Знаете, жизнь – это как открыть банку сардин.
Мы все мечемся в поисках открывашки.
Попытки найти путь от химических веществ и реакций на поверхности юной Земли к зарождению биологических структур с самого начала натолкнулись на множество препятствий. Прежде всего, возник непростой вопрос, о котором мы упоминали в главе 1, – вопрос сложности современных биологических процессов, где все зависит от всего остального по замкнутому кругу. Вспомним, к примеру, что молекулы ДНК и РНК нужны для кодирования информации, которая определяет создание тех самых белков, которые требуются для строительства ДНК и РНК. Эта сложность приводила к очевидным дилеммам причины и следствия типа «курица или яйцо». Однако была и другая, еще более фундаментальная проблема. Речь идет о вопросе, может ли вообще существовать химический путь, при котором стартовый набор соединений в результате какой-то последовательности шагов превращается в желаемые продукты, если в этих реакциях не участвуют ферменты и биологические механизмы контроля.
Некоторые исследователи прямо говорят, что шансов на то, что многошаговый химический синтез произойдет в природных условиях, исчезающе мало. Космолог и астробиолог Пол Дэвис, в частности, выдвигает следующий вероятностный довод. Предположим, что для зарождения жизни требуется последовательность из десяти определенных важнейших химических шагов (Дэвис полагал, что десять – это, мягко говоря, заниженное количество этапов, на самом деле нужно гораздо больше). Далее представим себе, что вероятность каждого шага составляет 1 % за период, пока планета остается пригодной для обитания (это опять же оптимистический прогноз). Тогда вероятность возникновения жизни сокрушительно мала – один шанс на сто квинтиллионов (т. е. 10–20), если быть точными.
Много лет подобные гипотетические трудности считались непреодолимыми препятствиями. Однако сегодня исследователи происхождения жизни считают, что они нашли способы, которыми Природа могла бы – хотя бы в принципе – решить такого рода заковыристые задачи, и это не может не восхищать. В этой и следующих четырех главах мы проследим за ходом впечатляющего прогресса, который был достигнут в последние годы в понимании происхождения жизни. В нашем кратком обзоре с неизбежностью встретятся труднопроизносимые названия соединений, участвующих в биохимических реакциях, и целые россыпи затейливых химических и физических процессов. Мы постараемся делать упор на кульминационных частях этой истории открытий и прорывов. Кроме того, мы надеемся пояснить, какие понятийные трудности приходилось преодолевать и какие остроумные решения для этих проблем придумали ученые. Надеемся, такой подход, пусть даже сложный для читателя, поможет оценить логику и красоту научного процесса, а также блестящий ум и терпение ученых.
Чтобы преодолеть первую проблему – проблему самореферентности современной биологии – ученые предложили, что когда-то существовала несколько отличная от нынешних, совсем простая первоначальная клетка, так называемая протоклетка. Однако эта гипотеза вызвала новые сложности (вдобавок к фундаментальному вопросу о том, как возникли сами эти структуры). В частности, ученым нужно было понять, как протоклетки росли и делились без тех сложных биохимических механизмов, которыми снабжены современные клетки. Чтобы преодолеть это препятствие, пришлось прибегнуть к процессу доказательства от противного – то есть взять все основные понятия и поставить их с ног на голову. Что-то похожее происходит в последние годы с индустрией такси. Когда хочешь основать таксомоторную фирму, первое, что приходит в голову, – у такой фирмы должен быть собственный автопарк. Обратное предположение: у таксомоторной фирмы нет своих автомобилей. Всего двадцать лет назад такая фраза звучала бы совершенно безумно. Но сегодня, напротив, самые крупные «таксомоторные» компании в истории – это Uber и Lyft. Исследователи происхождения жизни вынуждены были признать, что хотя у современных клеток есть внутренний биохимический аппарат, управляющий ростом и делением клеток (что дает клеткам возможность приспособиться к изменчивым условиям на планете), у первоначальных клеток, по-видимому, все было совсем наоборот. То есть протоклетки брали все необходимое – материалы и энергию – в окружающей среде, и именно флуктуации среды стали тем двигателем, который управлял ростом, делением и репликацией клеток.
Чтобы подробнее изучить вероятное происхождение и структуру первых клеток, нам нужно рассмотреть много дополнительных вопросов. Они касаются самых разных тем, от геологических сценариев и предбиологической химии до самой природы этих клеток и эволюционных событий, которые могли привести к возникновению современной жизни. При этом важно не ожидать ответов на все вопросы сразу: нужно понимать, что в попытках составить более полную картину нас ждет довольно много фальстартов, тупиков, отступлений и неудач. Вот лишь неполный список вопросов, на который нам придется ответить: каковы главные строительные материалы, необходимые, чтобы запустить процессы формирования клеток? Какие источники энергии, вероятнее всего, поддерживали необходимые химические реакции? Что требовалось, чтобы устроить уютное гнездышко для самых первых клеток? А главное, пожалуй, – сколько ниш в окружающей среде было нужно, чтобы возникла жизнь? Иначе говоря, не было ли такого, что жизни на Земле требовались одни условия для создания строительного материала и совсем другие – чтобы поддержать саму жизнь, когда она уже зародилась?
Помимо этих фундаментальных вопросов есть и множество других, иногда более конкретных. Например, хотя довольно соблазнительной представляется известная уже несколько десятков лет гипотеза о более простых временах в истории жизни, так называемая гипотеза мира РНК, согласно которой на некотором этапе эволюции жизни на Земле жизненными процессами управляли самовоспроизводящиеся молекулы РНК, эта гипотеза вызвала множество споров и вопросов, по большей части остающихся без ответа. В первую очередь, разумеется, сложно понять, как груды химических соединений, скопившиеся на поверхности молодой Земли, могли породить даже самые простые клетки мира РНК.
Загадки налицо и на других уровнях. Например, эксперименты, которые проводит в лаборатории Британского совета по медицинским исследованиям химик Джон Сазерленд, а также труды других наших коллег многое говорят нам о том, какие химические пути могли привести к созданию строительного материала для РНК – молекулярных соединений под названием рибонуклеотиды. Но те же самые эксперименты показали, что одновременно с материалами, из которых могли возникнуть предшественники РНК, с неизбежностью должны синтезироваться и другие близкородственные молекулы. Предбиологические химические реакции не зависели от белковых ферментов, которые контролируют синтез всего в современных клетках, и поэтому порождали гораздо более беспорядочную смесь продуктов. Тогда почему из этой каши материализовалась именно РНК, а не какая-нибудь ее «троюродная сестра»? С этим связан другой важный вопрос: может быть, на экзопланетах в качестве первой генетической молекулы жизни возникла не РНК, а какая-то другая молекула? Или, скажем, в природе химии как таковой есть нечто, что способствует возникновению именно РНК, и тогда любая жизнь во вселенной должна начинаться с тех же самых РНК-соединений? Казалось бы, такие масштабные вопросы относятся скорее к метафизике, чем к биохимии, однако недавние исследования показали, что на них можно получить убедительные ответы в результате систематического изучения химических закономерностей.
Вопрос о методике изучения мира РНК был поставлен перед научным сообществом лет тридцать назад, и сделали это химики Лесли Орджел и Джеральд Джойс. Первые попытки решить эту задачу заставили ученых задаться вопросом, как начать работу с тех же хаотичных смесей, которые создавали первые исследователи происхождения жизни, пытавшиеся экспериментально повторить предбиологическую химию. Этот камень преткновения – как перейти от запутанной мешанины к тщательно контролируемой химии, которую мы наблюдаем в живой клетке, – много лет казался непреодолимым, однако недавно череда неожиданных открытий показала, что ответ может быть довольно простым и даже тривиальным (разумеется, так кажется только задним числом).
Оказывается, вероятный ответ по крайней мере на эту ключевую загадку жизни – почему именно РНК, а не что-то другое – формулируется довольно неожиданно: потому что РНК всегда побеждает! Вот краткое объяснение. Представим себе, что мы начинаем с беспорядочного химического «бульона», в котором далеко не все вещества – это нужные предшественники для создания РНК. Теперь предположим, что эти вещества растворены в озерце воды на поверхности молодой Земли, где на них воздействует сильное ультрафиолетовое излучение молодого Солнца. Что удивительно (а может быть, и неизбежно, все зависит от точки зрения), эксперименты показали, что строительный материал РНК – самый устойчивый к ультрафиолету, а многие ее молекулы-кузины под воздействием ультрафиолета разрушаются. Это, несомненно, приближает нас к разгадке, но смесь у нас по-прежнему довольно сложная и беспорядочная. Следующий шаг к созданию ДНК требует, чтобы строительный материал сложился в цепочки – полимеризовался – то есть, в сущности, появились короткие одноцепочечные обрывки генетического материала. Этот этап пока что недостаточно изучен, однако предварительные данные указывают, что некоторые молекулы образуют такие цепочки особенно хорошо. В результате другие, менее реакционноспособные молекулы сходят с дистанции. Наконец, есть сама репликация – реакция, в ходе которой эти маленькие цепочки копируются, их копии копируются снова и порождают еще больше молекул-потомков. Шостак и его коллеги начали подробно изучать этот процесс, систематически сравнивая результаты, полученные при использовании разных стартовых наборов соединений. Пока что эти результаты показывают, что РНК всегда побеждает. Нуклеотиды, из которых состоит РНК, всегда реагируют быстрее конкурентов, поэтому РНК обычно синтезируется, а ее альтернативы либо строятся медленнее, либо их синтез вообще застопоривается. Мы можем представить себе эти три стадии – во-первых, сопротивление ультрафиолетовому излучению, во-вторых, ускоренная полимеризация и, в-третьих, более эффективное копирование – как некую последовательность фильтров. Изначальная мешанина, проходя эти фазы, постепенно очищается – сначала ультрафиолетом, потом созданием цепочек и, наконец, химическими реакциями копирования. И в конце концов получается относительно однородная РНК, чистая и готовая исполнить свое предназначение и породить мир РНК.
Не хотелось бы создавать у читателя впечатление, будто такой сценарий – как РНК победила в конкуренции, стала чемпионкой, породила жизнь и определила ее эволюцию, – непротиворечив и не подлежит критике. Напротив, все его аспекты вызывают жаркие споры. Вопрос о том, действительно ли только у молекулы РНК, в отличие от великого множества ее родственниц, есть свойства, необходимые для порождения жизни, – очень сложный, и определенного ответа на него мы в ближайшее время не получим. Безусловно, систематический синтез и исследования альтернатив исключат многих родственниц РНК, однако такой подход всегда будет оставлять у нас сомнения: вдруг есть еще какая-то молекула, которая подходит для наших целей так же, как и РНК, только мы еще не приняли ее в расчет?
Как же нам ответить на этот вопрос, хотя бы в принципе? Естественно, самым убедительным доказательством было бы обнаружение жизни на какой-то далекой планете (чтобы мы могли быть уверены, что она возникла там независимо от жизни на Земле). Но и это не решило бы дела. Действительно, для начала нам нужно найти убедительные признаки существования жизни на других планетах. Это открытие, если и когда оно произойдет, как минимум продемонстрирует, что жизни не так уж трудно зародиться, так как на ее пути нет каких-то непреодолимых препятствий. В этот момент мы поймем, что следует ожидать относительно несложного химического пути к возникновению жизни, у каждого этапа которого достаточно велика вероятность успеха. Но при этом все равно будет неимоверно сложно выяснить, действительно ли жизнь на экзопланетах тоже начинается с РНК – если только инопланетяне не окажутся разумными и не согласятся с нами разговаривать.