Впервые я попал в Меса-Верде на юго-западе Колорадо более пятидесяти лет назад. Я уже забыл подробности, но все еще помню пробежавший по коже утренний холодок, когда я карабкался по деревянной лестнице, ведущей вверх по склону.
«Не поскользнитесь, – предупредила сотрудница Национального парка. – Ступеньки еще в изморози».
Помню также вид, который открылся мне с вершины: полные великолепия стены древнего поселения из песчаника, поблескивающие золотом на утреннем солнце. В огромной расщелине скалы аккуратно разместились 150 крохотных по нынешним меркам строений. И хотя это место опустело почти тысячу лет назад, каменные башни и скальные жилища на удивление хорошо сохранились.
Когда остальные члены нашей группы поднялись наверх, сотрудница парка предложила нам собраться над сооружением, выложенным камнем, которое, казалось, было утоплено в скале.
«Предки пуэбло построили эти кивы для религиозных церемоний, – объяснила она. – Если вы посмотрите вниз, то увидите большую круглую конструкцию – это очаг. А теперь видите маленькое круглое отверстие в полу? Это сипапу. Пуэбло верили, что именно через него в мир пришли первые люди».
Когда я впервые увидел Скальный дворец, то уже знал, что в каждой культуре есть своя история творения мира. Это могла быть насыщенная неделя библейского Бога, описанная в Книге Бытия, Гея, появившаяся из вспышки света, или предки пуэбло, проползшие через сипапу. Вопрос о том, как мы здесь оказались, как на Земле появилась жизнь, наверное, самый фундаментальный из всех. Хотя я длительное время занимался изучением молекулярных основ жизни, я многие годы считал, что этот вопрос – как все начиналось – больше адресован философам и теологам, а не химикам вроде меня.
И все же к такой проблеме можно подойти с точки зрения химии. В этом случае вопрос, как появилась жизнь на Земле, сводится к выяснению того, как неорганические вещества превратились в органические. Давным-давно на нашей планете не было никаких, даже самых примитивных живых существ – одни лишь камни и океан. Затем, мгновение спустя, появилась жизнь. На что были похожи эти первые живые существа? Как они возникли?
Любые разговоры о происхождении жизни надо начать с определения, что именно означает это пятибуквенное слово. У представителей науки нет по этому вопросу единого мнения. Говорят, что определений понятия «жизнь» столько же, сколько и людей, которые пытаются дать это определение[160]. Многие определения строятся на способности к росту, проведению метаболических реакций и возможности отвечать на стимулы. Однако самое простое определение жизни содержит только два основных требования: живой организм должен самовоспроизводиться и мутировать.
Первое из этих требований – размножение, или репликация, – кажется очевидным. Для живого существа необходимо продолжать себя в следующих поколениях. Это отличает его от неживых объектов, таких как камни, которые не размножаются. Вы можете наблюдать за камнем хоть миллионы лет и не увидите у него никакого потомства. Второе требование – мутации – может вызвать удивление. Разве мутации не что-то плохое? Мутации – это случайные ошибки, возникающие при копировании наследственной информации, передаваемой следующему поколению. Если говорить о репликации нуклеиновых кислот, то четыре буквы ДНК– или РНК-алфавита копируются с высокой, но не абсолютной точностью. Если бы копирование было идеальным, то примитивная жизнь так и осталось бы примитивной. Неоткуда было бы взяться другим формам, которые нужны для естественного отбора. Мутации необходимы, чтобы потомки жизненной формы могли улучшаться с каждым поколением и адаптироваться, то есть эволюционировать.
Итак, давайте для нашего обсуждения переформулируем вопрос о происхождении жизни в вопрос «Как могли появиться первые структуры, способные к репликации и эволюции?».
Когда ученые задумывались о происхождении жизни, то сразу сталкивались с проблемой. Если для жизни нужна репликация, то должны быть какие-то инструкции, какая-то информация, которая будет передаваться от поколения к поколению. У современных организмов эта информация записана в двойной спирали ДНК. Но хотя ДНК и содержит инструкцию для жизни, она не способна сама себя копировать без посторонней помощи. Маленькие белковые устройства репликазы действуют как молекулярные ксероксы, копируя каждую материнскую нить ДНК в виде дочерней, превращая одну двойную спираль в две одинаковые молекулы.
Именно поэтому происхождение жизни часто выглядит как самая первая проблема курицы и яйца. Ученые так и не смогли выяснить, что появилось раньше – информационная молекула или синтезирующая, ДНК или белок, который ее копирует. Необходимо, чтобы оба компонента возникли одновременно. Но сама мысль, что в результате случайных химических реакций могли сразу получиться и ДНК, и мощный белковый копировальный аппарат, причем в одном и том же месте, кажется неправдоподобной. Столь же невозможно, что один из этих необходимых компонентов появился первым, а затем ждал миллионы лет, пока внезапно не возникнет другой. Эти вещества обладают ограниченной стабильностью, определяемой законами химии, и они бы исчезли, если бы не воспроизводились.
Итак, чтобы решить проблему происхождения жизни, ученым необходимо было как-то отыскать молекулу, которая могла играть обе роли – и хранить информацию о жизни, и копировать ее. Другими словами, быть одновременно и курицей, и яйцом.
После того как наша исследовательская группа открыла способную к самостоятельному сплайсингу РНК у тетрахимены, мне стали звонить из других университетов с предложением рассказать о нашей работе с рибозимами. Это была важная возможность, особенно для молодого профессора. Каждый раз, когда вы представляете свои исследования, в аудитории могут сидеть как специалисты, которые будут потом рецензировать ваши статьи или оценивать заявки на грант, так и аспиранты, у которых может возникнуть желание пройти постдокторантуру в вашей лаборатории. Более того, привлекая внимание к заслугам ваших стажеров, вы помогаете им впоследствии занять хорошие вакансии. Иначе говоря, в науке, как и в других областях, большую роль играет налаживание связей.
Поэтому я старался не отказываться от приглашений. В течение года после публикации нашей ключевой работы по рибозимам в 1982 г.[161] я колесил по стране, прочел лекции в дюжине университетов и посетил пять конференций. Это было довольно утомительно, но я продвигал наше исследование, получал ценные замечания и знакомился с новыми людьми. Я чувствовал, что двигаюсь в нужном направлении, однако мне было невдомек, что меня вот-вот с головой затянет в темную дыру сипапу.
В ноябре 1983 г. я прибыл в Лос-Анджелес для вечернего выступления в Калифорнийском университете, ожидая, что предстоит еще один научный семинар. Меня пригласила некая эволюционная группа, что было не удивительно, потому что биохимики постоянно говорят про эволюцию. Дарвин описывал эволюцию галапагосских вьюрков в процессе формирования приспособлений к разным типам корма; точно так же современные биологи наблюдают, как в процессе эволюции бактерии вырабатывают устойчивость к антибиотикам, а молекулы в клетке приобретают новые функции. Поэтому, выступая с докладом, я ожидал провокационных вопросов вроде «Как, по-вашему, интрон тетрахимены вообще оказался в ее геноме?». Я размышлял над такими вещами и был готов поделиться своими предположениями, а другие члены эволюционной группы могли бы выдвинуть свои идеи. Но вместо этого я услышал вопросы типа такого: «Могли бы, по вашему мнению, рибозимы объяснить, как появилась жизнь на нашей планете?» Над проблемой происхождения жизни как таковой я до того практически не задумывался, поэтому почувствовал себя совершенно не готовым ответить что-либо полезное. Я закончил семинар, полностью обескураженный вопросами, которыми меня засы́пали участники.
Начнем с того, что я даже не знал о существовании сообщества ученых, размышляющих о таких далеких событиях. И не понимал, чем их заинтересовало мое исследование. Одним из участников того семинара был Билл Шопф – профессор палеонтологии из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который изучал похожие на клетки микроскопические окаменелости в очень древних породах. Вскоре он объявил, что камни Варравуна в Австралии содержат, видимо, одноклеточные жизненные формы возрастом 3,3–3,5 млрд лет[162]. Важный вопрос заключался в том, что было внутри этих клеток: ДНК, РНК или что-то совсем иное? В отличие от поверхности окаменевших клеток, их внутренние элементы слишком малы, чтобы сохранить свою форму при превращении в камень. Будь иначе, у Шопфа были бы подсказки об их составе и структуре.
Мысль, что окаменелости могут рассказывать о древних событиях, была, конечно, не нова для меня. Еще когда я учился в четвертом классе Школы доктора Ховарда в Шампейне (штат Иллинойс), я собирал окаменелости моллюсков, некогда живых существ, погребенных в известняке. У меня была книга «Путеводитель по горным породам и минералам» (Guide to Rocks and Minerals), где рассказывалось, что окаменелости бывают заключены в железные конкреции. Когда я находил камень соответствующей формы, то ставил его на ребро, разбивал своим геологическим молотком фирмы Estwing и, к своему удивлению, обнаруживал внутри прекрасно сохранившийся отпечаток папоротника. Он ждал меня 300 млн лет. Поэтому я привык думать об окаменелостях каменноугольного периода, но самое начало жизни на Земле ускользало от моего внимания – до того вечера в Лос-Анджелесе.
Вернувшись домой, я начал изучать некоторые старые научные публикации. И тут меня осенило. На протяжении десятилетий ученые, занимавшиеся вопросами происхождения жизни, размышляли о том, как на Земле почти 4 млрд лет назад могла зародиться первая самовоспроизводящаяся система. И когда они столкнулись с проблемой курицы и яйца, то уже тогда предположили, что решением может оказаться РНК.
Предположительный механизм саморепликации РНК. Короткие фрагменты РНК образуют пары с уже существующей цепочкой (показана светло-серым), а затем соединяются вместе с помощью рибозима (показан темно-серым). Образуется двуцепочечная РНК. После этого за счет энергии солнечного света она «расплавляется» на две нити. Темная нить сворачивается, образуя новый рибозим, а светлая остается матрицей для следующего раунда репликации
Очевидно, что РНК – это информационная молекула. Матричная РНК несет информацию о порядке, в котором аминокислоты соединяются в пептид. У РНК-вирусов молекула РНК хранит генетическую информацию, необходимую вирусу для осуществления своего инфекционного цикла. Поэтому никто не сомневался, что РНК может нести информацию – инструкции, необходимые для запуска жизни. Вопрос был в том, может ли она воспроизводить себя, реплицироваться в Древнем мире, лишенном белков. Без репликации было бы невозможно получать следующее поколение молекул РНК из предыдущего.
Этой проблемой занимался в том числе и британский химик Лесли Орджел, который к тому времени преподавал в Институте Солка в Ла-Холье (Калифорния). Начиная с 1960-х гг. Лесли страстно мечтал о таких молекулах ДНК и РНК, которые могли бы воспроизводиться сами, без участия белков, решив тем самым проблему курицы и яйца. Как он заявил в своей широко цитируемой работе[163] 1968 г., нет доказательств, что такая молекула когда-либо существовала, и вряд ли примитивные виды РНК способны приоткрыть книгу жизни.
Однако затем он интригующе добавил: «Нельзя быть полностью уверенным».
В этой статье Лесли подбирался к идее РНК-катализатора. Поэтому эволюционная группа при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а также, как я вскоре узнал, и сам Лесли были невероятно взволнованы нашим открытием рибозимов. РНК на самом деле одновременно была носителем информации и могла ее реализовывать физически! Но это еще не всё. Реакции самосплайсинга, которые катализировал наш интрон, включали в себя образование новых химических связей между РНК-нуклеотидами[164]. Это была именно такая активность, которой должна была обладать рибозимная репликаза, чтобы обеспечить самоудвоение РНК. Возможно, все началось с РНК, а белки и ДНК появились позже[165].
Хотя в тот вечер на встрече с эволюционистами я был весьма озадачен, позже я все больше и больше погружался в вопросы происхождения жизни. В 1980-е гг. я часто вел с Лесли в его кабинете с видом на Тихий океан оживленные дискуссии о возможности самокопирования рибозимов.
Какой бы захватывающей ни казалась химикам вроде меня и Лесли идея этого «РНК-мира», я вынужден признать, что не так уж хотел бы посетить подобное место. Если бы мы смогли перенестись в прошлое и осмотреться, что бы мы увидели на ранних этапах развития жизни на Земле? Практически ничего без помощи очень мощного микроскопа. Все события происходили бы в капельках воды в камнях или, как считают некоторые ученые, в аэрозольных частицах в атмосфере либо же в дымящихся гидротермальных источниках на дне океана. На тот момент жизнь еще не обладала достаточной силой, чтобы создать что-то заметное, не говоря уж о том, чтобы изменить всю планету. Нам надо было бы проверить множество разных мест на Земле, дабы найти даже самые ничтожные следы жизни, а затем подождать еще около 100 млн лет, чтобы только что зародившаяся РНК запустила процесс эволюции.
В наши дни строительство стены начинается с покупки кирпичей. Вы приезжаете на склад или на кирпичный завод, выбираете цвет и оформляете заказ. Через пару дней прибывает грузовик, выгружает поддоны кирпичей, и вы можете начинать строительство. Но в эпоху, когда еще не было складов и магазинов, кирпичи приходилось делать самостоятельно. Надо было смешать глину, солому и воду, затем залить смесь в прямоугольные формы и оставить их сушиться на солнце. И только когда набиралось достаточное количество кирпичей, можно было начинать строить стену.
РНК, как и стена, строится из отдельных кирпичиков – нуклеотидов четырех типов: А, Г, Ц и У, и у каждого из них есть три фосфатные группы, благодаря которым нуклеотиды химически активны и готовы соединяться друг с другом. Поэтому каждый, кто пытается утверждать, что РНК была первой жизненной формой на планете, должен вначале предложить удовлетворительное объяснение, как появились кирпичики для РНК.
Сегодня большинство исследователей, изучающих саморепликацию РНК, покупают свои кирпичики (нуклеотиды) в очищенном виде на химических складах и получают их с помощью экспресс-доставки. В предбиологические времена, еще до появления первых живых организмов, эти кирпичики должны были возникать спонтанно из веществ, присутствующих в окружающей среде. Такие вещества были самыми обычными, как глина, солома и вода, необходимые для создания всем знакомых кирпичей.
Углерод, водород и азот, встречающиеся в каждом нуклеотиде, могли попасть туда из простых атмосферных газов, например из синильной кислоты, которая содержит все эти три элемента. Считается, что в атмосфере молодой Земли было много синильной кислоты. Она ядовита для людей и других созданий, но никого из нас в то время еще не было. Кислород, необходимый для макромолекул, мог быть получен из воды. Пятый элемент, использующийся в нуклеотиде, – фосфор. Он мог быть получен из апатитов – земных пород, богатых фосфатами, или же из космических метеоритов, которые бомбардировали Землю.
Насколько вероятно, что нуклеотиды, из которых состоит РНК, могли самопроизвольно возникнуть из тех веществ, которые были на древней Земле около 4 млрд лет назад? В 1952 г. химики-первооткрыватели Стенли Миллер и Гарольд Юри показали, что многие из аминокислот, содержащихся в современных белках, могут возникать в смеси простых газов, которую воспламеняли с помощью электрической искры, имитирующей молнию[166]. Могли ли «кирпичики» РНК – нуклеотиды – так же возникнуть в предполагаемых предбиологических условиях? И действительно, британский химик Джон Сазерленд показал в лабораторных опытах, что вещества, содержащие азот, кислород, углерод, водород и фосфор, которые, скорее всего, присутствовали на молодой Земле, могут вступать в химическую реакцию с образованием нуклеотидов[167].
Однако возникла досадная проблема. Условия, в которых происходят реакции для образования кирпичиков У и Ц, резко отличаются от условий, необходимых для кирпичиков А и Г. И эти два набора условий в значительной степени несовместимы. Но если мы собираемся построить стену из кирпичей разного цвета, нам надо собрать их в одном месте. Прорыв в решении этой проблемы был сделан в лаборатории немецкого биохимика Томаса Карелла в 2019 г. Начав с молекул, которые, вполне вероятно, могли существовать на Земле до появления жизни, Карелл с коллегами обнаружил, что циклическая смена влажных и сухих условий позволяет всем четырем нуклеотидам накапливаться практически в одном котле[168]. Вполне возможно, что на молодой Земле действительно могли чередоваться сухие и влажные условия. День сменял ночь, так же как это происходит и сейчас. Прохладной ночью на камнях конденсировались капли воды, растворявшие некоторые вещества, а днем вода под лучами солнца испарялась. Из-за испарения вначале повышалась концентрация веществ в воде, что способствовало химическим реакциям, прежде чем капля полностью высохнет. Картина в те далекие дни была отнюдь не спокойной. Тогда Земля была жестоким местом, с грозами, кометными бомбардировками, извержениями вулканов и мощным ультрафиолетовым излучением от Солнца. Такие суровые условия обеспечивали необходимую энергию для химических реакций.
Давайте допустим, что Сазерленд, Карелл и другие ученые, занимающиеся абиотическим синтезом нуклеотидов, правы и в древности на Земле могли образовываться нуклеотиды. Тогда у нас есть кирпичи и мы готовы к постройке нашей стены – «стены», которая представляет собой цепочку нуклеотидов, способную к самовоспроизводству. В начале 1980-х гг. Лесли Орджел провел в своей лаборатории в Институте Солка эксперимент, в принципе подтвердивший такую возможность. Он синтезировал нуклеотиды и показал, что если их нагревать при высокой концентрации, то они спонтанно начнут соединяться друг с другом, образуя короткие РНК-цепочки. Если он использовал нуклеотиды Ц, то в продуктах реакции находились ЦЦ, ЦЦЦ, ЦЦЦЦ, ЦЦЦЦЦ. Когда затем Орджел добавлял нуклеотиды Г, они выстраивались вдоль нитей из Ц, соединяясь связями Г-Ц, и образовывали короткие цепочки из Г.
И хотя сборка таких коротких фрагментов РНК без могущественной помощи какого-либо фермента была захватывающим зрелищем[169], эта реакция проходила очень медленно и неэффективно. Возможно, рибозимы и были тем самым недостающим ингредиентом. Что, если бы одна из случайно возникших цепочек у Лесли оказалась достаточно длинной и с последовательностью нуклеотидов, дающих ей возможность сворачиваться и катализировать образование собственной копии? Тогда вместо случайного роста урывками РНК могла бы воспроизводить себя целиком и полностью, и это позволило бы ей стать той самой чудо-молекулой, которая катализировала жизнь на Земле.
Вероятность, что это произойдет спонтанно, наверняка намного меньше, чем шанс выиграть в лотерею «Мегамиллионы» (Mega Millions). Но все-таки игра в предбиологическую РНК могла происходить в миллионе мест на Земле. И если ушло 100 млн лет, чтобы найти победителя, – не проблема, жизнь могла подождать.
Реальна ли саморепликация РНК, катализируемая РНК? Возможно ли воспроизвести такое явление в лаборатории? Если это еще не докажет, что РНК была отправной точкой для всего живого, то хотя бы продемонстрирует такую возможность.
В январе 1986 г., через два года после упомянутого семинара в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, меня пригласили выступить в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Обедали мы с главой отделения биохимии Брюсом Альбертсом в кафе, расположенном в Парнассус Хайтс над парком «Золотые ворота». Брюс, ставший впоследствии президентом Национальной академии наук, часто приглашал ученых в Сан-Франциско, чтобы они поделились своими новейшими открытиями.
«На прошлой неделе здесь был Джек Шостак, – сказал Брюс, оторвавшись от сэндвича с пастрами. – Он был очень увлечен вопросом происхождения жизни и перенаправил всю свою исследовательскую программу на изучение вашего рибозима». Я чуть не подавился оливкой из своего салата нисуаз. Джек Шостак был молодой профессор из Гарварда, уже заработавший солидную репутацию за открытие основ рекомбинации ДНК – механизма, посредством которого фрагменты ДНК передаются от одной хромосомы к другой. Прежде всего я испытал радость, что такой продвинутый генетик будет заниматься нашим рибозимом. При этом меня бросило в дрожь от страха, потому что я знал, настолько он изобретателен и продуктивен. А что, если Джек проведет все те эксперименты, которые я хотел бы выполнить сам, но сделает это быстрее?
Джек считал, что происхождение жизни – важнейший вопрос науки, остающийся без ответа. Он верил тогда и верит сейчас, что если кто-то сможет в лаборатории воспроизвести условия, которые были на Земле в древности, и получить саморепликацию РНК, то можно будет с уверенностью сказать, как зародилась жизнь на планете.
У Джека было секретное оружие – Дженнифер Даудна. Еще до того, как Дженнифер пришла в постдокторантуру к нам в лабораторию, она вместе с Джеком работала над диссертацией в Массачусетской больнице общего профиля. Главной целью ее диссертации было выйти за пределы реакций такого типа, которые описал Лесли Орджел, – когда образуются случайные цепочки РНК, – а вместо этого получить реплицирующуюся и выполняющую полезную функцию РНК. Дженнифер хотела заставить рибозим копировать в пробирке самого себя, доказав тем самым возможность осуществления одного из ключевых этапов в появлении РНК-репликации. Когда Джек приходил утром на работу, то первым делом шел к столу Дженнифер, где происходило самое интересное. И часто ей было чем поделиться.
В природе все реакции разрезания и соединения РНК, которые катализирует рибозим тетрахимены, происходят на этой же самой цепочке РНК. Начиная с 1986 г. моей исследовательской группе удавалось продемонстрировать, что интронная часть рибозима может катализировать реакцию разрезания и склеивания других молекул РНК[170]. Но наша система была ограничена определенными последовательностями РНК, которые мог обрабатывать рибозим, поэтому ей не хватало универсальности, необходимой для саморепликации РНК. В 1989 г. Дженнифер и Джек объявили о прорыве – они так модифицировали рибозим тетрахимены, что он мог копировать более длинные цепочки РНК, содержащие разные последовательности.
Чтобы оценить, насколько это открытие важно для понимания происхождения жизни, нам надо вернуться назад, к основам того, как копируются в природе нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК. Никогда этот процесс не происходит напрямую. Одиночная нить нуклеиновой кислоты не может просто скопировать себя, как, например, в схеме ГГГ → ГГГ. Вначале эта нить должна сделать комплементарную копию, которая послужит матрицей, и только затем благодаря магии комплементарных связей можно синтезировать копию исходной молекулы. Другими словами, если вы хотите удвоить цепочку ГГГ, сначала вам надо получить ЦЦЦ, а уже ее, в свою очередь, использовать для образования другой цепочки ГГГ: ГГГ → ЦЦЦ → ГГГ.
Этот процесс немного напоминает отливку трехмерной фигуры из формы. Допустим, у вас есть гипсовый садовый гном и вы хотите сделать его двойника. Сначала вам надо получить инвертированную копию, чтобы использовать ее как форму. Все структурные элементы вашего гнома – длинная борода, остроконечная шляпа, округлый живот – в вашем слепке станут впадинами. Как только у вас появится такая форма, вы сможете залить ее гипсом и получить точную копию оригинального гнома. В истории с репликацией РНК рибозим с репликазной активностью будет садовым гномом, а комплементарная ему цепочка РНК – формой для отливки. Эта комплементарная цепочка не будет обладать каталитической активностью, но может быть использована как матрица для образования все новых рибозимов. И наконец, образование нового рибозима по матричной РНК можно сравнить с заливкой гипса в форму с целью изготовления еще одного гнома.
Джек и Дженнифер в 1989 г. перестроили рибозим тетрахимены таким образом, чтобы, получив матричную последовательность РНК, он катализировал создание комплементарной цепочки. Начав с формы, они смогли сделать еще одного гнома. Их модифицированный рибозим был способен копировать любые РНК-последовательности. А для саморепликации РНК использовались две последовательности, а именно последовательность рибозима и комплементарная ей, по схеме: рибозим → комплементарная последовательность → рибозим. Словом, Джек и Дженнифер воссоздали один ключевой этап на пути от РНК-кирпичиков до саморепликации[171].
Однако оставался еще один пробел, который Дженнифер и Джек хотели устранить: самая длинная цепочка, которую удавалось получить, составляла 42 нуклеотида. На то время это был мировой рекорд, но это было намного меньше, чем 400 нуклеотидов, необходимые для рибозима тетрахимены. То есть наши коллеги могли сделать, так сказать, только голову гнома, а не его целиком.
Чтобы преодолеть это ограничение размера, Дженнифер предприняла два важных шага. Во-первых, она переключилась с рибозима тетрахимены на другой объект. Исследователи из Университета штата Нью-Йорк в Олбани примерно тогда открыли у бактериофага рибозим SunY[172], который, как и рибозим тетрахимены, обладал способностью к самостоятельному сплайсингу, но был примерно вдвое короче[173]. Половина дела была сделана. Затем Дженнифер решила разделять и властвовать. Она разделила рибозим SunY на три фрагмента, которые могли в пробирке найти друг друга и соединиться за счет комплементарности оснований. Полученные кусочки были настолько малы, что рибозим SunY мог их копировать. Таким образом, Дженнифер с Джеком показали, что фрагменты РНК, которые могли спонтанно возникнуть в реакциях, описанных Лесли Орджелом, способны соединяться друг с другом, образуя маленький самокопирующийся механизм[174].
Итак, ученые сумели воспроизвести в пробирках многие этапы, которые требовались для саморепликации РНК в предбиологические времена. Речь идет о синтезе нуклеотидов, соединении их в РНК-цепочки, наличии рибозима, который способен скопировать самого себя на отдельную молекулу РНК[175]. И хотя никому еще не удалось успешно воспроизвести весь процесс возникновения саморепликации РНК, то есть смешать в пробирке нуклеотиды РНК, а затем вернуться и найти собранные молекулы РНК, занятые копированием самих себя, предположение, что жизнь началась с мира РНК, теперь кажется по меньшей мере правдоподобным.
Исследователи предъявили убедительные доказательства, что жизнь на Земле могла зародиться как РНК-мир, однако оставалась еще одна большая нерешенная проблема. Кучка молекул в капле жидкости – это, конечно, еще не организм. Даже самый примитивный организм должен быть отдельной сущностью, отличной как от окружающей среды, так и от других организмов. Он должен быть помещен в конверт.
Сэндвич с тунцом заматывают в пищевую пленку, которая удерживает его части вместе и защищает от загрязнения, и точно так же клетки животных окружены мембраной, которая оберегает их по крайней мере от некоторых опасностей окружающей среды, например от ядовитых веществ, бактерий, вирусов и других патогенов. Да, это не идеальная защита, и некоторые чужаки все-таки проникают внутрь клетки, но подавляющее большинство остается снаружи. Клеточные мембраны состоят из липидов – жироподобных молекул, которые обладают удивительным свойством самостоятельно собираться в двуслойную пленку, достаточно прочную, чтобы выдержать давление, непроницаемую и потому защищающую внутреннее содержимое клетки и гибкую настолько, чтобы позволить клеткам двигаться и делиться.
В первичном РНК-мире наличие мембраны тоже дало бы преимущество древним клеткам. Например, мембрана могла бы не допускать конкурирующие молекулы РНК. Подобно тому как у собак заводятся блохи, которые извлекают выгоду из своего местонахождения, но не приносят собаке никакой пользы, реплицирующиеся молекулы РНК страдают от паразитических РНК, которые находятся рядом с ними и крадут у самовоспроизводящейся молекулы питательные вещества, ничего не давая взамен. Мы наблюдали, как они появляются в лабораторных эволюционных экспериментах, и они неизбежно возникали бы в природе. Мембрана могла бы удерживать самореплицирующиеся молекулы РНК внутри, не пропуская к ним внешние паразитические РНК.
Более того, оболочка облегчает эволюцию. Если множество самовоспроизводящихся молекул РНК смешаны в одной капле воды, то все РНК в этой капле получат выгоду от любой мутации, которая улучшит функцию репликации одной молекулы РНК. И хотя подобное альтруистическое поведение кажется достойным восхищения, оно тормозит эволюцию. Чтобы организмы совершенствовались со временем, необходимо «выживание наиболее приспособленных». Только если они разделены и отличаются друг от друга, один из них сможет получить выгоду от благоприятной мутации и выиграть у других. Это выглядит циничным, но, когда речь идет об эволюции видов, индивидуальный эгоизм в долгосрочной перспективе приносит пользу сообществу.
Исследовательская группа Джека Шостака изучала, как нуклеиновые кислоты ведут себя внутри мембранных оболочек в так называемых протоклетках – их искусственно имитировали на основе представления о том, как могли бы выглядеть самые первые клетки. Такую нуклеиновую кислоту, как РНК, очень просто заключить внутри протоклетки. Для начала вам надо смешать образующие оболочку жирные кислоты с нуклеиновыми кислотами, затем дать смеси высохнуть и снова ее развести или же подвергнуть ее циклу замораживания и оттаивания. Тогда нуклеиновые кислоты окажутся случайным образом окружены оболочкой[176]. Джек заметил, что внутри протоклеток нуклеиновые кислоты могут образовывать более длинные цепочки, как предполагал Лесли Орджел[177]. Его группа также показала, что протоклетки могут расти, а затем делиться, хотя и не с той регулярностью, как это делают современные клетки. Благодаря протоклеткам мы сделали еще один шаг вперед к воспроизведению саморепликации РНК в лабораторных условиях. Они показали нам вероятное развитие истории о том, как неживая материя превратилась в живую.
Ученые всё ближе к тому, чтобы доказать, по крайней мере в лабораторных экспериментах, что жизнь могла зародиться в виде РНК-мира. Им удалось провернуть впечатляющий трюк и продемонстрировать, что в пробирке РНК может воссоздавать саму себя. Но предстоит еще долгий путь, чтобы достичь амбициозной цели. Исследователям требуется выяснить, как полный цикл саморепликации рибозима мог происходить в протоклетках в климатических условиях древней Земли. А также необходимо узнать, как протоклетки делятся и мутируют, как возникло то эволюционное событие, которое подтолкнуло зарождение жизни на Земле.
Однако даже если химикам удастся сделать все это в лаборатории, фундаментальная проблема останется: происхождение жизни не столько научный, сколько исторический вопрос. То, что РНК может самореплицироваться в лаборатории, еще не доказывает, что она это сделала, запустив тем самым весь эволюционный процесс, приведший к развитию жизни на Земле в том виде, в котором мы эту жизнь знаем[178]. Узнаем ли мы когда-нибудь, действительно ли РНК или какая-либо родственница современной РНК заселяла окаменелые клетки Билла Шопфа? Есть ли хоть какая-то возможность узнать, как 4 млрд лет тому назад на Земле зародилась жизнь?
Когда мы смотрим сверху на киву и пытаемся заглянуть в темноту сипапу, то словно устанавливаем сквозь тысячелетия связь с другими людьми, которые размышляли о происхождении жизни. А поскольку мы живем в век ошеломительного развития науки, нам может показаться, что где-то там, в темноте, виднеется форма, очень похожая на РНК. Но до конца мы в этом не уверены. Наука может лишь предполагать. Наука может сказать, что «это правдоподобно». Но наука, вероятно, никогда не сможет доказать, что жизнь началась с РНК.
Невозможность подобного доказательства всегда вызывала у меня некоторое беспокойство касательно исследований происхождения жизни, которые развивались очень спекулятивным образом, граничащим с бульварной шумихой. Я помню, как поделился своим беспокойством с Лесли Орджелом во время одной нашей дискуссии в Институте Солка.
«Пока вы открываете фундаментальные принципы химии нуклеиновых кислот, – ответил он, – эти исследования имеют ценность, а происхождение жизни – интересная тема, к которой их можно привязать». Я всегда считал, что это было очень хорошо сказано. Конечно, Лесли произнес это со своим удивительно авторитетным британским акцентом, что могло повлиять на мою готовность с ним согласиться.
В конечном счете происхождение жизни, возможно, самый фундаментальный вопрос, который был порожден изучением природы РНК. Но, как ни заманчиво размышлять о роли РНК в начале истории жизни, настало время вернуться к тому, как РНК меняет наше настоящее и будущее. Она уже служит катализатором революционных изменений в медицине и, как мы увидим, способна продлить здоровую жизнь за пределы существующих природных возможностей.