Клеймо создателя. Гипотеза происхождения жизни на Земле

Филатов Феликс П.

О второй Великой Молекулярной Революции (возникновении генетического кода), которая обеспечила колоссальные селективные преимущества обладателям операционной системой молекулярной памяти, не так легко сказать «однажды достигнутая». Возникновение хиральной чистоты – процесс практически одноактный – в том смысле, что она либо есть (и тогда жизнь оказывается возможной), либо ее нет. Возникновение компартментализации – в том же смысле – не имеет промежуточных этапов: она либо есть, либо ее нет. Существование какой бы то ни было клеточной стенки и ее дальнейшая эволюция – события принципиально одноплановые. Генетический же код – в том смысле, какой в это понятие вкладывают учебники – просто не мог возникнуть сразу, «однажды». То, что обычно называется кодом – это предмет договора, условность, вещь конвенциальная. В отношении генетического кода нет договаривающихся сторон, поэтому этот термин иногда характеризуется как метафора. Он должен быть совершенно естественным продуктом, предметом физикалистского

подхода в рамках молекулярно-биологической аксиоматики. В то же время – и мы это увидим далее – его организация очевидно выходит за эти рамки. Кроме того, он относится к двадцати белокобразующим аминокислотам, и его возникновение должно было, таким образом, пройти, по крайней мере, двадцать шагов, каждый из которых должен был учитывать не только пройденный уже путь, но и каким-то образом сообразовываться с дальнейшими. Более того, совершенно неочевидна и химия этих процессов. Необсуждаемым в учебниках свойствам генетического кода и выводам, которые за ними могут стоять, и посвящена вторая часть этой книжки, для которой первая, заканчивающаяся следующей главой, – просто необходимое вступление).

…………………

Несколько слов о номере этой главы. Несмотря на обещание не касаться более ставших скучными рассуждений относительно числа 111, помещаемых в конец очередной главы, Автор – с массой извинений – еще один раз напоминает о нем. В четырнадцатиричной системе счисления (таблица в Главе 1 [II]) этому числу соответствует информационная сигнатура 11114. Почему мы опять о ней вспомнили – да еще в такой экзотической системе счисления – автор попытается пояснить позднее.

Глава G.

Переход к биогенезу (IX)

Описывая молекулярные события пост-абиогенеза, которые привели к появлению примитивных биологических машин, профессор Марчелло Барбьери 48 начинает с возникновения простейших из них – тех, что обеспечивали соединение однотипных молекул в полимеры; он называет их связывающими машинами, bondmakers. Не знаю, как поточнее перевести на русский этот термин, назову его, например, коннектором. Но не в том смысле, какой вкладывается в понятие связующее звено, а в том, каким обозначается инструмент для связи таких звеньев. Например, инструмент, с помощью которого две маленькие свинцовые «таблетки» сплющиваются в пломбу, зажимающую две веревочки, целость которых свидетельствует о сохранности опломбированного груза, – не помню, он, кажется, называется пломбир? Так что bondmaker можно перевести и смешным словом пломбир.

48

M. Barbieri (Ed.), 2008, «The Codes of Life (Rules of Macroevolution)», Springer

Некоторые из этих молекулярных машин связывали аминокислоты, другие – азотистые основания, третьи – сахара и т. д. Поскольку рибосомальные РНК – и даже их короткие фрагменты – способны в эксперименте способствовать формированию пептидных связей, первыми коннекторами могли быть именно молекулы РНК небольшого размера. Стоит помнить при этом два обстоятельства.

Во-первых, эти коннекторы работали как ко-факторы, то есть, как энзимы (или рибозимы, как их называют). Другими словами, одна и та же молекула рибозима могла использоваться многократно. В какой-то мере этот процесс удалось смоделировать Сиднею Фоксу 49 , который соединил аминокислоты в короткие нерегулярные цепи, осуществив безматричный синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе.

49

Фокс С., Дозе К., 1975, «Молекулярная эволюция и возникновение жизни», М., 1975

Во-вторых, все эти Великие Молекулярные Революции, Большие Скачки и тому подобное – описывают события тех лет весьма условно. Рибозим мог работать как коннектор для полимеризации, скажем, нуклеотидов. Но ведь он и сам был молекулой нуклеотидного полимера! И должен был – совершенно по другой схеме – без предсуществовавших коннекторов – собраться, случайно обладая пригодившейся позднее функцией. Событие, конечно, возможное, но еще раз показывающее весьма метафорический характер выражения Молекулярная Революция. Порядковые номера этих Революций и Скачков тоже не менее условны: вс происходило – в известном смысле – очень быстро и в общем плавильном котле, где уловить порядок событий было бы просто невозможно. РНК-мир, весьма вероятно, существовал какое-то время – до появления ДНК, –

но и ему предшествовали масштабные события, о которых можно пока только гадать. Причем температура этого «котла» могла быть и низкой: многие рибозимы эффективно работают у точки замерзания воды – и даже ниже. Каким образом произошел сдвиг к миру РНК от абиогенно сформированных накануне каталитических гиперциклов, обладающих некоторыми свойствами живых систем? Как РНК стала участником таких самоподдерживающихся реакций, а затем и вовсе вытеснила конкурентов из биогенного мейнстрима, оставив появившимся много позднее, но совершенно очевидно в результате ее победы, исследователям только одни вопросы?

В 70-х годах ХХ века в клетках некоторых организмов были обнаружены ферменты белковой природы, которые включали в свой состав кроме белка ещ и молекулу РНК. Вначале считалось, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом. Однако, вскоре было замечено, что даже после удаления белка из ферментативного комплекса оставшаяся РНК способна катализировать специфическую реакцию. Более того, даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать эту реакцию. Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами. За их открытие в 1989 году Томас Чек и Сидни Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии. Были обнаружены молекулы РНК, способные нести генетическую информацию и одновременно катализировать химические реакции. РНК была объявлена родоначальницей доклеточной жизни.

Позднее было показано, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков – соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта ещ более упрочило позиции сторонников РНК-мира. «Действительно, если спроецировать современную картину жизни на е возможное начало, разумно предположить, что рибосомы – структуры, специально существующие в клетке для дешифровки информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах, и для производства белка, – возникли как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков». Функции РНК весьма многообразны. Они не только катализируют химические реакции, но и защищают клетки растений и низших животных от вторжения вирусов. У высших животных такие «малые РНК» могут участвовать в регуляции считывания генной информации с хромосом. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт ввл в оборот выражение мир РНК, имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни.

Теория РНК-мира, однако, полна противоречий. Сложность искусственного синтеза олигонуклеотидов заставила Фреда Хойла, известного британского астрофизика и «друга парадоксов», заявить, что идея РНК-мира «столь же нелепа, как и предположение о возможности сборки Боинга 747 ураганом, пронсшимся над мусорной свалкой». Остатки первых примитивных клеток обнаруживаются в слоях, относящихся к периоду 3,5—3,8 млрд лет тому назад. Предположение же, что жизнь не могла зародиться раньше, чем 4 млрд лет назад, не оставляло времени для развития доклеточного РНК-мира. С этим согласились и такие сторонники (и основатели) гипотезы РНК-мира, как Чек и Оргел. Кроме того, было показано, что однонитчатая ДНК может служить даже лучшим ферментом, чем РНК. При этом ДНК гораздо более устойчива во внешней среде, что дат ей немалое преимущество. Еще один доклеточный короткоживущий мир? Еще одна гипотеза – того же типа? Но есть и другие, и их множество.

Многие аспекты проблемы (термодинамика, упорядочивание, фрактальность и линейность живых систем) описаны, например, в упомянутой выше книге Эрика Галимова (тоже, кстати, начатой в свободное время, то есть на больничной койке, но имеющей, в отличие от этой, скорее, характер монографии) и в других, опубликованных в разных странах. Не будем излагать все, отметим любопытные. Одна из гипотез – гидратная, как назвали ее авторы 50 – В. Е. Островский и Е. А. Кадышевич – предполагает, что простейшие элементы живой материи многократно образовывались и, возможно, сегодня образуются в недрах Земли из метана (или другого углеводорода), селитры и фосфата в полостях газовых гидратов. Авторы называют ДНК и РНК простейшими формами доклеточной живой материи, а азотистые основания и сахара, которые входят в состав нуклеиновых кислот, – простейшими элементами живой материи. В такой терминологии вирусы «и даже вироиды», как они пишут, следует рассматривать как живые субстанции. Гипотезу составляют три предположения, которые ее авторы формулируют следующим образом.

50

В. Островский и Е. Кадышевич, «Химия и жизнь» №5, 2009; Журнал физической химии, т.83, №11, Ноябрь 2009, стр. 2137—2144

В природе существуют трехмерные геометрические матрицы с полостями разных размеров, соответствующими размерам функциональных групп молекул ДНК и РНК, которые способны формировать сразу много молекул нуклеиновых кислот, сходных по строению, но различающихся по последовательности присоединения азотистых оснований. Матрицы довольно широко распространены в природе и строго детерминированы, но вместе с тем могут несколько видоизменяться в зависимости от окружающих условий. Глубоко под поверхностью земли условия гораздо стабильнее, чем на границе раздела фаз Земля/атмосфера, и это благоприятно для протекания длительных однонаправленных процессов.