Наша планета уникальна, это не преувеличение. Важную роль в её развитии сыграл уникальный феномен: жизнь. И хотя уже больше века известны ключевые принципы эволюции, многих до сих пор волнует начало этой истории. Какой была первая жизнь и как от неё мы пришли к тому, что есть сейчас?
Наверняка этого мы, конечно, не узнаем: осуждаемое нами происходило очень давно, и, если не будет изобретена машина времени, стопроцентно достоверной информации не добыть. Однако, исходя из современных знаний в области химии и эволюции мы можем обоснованно предположить, что же тогда случилось.
Перед тем как приступить, давайте сразу обсудим альтернативы, которые я здесь не планирую рассматривать подробно. Во-первых, я придерживаюсь научной картины мира и материализма, поэтому концепции сотворения мира неким всемогущим божеством по непознаваемым законам здесь я рассматривать не хочу: их можно вообразить любые и опровергнуть ни одну из них будет невозможно. По этой же причине я не хочу рассматривать спекулятивные истории о вселенной-симуляции. Во-вторых, концепция панспермии, то есть занесения жизни из космоса, имеет смысл, но ничего не объясняет в рамках вопроса о зарождении жизни в целом. Поэтому мы будем исходить из наиболее простого варианта: жизнь самозародилась на Земле. Но как же это получилось?
Современные теории всё ещё не могут дать единственно правильного ответа на этот вопрос, и, возможно, не смогут никогда, но пока что даже наиболее вероятный вариант определить сложно. Однако буду рассуждать смелее: не как ученый, а как философ, верный научному подходу и основным современным познаниям о современной картине мира. Я предложу один из вероятных и логичных сценариев, как появилось то, что многие считают чудом (для меня же это выглядит как закономерность).
Для начала давайте вспомним, что жизнь — это система, стремящаяся к размножению. Наиболее распространенной формой сейчас можно уверенно назвать клеточную жизнь, чья эгоистичная информация содержится в генах, участках ДНК или РНК. Давайте посмотрим, чем эти две молекулы различаются.
ДНК — первое, что всплывает у многих людей, когда заходит вопрос о природе наследственности. Действительно, новые клетки не могут сформироваться, если не произойдёт увеличения количества копий этой молекулы. В то же время РНК формируются на базе ДНК и нужны в основном для того, чтобы обеспечивать синтез белков и регулировать активность генов. На первый взгляд, они играют роль простой служебной прослойки между кодирующей ДНК и рабочими молекулами белков.
Однако при более вдумчивом анализе можно сделать несколько интересных наблюдений. Во-первых, белки не могут получиться без РНК, а вот ДНК, строго говоря, в непосредственном производстве необязательна, если будет стабильных источник РНК. Во-вторых, среди вирусов существуют такие, что обходятся без ДНК вовсе, а вот без РНК обойтись в синтезе не получится: вирусная ДНК всё равно должна сформировать на своей базе РНК, чтобы начать активное производство вирусов. В-третьих, есть вирусы, которые способны делать удивительное: получать ДНК на основе РНК. Таким образом, мы можем пронаблюдать потенциальное зарождение ДНК на основе РНК. В-четвертых у РНК большое количество функций: регуляторная, транспортная, матричная, синтетическая. У ДНК же только одна и та пассивная: хранение информации. В эволюции обычно, чем более древняя и базальная группа генов, тем более она разнообразная в плане функционала возможностей.
Добавим сюда и то, что именно РНК-нуклеотиды (так называются кирпичики, из которых строятся полноценные цепочки), а не ДНК-нуклеотиды играют роль энергетической валюты в клетке, после чего станет логично предположить: именно РНК — ключевая молекула клеточной жизни, а всё остальное лишь дополняет её функции. Белки позволяют расширить и упростить управление химическими реакциями, а более прочная и стабильная ДНК — сохранить данные для передачи в следующее поколение. Жизнь без ДНК можно представить: её уже представляют РНК-вирусы, а эволюционный переход к ДНК демонстрируют ретровирусы. Жизнь без белков сейчас представить сложнее, но мы знаем, что синтез белков осуществляет именно РНК, то есть ключевой этап производства белков находится под контролем РНК. И, что не менее важно, это показывает, что РНК могут быть активными ферментами и участвовать в синтезе молекул — такие молекулы называют рибозимами.
Всё это легло в основу гипотезы РНК-мира, которая в последние годы завоевала место основной модели в эволюционной биологии. Согласно этому предположению именно РНК — первая молекула жизни. Современная система разнообразных РНК достаточно сложна и во многом направлена на регуляцию синтеза белков, однако, первая форма жизни наверняка должна была быть простой: она ведь появилась из смеси элементарных органических молекул. Здесь мы должны вернуться к ключевому свойству жизни: размножению.
Размножение ДНК и РНК сейчас осуществляется за счёт особого класса ферментов: полимераз нуклеиновых кислот (НК-полимераз). Они, используя свойство комплементарности двуцепочечных молекул РНК и ДНК, достраивают на основе одной цепи вторую нуклеотид за нуклеотид, букву за буквой. Однако, когда белковых полимераз и белков в принципе ещё не было, РНК всё равно должно были размножаться. И поскольку мы знаем, что РНК обладает химической активностью, разумно предположить, что во время зарождения жизни аналогами белковых полимераз были рибозимные полимеразы, то есть РНК, способные размножать себя. Вероятно, что именно они и были первой полноценной формой жизни на Земле.
РНК быстро мутирует и вместо одного вида репликаторов появилось целое семейство РНК, которые имели сайт посадки рибозим-полимеразы, а, значит, размножались вместе с ней. В вопросах естественного отбора для них было важно сохранить этот сайт посадки, а остальная последовательность, исходно важная для самоудвоения, могла меняться куда свободнее. Таким образом, это семейство становилось всё более и более разнообразным, некоторые из таких рибозимов обретали новые функции и делали первую жизнь всё более многогранной в вопросах саморегулирования.
В какой-то момент в метаболизм первичной жизни включились аминокислоты, которые, возможно, исходно были важны в качестве катализаторов или играли роль буфера, поддерживая нужную кислотность и/или окислительно-восстановительный потенциал. Затем появились транспортные рибозимы, прототипы современных транспортных РНК, которые помогали удерживать аминокислоты рядом с местом размножения. Вместе с проторибосомальными РНК (сшивателями аминокислот в цепочку) они начали использоваться в синтезе первых пептидов (так называются цепочки аминокислот).
Такие пептидные буферы/катализаторы, по-видимому, оказались более выгодными и появился отбор на их контролируемый синтез. Вспомогательными молекулами стали матричные РНК, кодирующие последовательность для конкретных аминокислот в триплетах (тройках) нуклеотидов. Это стало началом новой формы хранения эгоистической информации: современных генов.
Длинные пептиды, имеющие стабильную форму — белки, — оказались очень полезны в управлении химическими процессами, поэтому кодирующие их гены стали распространяться всё активнее, пока в какой-то момент не появились белковые полимеразы (белки, помогающие копированию РНК или ДНК). Из-за большей скорости и точности копирования они победили исходные рибозим-полимеразы в конкурентной борьбе. Так первая жизнь на Земле погибла от рук собственного более прогрессивного потомства. РНК-мир окончательно стал РНК-белковым.
Белки оказались очень перспективным приобретением. Во-первых, с их помощью появилась возможность синтезировать мембраны, что несомненно стало двигателем прогресса. Правда, вместе с этим погиб и примитивный РНК-коммунизм: до этого все молекулы РНК обитали в гигантской глиняной околовулканической луже, где органика копилась между слоями неорганических молекул, но перемещалась относительно свободно. Органические мембраны же дали возможность защититься от притока случайных молекул и сэкономить ресурсы на производстве паразитарных эгоистичных элементов — первых вирусов.
Борьба с подселенцами оказалась мощнейшим двигателем прогресса: для того, чтобы различать своих и чужих, в протоклетках появился механизм узнавания последовательностей. Те молекулы, что не имели особых опознавательных участков уничтожались древними (уже белковыми!) механизмами молекулярного иммунитета — рестриктазами. В ходе конкурентной борьбы с ними вирусы изобрели более прочную версию РНК — ДНК. Её синтез (а вернее появление особого типа полимераз) оказался настолько полезной технологией, что со временем ДНК начали использовать почти все формы жизни для долгосрочного хранения информации. Появилась современная клеточная жизнь, такой как мы её знаем.
Осталось лишь понять, насколько вероятно было появление настолько длинных цепочек РНК, чтобы они потенциально могли начать размножаться. На этот вопрос я дам уверенный ответ: почти неизбежно. Современные исследования указывают на то, что вулканическое стекло служит отличным катализатором для появления первых РНК, а его на древней, геологически активной Земле должно было быть немало. Если процессы подобного синтеза происходили хотя бы в тысяче локаций по всей планете, неудивительно, что в одной из них всё-таки началась зарождаться жизнь. Причем совсем необязательно, чтобы РНК обладала полноценным стремлением к самоудвоению: скорее всего, эгоистичность этих цепочек росла постепенно, и со временем те варианты, которые влияли на равновесие синтеза на вулканическом стекле становились более распространенными, а уже среди них естественный отбор оставил, в конечном счёте, лишь первый репликатор и его ближайших родственников.
Конечно, мы не знаем (и наверняка не узнаем никогда), как именно был устроен первый репликатор, но можем обоснованно предполагать, какие механизмы способствовали его появлению и как он влиял на свою экосистему, даже несмотря на то, что он бесследно вымер в итоге конкуренции со своими эгоистическими потомками. Понимание физических принципов, способствующих появлению жизни, может сделать карту её пути достаточно понятной, пусть она и останется во многом упрощенной.
Теперь я предлагаю собраться с силами и сформулировать выводы:
1. РНК — первая и важнейшая молекула жизни, с самого её появления и до настоящего времени. Она контролирует потоки энергии и информации в клетке, задавая рамки приспособленности.
2. Формирование длинных молекул РНК достаточно вероятно, чтобы жизнь была закономерным следствием определенных условий. Это означает, что следует полагать самозарождение жизни на большинстве планет, близких по строению к Земле. Главный вопрос в том, что с этой жизнью происходит дальше.
3. Изначальной механикой жизни было самоудвоение определенного класса молекул РНК — рибозим-полимераз и их родственников. Вокруг этой особенности строится вся первичная экосистема.
4. Появление белков позволило первой жизни более тонко регулировать свойства окружения. У белковых генов было больше функционального разнообразия за счёт большего числа эффективных комбинаций и большей стабильности. Чем больше универсальности действий заложено в систему репликатора, тем он конкурентоспособнее.
5. Белковая жизнь оказалась настолько эффективной, что в ходе конкуренции уничтожила первые репликаторы: сейчас мы находимся на этапе Жизнь2.0. Это означает, что конкуренция между разными типами репликаторов может быть очень жесткой.
Спасибо всем, кто прошёл через эти тернии, чтобы добраться до звёзд (а о них мы действительно поговорим в следующих статьях). Знаю, что могло быть непросто, но уверенно понимая суть происходившего в прошлом, мы сможем рассуждать о будущем. И поскольку именно сейчас назревает новое противостояние репликаторов, важно использовать опыт прошлого конфликта, чтобы понять, как будет происходить новый и чем он закончится.
