разных местах, прежде чем одной из них повезло просуществовать достаточно долго, чтобы в результате эволюции стать достаточно живучей и распространиться по планете. Причем эти изначальные живые организмы должны были быть настолько многочисленны и расселиться настолько далеко друг от друга, что никакое катастрофическое событие само по себе не могло их уничтожить.

Как же выглядели первые шаги дарвиновской эволюции? Принято считать, что при естественном отборе самого результативного метода репродукции протоклеток главный упор был сделан на репликацию РНК. Эволюция рибозима, который мог катализировать копирование и даже репликацию РНК – так называемой РНК-репликазы – безусловно, рабочий вариант, и логично, что катализатор, усовершенствовавший химию копирования РНК, помог сделать репликацию РНК надежнее и производительнее. Но усовершенствованная репликация РНК могла получить эволюционное преимущество только в случае, если способствовала размножению или выживанию клетки. Такое могло произойти, если репликация РНК сочеталась с ростом мембраны, например, с помощью осмотического давления. Однако есть и другая вероятность: первый РНК-фермент делал что-то совсем другое. Как только появился первый РНК-фермент, который положительно влиял на протоклетку, более точная и результативная репликация РНК-последовательности наверняка стала фаворитом естественного отбора. Эволюция более эффективных механизмов репликации позволила первобытной клетке сохранить более объемный геном, который мог кодировать дополнительные РНК-ферменты с новыми функциями. Такой каскадный эффект шаг за шагом обеспечил рост популяции протоклеток и подтолкнул их к исследованию других сред обитания. Как же первые клетки распространялись на большие расстояния? Популярная гипотеза гласит, что они попадали в крошечные капельки водяной пыли, когда волны разбивались о берег, после чего их уносил ветер. Другая гипотеза состоит в том, что первобытные клетки высыхали и переносились, как пылинки. А попав в лужу или озеро, где было вдоволь питательных веществ, они насыщались влагой и возобновляли цикл роста и деления. Все это пока лишь гипотезы, однако их можно проверить в лаборатории, и тогда мы будем лучше представлять себе, как жизнь распространилась по всей поверхности ранней Земли и колонизировала ее.

Теперь, когда мы представили себе, как наладился процесс дарвиновской эволюции, можно задуматься и о том, как возникли сложные системы, характерные для всех современных живых существ. В число этих систем входят клеточный метаболизм, система трансляции, которая обеспечивает синтез закодированных белковых ферментов, невероятно сложные белки, которые обеспечивают всю транспортировку сквозь клеточные мембраны, и, конечно, специализированное хранилище информации – ДНК. Как относительно простые клетки Мира РНК породили гораздо более сложные клетки современной живой материи, до сих пор по большей части остается загадкой, точнее, набором загадок. Даже в отсутствие прямых доказательств есть несколько несложных логических рассуждений, которые накладывают ограничения на развитие жизни в современном виде, и это, вероятно, поможет направить грядущие исследования в нужное русло. Прежде всего, задумаемся о базовой структуре протоклетки – реплицирующихся фрагментах РНК, заключенных в мембранную везикулу. Мембрана должна быть достаточно проницаемой, чтобы в клетку спонтанно проникали питательные вещества, в том числе нуклеотиды, создающиеся во внешней среде. Из этого следует, что любое полезное питательное вещество, вырабатываемое внутри клетки, может с одинаковой легкостью и использоваться внутри, и просачиваться наружу, а значит, бессмысленно налаживать внутренний метаболизм, пока сама мембрана не станет менее проницаемой. Почему это должно произойти? Как мы уже видели, синтез даже небольшого количества фосфолипида (скажем, при помощи РНК-фермента с нужной каталитической активностью) приведет к резкому росту мембраны. За этим последует эволюционная гонка вооружений – клетки начнут соревноваться, какая выработает больше фосфолипидов, а это, в свою очередь, приведет к изменению состава мембраны, что очень важно для эволюции протоклеток. Чем сильнее мембрана насыщена фосфолипидами, тем менее она проницаема, а значит, клетке становится труднее получать питательные вещества из окружения, однако именно поэтому ей выгоднее синтезировать их внутри, то есть посредством собственного клеточного метаболизма. Современный клеточный метаболизм – крайне сложная сеть из сотен, а может быть, и тысяч реакций, катализируемых ферментами. Чтобы понять, как эволюционировала эта сеть, нам следует помнить, что любая техническая новинка, то есть любой новый РНК-фермент, катализирующий метаболическую реакцию, должен был обеспечивать своей клетке эволюционное преимущество. Первые метаболические новинки, вероятно, повышали синтез активированных нуклеотидов, необходимых для репликации РНК, и синтез компонентов для мембраны. Но не так-то просто понять, как клетки сумели постепенно перейти от полной зависимости от питательных веществ, поставляемых извне (гетеротрофный стиль жизни) к способности вырабатывать все нужные компоненты внутри из простых, легкодоступных и изобильных материалов. Сейчас это один из интереснейших вопросов об эволюции ранней жизни.

Кроме того, любопытно было бы разобраться в том, как рудиментарный набор метаболических реакций, катализируемый РНК-ферментами, был вытеснен реакциями с белковыми ферментами и как параллельно возникли белковые механизмы, обеспечивающие транспортировку сквозь клеточную мембрану. Большинство теорий о происхождении белкового синтеза были сосредоточены на происхождении генетического кода. Пока что мы не знаем, как это произошло, хотя есть некоторые закономерности кода, которые указывают на поэтапное становление полной системы кодировки. По-видимому, для кодировки первых белков применялась какая-то часть канонических 20 аминокислот, а с течением времени добавлялись новые аминокислоты. Сама по себе рибосома – головоломно сложный молекулярный аппарат, состоящий из двух частей: одна катализирует образование новых пептидных связей, а другая управляет собственно кодированием. Вероятно, способность синтезировать пептиды появилась первой, если незакодированные пептиды обеспечивали какое-то преимущество, а кодирование под руководством матричной РНК было привнесено в дальнейшем. Субстраты, которые рибосома применяет для синтеза пептидов, тоже устроены непросто: это особые молекулы РНК, к которым с одного конца присоединены определенные аминокислоты. Рибосома не могла бы возникнуть в ходе эволюции, если бы еще не существовало субстратов, но зачем примитивным клеткам создавать аминоацилированные РНК (РНК с присоединенными аминокислотами)? Согласно одной гипотезе, аминоацилированные РНК играли важную роль в обеспечении выработки РНК-ферментов и уже потом были привлечены к синтезу пептидов. Первые ферменты были РНК-ферментами, состоящими только из РНК, а затем появились усовершенствованные химерические РНК-ферменты с аминокислотами, после чего они уступили место чисто пептидным (белковым) ферментам. Способность генерировать кодированные ферменты с гидрофобными поверхностями также поспособствовала эволюции белков, которые могут сидеть внутри мембраны и работать каналами, порами и насосами, обеспечивая импорт и экспорт молекул, необходимых клетке.

И, наконец, есть ДНК как таковая. Преимущество ДНК как инструмента для хранения больших объемов информации очевидно, поскольку ДНК значительно устойчивее РНК к химической деградации. Вдобавок специализация ДНК как хранилища информации и инструмента репликации генома, а РНК – для функциональных ролей, по-видимому, обеспечивает эволюционное преимущество, поскольку каждая молекула выполняет свои функции и делает это оптимально, избегая недостатков, связанных с тем, что один биополимер не может исполнять сразу много функций. Важный вопрос состоит в том, когда ДНК в ходе эволюции стала главным материалом для сохранения генетических данных, на ранних или на поздних этапах эволюции, а еще – как произошло переключение ДНК на роль хранилища информации, быстро или постепенно, в несколько этапов. Аргумент в пользу того, что ДНК, вероятно, стала исполнять эту роль рано, состоит в том, что синтез дезоксирибонуклеотидов, вероятно, происходил одновременно с синтезом рибонуклеотидов. Если рибо- и дезоксирибонуклеотиды синтезировались вместе, вероятно, первобытные клетки содержали в себе какой-то гибридный полимер РНК—ДНК. Спецификация, необходимая для создания «чистой» РНК, могла подождать, пока в ходе эволюции не возникнет рибозим РНК-полимераза (РНК-фермент, способный катализировать синтез РНК). В этом случае мутантный фермент, способствующий синтезу ДНК, позволил бы достаточно быстрый переход на синтез ДНК в качестве хранилища информации, тогда как РНК сохранила бы свою изначальную функцию катализатора. Какой в действительности была последовательность событий, мы никогда не узнаем, ведь все было так давно, на заре эволюции жизни, однако диапазон возможностей мы можем продемонстрировать в ходе лабораторных экспериментов по воссозданию эволюции. Если мы сможем синтезировать простые клетки разной степени сложности, это, безусловно, восхитительная перспектива. Вероятно, это даст нам возможность проследить правдоподобный путь эволюционного перехода от первых простых протоклеток к клеткам, по сложности сопоставимым с современными бактериями.