Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя? - Евгений Плисов

Максимально удаленная обнаруженная на данный момент экзопланета находится на расстоянии 27 710 световых лет от нас. По сравнению со звездами, галактиками и пульсарами не очень впечатляет. Планеты намного тусклее, чем звезды, и светятся только благодаря отражению света материнского светила. Мы их обнаруживаем в основном не по их собственному свету, а по потускнению звезды, если планета проходит между нами и этой звездой. Если вдруг звезда теряет в светимости на доли процента, это означает, что часть ее света чем-то поглощается, и зачастую это будет планета на ее орбите. По периодичности поглощения и по степени этого поглощения мы можем высчитать диаметр планеты и радиус ее орбиты. Более того, по свету звезды, прошедшему через атмосферу планеты, мы можем судить о составе той самой атмосферы. По той же причине мы можем рассуждать о массе планеты, поскольку, когда планета крутится вокруг звезды, она ее притягивает. Звучит странно, но, когда планета крутится вокруг звезды, звезда также вертится вокруг планеты, просто масса звезды намного больше, и мы этого не замечаем. Точка их суммарного вращения находится на небольшом расстоянии от центра звезды, поэтому она будет колебаться. По этому колебанию мы и можем высчитать, во-первых, что вокруг звезды что-то вертится и, во-вторых, какой массой это что-то обладает. Примерно, разумеется.

Остается главный вопрос – что собой представляла первая жизнь? Что было первичным: обмен веществ и энергии, к которому в дальнейшем подключилась информация в виде молекул РНК (рибонуклеиновой кислоты) и ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), либо же наоборот? Теории, основывающиеся на возникновении жизни в черных курильщиках или грязевых вулканах, предполагают первый вариант. Концепция «железо-серного мира» гласит, что сперва были циклические процессы, основанные на соединениях серы и железа для получения энергии. Вариация в виде «цинкового мира» рассматривает грязевые вулканы как колыбель биологии, где катализаторами химических реакций были сульфид цинка (ZnS) и сероводород (H2S), а энергия для реакций поступала из ультрафиолетового излучения. В пользу гипотезы цинкового мира также говорит тот факт, что в известных РНК-структурах встречается цинк и марганец, ведущий себя подобно цинку, а железо отсутствует. Многие рибозимы, то есть РНК, обладающие каталитическим действием, для своей работы требуют ионов металлов, а именно магния, цинка и марганца, а железа – нет. Возможно, когда-то в грязевом вулкане, обогащенном калием, фосфором, ионами цинка и марганца, где всегда тепло и уютно, где есть пористые минералы, в которые можно забраться и спокойно развиваться, появился первый живой организм.

Первые молекулы информации, РНК, постоянно попадали под ультрафиолетовое излучение Солнца, и среди них происходил естественный отбор по способности противостоять этому разрушительному влиянию света. Чем вы больше и крепче, чем меньше у вас проблем с хиральностью (это когда ваша молекула имеет зеркального брата), чем сложнее ваша структура, тем больше у вас шансов выжить. Осталась последняя маленькая проблема – научиться копировать самих себя и ускорять это копирование, с чем, судя по всему, крохотные молекулы справились. Начинается мир РНК.

Сперва поясню, что такое РНК и зачем она нужна. Представьте, что живая клетка – это крупный промышленный завод. Завод обязательно должен располагаться на определенной ограниченной территории. У клетки тоже есть такое ограничение, своеобразный забор – мембрана. Мембрана может быть окружена разными слоями в зависимости от того, насколько прочный и высокий забор вашему заводу нужен, но в любом случае мембрана есть. Внутри клетки имеются многочисленные структуры, ответственные за определенные функции. Если мы говорим о клетке с ядром, то есть об эукариоте (например, о нас с вами), то у нее есть различные органеллы. Митохондрия словно электростанция обеспечивает нашу клетку энергией, лизосомы похожи на столовые, эндоплазматический ретикулум работает как сборочный конвейер для товаров, аппарат Гольджи схож с цехом упаковки. Центром управления заводом будет ядро – там хранится вся информация о работе всего сложного сооружения.

Рабочие руки на нашем импровизированном заводе – белки. Белки ускоряют реакции и делают это благодаря своей форме, своей структуре. Представьте, что на завод попадает новая партия сырья и срочно нужны новые руки для разгребания неожиданно свалившегося счастья. Клетка не может дать объявление о найме новых работников, она должна все делать сама, и для этого у нее есть специалисты – рибосомы. Рибосома готова сделать нового работника, лишь бы у нее была информация о нем: сколько рук, ног, насколько он пузатый и какого цвета кепка на его голове. Представим, что бригадир-рибосома отправляет запрос в командный центр, мол, срочно дайте инструкцию для изготовления новых работников. Боссы в ядре вам так просто информацию не дадут. Информация хранится в виде ДНК – устойчивой сложной структуры, и чаще всего – в единственном числе. Оригинал инструкции о новом работнике вы бригадиру не дадите, мало ли что он с ним сделает: потеряет, порвет, испачкает, пропьет, в конце концов. Нельзя, не положено. Зато можно сделать недолговечную копию на дешевой бумаге – в нашем случае это будет молекула РНК – и послать нетерпеливой рибосоме. РНК через какое-то время сама разрушится или ей в этом помогут, ее не жалко. Рибосома захватит ее, считает информацию, сделает новые белки, сырье будет переработано, а драгоценная ДНК останется в безопасности. Фишка в том, что молекула РНК может быть не только информацией – она сама может стать и бригадиром, и работником. Такие молекулы называются «рибозимы» – РНК, обладающие ферментативной активностью. Мало того, что они могут выполнять простые функции вместо белков, они еще и способны копировать сами себя. То есть и хранить информацию, и ускорять собственный же синтез.

С рибозимами интересно ставить занимательные эксперименты. Если вы возьмете пробирку с рибозимами, обладающими способностью к самокопированию, и будете потихоньку добавлять ядовитое для них вещество (бромистый этидий), то они начнут к нему адаптироваться. Все молекулы чуть-чуть разные, копирование часто происходит с ошибками, и в этой неидеальности копирования скрыта сила всей нам известной жизни – сила изменчивости. В нашем эксперименте молекулы начнут пытаться копировать сами себя, при этом им мешает яд, но есть некоторые из них, кому этот яд мешает чуть меньше. Это происходит из-за того, что во время рождения они словили мутацию, чуть-чуть изменившую их структуру. Пока все делятся медленно, они делятся быстрее и быстрее заполняют свободное пространство. Перенесем небольшой объем среды пробирки из первой пробирки в новую, со свежей средой. Опять добавим немного бромистого этидия и понаблюдаем. Цикл приспособленности пойдет на новый виток, и так можно делать до посинения, пока у вас не останутся абсолютно устойчивые к яду молекулы. Они эволюционировали.

Если вы упростите эксперимент, уберете яд и просто будете наблюдать, как молекулы борются за выживание, вы поразитесь. Исследователи из Института Скриппса в Калифорнии смоделировали цикличные условия, где есть ограниченные ресурсы для построения молекул, они постепенно расходуются, а затем новые ресурсы появляются извне для поддержания гонки вооружений, и оставили молекулы сражаться на три дня. За трое суток некоторые молекулы смогли словить 11 мутаций, которые повысили их каталитическую активность в 90 раз! В 90 раз они ускорили собственный рост, пытаясь выжить в этом мире и как можно быстрее заполнить пространство вокруг. На ранних этапах жизни, возможно, происходили именно эти события. В циклических условиях, где периодически заканчивались ресурсы и затем появлялись вновь, где главенствуют суровые законы «размножайся или исчезнешь», где были компоненты для построения собственной молекулы – первые РНК начали процесс эволюции, длящийся до сих пор. Со временем они отдали заботу о хранении информации более стабильной молекуле ДНК, заботу об ускорении реакций белкам, а сами остались посредником между двумя этими процессами. Пористые породы, возможно, подарили им первый уютный домик и помогли облачиться в жировую мембрану. Так началась эра живой планеты.