Лестница жизни. Десять великих изобретений эволюции - Ник Лэйн

Вскоре Мартин и Кунин вместе занялись проблемой происхождения генов и геномов в гидротермальных источниках и в 2005 году опубликовали интереснейшую работу, в которой изложили свои мысли об этом предмете. Они предположили, что “жизненный цикл” минеральных клеток мог напоминать цикл современных ретровирусов, таких как ВИЧ. У ретровирусов крошечный геном, который записан не в ДНК, а в РНК. Проникнув в клетку, ретровирус копирует свою РНК на ДНК с помощью фермента, который называют обратной транскриптазой. Вначале эта новая ДНК встраивается в геном зараженной клетки, а затем считывается оттуда наряду с собственными генами хозяина. В итоге, когда вирус образует многочисленные копии самого себя, он работает с ДНК, но передавая наследственную информацию следующему поколению, он снова записывает ее на РНК. Примечательно, что такие вирусы не умеют реплицировать ДНК. Процедура ее репликации в целом довольно сложна и требует участия целого ряда разных ферментов.

Такой жизненный цикл имеет и свои достоинства, и свои недостатки. Главное его достоинство — скорость. Используя в своих целях имеющийся в клетке аппарат транскрипции с ДНК на РНК и трансляции с РНК на белки, ретровирусы обходятся без большого числа генов и тем самым экономят немало времени и ресурсов. Главный же недостаток состоит в том, что существование таких вирусов целиком и полностью зависит от “соответствующих” клеток. Другой, не столь очевидный недостаток заключается в том, что РНК как хранилище информации сильно уступает ДНК. Молекулам РНК свойственна меньшая химическая стойкость, то есть более высокая химическая активность, чем молекулам ДНК. Именно за счет этого РНК катализирует биохимические реакции. Но высокая химическая активность означает, что большие РНК-геномы нестойки и легко разваливаются. Из-за этого их максимально возможный размер намного меньше, чем требуется для независимого существования. Ретровирусы уже близки по сложности к уровню, предельному для жизненных форм с РНК-геномом.

Но только не для минеральных клеток. У минеральных клеток есть два преимущества, позволяющие этой жизненной форме достигать в ходе эволюции и более высоких уровней сложности. Первое состоит в том, что в щелочных гидротермальных источниках многие вещи, необходимые для независимого существования, имеются в свободном доступе. Это очень упрощало жизнь обитателям таких источников: у постоянно нарастающих минеральных клеток уже были и оболочки, и источник энергии, и многое другое. Поэтому в некотором смысле самореплицирующиеся РНК, колонизовавшие такие клетки, уже были вирусными. Второе преимущество состоит в том, что молекулы РНК в этих “стаях” могли постоянно перемешиваться в связанных между собой клетках, и отбор мог поддерживать те их группы, у которых лучше получалось “сотрудничать”, если они могли вместе распространяться, колонизуя новообразованные клетки.

Поэтому Мартин и Кунин предположили, что в минеральных клетках могли возникнуть целые популяции сотрудничающих друг с другом молекул РНК, каждая из которых кодировала небольшое число близких генов. Разумеется, у такой системы есть и существенный недостаток: популяции РНК легко смешивались бы друг с другом, образуя новые, часто неудачные комбинации. Минеральная клетка, которой удалось бы сплотить свой “геном”, синтезировав на основе группы сотрудничающих молекул РНК одну молекулу ДНК, тем самым сохранила бы все накопленные преимущества. Механизм ее самовоспроизводства напоминал бы механизм воспроизводства ретровирусов: с ее ДНК транскрибировалась бы стайка РНК, которые заражали бы соседние клетки, передавая им ту же способность хранить информацию в надежном ДНК-банке. Каждая новая волна РНК выдавалась бы уже этим банком, а значит, была бы лучше защищена от возможных ошибок.

Насколько сложно было бы минеральным клеткам “изобрести” ДНК в таких условиях? Возможно, не так уж сложно, во всяком случае гораздо проще, чем изобрести целую систему для репликации ДНК (а не РНК). Между РНК и ДНК есть лишь два крошечных химических различия, но вместе они составляют огромную структурную разницу — разницу между свернутыми каталитическими молекулами РНК и классической двойной спиралью ДНК (что, кстати, предположили еще Уотсон и Крик в своей первой публикации 1953 года)9. Мало что могло помешать соответствующим крошечным изменениям происходить в гидротермальных источниках почти самопроизвольно. Первое из них — это удаление из РНК (рибонуклеиновой кислоты) единственного атома кислорода, в результате чего получается дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Механизм, с помощью которого эта реакция осуществляется сегодня, по-прежнему включает химически активные посредники (свободные радикалы) того же рода, что встречаются в щелочных источниках.

Второе изменение — это добавление метальной группы атомов (СН3) к входящему в состав РНК азотистому основанию урацилу, из которого при этом получается входящий в состав ДНК тимин. Метильные группы в виде свободных радикалов образуются, в свою очередь, из осколков молекул метана, в изобилии имеющихся в щелочных источниках.

Выходит, сделать ДНК было сравнительно просто: она должна была образовываться в гидротермальных источниках столь же самопроизвольно, как и РНК (я имею в виду ее образование из несложных веществ-предшественников, катализируемое минералами, нуклеотидами, аминокислотами и так далее). Немного сложнее было сделать так, чтобы ДНК сохраняла закодированную в РНК информацию, то есть точно копировала последовательности букв молекул РНК в форме ДНК. Но и здесь нет никакой непреодолимой пропасти. Для синтеза ДНК на матрице РНК требуется всего один фермент — обратная транскриптаза, на которую сегодня полагаются ретровирусы, например ВИЧ. По иронии судьбы тот самый фермент, который нарушает “центральную догму молекулярной биологии” (“ДНК делает РНК делает белок”), видимо, и превратил пористый минерал, набитый “вирусной” РНК, в жизнь, как мы ее знаем! Возможно, что самим появлением органических клеток мы обязаны ферменту скромных ретровирусов.

В этом рассказе многое упущено, и многие загадки были пропущены, чтобы попытаться восстановить логику описываемых событий, по крайней мере так, как я ее себе представляю. Не стану делать вид, будто факты, которые мы здесь обсудили, дают нам неопровержимые доказательства, а не просто ключи к тайнам нашего древнейшего прошлого. Но все-таки это настоящие ключи, и какая бы теория ни оказалась правильной, она должна будет объяснять все приведенные здесь факты. Генетический код действительно демонстрирует определенные закономерности, указывающие на работу как химии, так и естественного отбора. Потоки, бурлившие в трубах глубоководных гидротермальных источников, действительно должны были приводить к накоплению нуклеотидов, РНК и ДНК, делая минеральные клетки, пронизывавшие стенки этих труб, идеальной средой для “мира РНК”. А между археями и бактериями действительно есть глубокие различия, от которых нельзя просто так отмахнуться. Они определенно указывают на то, что жизнь, как мы ее знаем, вышла из процесса, напоминающего жизненный цикл ретровирусов.

У меня вызывает огромный восторг сознание того, что история, которую мы здесь разобрали, может быть правдой, но одна затаенная мысль все же заставляет меня сомневаться. Я говорю о том выводе, что клеточная жизнь вышла из глубоководных гидротермальных источников дважды. Могли ли стаи РНК “заражать” соседние источники, постепенно завоевывая обширные зоны на дне океана, давая естественному отбору возможность работать в глобальном масштабе? Или необычные условия одного конкретного источника по какой-то причине оказались исключительно благоприятны и именно из него вышли археи и бактерии? Возможно, мы никогда этого не узнаем, но описанная здесь игра случая и необходимости дает нам всем хороший повод задуматься.