Клеточный механизм настолько мощный, что он породил всю жизнь и создал нашу мраморную планету, так что мы можем проследить, как все началось
Автор Боб Холмс
4 миллиарда лет назад, где-то среди инертных минералов и молекул, являющихся фундаментом нашей влажной, скалистой планеты, мертвое стало живым. Это была самая важная химическая трансформация, когда-либо происходившая на Земле. Она не только породила все живое, она также изменила химический состав океанов, земли и атмосферы. Если бы этого не произошло, не было бы голубого мрамора.
Зарождение жизни могло произойти намного позже, чем мы полагаем. Похороненная в каждой клетке любого организма на планете от бактерий до моллюсков или до британцев – это живой, работающий образец самой ранней формы жизни на Земле – машина времени, которая позволяет нам стереть 4 миллиарда лет и выяснить, как все началось. «Нам надо прекратить нести чушь о зарождении жизни, - говорит Лорен Уильямс, биохимик Института технологий Джорджии в Атланте. «Мы видим, как все было на самом деле». То, что обнаружили он и его коллеги, переворачивает наши представления о происхождении жизни с ног на голову.
До сих пор большинство усилий, приложенных к изучение происхождения жизни на Земле, были сосредоточены на корне проблемы. Они начинают с экспериментального смешения данных молекул и пытаются либо воссоздать строительные блоки генов, либо заставить их развиваться путем самовоспроизводства. Несмотря на многообещающие результаты, эти подходы в лучшем случае показывают правдоподобный способ возникновения жизни. Они никогда не смогут объяснить нам, как было на самом деле.
Новый подход начинается с изучения современной жизни и движется в обратном направлении. Образовывается клубок из белков и относительных ДНК, РНК, рибосом-молекулярных цепей, найденных внутри каждой живой клетки. Они читают генетический код, содержащийся в ДНК, и используют его для образования белков. По сути, это клеточные роботы, которые строят материал для образования наших клеток.
Их задача настолько важна, что она едина для всех организмов: ваши рибосомы отличаются от рибосом низших бактерий только орнаментом на внешней поверхности. Такое единообразие говорит о том, что они связаны с началом жизни. По мере эволюционирования новые виды добавляют к своим рибосомам дополнительные части РНК. Добавление оставляет следы, похожие на ветвь, прорастающую из дерева. «Даже если ветка исчезнет, можно посмотреть на лес и сказать, что что-то здесь выросло», - говорит Уильямс. Снимите эти прорастающие ветви с себя, и у вас останется ядро: та часть рибосомы, которая была функциональна при жизни последнего человеческого предка (Луки), из нее и происходит известная нам жизнь.
«Эта система, возможно, не существовала, но она появилась на пути к возникновению жизни»
Таким образом, сравнивая рибосомную РНК живых организмов, Уильямс и его команда смогли, изучая рибосому, отправиться обратно во время существования Луки и ранее. Затем, как только они узнали, как распознать «отпечатки» в современном виде рибосомы, команда обратила внимание на то, что РНК бы уже присутствовала в рибосоме "последнего общего универсального предка". Они нашли похожие следы, указывающие на дополнения, которые должны были возникнуть еще до существования "последнего общего предка". Каждый раз, когда они находили дополнение, они вычленяли его, пуская ветви все дальше и дальше в прошлое, чтобы найти более примитивные версии рибосомы, вплоть до ее первоначальных форм.
Самая древняя часть рибосомы, по мнению Уильямса и его коллег, - это участок РНК, который включает область, которая в наше время связывает аминокислоты для формирования белковых цепочек. Другие команды использовали различные методы для того, чтобы найти самые древние части рибосомы, просто снимая слои, чтобы дойти до ядра. Они согласились, что эта область является самой древней частью органеллы. «Это, пожалуй, лучшие модели из истории рибосом», - говорит Джорджа Фокс, эволюционный биолог в университете Хьюстона, штат Техас.
Эта рибосома, лишенная всех своих более поздних дополнений, выглядела иначе, чем рибосома времен "последнего общего предка". Ей не хватало областей, считывающих генетический код, поэтому она не могла производить определенного рода белки. Вместо этого, она должна была связывать аминокислоты, и, вероятно, все другие молекулы присоединились бы к ее области, волей-неволей образуя короткие, случайные цепи с помощью простой химической реакции, указывающей на земное происхождение жизни. В результате древние рибосомы сделали бы мешанину из разных молекул, говорит Уильямс. «Мы называем их молекулярными колбасниками». Другие исследователи нашли подтверждающие доказательства: в нужных условиях даже современные рибосомы можно заставить соединять друг с другом молекулы, отличные от аминокислот.
На древней Земле случайные фрагменты появлялись из "колбасника", и несколько из них могли соединиться вместе в стабильную форму и стать рибосомальной РНК. Это немного стабилизировало бы их. «Те последовательности, которые образуют более стабильные структуры, существуют дольше, так что мы собираемся использовать их в качестве строительного материала», - говорит Николас Худ, биохимик университета Джорджии, который сотрудничает с Уильямсом. Постепенно рибосома стала состоять из большего числа элементов. «Это форма эволюции, я не говорю о генах. Я бы назвал это химической эволюцией», - говорит Худ.
Хаос совместно эволюционирующих РНК и белковых фрагментов не похож на то, что большинство исследователей назвали бы живым. Молекулы могут даже не поддаваться идентификации по РНК или белкам, но легко идентифицировать ряд прото-молекул. Однако, система на данный момент жизнеспособна, так как химическая эволюция отобрала нужные связанные друг с другом компоненты.
Хотя некоторые детали до сих пор неясны, Уильямс не сомневается в особенности ранней стадии: не существовало генетического кода до начала эволюции. В современных клетках сигналы из центральной ДНК ядра отправляются в рибосомы через матричную РНК.
Передача РНК и мРНК является неотъемлемой частью генетического кода. Но во всех источниках элементы рибосом, которые отвечают за соединение, возникают позднее. Даже тогда, как считает Уильямс, начальная функция мРНК и тРНК вряд ли будут столь сложны, как кодирование. Вероятнее, что они возникли в качестве маленьких фрагментов РНК, чтобы задать случайным аминокислотам правильное направление для прикрепления их к растущей молекуле белка.
Сегодня данные, содержащиеся в генетическом коде, позволяют рибосоме создавать точные копии одного и того же белка снова и снова. Но в древности вместо точных копий, проторибосома создавала ряд новых молекул для стабилизации системы, так как у нее не было способности читать генетический код.
Постепенно этот процесс отбирал лучшие мРНК и тРНК, в конечном итоге приводящие к молекулам, которые производили специфические аминокислоты в определенное время – генетический код, который сегодня встречается во всех живых существах. Наконец-то произошла эволюция по Дарвину, и система стала живой. Большинство эволюционных биологов согласны с тем, что РНК сначала носила генетический код. ДНК, более стабильная молекула, возникла позднее.
Молекулярное воссоединение
Один из ключевых процессов, влияющих на необходимость развития РНК и белков развиваться, состоит в том, что современные белки состоят из сложных трехмерных форм, необходимых им для функционирования. Как так получилось - загадка. Свертываемость - это крайне редкое свойство. Поэтому немыслимо полагать, что эволюция могла бы исследовать все возможные белки, чтобы найти те, что имеют свойство свертываемости, говорит Андрей Лупас из Института биологии развития Макса Планка в Германии.
Химическая эволюция предлагает решение этой проблемы. Для того чтобы белок свернулся, одна его часть должна плотно прижаться к другой без помощи молекул воды. Это также помогло бы элементам прото-белкового соединения и стабилизации прото-РНК. Так как эти молекулы эволюционировали вместе, они бы выбрали фрагменты белка, которые были предрасположены к этому, говорит Леюпас.
Рибосома по-прежнему воспроизводит этот процесс. Белки, связанные с древней частью рибосомы, практически не сворачиваются. Переходя к более новым частям рибосомы, исследователи наблюдали, как белки сворачиваются сначала в простые , а затем в более точные и сложные формы. В то же время, части рибосомы РНК также сворачивались стабильно. «Идея заключается в том, что белок и РНК эволюционировали совместно. Мы видим это», - говорит Уильямс. Его сценарий предлагает еще один выход из парадокса возникновения жизни “курица и яйцо”. Он представляет отхождение от доминирующей гипотезы «мира РНК».
Даже критикам Уильямса импонируют его идеи. «Я думаю, что Лорен выступает за радикальный пересмотр наших взглядов на происхождение жизни», - говорит Найлс Леман в Портлендском государственном университете в Орегоне. «Даже если вы не согласны с деталями, это помогает нам переосмыслить то, как началась жизнь, и это очень ценно».
Унтил говорит, что он только начал работу. Его команда пытается воссоздать этапы эволюции рибосом в лаборатории, проверяя, что может сделать каждый.
«Рибосома - это дар природы», - говорит он. «Это напоминает капсулы времени, и мы только что вскрыли их и начали изучать.”
Сухой маленький пруд
Исследователи долго спорили, зародилась ли жизнь в теплом маленьком пруду, как предположил Дарвин, или в какой-то другой среде обитания, например, в подводных термальных источниках, наземных горячих источниках или даже глинистые отложения.
Рибосомы могут стать ключом к разгадке. Их древнейшая часть связывает молекулы в длинные цепи. Это достигается путем реакции дегидратации, в которой связь создается через высвобождение молекулы воды. Это происходит легче, если вокруг нет воды, это говорит о невозможности осуществления деятельности рибосомами в океане, - говорит Николай Хад из Технологического института Джорджии.
Наиболее вероятным местом будет граница пруда, где будет как влажность – благоприятствующая смешиванию ингредиентов – так и сухая среда, благоприятствующая созданию длинных цепей.
Трещина: курица и яйцо.
Жизнь, как мы знаем, сегодня представляет собой парадокс курицы и яйца: ДНК не может возникнуть без белков, а белки не могут существовать без ДНК для определения структуры.
Эта дилемма является причиной, почему исследователи выступают за то, что жизнь началась не с ДНК, а с РНК, которая может не только хранить информацию, но и соединяться в сложные формы, помогающие ей быть катализатором. Молекула РНК, способная катализировать собственную репликацию, решает проблему цыпленка и яйца путем объединения информации и катализа в одну молекулу. В этом сценарии «мирового РНК», самовоспроизводящаяся РНК позже передала свою роль катализатора роль белкам, которые лучше и разнообразнее выполняют эту функцию, и передала свою задачу по хранению информации ДНК, которая более стабильна.
Лорен Уильямс и его коллеги из Технологического института Джорджии предлагают другое решение проблемы. Первыми не были ни белки, ни нуклеиновые кислоты, как они утверждают. Они эволюционировали вместе с самого начала.
Вся концепция " мира РНК" не схожа с концепцией Уильямса, потому что она требует отказаться от действующей РНК-системы и изобретать ее в ДНК и белках, вместо того, чтобы дорабатывать уже существующие процессы. «Я просто не думаю, что это происки эволюции», - говорит он. «Это значило бы, что эволюция - это инженер». Альтернатива, состоящая в том, что РНК и белки совместно эволюционировали – более правдоподобна, заявляет он.
Однако, не все с этим согласны. «Это доклад от имени меньшинства», - говорит Найлс Леман, биохимик по эволюционным процессам в Государственном университете Портленда в штате Орегон. «Но я думаю, что это растущее меньшинство».